王紅，劉彬彬，張于賢，周清華，智國建，貴文龍

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林541004)

在航空、航天、核技術(shù)、化學(xué)工業(yè)、石油化工、天然氣、人造水晶、合成金剛石、等靜壓處理、超高靜液壓擠壓、粉末冶金、金屬成型以及地球物理、地質(zhì)力學(xué)等領(lǐng)域中，靜液超高壓力環(huán)境得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1－4］。作者在多年的實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)靜液壓超高壓力環(huán)境的簡(jiǎn)易方法，現(xiàn)介紹如下。

1 靜液超高壓力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

1.1 方法原理

如圖1 所示為靜液超高壓力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)原理圖，油泵1 產(chǎn)生的壓力油經(jīng)增壓器3 進(jìn)入缸體6，壓力油的壓力可由溢流閥2 調(diào)定。當(dāng)溢流閥2 的調(diào)定壓力一定后，通過增壓器可把此調(diào)定壓力增大至一定的超高壓力值(壓力大于100 MPa 即為超高壓力)，此超高壓力油液通過兩個(gè)單向閥4 進(jìn)入超高壓缸體6。超高壓缸體6 的進(jìn)油口及出油口分別與單向閥和卸荷閥相連，以保證超高壓缸體6 內(nèi)的壓力油處于相對(duì)靜密封狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)靜液超高壓力環(huán)境。

圖1 靜液超高壓力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)原理

1.2 主要元件功能簡(jiǎn)介

在圖1 中，主要元件有油泵1、增壓器3、溢流閥2、蓄能器5、單向閥4、超高壓缸體6、卸荷閥7等。各元件的主要功能如下:

油泵1 實(shí)現(xiàn)超高壓力環(huán)境的壓力源，在實(shí)際工作中作者所用泵的額定壓力為20 MPa。

增壓器3 把油泵2 的出口壓力增大至超高壓力，作者在實(shí)際工作中所用增壓器的增壓比為1∶20，因此增壓器的出口壓力可達(dá)400 MPa。

溢流閥2。當(dāng)置溢流閥一調(diào)定壓力后，通過該閥對(duì)泵的出口壓力起溢流限壓作用。

蓄能器5。由于壓力油的泄漏會(huì)引起超高壓缸體6 內(nèi)的壓力減小，通過蓄能器5 的補(bǔ)油可使超高壓缸體6 內(nèi)的壓力基本穩(wěn)定，維持靜液超高壓力環(huán)境。

單向閥4 防止蓄能器5 及超高壓缸體6 內(nèi)壓力油泄漏。

卸荷閥7。當(dāng)需要解除某靜液超高壓力環(huán)境時(shí)，通過卸荷閥7 卸荷即可。另外，通過分別置溢流閥2及卸荷閥7 至一新的調(diào)定壓力，即可構(gòu)建一新的靜液超高壓力環(huán)境。

超高壓缸體6 形成特定的靜液超高壓力環(huán)境。

2 一種超高壓力缸體彈性線應(yīng)變的測(cè)量原理

設(shè)超高壓力缸體外徑為d，缸體直徑增大值為Δd，根據(jù)線應(yīng)變的定義，超高壓力缸體的徑向線應(yīng)變?chǔ)舝和周向線應(yīng)變?chǔ)舤分別為:

由式(1)、(2)可得:

由上式可知:對(duì)于一給定的超高壓力缸體，只要測(cè)量出缸體直徑的增大值Δd，即可按式(3)計(jì)算出缸體的徑向線應(yīng)變?chǔ)舝和周向線應(yīng)變?chǔ)舤。

3 實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖2 為利用靜液超高壓力環(huán)境測(cè)量超高壓力缸體彈性線應(yīng)變的原理圖，從圖2 (a)可以看出百分表8安裝在超高壓缸體6 的外表面，其安裝方式如圖2 (b)所示。

圖2 超高壓力缸體彈性線應(yīng)變的測(cè)量原理

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)所用的試件是一個(gè)超高壓缸體，材料為2Cr13，外徑D =80 mm，內(nèi)徑d =23 mm。加壓設(shè)備為數(shù)控萬能水切割機(jī)。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

由超高壓容器(管道、缸體)的強(qiáng)度理論分析可知，該超高壓缸體的彈性失效壓力為250 MPa［5］，即當(dāng)壓力不超過250 MPa 時(shí)缸體所產(chǎn)生的變形為彈性變形，此時(shí)由百分表所測(cè)出的缸體直徑增大值及其所對(duì)應(yīng)的線應(yīng)變就是剛體的彈性線應(yīng)變。根據(jù)百分表的測(cè)試精度，超高壓缸體內(nèi)的壓力不能太小，否則由于變形太小而導(dǎo)致測(cè)量誤差太大，結(jié)果不準(zhǔn)確。在該實(shí)驗(yàn)中，首先將溢流閥調(diào)節(jié)到較低的調(diào)定壓力160 MPa，油泵加壓至此壓穩(wěn)定后保壓10 min，保壓過程中記錄下百分表的讀數(shù)(此讀數(shù)反映了超高壓缸體直徑的彈性總變形，即直徑的增大值)，然后緩慢卸壓，完全卸壓后等待10 min，使彈性變形得到恢復(fù)，然后將溢流閥的調(diào)定壓力按10 MPa 步長(zhǎng)增大，直至壓力達(dá)到240 MPa 為止。在各個(gè)不同的調(diào)定壓力下重復(fù)上述步驟，注意記錄在保壓時(shí)超高壓缸體直徑的增大值。需要提醒的是:卸壓后至少要等待10 min，以盡量消除前次的實(shí)驗(yàn)值對(duì)后面實(shí)驗(yàn)值的影響。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)過程和要求，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1 所示。

表1 超高壓缸體在不同壓力下直徑的增大值

3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)公式(3)，即可計(jì)算出在各個(gè)不同壓力下超高壓缸體的徑向線應(yīng)變和周向線應(yīng)變，如表2 所示。

表2 超高壓缸體在不同壓力下的徑向線應(yīng)變和周向線應(yīng)變

4 結(jié)果分析

根據(jù)胡克定律，材料的彈性變形與載荷成正比，但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，無論表1 還是表2 均看不出這種明顯的線性關(guān)系。這主要是由以下幾方面的原因造成的: (1)該實(shí)驗(yàn)中的超高壓力缸體的徑比k =80/23 =3.48，屬超高壓厚壁圓筒，其應(yīng)力呈三向應(yīng)力分布，不是簡(jiǎn)單的單向應(yīng)力分布，其應(yīng)力是以當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算的，該應(yīng)力與缸體內(nèi)壓并非呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［6－11］;(2)該實(shí)驗(yàn)中超高壓力缸體的變形是微變形，測(cè)量系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響; (3)測(cè)量過程中，液體動(dòng)壓及熱效應(yīng)也會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的誤差［12］。盡管有上述因素導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差，但就該方法的實(shí)用要求而言，與缸體的微變形相對(duì)應(yīng)的線應(yīng)變最大不超過0.5%，其誤差所對(duì)應(yīng)的線應(yīng)變誤差更比0.5%小得多。因此，采用文中方法測(cè)量超高壓力缸體的彈性線應(yīng)變完全可以滿足實(shí)際需要。

5 結(jié)束語

以油泵、增壓器及超高壓缸體為核心，再借助于溢流閥、單向閥、卸荷閥及蓄能器等控制元件和輔助元件，設(shè)計(jì)了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)最高壓力達(dá)400 MPa 靜液超高壓力環(huán)境的液壓系統(tǒng)，同時(shí)介紹了基于該靜液超高壓力環(huán)境測(cè)量超壓力缸體彈性線應(yīng)變的原理和方法。該方法操作簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠，尤其適用于合金鋼類高強(qiáng)度鋼材料，對(duì)研究熱套型高壓容器、自增強(qiáng)高壓容器、超高壓液壓缸等均具有一定的借鑒作用。

【1】茅根新，顧素蘭，何磊.超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在管道檢驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.化工裝備技術(shù)，2011，32(6):53 －55.

【2】林猛，牛迎戰(zhàn). 漏磁檢測(cè)技術(shù)在成品油管道中的應(yīng)用［J］.化工機(jī)械，2011，38(5):618 －619.

【3】孥宏，王蘭蘭，張冬生，等.負(fù)壓波輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(2):340 －342.

【4】滕延平，韓樹強(qiáng)，蔣國輝，等.PCM 檢測(cè)技術(shù)在埋地鋼制管道上的應(yīng)用［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2010(4):18 －20.

【5】張于賢，王紅.關(guān)于材料屈服強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2005(11):43 －45.

【6】張于賢，王紅. 關(guān)于厚壁圓筒自增強(qiáng)容器的理論研究［J］.機(jī)械，2004，31(8):43 －45.

【7】張于賢.測(cè)定厚壁圓筒彈性失效壓力的液壓方法［J］.液壓與氣動(dòng)，2006 (8):78 －79.

【8】王紅.測(cè)定厚壁圓筒彈性極限壓力的液壓實(shí)驗(yàn)方法［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(2):140 －141.

【9】王紅.測(cè)定材料屈服極限的一種簡(jiǎn)易方法［J］. 兵器材料科學(xué)與工程，2005，29(6):40 －42.

【10】張于賢，王紅.一種測(cè)定厚壁圓筒彈性失效壓力的方法［J］.礦山機(jī)械，2006，35(4):102 －103.

【11】張于賢，廖振方，王紅，等.確定厚壁圓筒初始屈服壓力的一種實(shí)驗(yàn)方法［J］.中國工程科學(xué)，2005，7(11):72 －75.

【12】戰(zhàn)人瑞，陶春達(dá)，呂瑞典.自增強(qiáng)容器最佳超應(yīng)變數(shù)值分析［J］.石油化工設(shè)備，2003(11):23 －26.