一種用於長時穩定加載的液壓加載系統的製作方法

2023-09-10 17:31:05

本發明涉及液壓加載設備技術領域，特別是涉及一種用於長時穩定加載的液壓加載系統。

背景技術：

長時穩定加載系統廣泛應用於材料蠕變特徵測試、抗滲等級測試、水力切割、頁巖氣開採的水壓致裂、煤礦資源開採水力切煤等領域，這類系統具有一個共性：即在一定的時間長度內，需要設備向目標對象持續穩定的輸出壓力，且不需要短時間高頻率地往復加卸載。

材料的蠕變特性及滲透性測試過程中，壓力的耗散是持續且穩定的，為了維持壓力的穩定，需要油泵、水泵等增壓器持續不斷的工作，雖然緩慢增壓過程對設備的損傷較小，但是由於這類實驗加載歷時超長(數周甚至數月)，消耗的電力能源驚人。

水力切割、頁巖氣開採的水壓致裂、煤礦資源開採水力切煤等技術的發展，為推動科學技術的進步發揮了舉足輕重的作用，為滿足需要，這類技術需要持續不斷的提供高壓水體，由於這類技術應用過程中，水量流失速率快且不可預知，為了維持水體的壓力，需要增壓泵持續不斷的高強度工作，並時常遭受水擊現象的侵蝕，使得增壓泵關鍵部件極易損壞，設備使用及維護成本高昂，限制了這類技術的推廣。

亟待找尋一種在滿足節能需求的同時，又能夠提供足夠壓力的液壓加載系統，是解決長時加載系統運營成本和能耗高的關鍵。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用於長時穩定加載的液壓加載系統，解決現有技術中存在的長時加載系統運營成本和能耗高的問題。本發明通過高壓氣體為動力源，驅動液體介質向目標對象施加荷載，進而長時穩定提供壓力，有效解決增壓泵等設備帶來的高運營成本和高能耗問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：

本發明提供了一種用於長時穩定加載的液壓加載系統，包括儲氣裝置、換向閥和儲液裝置，所述儲氣裝置的出氣孔通過第一高壓輸氣管與所述換向閥的一端連通，所述電磁換向閥的另一端通過第二高壓輸氣管與所述儲液裝置連通，所述儲氣裝置還設置有進氣管，所述儲液裝置還設置有出液管。

優選的，所述儲氣裝置的頂部設置有第一壓力表；

優選的，所述儲液裝置的頂部設置有第二壓力表；

優選的，所述出氣孔設置在所述儲氣裝置的底部，所述儲液裝置底部設置有出液孔，所述出液孔設有電磁開關，所述出液孔連通所述出液管；

優選的，所述進氣管與所述儲氣裝置的連接處設置有第一單向閥，所述第一單向閥設置在所述儲氣裝置的頂部；

優選的，所述進氣管用於連通供氣設備與儲氣裝置；

優選的，所述第二高壓輸氣管與所述儲液裝置的連接處設置有第二單向閥，所述第二單向閥設置在所述儲液裝置的側壁頂部；

優選的，所述換向閥為電磁換向閥。

本發明相對於現有技術而言取得了以下技術效果：

1、本發明的長時穩定加載的液壓加載系統，通過將儲氣裝置的高壓空氣注入到儲液裝置內，通過高壓空氣對儲液裝置內的液體進行推動，通過出液孔將液體推出，液體的流速以及壓力可以根據具體工況進行調節，進而獲得所需要的液體工作狀態。本發明液壓加載系統取代現有技術中通過往復泵對液體進行加載，能夠進行長時間的液壓加載，設備沒有易損件，能耗低，控制過程簡單，而且設備簡單，材料易取，易加工，成本低。

2、本發明的長時穩定加載的液壓加載系統，具有長時間穩定加載的特性，因此，作為一種液壓加載源頭能夠為多個領域做動力加載源，例如材料蠕變特徵測試、抗滲等級測試、水力切割、頁巖氣開採的水壓致裂、煤礦資源開採水力切煤等領域，本發明的液壓加載系統由於能夠完成長時穩定加載，在上述技術領域中完全可以替代往復泵等動力設備，而且效果更好，能耗更低。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例液壓加載系統的整體結構示意圖；

圖2為本發明實施例儲氣裝置壁厚與球體半徑比值和設計壓力的關係曲線；

圖3為本發明實施例儲液裝置頂底面壁厚與柱高的比值與設計壓力的關係曲線；

其中，1-儲氣裝置、2-儲液裝置、3-電磁換向閥、4-第一單向閥、5-第一壓力表、6-出氣孔、7-第一高壓輸氣管、8-第二高壓輸氣管、9-第二單向閥、10-出液孔、11-第二壓力表、12-出液管、13-進氣管。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明的目的是提供一種用於長時穩定加載的液壓加載系統。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

實施例1：

如圖1-3所示，本實施例是對本發明一種用於長時穩定加載的液壓加載系統的結構和工作原理做進一步詳細說明。

如圖1所示，本實施例提供了一種用於長時穩定加載的液壓加載系統，包括儲氣裝置1、換向閥和儲液裝置2，儲氣裝置1的出氣孔6通過第一高壓輸氣管7與換向閥的一端連通，電磁換向閥3的另一端通過第二高壓輸氣管8與儲液裝置2連通，在儲氣裝置1的頂部設置有第一壓力表5，儲液裝置2的頂部設置有第二壓力表11，

儲氣裝置1還設置有進氣管13，出氣孔6設置在儲氣裝置1的底部，儲液裝置2底部設置有出液孔10，出液孔10設有電磁開關，出液孔10連通出液管12，出液管12用於連通外部加載設備並提供所需動力。

進一步的，進氣管13與儲氣裝置1的連接處設置有第一單向閥4，第一單向閥4設置在儲氣裝置1的頂部；第二高壓輸氣管8與儲液裝置2的連接處設置有第二單向閥9，第二單向閥9設置在儲液裝置2的側壁頂部，上述連接處設置單向閥防止高壓氣體的逆流。

具體的，本實施例中儲氣裝置1為球形儲氣裝置1，儲液裝置2為圓柱儲液裝置2，換向閥採用的電磁換向閥3；進氣管13用於連通外部氣體壓縮裝置，一般通用的為空氣壓縮機。

本實施例加載系統中關於儲氣裝置1充入氣體的理論分析：

氣態方程如下式所示：

pv＝nrt

式中：p為氣體的壓強，v為氣體的體積，n為氣體物質的量，t為氣體的熱力學溫度；r為理想氣體常數。

氣態方程表明

1)當外界環境溫度保持不變，且沒有氣體介質逸出或進入時，氣體的壓強與體積的乘積為常數。即當氣體的體積發生微小變化時，氣體壓強的變化量滿足下式：

2)當外界環境溫度發生波動，但沒有氣體介質逸出或進入時，假定氣體體積保持為常數，則氣體壓強的變化量滿足下式：

本實施例用於長時穩定加載的液壓加載系統的系統設計和具體的實施過程如下：

1、系統設計

本實施例以長時穩定壓力為σ進行設計，安全係數設計為2.0。

如圖2所示，儲氣裝置1為半徑為r的球體，腔體材料選擇45#鋼(屈服強度335mpa)；計算得到所述儲氣裝置1的壁厚δ和半徑r的比值與σ的關係服從圖2所示關係。

如圖3所示，所述儲液裝置2為圓柱體，設其內徑與球體半徑一致，則柱體側壁厚與設計壓力的關係也服從圖2所示曲線規律，頂底面壁厚δ和柱高h的比值與σ的關係服從圖3所示關係。

2、實施過程

實施過程以儲氣裝置1內裝壓縮空氣和儲液裝置2內裝純水為例，供氣設備選擇空壓機。

階段1：加載系統的裝配

根據設計要求加工製作儲氣裝置1與儲液裝置2後，結合設計壓力選配電磁換向閥3和第一高壓輸氣管7、第二高壓輸氣管8和出液管12，並將第一單向閥4、第二單向閥9、出氣孔6、出液孔10、第一壓力表5和第二壓力表11裝配到儲氣裝置1及儲液裝置2對應的預留孔內，然後通過第一高壓輸氣管7將儲氣裝置1的出氣孔6與電磁換向閥3相連接，通過第二高壓輸氣管8將儲液裝置2的第二單向閥9與電磁換向閥3相連接，完成加載系統的裝配。

階段2：系統加載

步驟s1：氣密性檢測

通過進氣管13將空壓機與儲氣裝置1相連，首先關閉電磁換向閥3，阻斷第一高壓輸氣管7與第二高壓輸氣管8的通路，打開出氣孔6向第一高壓輸氣管7的開關，啟動空壓機，向儲氣裝置1中泵入高壓氣體，待儲氣裝置1上的第一壓力表5示數達到目標壓力後，關閉空壓機，檢查儲氣裝置1的氣密性；然後關閉出液孔10，打開電磁換向閥3，連通第一高壓輸氣管7與第二高壓輸氣管8，將儲氣裝置1中的高壓氣體向儲液裝置2中泵入，再啟動空壓機，繼續向儲氣裝置1中泵入高壓氣體，待儲氣裝置1上的第一壓力表5與儲液裝置2上的第二壓力表11示數重新達到目標壓力後，關閉空壓機和電磁換向閥3。觀察第二壓力表11的示數，檢查儲液裝置2氣密性的同時，檢查電磁換向閥3的動作可靠性。

步驟s2：注水

通過進氣管13將儲氣裝置1與水泵相連，打開電磁換向閥3，打開出氣孔6向第一高壓輸氣管7的開關，關閉出液孔10；向系統內注入純水，注入純水的體積稍小於儲液裝置2的容積。

步驟s3：加載

通過進氣管13將空壓機與儲氣裝置1相連，打開電磁換向閥3，打開出氣孔6向第一高壓輸氣管7的開關，打開出液孔10，啟動空壓機，通過進氣管13向儲氣裝置1中泵入高壓氣體，待儲氣裝置1上的第一壓力表5示數達到目標壓力後，關閉空壓機，完成向目標設備的加載。

步驟s4：卸載

打開出氣孔6向系統外的開關，緩慢釋放儲氣裝與儲液裝置2內的高壓空氣。

本實施例還設置有系統保護，出液孔10自動檢測水流流速，當水流速度顯著提高時，系統自動關閉電磁換向閥3與出液孔10上的電磁開關，自動保護門檻值由系統設定。

實施例2：

本實施例是基於實施例1的基礎，對本發明在材料蠕變特徵測試中的具體應用。

蠕變實驗的目標設備為液壓加載設備，採用實施例1中的長時穩定加載的液壓加載系統，其具體工作過程如下:

1)設備連接：首先將測試試件放置於加載設備的操作平臺上，然後將出液管(12)與加載設備相連；

2)預加載操作：關閉電磁換向閥(3)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)中泵入部分高壓氣體，然後緩慢開啟電磁換向閥(3)，將高壓氣體放入儲液裝置(2)中，使得加載設備壓頭與試件充分接觸，完成預加載工作；

3)加載：關閉電磁換向閥(3)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)中泵入預設壓力的高壓氣體，根據設定加載速率，開啟電磁換向閥(3)，按照設計加載方案向試件施加載荷，直至壓力平衡，然後保持壓力穩定，完成一次蠕變加載測試工作；在滿足蠕變穩定條件後，按照上述方法施加下一級荷載；

4)卸荷：打開出氣孔(6)向系統外的開關，緩慢釋放儲氣裝置(1)與儲液裝置(2)內的高壓氣體。

本實施例採用本發明的加載設備能夠應用到材料蠕變實驗中，並提供長時液壓加載，而且節省大量能耗和成本。

實施例3：

本實施例是基於實施例1的基礎，對本發明在抗滲等級測試中的具體應用。

抗滲等級測試的目標設備為抗滲等級測試，採用實施例1中的長時穩定加載的液壓加載系統，其具體工作過程如下:

1)設備連接：首先將試件固定在抗滲等級測試設備上，然後將出液管(12)與抗滲等級設備相連；

2)壓力施加：關閉電磁換向閥(3)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)中泵入目標應力的高壓氣體，然後緩慢開啟電磁換向閥(3)，將高壓氣體放入儲液裝置(2)中，在抗滲等級測試設備上施加目標水頭，並保持壓力穩定8h，觀察試件滲水情況；

3)卸荷：打開出氣孔(6)向系統外的開關，緩慢釋放儲氣裝置(1)與儲液裝置(2)內的高壓氣體。

本實施例採用本發明的加載設備能夠應用到抗滲等級測試中，並提供長時液壓加載，而且節省大量能耗和成本。

實施例4：

本實施例是基於實施例1的基礎，對本發明在水力切割和水力切煤中的具體應用。

水力切割和水力切煤的目標設備均為噴槍，採用實施例1中的長時穩定加載的液壓加載系統，其具體工作過程如下:

1)設備連接：將出液管(12)與噴槍相連；

2)壓力施加：關閉出液孔(10)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)中與儲液裝置(2)中泵入目標應力的高壓氣體；

3)工作實施：將噴槍置於目標對象上，打開出液孔(10)，將高速水流噴向目標對象，完成技術操作過程；壓力下降至下臨界值時，關閉出液孔(10)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)與儲液裝置(2)中再次泵入目標應力的高壓氣體，重複進行技術實施過程；儲液裝置(2)中液面低於臨界值時，關閉電磁換向閥(3)，繼續釋放儲液裝置(2)中的液體及高壓氣體，然後斷開第二高壓輸氣管(8)與電磁換向閥(3)的連接，通過水泵由第二高壓輸氣管(8)向儲液裝置(2)中注水至臨界值，然後重新將第二高壓輸氣管(8)與電磁換向閥(3)相連，開啟電磁換向閥(3)，繼續進行技術實施過程。

本實施例採用本發明的加載設備能夠應用到水力切割和水力切煤中，並提供給噴槍長時液壓加載，而且節省大量能耗和成本。

實施例5：

本實施例是基於實施例1的基礎，對本發明在頁巖氣開採的水壓致裂中的具體應用。

頁巖氣開採的水壓致裂的目標設備深部頁巖，採用實施例1中的長時穩定加載的液壓加載系統，其具體工作過程如下:

1)設備連接：將出液管(12)與地下注水管相連；

2)壓力施加：關閉出液孔(10)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)中與儲液裝置(2)中泵入目標應力的高壓氣體；

3)工作實施：打開出液孔(10)，通過注水管向頁巖中壓入高壓水體，驅動頁巖內微裂紋的擴展，水體注入量突然增大後，停止水體壓入過程，關閉出液孔(10)，移向另一注水點；直至工作完成；壓力下降至下臨界值時，關閉出液孔(10)，啟動空壓機，向儲氣裝置(1)與儲液裝置(2)中再次泵入目標應力的高壓氣體，重複進行頁巖內注水過程。

本實施例採用本發明的加載設備能夠應用到頁巖氣開採的水壓致裂中，並提供長時液壓加載，而且節省大量能耗和成本。

實施例2～5雖然為本發明液壓加載系統在不同技術領域的應用實例，但是並不限制本發明液壓加載系統作為動力源的通用性，凡是需要長時穩定液壓加載的設備，均可採用本發明的液壓記載系統。

本發明中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。