Способ получения высокого и сверхвысокого давления в рабочем объеме и устройство для его осуществления

Способ и устройство для его осуществления предназначены для получения высокого и сверхвысокого давления в рабочем объеме. Способ включает заполнение рабочего объема рабочей средой и создание заданного давления в рабочем объеме путем приложения внешних усилий, при этом в качестве рабочей среды используют воду или газ, а в качестве источника приложения внешних усилий используют домкрат. Усилитель давления содержит цилиндр с входным и выходным отверстиями и поршень, при этом он дополнительно содержит домкрат, охлаждающую рубашку, основание и регулировочные шпильки, при этом домкрат расположен под поршнем, цилиндр выполнен двухступенчатым с диаметром верхней ступени, большим диаметра нижней его ступени, и жестко скреплен с основанием регулировочными шпильками, причем поршень установлен в цилиндре с образованием зазора по отношению к верхней ступени цилиндра, вокруг которой расположена охлаждающая рубашка. Технический результат - повышение выходного давления. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области высоких и сверхвысоких давлений, в частности к усилителям, и может быть использовано, например, для гидродинамических испытаний узлов гидроагрегатов; для гидравлической резки металла и бетона; сжижения газов; проведения научных исследований. Рабочее давление может достигать 500 МПа и выше. В качестве рабочей среды может использоваться вода, гидравлическая жидкость, газ, жидкость-газ.

Традиционно испытания с применением высокого давления проводятся на масле, так как существующие гидронасосы в силу изготовления плунжерных пар не допускают применение воды из-за нетехнологичности изготовления соответствующих устройств, предусматривающих соблюдение зазоров и требований коррозионной защиты.

Известен, например, способ получения высокого давления в рабочем объеме, реализованный в стенде для гидравлических испытаний и включающий заполнение рабочего объема гидравлической жидкостью и создание заданного давления в рабочем объеме путем приложения внешних усилий на большую площадь воспринимающей поверхности (заявка SU №1620703, МПК 5 F 15 В 19/00, Изобретения стран мира №2, 1991 г.).

В качестве гидравлической жидкости в известном способе используют различные гидравлические масла, а в качестве источника приложения внешних усилий используют гидравлические насосы.

Максимальное предельное давление, достигаемое известным способом, ограничено параметрами применяемого насоса.

Недостатком способа является невозможность достижения плавной регулировки выходного давления, поскольку гидравлические насосы не предполагают плавную регулировку. Кроме того, известный способ не позволяет фиксировать выходное давление в любой момент его нарастания, что сужает область применения этого способа.

За прототип принят способ получения высокого и сверхвысокого давления, реализованный в мультипликаторе давления (заявка SU №1721317, МПК 7 F 15 В 3/00, Изобретение стран мира №11, 23.03.92), предусматривающий также, как и в способе аналоге, заполнение рабочего объема гидравлической жидкостью и создание заданного давления в рабочем объеме с помощью гидравлического насоса.

Общими признаками с заявляемым способом являются следующие: заполнение рабочего объема рабочей средой и создание заданного давления в рабочем объеме путем приложения внешних усилий.

Способ по прототипу позволяет достигать высокого гидростатического давления за счет разности воспринимающих площадей - площади штока 9 и площади поршня 6 (см. чертеж заявки SU №1721317).

Однако способ-прототип не позволяет достигать плавного регулирования выходного давления в широком диапазоне из-за использования гидравлического насоса, который не предполагает плавной регулировки. Недостатком способа-прототипа является также то, что он из-за использования насоса не позволяет фиксировать выходное давление на любом этапе его нарастания.

Известен стенд для гидродинамических испытаний узлов гидроагрегатов (заявка SU №1620703, 5 F 15 В 19/00, Изобретение стран мира №2, 1991 г.), имеющий только цилиндрический корпус в качестве общего признака с заявляемым устройством. Для изменения параметров потока гидравлической жидкости использован сильфон.

Данный стенд может использоваться только при низких и средних давлениях и не позволяет достичь плавной регулировки выходного давления и его фиксации в процессе нарастания из-за использования сильфона, предусматривающего импульсное нагнетание рабочей среды.

Кроме того, рабочей средой является гидравлическая жидкость, что является неэкономичным при большом количестве испытаний, особенно при испытании рукавов высокого давления и трубопроводов, поскольку гидравлические масла, используемые в качестве гидравлической жидкости, требуют регенерации (очистки).

Наличие в стенде элемента для регулирования параметров рабочей жидкости и сильфона снижает также эксплуатационную надежность стенда.

Наиболее близким к предлагаемому, принятым за прототип, является мультипликатор давления (заявка SU №1721317, МПК 7 F 15 В 3/00, Изобретения стран мира №11, 23.03.92).

Общими признаками устройства-прототипа являются: цилиндр с входным и выходным отверстиями и поршень.

Однако мультипликатор-прототип имеет ряд недостатков из-за использования в качестве источника внешних усилий насоса: зависимость выходного гидростатического давления от входного, что приводит к отсутствию плавной регулировки выходного давления и в значительной степени снижает диапазон применения мультипликатора; невозможность фиксирования выходного давления на любом этапе его нарастания.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении выходного давления и обеспечении плавной его регулировки в широком диапазоне с возможностью фиксирования на любом этапе нарастания, что расширяет функциональность заявляемого устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе получения высокого и сверхвысокого давления в рабочем объеме, включающем заполнение рабочего объема рабочей средой и создание заданного давления в рабочем объеме путем приложения внешних усилий, согласно изобретению в качестве рабочей среды используют воду или газ, а в качестве источника приложения внешних усилий используют домкрат.

Технический результат достигается тем, что усилитель давления, содержащий цилиндр с входным и выходным отверстиями и поршень, согласно изобретению дополнительно содержит домкрат, охлаждающую рубашку, основание и регулировочные шпильки, при этом домкрат расположен под поршнем, цилиндр выполнен двухступенчатым с диаметром верхней ступени, большим диаметра нижней его ступени, и жестко скреплен с основанием регулировочными шпильками, причем поршень установлен в цилиндре с образованием зазора по отношению к верхней ступени цилиндра, вокруг которой расположена охлаждающая рубашка.

Предлагаемый усилитель давления может применяться: при статическом и динамическом испытании элементов гидравлических систем, включая трубопроводы и рукава высокого давления; для резки металлических, листовых деталей, бетона и т.д.; для проведения научных исследований, связанных с высокими и сверхвысокими давлениями; для проведения работ в условиях чрезвычайных ситуаций.

Нетрадиционность устройства заключается в том, что в качестве рабочей жидкости, находящейся под давлением или под сверхвысоким давлением, используется вода. Именно использование домкрата позволит использовать воду и снизить уровень точности изготовления деталей устройства для осуществления заявляемого способа, а также при этом увеличить срок службы устройства.

В заявляемом устройстве практически нет контакта между взаимно перемещающимися деталями, а герметичность создается уплотнением, позволяющим использовать воду в качестве рабочей среды.

Это дает возможность использования заявляемого изобретения для испытаний элементов гидравлических систем (рукавов высокого давления, гидромоторов, гидронасосов, золотников, клапанов, распределителей). Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "промышленная применяемость".

Отличием заявляемого способа от способа-прототипа является использование в качестве рабочей среды воды или газа, а в качестве источника приложения внешних усилий домкрата, что подтверждает его соответствие критерию "новизна".

Из уровня техники не выявлена известность влияния признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого способа (использование домкрата и воды), на достижение технического результата (повышения выходного давления и обеспечения плавной его регулировки в широком диапазоне с возможностью фиксирования на любом этапе нарастания), что доказывает соответствие заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".

Отличием заявляемого устройства от устройства-прототипа является наличие дополнительных элементов - домкрата, охлаждающей рубашки, основания, регулировочных шпилек, выполнение цилиндра двухступенчатым, жесткое скрепление его с основанием и установка поршня в цилиндре с образованием зазора по отношению к верхней ступени цилиндра, расположение охлаждающей рубашки вокруг верхней ступени цилиндра. Это доказывает новизну заявляемого устройства.

Использование в качестве источника приложения внешних сил домкрата позволит за счет возможности плавного регулирования входного давления обеспечить плавное регулирование в широком диапазоне выходного давления. Кроме того, использование домкрата, выполнение цилиндра двухступенчатым с большим диаметром верхней ступени и установка поршня в цилиндре с зазором по отношению к верхней ступени цилиндра обуславливает возможность использования воды в качестве рабочей среды и создает условия для проявления ею, по-видимому, таких свойств, которые позволяют при достижении какого-то значения входного давления дальше не сжиматься, а накапливать (аккумулировать) энергию и достигать по сравнению с прототипом значительного повышения выходного давления приложением несоразмерно меньших усилий.

Расположение охлаждающей рубашки вокруг верхней ступени цилиндра позволяет отвести тепло от верхней ступени цилиндра, которая нагревается от выделения большого количества тепла при сжатии рабочей среды.

Выполнение верхней ступени цилиндра диаметром, большим нижней ступени, и установка поршня в цилиндре с образованием зазора по отношению к верхней ступени цилиндра позволяют исключить контакт между цилиндром и поршнем, увеличить полезный объем и использовать воду в качестве рабочей среды.

Известно использование домкратов в технике для подъема грузов на небольшую высоту (А.Г.Лысаков. Вспомогательное оборудование для перемещения грузов. - 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Машиностроение, 1989, стр.94-110, стр.102, рис.2.4, стр.105, рис.2.5).

В заявляемом устройстве введение силового механизма в виде домкрата и установка его под поршень обеспечивают в заполненной водой надпоршневой полости создание заданного высокого давления с возможностью плавного его регулирования в широком диапазоне и с возможностью его фиксирования на любом этапе нарастания.

Действительно, диапазон давлений, создаваемых домкратом, намного шире диапазона давлений, создаваемых гидравлическим насосом, и безусловно благодаря использованию домкрата в заявляемом изобретении достигается возможность регулирования выходного высокого давления в широком диапазоне, однако достигается это новой заявляемой совокупностью признаков, позволяющей использование в качестве рабочей среды воды, аккумулирующей энергию, и, по-видимому, за счет этого приобретающей способность значительно повышать выходное давление.

Кроме того, у заявляемого устройства появляется новая способность, приводящая к расширению его функций, а именно оно позволяет проводить испытания не только элементов гидравлических систем, но и испытания самой рабочей среды, превращая ее в испытуемую. В случае испытания рабочей среды входное и выходное отверстия герметизируются.

Удобство испытаний рабочих сред заявляемым устройством и способом заключается в том, что наращивание давления в рабочем объеме можно производить постепенно или поэтапно, то есть с остановками при достижении заданного давления для снятия замеров. Другими словами, устройство и способ позволяют реализовать определенный алгоритм испытаний.

Причем конструктивное выполнение заявляемого устройства обеспечивает сокращение затрат на испытание примерно в 10 раз за счет упрощения конструкции и исключения регенерации рабочей среды.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что технический результат достигается не только известными, а скорее неизвестными свойствами воды (возможно, неспособностью сжатия), которые в сочетании с функциональными особенностями домкрата и, по-видимому, вследствие нового механизма взаимодействия в заявляемой совокупности признаков, при котором вода способна служить аккумулятором энергии, приводящим к получению сверхвысокого давления, которое поддается плавному регулированию с возможностью фиксации на любом этапе нарастания.

Неизвестность механизма влияния отличительных признаков из уровня техники на достигаемый результат подтверждает соответствие заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Способ осуществляют следующим образом.

В подготовленный к работе усилитель производят закачку рабочей среды до давления 1-3 МПа с использованием насоса или водопровода.

Далее производят заполнение рабочего объема рабочей средой, например, водой или газом с использованием в качестве источника приложения внешних усилий домкрата, например, с помощью заявляемого устройства.

Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено заявляемое устройство, а на фиг.2 - расчетная зависимость нарастания давления от номинального до максимального при использовании насоса (кривая а) и домкрата (кривая б).

Усилитель давления содержит двухступенчатый цилиндр, диаметр верхней ступени 1 которого выполнен больше диаметра нижней его ступени 2, поршень 3, домкрат 4, охлаждающую рубашку 5, основание 6 и регулировочные шпильки 7.

Двухступенчатый цилиндр, выполненный в виде перевернутого стакана, жестко скреплен с основанием 6 усилителя регулировочными шпильками 7. Дно цилиндра (дно перевернутого стакана) выполнено конусным с углом, соответствующим слабой конусности, например, 2-3°, для концентрации вытесняемого воздуха в центре дна стакана в процессе загрузки рабочей среды.

В верхней части цилиндра, в дне стакана, выполнено входное отверстие под штуцер 8 для подачи рабочей среды, а в центре дна цилиндра (дна стакана) выполнено выходное отверстие под штуцер 9 для подключения испытуемого или рабочего органа (на чертеже не показан) и выпуска воздуха, вытесняемого из рабочего объема в процессе подачи в устройство рабочей среды.

Двухступенчатый цилиндр жестко скреплен с основанием 6 усилителя регулировочными шпильками 7, что позволит проводить монтаж и демонтаж заявляемого устройства и смену домкрата.

Поршень 3 установлен в цилиндре с образованием зазора размером, например, 0,8-1,5 мм по отношению к верхней его ступени для исключения трения внутренней поверхности стенки цилиндра о поршень.

Под нижней ступенью 2 установлено уплотнение 10 с шайбой 11, поджимаемой гайкой 12 для предотвращения просачивания рабочей среды через нижнюю ступень 2 цилиндра.

Устройство работает следующим образом

Подготовка усилителя давления к работе производится в следующей последовательности. Поршень 3 выводится в положение, соответствующее максимальному объему заполнения рабочей среды. Для заполнения рабочего объема рабочей средой подключают насос подачи рабочей среды. В качестве рабочей среды можно использовать воду или газ (пропан, бутан). Заполнение рабочего объема производят при малом давлении, при закрытом вентиле выходного отверстия под штуцер 9. После чего закрывают вентиль подачи рабочей среды.

К выходному штуцеру 9 подключают испытуемый элемент гидравлического оборудования, открывают вентиль штуцера 8, подсоединяют насос к штуцеру 8 и производят закачку рабочей среды в корпус предварительно до давления 1,0-3,0 МПа. Создание заданного высокого или сверхвысокого давления осуществляется путем преобразования предварительного давления рабочей среды, равного 1,0-3,0 МПа, в высокое и сверхвысокое давление за счет перемещения поршня 3 в цилиндре усилителя. Выделяемое тепло в результате сжатия рабочей среды отводится охлаждающей рубашкой 5.

1. Способ получения высокого и сверхвысокого давления в рабочем объеме, включающий заполнение рабочего объема рабочей средой и создание заданного давления в рабочем объеме путем приложения внешних усилий, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют воду или газ, а в качестве источника приложения внешних усилий используют домкрат.

2. Усилитель давления, содержащий цилиндр с входным и выходным отверстиями и поршень, отличающийся тем, что он дополнительно содержит домкрат, охлаждающую рубашку, основание и регулировочные шпильки, при этом домкрат расположен под поршнем, цилиндр выполнен двухступенчатым с диаметром верхней ступени, большим диаметра нижней его ступени, жестко скреплен с основанием регулировочными шпильками, причем поршень установлен в цилиндре с образованием зазора по отношению к верхней ступени цилиндра, вокруг которой расположена охлаждающая рубашка.