高壓疲勞試驗裝置及試驗方法
2023-05-24 11:46:41
高壓疲勞試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明涉及高壓液壓疲勞試驗【技術領域】，具體說是最高試驗壓力達70MPa的高壓疲勞試驗成套裝置及試驗方法。本發明通過大流量、高壓活塞泵直接對試件進行加壓，當壓力達到設定試驗壓力值後，保壓一定時間，然後通過兩位三通電磁閥切換，控制氣缸復位，卸荷閥自動回座打開卸壓；當壓力達到設定下限壓力值後再保持一定時間，然後再次開始升壓。本發明可完成一個升壓→保壓→降壓→保壓的壓力循環過程，實現了模擬高壓容器或管件工作時受到的應力循環，每循環一次試驗次數計數加一，直至達到設定的循環次數或試驗容器開裂，有效地檢驗了試件疲勞壽命與極限是否能夠滿足使用要求。本裝置具有系統簡單、可靠性高和模擬效果好等優點。
【專利說明】高壓疲勞試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高壓液壓疲勞試驗【技術領域】，更具體說是壓力容器、氣瓶和壓力管道最高試驗壓力達70MPa的高壓疲勞試驗成套裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]高壓容器和管道廣泛應用於石油化工、液壓成型、採礦、新材料加工處理、軍工及其它特殊場合，而這些高壓容器或管道在使用過程中往往存在壓力疲勞現象，因此，對高壓容器或管道的疲勞強度研究具有重大意義。
[0003]雖然近幾年國內個別高校和企業研製出了 50MPa或70MPa的液壓疲勞試驗裝置，但其採用的原理均採用增壓器作為壓力源，通過高壓電磁換向閥實現壓力控制。現有液壓疲勞試驗裝置存在著流量小、升壓慢、系統複雜、可靠性差等不足，亟需改進。
【發明內容】
[0004]本發明的目的即為克服上述現有技術的不足，提供一種高壓疲勞試驗裝置，本裝置用於模擬高壓容器壓力循環波動的實際工況，為解決高壓容器或管道的疲勞強度研究提供試驗手段的保證，具有系統簡單、可靠性高和模擬效果好等優點。
[0005]為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案:
[0006]一種高壓疲勞試驗裝置，所述試驗裝置由液壓單元、卸壓單元和控制單元構成，所述液壓單元，包括水箱，在主液壓管道I中依序設置高壓過濾器、作為動力源的高壓水泵電機組、節流調壓閥、供液單向閥和通過管道與試件相連通的高壓截止閥，主液壓管道I在與供液單向閥相連的兩側管路上還設置有泵端高壓截止閥和試件端截止卸荷閥；
[0007]所述卸壓單元，包括分別設置在供液單向閥兩側管路上的試件端卸壓迴路II和泵立而卸壓迴路III ；
[0008]所述控制單元，包括設置在主液壓管道I的高壓出水管路上的高壓壓力傳感器、位於水箱中的水溫熱電偶，所述高壓壓力傳感器和水溫熱電偶均通過信號線與控制櫃相連，所述控制櫃與計算機雙向通訊連接。
[0009]優選的，所述試件端卸壓迴路II包括試件端氣動高壓卸荷閥，所述試件端氣動高壓卸荷閥的進口端與主液壓管道I相連通，試件端氣動高壓卸荷閥的出口端與卸壓總管路IV相連，試件端氣動高壓卸荷閥的控制端與試件端兩位三通電磁閥相連；所述試件端兩位三通電磁閥的控制端與控制櫃相連；所述泵端卸壓迴路III包括泵端氣動高壓卸荷閥，所述泵端氣動高壓卸荷閥的進口端與主液壓管道I相連通，泵端氣動高壓卸荷閥的出口端與卸壓總管路IV相連，泵端氣動高壓卸荷閥的控制端與泵端兩位三通電磁閥相連；所述泵端兩位三通電磁閥的控制端與控制櫃相連；所述卸壓總管路IV與水箱相連通。
[0010]進一步的，所述試件端卸壓迴路II設置有與其並接的試件端卸壓備用迴路；所述泵端卸壓迴路III設置有與其並接的泵端卸壓備用迴路。
[0011]優選的，所述卸壓總管路IV上設有依次串接的換熱器和卸壓過濾器。[0012]優選的，所述高壓過濾器的旁側設有與其並接的第一壓差發訊器；所述卸壓過濾器的旁側設有與其並接的第二壓差發訊器，所述第一壓差發訊器和第二壓差發訊器的信號輸出端與控制櫃相連。
[0013]優選的，所述試件入口處的管路上設置有精密壓力表和電接點壓力表，所述電接點壓力表與控制櫃通過信號線相連。
[0014]優選的，所述水箱的頂部設有使水箱內氣壓與大氣壓保持一致的空氣濾清器。
[0015]此外，本發明還提供了採用上述高壓疲勞試驗裝置的試驗方法，本方法以梯形波壓力循環或三角波壓力循環對試件進行內壓疲勞試驗，所述梯形波壓力循環為依序執行升壓、保壓、再降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次數；所述三角波壓力循環為依序執行升壓、降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次數。
[0016]本發明的工藝原理是通過大流量、高壓活塞泵直接對試件即試驗容器或壓力管道元件進行加壓，當壓力達到設定試驗壓力值後，試件保壓一定時間，然後通過兩位三通電磁閥切換，控制氣缸復位，卸荷閥自動回座打開卸壓；當壓力達到設定下限壓力值後，再保持一定時間(該時間可設定為零)，然後再次開始升壓。由此可見，通過本系統可完成一個升壓一保壓一降壓一保壓的壓力循環過程，從而實現了模擬高壓容器或管件工作時受到的應力循環，每循環一次試驗次數計數加一，直至達到設定的循環次數或試驗容器開裂，有效地檢驗了試件疲勞壽命與極限是否能夠滿足使用要求。
[0017]與己有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0018]I)、本發明通過設置成套液壓單元、卸壓單元及控制單元，可達到70MPa壓力級的高壓力，從而能夠較好地滿足液壓疲勞試驗的需要。
[0019]2)、本發明採用氣缸作為卸荷閥的驅動元件，具有動作迅速、驅動力大、能耗低，可靠性高的優點。
[0020]3)、本發明採用常開式旁路閥門即節流調壓閥進行壓力控制，使得液壓控制元件處於高壓工作的時間較短，同時節流調壓閥一旦出現問題則無法實現升壓，從而使試驗裝置的整體可靠性和安全性均得到較大程度的提高。
[0021]4)、本發明在泵的出口設置泵端卸壓迴路和試件端卸壓迴路兩個卸壓迴路實現對壓力的控制，同時每個泵端卸壓迴路又設置了一個備用迴路，也即採用了一用一備的保障方式，充分考慮了疲勞試驗過程中可能出現的控制閥即二位三通電磁閥損壞的工況，一旦控制閥損壞即可快速切換管路，迅速恢復試驗，可極大地提高工作效率。
[0022]5)、本發明功能完善，流量大，升壓速度快，單機可實現試驗壓力、疲勞頻率等試驗參數調節與控制單元操作；其結構緊湊，新穎獨特，技術先進和性能穩定，使用、維護簡單易行。
[0023]6)、本發明結構簡單、可靠，能夠完全模擬高壓容器、氣瓶、管件等高壓設備實際操作工況，為高壓容器、氣瓶或管道的疲勞強度研究提供了保證。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明中試驗裝置的結構示意圖。
[0025]圖2、3、4均為本發明中高壓疲勞試驗壓力循環示意圖。[0026]圖中標號:1 一水箱、2—空氣濾清器、3—高壓過濾器、4一壓力表、5—高壓水泵電機組、6—泵端高壓截止閥、7—供液單向閥、8—試件端高壓截止閥、9a—高壓截止閥、9b—高壓截止閥、IOa—試件端氣動高壓卸荷閥、IOb—試件端氣動高壓卸荷閥、I Ia—試件端兩位二通電磁閥、I Ib 一試件端兩位二通電磁閥、12a —聞壓截止閥、12b —聞壓截止閥、13a—泵端氣動高壓卸荷閥、13b—泵端氣動高壓卸荷閥、14a—泵端兩位三通電磁閥、14b—泵端兩位三通電磁閥、15—節流調壓閥、16—第一壓差發訊器、17—熱電偶、18—卸壓過濾器、19 一換熱器、20—第二壓差發訊器、21—試件、22 —聞壓截止閥、23—精密壓力表、24 —電接點壓力表、25—高壓壓力傳感器、26—控制櫃、27—計算機。
[0027]I 一主液壓管路、II一試件端卸壓迴路、III一泵端卸壓迴路、IV—卸壓總管路。【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖，對本發明中試驗裝置的實施過程作進一步的描述:
[0029]參見圖1，本實施例由液壓單元、卸壓單元和控制單元構成。
[0030]如圖1所示，液壓單元中設置水箱1，以高壓水泵電機組5為動力源，在主液壓管道I中依序設置高壓過濾器3、節流調壓閥15、供液單向閥7和高壓截止閥22，主液壓管道I上在與供液單向閥7相連的兩側管路上還設置有手動泵端高壓截止閥6和手動試件端高壓截止閥8，可對試驗容器和試壓泵的高壓壓力手動卸荷。
[0031 ] 卸壓單元包括試件端卸壓迴路II和泵端卸壓迴路III。試件端卸壓迴路II以試件21即高壓容器內的高壓壓力為動力源，試件端兩位三通電磁閥Ila切換控制氣缸復位，試件端氣動高壓卸荷閥IOa自動回座打開，高壓水由連接試件21的高壓管路依次通過試件端氣動高壓卸荷閥10a、卸壓總管路IV、換熱器19、卸壓過濾器18和水箱I而形成卸壓迴路。泵端卸壓迴路III以高壓水泵電機組5中高壓水泵內的高壓壓力為動力源，泵端兩位三通電磁閥14a切換並控制氣缸復位，泵端氣動高壓卸荷閥13a自動回座打開，高壓水由高壓水泵依次通過泵端氣動高壓卸荷閥13a、卸壓總管路IV、換熱器19卸壓過濾器18和水箱I而形成卸壓迴路。
[0032]如圖1所示，為防止卸壓迴路出現故障進而影響系統正常工作，試件端卸壓迴路II和泵端卸壓迴路III各設有一個備用迴路，從而大大提高了系統正常工作的可靠性。
[0033]如圖1所示，控制單元是以設置在主液壓管道I的高壓出水管路上的高壓壓力傳感器25、位於水箱I中的水溫熱電偶17為檢測信號，由計算機27進行檢測信號數據處理，以控制櫃26發出控制信號。
[0034]本實施例是根據試件試驗要求，設定試驗上限壓力值、下限壓力值、保壓時間、下限保壓時間、試驗次數等試驗參數；打開截止閥、節流調壓閥15，啟動高壓水泵即試壓泵，並參照電接點壓力表24，通過調節節流調壓閥15，分別調節系統工作壓力達到設定上限壓力值和下限壓力達到設定卸壓壓力值。試壓泵開始對試件21進行升壓，當試驗壓力達到設定上限壓力值時，保壓一段時間後，分別以試件和試壓泵內的壓力為壓力源，由試件端兩位三通電磁閥和泵端兩位三通電磁閥自動切換，控制氣缸復位，試件端氣動高壓卸荷閥和泵端氣動高壓卸荷閥自動回座打開，試件21內和試壓泵內的高壓水，經卸荷閥、卸壓管路、換熱器19、卸壓過濾器18到水箱I實現卸壓，當試驗壓力下降到設定下限壓力值後，試件端兩位三通電磁閥和泵端兩位三通電磁閥在控制櫃26的作用下自動控制氣缸動作，關閉試件端氣動高壓卸荷閥和泵端氣動高壓卸荷閥，則試驗裝置再次進行升壓，完成一個升壓一保壓一降壓一保壓的壓力循環過程。每循環一次試驗次數計數加一，直至達到設定的循環次數或試驗容器開裂，實現70MPa液壓疲勞試驗的自動控制過程。
[0035]本實施例中的液壓疲勞試驗裝置能夠實現以梯形波或三角波壓力循環對試件進行內壓疲勞試驗，所述梯形波壓力循環是採用升壓、保壓，再降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次數；所述三角波壓力循環為依序執行升壓、降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次數。
[0036]具體實施中，高壓水泵電機組5可在試驗前根據疲勞實驗要求的壓力循環頻率手動調節泵的輸出流量。
[0037]本試驗裝置工作時，高壓水經過高壓過濾器3精細過濾後輸送到主供液管路I內，裝置內的工作壓力由節流調壓閥15控制並可通過精密壓力表23和高壓壓力傳感器25及二次儀表同時顯示在計算機27上。之所以同時選擇精密壓力表23和高壓壓力傳感器25作為監測裝置工作壓力的元件，是為了防止使用過程中，壓力傳感器零位漂移而造成監測不準確的情況發生，壓力表和壓力傳感器同時使用既方便了現場查看，又可保證檢測結果準確可靠。
[0038]如圖1所示，水箱I側壁安裝有液位計以顯示液壓水箱I內的液位，水箱I的頂部安裝有空氣濾清器2以保證箱內氣壓與大氣壓保持一致。液壓水箱I的側壁中部還安裝有水溫熱電偶17以監測箱內水溫。當水溫過高時，該熱電偶17向控制櫃26發出訊號，控制櫃26啟動箱體側壁上安裝的換熱器19進行冷卻，以保證水溫不超過系統所設定的溫度，當水溫降到系統所設定的溫度後，換熱器19冷卻水自動停止運行。
[0039]如圖1所示，高壓過濾器3並接有第一壓差發訊器16，卸壓過濾器18上安裝有第二壓差發訊器20，當過濾器濾芯堵塞造成進出口壓力差超出設定值時，壓差發訊器能夠自動發訊號至控制櫃26，報告過濾器故障，將故障顯示在計算機27上，並強制停止高壓水泵電機組5中高壓水泵的運行，只有在故障排除後，方可重新啟動高壓水泵。
[0040]控制系統由計算機27及控制櫃26構成，系統的啟動、停止、運轉和報警等均可直接通過滑鼠點擊液晶顯示器上顯示的控制按鈕得以實現和顯示，也可通過切換窗口的方式實時顯示壓力時間曲線或應變時間曲線。
[0041 ] 控制櫃26採用可編程控制器PLC作為主控制元件，可以減少系統中電線電纜的接頭數量，增加系統可靠性；更改控制程序即可更改控制功能，而不需要更改系統的硬體和接線，還可通過預留擴展功能，方便地擴展系統的控制功能，大大增加了系統的靈活性和擴展性，便於升級。
[0042]對於數據採集和記錄部分，本試驗裝置內共設置四個通道的數據採集口，其中一個通道用於採集液壓單元的工作壓力，一個通道用於採集熱電偶測量的溫度信號，另外兩個通道暫時用於備份，等待以後的擴展。
[0043]本試驗裝置可實現兩種波形的工作狀態:
[0044]1、梯形波:升壓至試驗壓力一保壓一降壓至設定壓力一保壓，如圖2所示。
[0045]2、三角波:升壓至試驗壓力一降壓至設定壓力，如圖3、4所示。
[0046]本試驗裝置的技術參數
[0047]壓力循環幅度:2?70MPa[0048]最大壓力循環頻率:30次/ min可調
[0049]基本工作狀態:兩種
[0050]高壓系統介質:清潔水。
【權利要求】
1.一種高壓疲勞試驗裝置，所述試驗裝置由液壓單元、卸壓單元和控制單元構成，其特徵在於: 所述液壓單元，包括水箱(I )，在主液壓管道I中依序設置高壓過濾器(3)、作為動力源的高壓水泵電機組(5)、節流調壓閥(15)、供液單向閥(7)和通過管道與試件(21)相連通的高壓截止閥(22)，主液壓管道I在與供液單向閥(7)相連的兩側管路上還設置有泵端高壓截止閥(6 )和試件端高壓截止閥(8 ); 所述卸壓單元，包括分別設置在供液單向閥(7)兩側管路上的試件端卸壓迴路II和泵立而卸壓迴路III ； 所述控制單元，包括設置在主液壓管道I的高壓出水管路上的高壓壓力傳感器(25)、位於水箱(1)中的水溫熱電偶(17)，所述高壓壓力傳感器(25)和水溫熱電偶(17)均通過信號線與控制櫃(26)相連，所述控制櫃(26)與計算機(27)雙向通訊連接。
2.根據權利要求1所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述試件端卸壓迴路II包括試件端氣動高壓卸荷閥(IOa),所述試件端氣動高壓卸荷閥(IOa)的進口端與主液壓管道I相連通，試件端氣動高壓卸荷閥(IOa)的出口端與卸壓總管路IV相連，試件端氣動高壓卸荷閥(IOa)的控制端與試件端兩位三通電磁閥(Ila)相連；所述試件端兩位三通電磁閥(Ila)的控制端與控制櫃(26)相連； 所述泵端卸壓迴路III包括泵端氣動高壓卸荷閥(13a)，所述泵端氣動高壓卸荷閥(13a)的進口端與主液壓管道I相連通，泵端氣動高壓卸荷閥(13a)的出口端與卸壓總管路IV相連，泵端氣動高壓卸荷閥(13a)的控制端與泵端兩位三通電磁閥(14a)相連；所述泵端兩位三通電磁閥(14a)的控制端與控制櫃(26)相連； 所述卸壓總管路IV與水箱(1)相連通。
3.根據權利要求2所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述試件端卸壓迴路II設置有與其並接的試件端卸壓備用迴路；所述泵端卸壓迴路III設置有與其並接的泵端卸壓備用迴路。
4.根據權利要求2所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述卸壓總管路IV上設有依次串接的換熱器(19)和卸壓過濾器(18)。
5.根據權利要求4所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述高壓過濾器(3)的旁側設有與其並接的第一壓差發訊器(16);所述卸壓過濾器(I8)的旁側設有與其並接的第二壓差發訊器(20)，所述第一壓差發訊器(16)和第二壓差發訊器(20)的信號輸出端與控制櫃(26)相連。
6.根據權利要求1所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述試件(21)入口處的管路上設置有精密壓力表(23)和電接點壓力表(24)，所述電接點壓力表(24)與控制櫃(26)通過信號線相連。
7.根據權利要求1所述的高壓疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述水箱(1)的頂部設有使水箱(1)內氣壓與大氣壓保持一致的空氣濾清器(2)。
8.—種權利要求1~7任一項所述的高壓疲勞試驗裝置的試驗方法，其特徵在於:以梯形波壓力循環或三角波壓力循環對試件(21)進行內壓疲勞試驗，所述梯形波壓力循環為依序執行升壓、保壓、再降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次數；所述三角波壓力循環為依序執行升壓、降壓的壓力循環方式，直至缺陷擴展貫穿或達到預定的疲勞次 數。
【文檔編號】G01N3/12GK103808569SQ201410038725
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】陳學東, 姚佐權, 秦宗川, 徐鵬, 崔軍 申請人:合肥通用機械研究院, 合肥通用機械研究院特種設備檢驗站