CN103808569B - 高压疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压液压疲劳试验技术领域，具体说是最高试验压力达70MPa的高压疲劳试验成套装置及试验方法。本发明通过大流量、高压活塞泵直接对试件进行加压，当压力达到设定试验压力值后，保压一定时间，然后通过两位三通电磁阀切换，控制气缸复位，卸荷阀自动回座打开卸压；当压力达到设定下限压力值后再保持一定时间，然后再次开始升压。本发明可完成一个升压→保压→降压→保压的压力循环过程，实现了模拟高压容器或管件工作时受到的应力循环，每循环一次试验次数计数加一，直至达到设定的循环次数或试验容器开裂，有效地检验了试件疲劳寿命与极限是否能够满足使用要求。本装置具有系统简单、可靠性高和模拟效果好等优点。

Description

高压疲劳试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及高压液压疲劳试验技术领域，更具体说是压力容器、气瓶和压力管道最高试验压力达70MPa的高压疲劳试验成套装置及试验方法。

背景技术

高压容器和管道广泛应用于石油化工、液压成型、采矿、新材料加工处理、军工及其它特殊场合，而这些高压容器或管道在使用过程中往往存在压力疲劳现象，因此，对高压容器或管道的疲劳强度研究具有重大意义。

虽然近几年国内个别高校和企业研制出了50MPa或70MPa的液压疲劳试验装置，但其采用的原理均采用增压器作为压力源，通过高压电磁换向阀实现压力控制。现有液压疲劳试验装置存在着流量小、升压慢、系统复杂、可靠性差等不足，亟需改进。

发明内容

本发明的目的即为克服上述现有技术的不足，提供一种高压疲劳试验装置，本装置用于模拟高压容器压力循环波动的实际工况，为解决高压容器或管道的疲劳强度研究提供试验手段的保证，具有系统简单、可靠性高和模拟效果好等优点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高压疲劳试验装置，所述试验装置由液压单元、卸压单元和控制单元构成，所述液压单元，包括水箱，在主液压管道I中依序设置高压过滤器、作为动力源的高压水泵电机组、节流调压阀、供液单向阀和通过管道与试件相连通的高压截止阀，主液压管道I在与供液单向阀相连的两侧管路上还设置有泵端高压截止阀和试件端截止卸荷阀；

所述卸压单元，包括分别设置在供液单向阀两侧管路上的试件端卸压回路Ⅱ和泵端卸压回路Ⅲ；

所述控制单元，包括设置在主液压管道I的高压出水管路上的高压压力 传感器、位于水箱中的水温热电偶，所述高压压力传感器和水温热电偶均通过信号线与控制柜相连，所述控制柜与计算机双向通讯连接。

优选的，所述试件端卸压回路Ⅱ包括试件端气动高压卸荷阀，所述试件端气动高压卸荷阀的进口端与主液压管道I相连通，试件端气动高压卸荷阀的出口端与卸压总管路Ⅳ相连，试件端气动高压卸荷阀的控制端与试件端两位三通电磁阀相连；所述试件端两位三通电磁阀的控制端与控制柜相连；所述泵端卸压回路Ⅲ包括泵端气动高压卸荷阀，所述泵端气动高压卸荷阀的进口端与主液压管道I相连通，泵端气动高压卸荷阀的出口端与卸压总管路Ⅳ相连，泵端气动高压卸荷阀的控制端与泵端两位三通电磁阀相连；所述泵端两位三通电磁阀的控制端与控制柜相连；所述卸压总管路Ⅳ与水箱相连通。

进一步的，所述试件端卸压回路Ⅱ设置有与其并接的试件端卸压备用回路；所述泵端卸压回路Ⅲ设置有与其并接的泵端卸压备用回路。

优选的，所述卸压总管路Ⅳ上设有依次串接的换热器和卸压过滤器。

优选的，所述高压过滤器的旁侧设有与其并接的第一压差发讯器；所述卸压过滤器的旁侧设有与其并接的第二压差发讯器，所述第一压差发讯器和第二压差发讯器的信号输出端与控制柜相连。

优选的，所述试件入口处的管路上设置有精密压力表和电接点压力表，所述电接点压力表与控制柜通过信号线相连。

优选的，所述水箱的顶部设有使水箱内气压与大气压保持一致的空气滤清器。

此外，本发明还提供了采用上述高压疲劳试验装置的试验方法，本方法以梯形波压力循环或三角波压力循环对试件进行内压疲劳试验，所述梯形波压力循环为依序执行升压、保压、再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数；所述三角波压力循环为依序执行升压、降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。

本发明的工艺原理是通过大流量、高压活塞泵直接对试件即试验容器或压力管道元件进行加压，当压力达到设定试验压力值后，试件保压一定时间， 然后通过两位三通电磁阀切换，控制气缸复位，卸荷阀自动回座打开卸压；当压力达到设定下限压力值后，再保持一定时间（该时间可设定为零），然后再次开始升压。由此可见，通过本系统可完成一个升压→保压→降压→保压的压力循环过程，从而实现了模拟高压容器或管件工作时受到的应力循环，每循环一次试验次数计数加一，直至达到设定的循环次数或试验容器开裂，有效地检验了试件疲劳寿命与极限是否能够满足使用要求。

与己有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1）、本发明通过设置成套液压单元、卸压单元及控制单元，可达到70MPa压力级的高压力，从而能够较好地满足液压疲劳试验的需要。

2）、本发明采用气缸作为卸荷阀的驱动元件，具有动作迅速、驱动力大、能耗低，可靠性高的优点。

3）、本发明采用常开式旁路阀门即节流调压阀进行压力控制，使得液压控制元件处于高压工作的时间较短，同时节流调压阀一旦出现问题则无法实现升压，从而使试验装置的整体可靠性和安全性均得到较大程度的提高。

4）、本发明在泵的出口设置泵端卸压回路和试件端卸压回路两个卸压回路实现对压力的控制，同时每个泵端卸压回路又设置了一个备用回路，也即采用了一用一备的保障方式，充分考虑了疲劳试验过程中可能出现的控制阀即二位三通电磁阀损坏的工况，一旦控制阀损坏即可快速切换管路，迅速恢复试验，可极大地提高工作效率。

5）、本发明功能完善，流量大，升压速度快，单机可实现试验压力、疲劳频率等试验参数调节与控制单元操作；其结构紧凑，新颖独特，技术先进和性能稳定，使用、维护简单易行。

6）、本发明结构简单、可靠，能够完全模拟高压容器、气瓶、管件等高压设备实际操作工况，为高压容器、气瓶或管道的疲劳强度研究提供了保证。

附图说明

图1为本发明中试验装置的结构示意图。

图2、3、4均为本发明中高压疲劳试验压力循环示意图。

图中标号：1—水箱、2—空气滤清器、3—高压过滤器、4—压力表、5—高压水泵电机组、6—泵端高压截止阀、7—供液单向阀、8—试件端高压截止阀、9a—高压截止阀、9b—高压截止阀、10a—试件端气动高压卸荷阀、10b—试件端气动高压卸荷阀、11a—试件端两位三通电磁阀、11b—试件端两位三通电磁阀、12a—高压截止阀、12b—高压截止阀、13a—泵端气动高压卸荷阀、13b—泵端气动高压卸荷阀、14a—泵端两位三通电磁阀、14b—泵端两位三通电磁阀、15—节流调压阀、16—第一压差发讯器、17—热电偶、18—卸压过滤器、19—换热器、20—第二压差发讯器、21—试件、22—高压截止阀、23—精密压力表、24—电接点压力表、25—高压压力传感器、26—控制柜、27—计算机。 

Ⅰ—主液压管路、Ⅱ—试件端卸压回路、Ⅲ—泵端卸压回路、Ⅳ—卸压总管路。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明中试验装置的实施过程作进一步的描述：

参见图1，本实施例由液压单元、卸压单元和控制单元构成。

如图1所示，液压单元中设置水箱1，以高压水泵电机组5为动力源，在主液压管道I中依序设置高压过滤器3、节流调压阀15、供液单向阀7和高压截止阀22，主液压管道I上在与供液单向阀7相连的两侧管路上还设置有手动泵端高压截止阀6和手动试件端高压截止阀8，可对试验容器和试压泵的高压压力手动卸荷。

卸压单元包括试件端卸压回路Ⅱ和泵端卸压回路Ⅲ。试件端卸压回路Ⅱ以试件21即高压容器内的高压压力为动力源，试件端两位三通电磁阀11a切换控制气缸复位，试件端气动高压卸荷阀10a自动回座打开，高压水由连接试件21的高压管路依次通过试件端气动高压卸荷阀10a、卸压总管路Ⅳ、换热器19、卸压过滤器18和水箱1而形成卸压回路。泵端卸压回路Ⅲ以高压水泵电机组5中高压水泵内的高压压力为动力源，泵端两位三通电磁阀14a切换并控制气缸复位，泵端气动高压卸荷阀13a自动回座打开，高压水 由高压水泵依次通过泵端气动高压卸荷阀13a、卸压总管路Ⅳ、换热器19卸压过滤器18和水箱1而形成卸压回路。

如图1所示，为防止卸压回路出现故障进而影响系统正常工作，试件端卸压回路Ⅱ和泵端卸压回路Ⅲ各设有一个备用回路，从而大大提高了系统正常工作的可靠性。

如图1所示，控制单元是以设置在主液压管道I的高压出水管路上的高压压力传感器25、位于水箱1中的水温热电偶17为检测信号，由计算机27进行检测信号数据处理，以控制柜26发出控制信号。

本实施例是根据试件试验要求，设定试验上限压力值、下限压力值、保压时间、下限保压时间、试验次数等试验参数；打开截止阀、节流调压阀15，启动高压水泵即试压泵，并参照电接点压力表24，通过调节节流调压阀15，分别调节系统工作压力达到设定上限压力值和下限压力达到设定卸压压力值。试压泵开始对试件21进行升压，当试验压力达到设定上限压力值时，保压一段时间后，分别以试件和试压泵内的压力为压力源，由试件端两位三通电磁阀和泵端两位三通电磁阀自动切换，控制气缸复位，试件端气动高压卸荷阀和泵端气动高压卸荷阀自动回座打开，试件21内和试压泵内的高压水，经卸荷阀、卸压管路、换热器19、卸压过滤器18到水箱1实现卸压，当试验压力下降到设定下限压力值后，试件端两位三通电磁阀和泵端两位三通电磁阀在控制柜26的作用下自动控制气缸动作，关闭试件端气动高压卸荷阀和泵端气动高压卸荷阀，则试验装置再次进行升压，完成一个升压→保压→降压→保压的压力循环过程。每循环一次试验次数计数加一，直至达到设定的循环次数或试验容器开裂，实现70MPa液压疲劳试验的自动控制过程。

本实施例中的液压疲劳试验装置能够实现以梯形波或三角波压力循环对试件进行内压疲劳试验，所述梯形波压力循环是采用升压、保压，再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数；所述三角波压力循环为依序执行升压、降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。

具体实施中，高压水泵电机组5可在试验前根据疲劳实验要求的压力循环频率手动调节泵的输出流量。

本试验装置工作时，高压水经过高压过滤器3精细过滤后输送到主供液管路Ⅰ内，装置内的工作压力由节流调压阀15控制并可通过精密压力表23和高压压力传感器25及二次仪表同时显示在计算机27上。之所以同时选择精密压力表23和高压压力传感器25作为监测装置工作压力的元件，是为了防止使用过程中，压力传感器零位漂移而造成监测不准确的情况发生，压力表和压力传感器同时使用既方便了现场查看，又可保证检测结果准确可靠。

如图1所示，水箱1侧壁安装有液位计以显示液压水箱1内的液位，水箱1的顶部安装有空气滤清器2以保证箱内气压与大气压保持一致。液压水箱1的侧壁中部还安装有水温热电偶17以监测箱内水温。当水温过高时，该热电偶17向控制柜26发出讯号，控制柜26启动箱体侧壁上安装的换热器19进行冷却，以保证水温不超过系统所设定的温度，当水温降到系统所设定的温度后，换热器19冷却水自动停止运行。

如图1所示，高压过滤器3并接有第一压差发讯器16，卸压过滤器18上安装有第二压差发讯器20，当过滤器滤芯堵塞造成进出口压力差超出设定值时，压差发讯器能够自动发讯号至控制柜26，报告过滤器故障，将故障显示在计算机27上，并强制停止高压水泵电机组5中高压水泵的运行，只有在故障排除后，方可重新启动高压水泵。

控制系统由计算机27及控制柜26构成，系统的启动、停止、运转和报警等均可直接通过鼠标点击液晶显示器上显示的控制按钮得以实现和显示，也可通过切换窗口的方式实时显示压力时间曲线或应变时间曲线。

控制柜26采用可编程控制器PLC作为主控制元件，可以减少系统中电线电缆的接头数量，增加系统可靠性；更改控制程序即可更改控制功能，而不需要更改系统的硬件和接线，还可通过预留扩展功能，方便地扩展系统的控制功能，大大增加了系统的灵活性和扩展性，便于升级。

对于数据采集和记录部分，本试验装置内共设置四个通道的数据采集 口，其中一个通道用于采集液压单元的工作压力，一个通道用于采集热电偶测量的温度信号，另外两个通道暂时用于备份，等待以后的扩展。

本试验装置可实现两种波形的工作状态：

1、梯形波：升压至试验压力—保压—降压至设定压力—保压，如图2所示。

2、三角波：升压至试验压力—降压至设定压力，如图3、4所示。

本试验装置的技术参数

压力循环幅度：2～70MPa

最大压力循环频率：30次／min可调

基本工作状态：两种

高压系统介质：清洁水。

Claims (8)

1.一种高压疲劳试验装置，所述试验装置由液压单元、卸压单元和控制单元构成，其特征在于：

所述液压单元，包括水箱(1)，在主液压管道(I)中依序设置高压过滤器(3)、作为动力源的高压水泵电机组(5)、节流调压阀(15)、供液单向阀(7)和通过管道与试件(21)相连通的高压截止阀(22)，主液压管道(I)在与供液单向阀(7)相连的两侧管路上还设置有泵端高压截止阀(6)和试件端高压截止阀(8)；

所述卸压单元，包括分别设置在供液单向阀(7)两侧管路上的试件端卸压回路(Ⅱ)和泵端卸压回路(Ⅲ)；

所述控制单元，包括设置在主液压管道(I)的高压出水管路上的高压压力传感器(25)、位于水箱(1)中的水温热电偶(17)，所述高压压力传感器(25)和水温热电偶(17)均通过信号线与控制柜(26)相连，所述控制柜(26)与计算机(27)双向通讯连接。

2.根据权利要求1所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述试件端卸压回路(Ⅱ)包括试件端气动高压卸荷阀(10a)，所述试件端气动高压卸荷阀(10a)的进口端与主液压管道(I)相连通，试件端气动高压卸荷阀(10a)的出口端与卸压总管路(Ⅳ)相连，试件端气动高压卸荷阀(10a)的控制端与试件端两位三通电磁阀(11a)相连；所述试件端两位三通电磁阀(11a)的控制端与控制柜(26)相连；

所述泵端卸压回路(Ⅲ)包括泵端气动高压卸荷阀(13a)，所述泵端气动高压卸荷阀(13a)的进口端与主液压管道(I)相连通，泵端气动高压卸荷阀(13a)的出口端与卸压总管路(Ⅳ)相连，泵端气动高压卸荷阀(13a)的控制端与泵端两位三通电磁阀(14a)相连；所述泵端两位三通电磁阀(14a)的控制端与控制柜(26)相连；

所述卸压总管路(Ⅳ)与水箱(1)相连通。

3.根据权利要求2所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述试件端卸压回路(Ⅱ)设置有与其并接的试件端卸压备用回路；所述泵端卸压回路(Ⅲ)设置有与其并接的泵端卸压备用回路。

4.根据权利要求2所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述卸压总管路(Ⅳ)上设有依次串接的换热器(19)和卸压过滤器(18)。

5.根据权利要求4所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述高压过滤器(3)的旁侧设有与其并接的第一压差发讯器(16)；所述卸压过滤器(18)的旁侧设有与其并接的第二压差发讯器(20)，所述第一压差发讯器(16)和第二压差发讯器(20)的信号输出端与控制柜(26)相连。

6.根据权利要求1所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述试件(21)入口处的管路上设置有精密压力表(23)和电接点压力表(24)，所述电接点压力表(24)与控制柜(26)通过信号线相连。

7.根据权利要求1所述的高压疲劳试验装置，其特征在于：所述水箱(1)的顶部设有使水箱(1)内气压与大气压保持一致的空气滤清器(2)。

8.一种权利要求1～7任一项所述的高压疲劳试验装置的试验方法，其特征在于：以梯形波压力循环或三角波压力循环对试件(21)进行内压疲劳试验，所述梯形波压力循环为依序执行升压、保压、再降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数；所述三角波压力循环为依序执行升压、降压的压力循环方式，直至缺陷扩展贯穿或达到预定的疲劳次数。