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在一些特定的超高壓場合,如液壓支架、液壓工具、粉末冶金、超高壓射流、金屬擠壓和超高壓耐壓、爆破試驗等,其液壓系統工作壓力通常在700bar左右,甚至更高的壓力。目前來看,超高壓液壓技術與一般液壓技術相比,具有以下主要特點:
1)超高壓小流量。當液壓系統在一定的功率運行時,因超高壓液壓系統所需的工作壓力高,其在超過高壓工況下的系統流量就很小,一般在1L/min。
2)對液壓介質有特別要求。由于液壓系統油液粘度、彈性模量等受系統壓力和溫度的影響很大,所以超高壓液壓系統常常需要特定的液壓介質。通常而言,液壓系統液壓介質粘度隨著壓力的增大而增大,而流動性會減??;粘度隨著溫度的升高反而下降,又很容易引起系統油液泄漏。所以在不同應用場合的超高壓液壓系統中,常常有特定的專用液壓介質。比如在液壓支架中常用乳化液、在有些巨型模鍛液壓機應用水介質。
3)密封要求十分嚴格。在超高壓液壓應用環境中,密封是一個十分重要的環節。超高壓液壓系統壓力非常高,即使有很小的泄漏量也會因為其能量高而產生局部的高溫,很容易將密封件擊穿。同時,同樣的密封間隙在超高壓環境中泄漏量也比普通壓力下大的多,而超高壓液壓系統流量一般又很小,所以會對液壓系統的正常工作產生很大的影響。目前來看,提高密封性能的主要方法主要有選擇適合的材料、設計合適的密封結構以及制造技術。
4)對超高壓元件要求更嚴格。超高壓液壓系統帶來的強度和密封方面的問題使得超高壓液壓元件有更嚴格的要求,其可選擇的結構形式也比普通壓力下少得多。在超高壓液壓系統的升壓元件中,柱塞泵和增壓器是常采用類型。因為柱塞泵具有較高的容積效率,又能夠很好的適應超高壓壓力下的密封。而增壓器又能夠在較低的系統壓力下通過面積比的關系產生超高壓,還可以使用不同的超高壓液壓介質。超高壓液壓系統中的各類閥多采用錐閥和球閥結構,以降低加工難度并減少泄漏量。
但是,隨著液壓技術的發展,超高壓在許多重型工業場合體現出巨大的優勢。主要是因為,隨著系統壓力的提高,主機結構大大簡化,重量大幅度降低,單位重量出力比提高,制造成本降低,制造中耗能減少,工業排放污染減少,容易實現綠色生產。隨著巨型模鍛液壓機、橡皮囊液壓成型機、人造金剛石合成壓機、深海油氣開發設備等重要國防工業設備需求的增長,UPLFHE需求越來越多。因此,目前超高壓技術正在由超高壓小流量向著超高壓大流量方向轉變,同時也從開關式元件向高性能比例式元件轉變。
在國內,比較成熟的超高壓液壓系統主要集中在液壓工具、液壓支架以及液壓測試行業中。超高壓液壓工具自身體積小、重量輕、攜帶方便,但輸入力或者力矩可以很大,而且液壓系統簡單,研發成本低,同時超高壓液壓工具銷量又大,因此國內多數廠家都愿意生產。劉光新等于2016年設計用于液壓支架液壓件試驗檢測的超高壓大流量檢測系統,其液壓系統采用雙作用增壓器作為升壓元件,可以產生1000bar,0.62L/次和750bar,1.57L/次的超高壓液壓源,同時使用了乳化液和63號抗磨液壓油作為液壓介質。再通過外接大流量乳化液源,可以滿足大多數液壓支架用液壓件的測試工作。燕山大學的胡洋在2014年對一液壓缸試驗臺進行改造,將試驗壓力成功提升到520bar用于液壓支架的液壓缸測試。其也是使用液壓增壓器獲得超高壓液壓源。趙德春等使用大增壓比的增壓器,設計壓力達到2000bar的超高壓液壓系統,用于飛機液壓附件和導管的爆破試驗。張新武也通過仿真論證了液壓增壓器用于產生超高壓進行壓力容器的爆破試驗,并驗證了超高壓液壓系統應用自動控制技術的可行性。山東大學羅梅偉于2005年設計一個用于測試超高壓液壓元件的試驗臺,測試壓力可以達到700bar,可以完成泵性能試驗、缸性能試驗、溢流閥和換向閥部分性能試驗。但是其文章中對于超高壓液壓系統設計和介紹較少,偏重于試驗臺控制系統的設計,不過可以看出其系統中使用的超高壓比例溢流閥是HAWE公司的PMVPS系列,系統流量不會太大。
在超高壓油液與密封方面,尚建國對超高壓靜密封和動密封件做了詳細的介紹。超高壓靜密封多采用金屬密封,邵爾硬度大的O形密封圈也可以使用。動密封可以采用間隙密封、橡膠密封圈以及特殊的自緊式密封方式。大連交通大學的田小靜等對超高壓螺栓拉伸機的超高壓液壓缸活塞間隙密封進行了數值模擬,結果表明在需要低速穩定運行的超高壓液壓缸中采用間隙密封是一種非常好的策略,但是密封間隙的寬度并不是越小越好,應當有一個合理的間隙值。西安交通大學的朱仁宗對液壓油粘度在超高壓系統中的影響做了一定的分析,這對超高壓液壓系統液壓油型號的選擇有一些實際意義。
國外的液壓工業發展較早,特別是歐美等一些發達國家,液壓技術一直處于領先地位。壓力在315bar的液壓元件技術已經普遍應用,另有局部采用超高壓技術,壓力可以達到420bar,這方面技術也已經相當成熟。隨著市場需求的發展,國外液壓技術也在不斷發展,加之以前積累的液壓技術開發、研制實力,又有各類液壓專用仿真計算軟件,為超高壓元件的研發提供了有力的保障。伴隨著全球巨型模鍛液壓機的需求增長,歐美一些液壓制造廠商專門為其研制配套的液壓超高壓技術。各類超高壓液壓元件,壓力等級從小到大,流量規格從小到大,都已經有了相當全面的超高壓系列??梢哉f國外的超高壓液壓技術已日趨成熟,但是主要被少數廠商壟斷。正因為如此,國外學者對于超高壓液壓元器件研究較少,應該多數為企業自主研發,技術保密。在已經公開發表的學術論文中,只有少數對超高壓液壓油相關特性的基礎研究。Karjalainen等在2006年開始就對各類型液壓油性質進行測量。他們設計了靜態壓力可以達到1500bar的測試臺,并進行了不同壓力和溫度下的聲速、密度、楊氏模量等值。結果表明壓力達到500bar時,油液粘度增大超過一倍,楊氏模量也大大增加。在2009年其又通過實驗總結了油液特性與壓力的關系,密度、楊氏模量、聲速等都可以用二次多項式進行擬合估計,并對絕熱過程和等溫過程的楊氏模量公式進行了修正,還給出了密度、運動粘度關于壓力、溫度的公式。
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