CN104271338B - 压力套筒 - Google Patents

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Abstract

一种套筒组件包括含有液压流体的腔室，增压器元件，其能够在腔室内往复运动并响应于作用在增压器元件上的驱动装置而移动液压流体，以及活塞，其能够在腔室内往复运动并响应于液压流体压力的变化而可被移动。套筒组件被配置为使得当响应于由驱动装置施加在增压器上的第一力而流体压力增加时，液压流体将在活塞上产生第二力，第二力大于第一力；液压流体的质量基本上被保存在套筒组件中。

Description

压力套筒
技术领域
本公开一般涉及一种用于产生压力的套筒组件，特别但不唯一地用于超高压的压机。
背景技术
美国专利号6,336,802公开了一种整体压机框架和具有内部强化的整体套筒。套筒主体包括第一腔室，第二高压腔室和连接柱状通道。安装在套筒主体的第一高压腔室内部的是插头和内部流体增压器活塞，其柱塞被插入到柱状通道中。在压机循环的正常操作中，来自外部泵源的增压流体经由入口进入第一腔室中，向前推进内部流体增压器活塞。活塞的向前运动作用于第二高压腔室内的流体并向前推动砧/活塞。当砧/活塞与典型的反应室接触时，来自外部泵源的流体压力在第一腔室内增大，导致在砧/活塞后面的第二腔室内形成放大的流体压力。然后砧/活塞起到作用在其上的增压流体的机械增压器的作用，在砧表面处产生超高压力。
需要更加紧凑的超高压产生器套筒，优选地具有降低的液压流体损失风险。如本文所用，超高压力至少约为1GPa。
发明内容
从第一个方面来看，提供了一种(用于产生压力的)套筒组件，特别但不唯一地用于产生超高压力，包括用于容纳液压流体的腔室、增压器元件和活塞，所述增压器元件能够在腔室内往复运动并响应于作用在增压器元件上的驱动装置而移动液压流体，所述活塞能够在腔室内往复运动并响应于液压流体压力的变化而可被移动；套筒组件被配置为使得当响应于由驱动装置施加在增压器上的第一力而使流体压力增加时，液压流体将在活塞上产生第二力，所述第二力大于所述第一力；液压流体基本上被保存在套筒组件中(基本上无液压流体进入或离开套筒组件)。第二力与第一力的比例根据已知流体力学(液压)原理，将取决于腔室内活塞和增压器杆的配置。
通过本公开，设想了用于套筒组件的各种配置和组合，其中下面为非限定的、非穷举的实施例。
套筒组件可包括壳体。套筒组件可包括用于容纳液压流体的腔室、能够在腔室中往复运动的增压器杆、活塞和用于驱动增压器杆进入腔室中和将其从腔室退出的机电驱动装置。
增压器元件可在近端处与腔室外面的柱塞连接，柱塞与驱动装置联接。
驱动装置可包括与具有纵向轴的螺纹梁联接的伺服电机，所述梁的位置相对于壳体基本上固定；伺服电机和梁被配置为使得可通过伺服电机可选择地驱动梁围绕其纵轴的转动；通过协同螺纹机构，增压器元件被可驱动地连接至螺纹梁，使得梁的转动会导致纵向力经由螺纹机构被施加至增压器元件。
增压器元件可以为长形元件，比如杆，其可以是圆柱形。增压器元件可以在近端处被连接至柱塞，所述柱塞被联接至驱动装置，其可包括机电装置。在一些实施例的配置中，驱动装置可包括伺服电机，比如步进电机。伺服电机可被联接至螺纹梁，或至少一对螺纹梁，其位置相对于套筒组件的壳体固定。伺服电机和梁可被配置为使得可通过伺服电机可选择地驱动梁围绕其纵轴的转动。伺服电机和梁可被连接至壳体。通过协同螺纹机构可将柱塞联接至梁，使得经由螺纹机构，梁的转动会导致纵向力被施加到柱塞上。因此柱塞可以响应于梁的转动而沿着纵向轴的任一方向移动。也就是说，所驱动的梁的转动可以转化为柱塞上的纵向力，假设其纵向位移不被阻止，其可以导致柱塞的纵向位移。柱塞的纵向位移可导致增压器元件的纵向位移，并导致位于腔室内的增压器元件远端的纵向位移。因此通过伺服电机的作用可将第一力施加在增压器元件上。驱动装置可包括至少两个或三个螺纹梁，柱塞将与该螺纹梁联接。该螺纹梁有可能使驱动装置更加有效和稳定。
壳体可包括用于增压器元件的导向孔，该导向孔将腔室与壳体的外部连接；位于导向孔中的增压器元件被配置有位于壳体外部的近端和位于壳体内部的远端；套筒组件包括针对壳体和增压器元件配置的密封装置，使得当增压器元件能够在导向孔中往复运动时可基本上避免液压流体从腔室中泄漏。
活塞可具有位于腔室内部的近端，当将活塞完全插入到壳体中时，活塞近端紧靠由腔室内表面限定的机座。
活塞可具有位于腔室内部的近端和相对的远端，活塞包括在近端中的接收器孔，用于容纳靠近增压器元件远端的增压器元件的一部分。
壳体可包括用于增压器元件的导向孔，且活塞包括在活塞近端中的接收器孔，其用于容纳靠近增压器元件远端的增压器元件的一部分，导向孔和接收器孔基本上对齐，使得增压器元件能够从导向孔伸出并进入到接收器孔中。
接收器孔和导向孔可相互连通，并且当将活塞完全插入到腔室内时，腔室内基本上所有的液压流体可被包含在由导向孔和接收器孔限定的体积中。
可将用于撞击待增压主体的砧安装在活塞远端上。可将砧安装在砧固定器上，所述砧固定器可被安装在用于在侧面内调节砧位置的位置调节机构上，所述砧固定器可被安装在活塞的远端上。
壳体可被配置为插入并联接到设置在框架，例如压机设备，比如超高压压机设备的框架内的孔中，所述超高压压机设备如可用于超硬材料，比如金刚石或立方氮化硼(cBN)材料的合成和或烧结。
从第二个方面来看，提供了一种压机系统，其包括根据本公开的压机框架和套筒组件。
压机系统可以是立方体、四面体或单轴压机系统，分别包括六个、四个或两个套筒组件。
特定公开的套筒组件可具有改善空间的特点，即需要较少的用于容纳组件的空间。另外，由于不需要将液压流体吸入和抽出套筒组件，因此可能需要更低压力的管道，更少的密封环和密封表面。套筒组件可具有减小的质量并可能更易于维护。
附图说明
参考所附附图将对非限定性实施例配置进行描述，其中
图1A示出了在完全收回情况下套筒组件实施例的横截面示意图；
图1B示出了在完全伸出情况下套筒组件实施例的横截面示意图；
图1C示出了套筒组件实施例的示意性透视图；
图2A示出了立方体压机系统实施例的侧面示意图，其中套筒组件从压机框架中退出；
图2B示出了图2A的组件实施例的侧面示意图，其中套筒组件被安装在压机框架中；
图2C示出了图2A的立方体压机系统的压机框架和一个套筒组件的实施例的横截面示意图；
图2D示出了图2A的立方体压机系统的压机框架和一个套筒组件的实施例的横截面示意图；和
图2E示出了图2A的立方体压机框架的等距透视图。
具体实施方式
参考图1A至图1C，用于超高压压机的套筒组件100的实施例的配置包括壳体110，用于容纳液压流体的腔室120，能够在腔室120中往复运动的增压器杆130，活塞150和用于驱动增压器杆130进入腔室120中和将其从腔室120中取出的机电驱动装置140。如此处使用，液压流体为流体介质，通过该液压流体，动力可在液压机械中传递。液压流体的实例包括基于矿物油或水的流体。壳体110包括用于增压器杆130的导向孔122，导向孔122与腔室120和壳体110的外部连接。增压器杆130位于导向孔122内并可在其中往复运动。密封装置被设置在增压器杆130和导向孔122之间，使得在使用中增压器杆130在导向孔122中往复运动时，腔室120中的液压流体不能从腔室泄漏到壳体110的外部。活塞150具有位于腔室120内的近端和位于腔室120外部的相对远端。接收器孔124被设置在活塞150的近端中，用于容纳增压器杆130的端部，该端部可从导向孔122伸出进入接收器孔124中。接收器孔124与导向孔122对齐，并且如图1A所示，当活塞150被完全插入到腔室120中时，接收器孔124与导向孔122直接连通，因此接收器孔124和导向孔122相结合基本上限定了用于容纳液压流体的腔室120可用的整个体积。当如图1B所示将活塞150甚至稍微从腔室中伸出时，在腔室壁和活塞150的近端之间打开了更多的体积。腔室120因此可包括导向孔122的至少一部分，接收器孔124和腔室壁和活塞150之间的体积。
杆130和活塞150具有垂直于其各自的往复运动轴(在本实施例中，相同的轴)的各自面积A1和A2，并暴露于腔室120中的液压流体。驱动装置140包括伺服电机142和与伺服电机142联接的至少两个螺纹梁144，使得其可以被伺服电机142同步驱动，从而围绕其各自的轴转动。杆130通过柱塞132可移动地与每个螺纹梁144联接，该柱塞132包括各个内螺纹联接螺钉134，联接螺钉134的螺纹和梁144协同配置，使得当梁144转动时，联接螺钉134被推动，从而沿着梁144在由梁144的转动方向确定的方向上(即或者朝向壳体110或者远离其)移动。因此，柱塞132会朝向壳体110或远离其而被驱动，并且杆130会被驱动进入腔室120或从其中取出。
当将杆130驱动进入腔室120中一段距离时，其将倾向于用由驱动装置140施加的力F1来压缩腔室120中的液压流体，并且在液压流体中产生压力P。根据流体力学原理，活塞150在所述方向上将经受力(A2/A1)×F1并被向前推进。
可以将砧156安装在活塞150的前端。砧156可包括烧结碳化钨并适合于撞击用于合成或烧结金刚石的容器。用于撞击容器的砧156的最前端表面可具有面积A3。砧能够在容器上产生的压力可以约为(A2/A1)×F1/A3。可将砧安装在砧固定器154上，所述砧固定器154可以被安装在X-Y侧向位置移动平台上，所述平台用于在垂直于轴L和或围绕轴L转动的平面中调节砧156的侧向位置。
壳体110可包括棱、翅片、凸起或凸角112，其被配置在圆周的侧表面上，用于将壳体110固定在压机(未示出)的钻孔内，抵抗沿着轴L相对于钻孔的纵向位移，壳体110可包括用于联接的协同配置的结构。壳体可包括用于将其固定，以抵抗钻孔内的侧向(径向)位移的凸角114。
参考图2A至图2E，立方体压机系统300的实例包括整体式钢制框架500，其具有六个侧面，每个侧面设置有用于容纳各个液压套筒400的钻孔510。压机框架500具有基本上为球形的中心腔室550，用于容纳待增压容器。每个套筒400通过各自的轴向和径向固定机构被机械的固定至压机框架500。每个套筒400包括一般为柱状主体410，其设有元件径向固定机构412和轴向固定机构415。对应的钻孔510也设置有补充元件用于径向和轴向固定机构515。轴向固定机构在套筒400的主体410上包含多个螺纹415，其在孔510中对应罗纹515之间插入。有三组罗纹415，515配置在每个套筒主体410上和在每个各自的钻孔510中，每组一方面周向地围绕套筒主体410另一方面围绕钻孔510被等距离地互相分开；每组包括各自的罗纹415，515系列，其一方面沿着套筒主体410，另一方面沿着孔510被轴向配置。
当容器被加载在中心腔室中时，可以给六个套筒提供能量，以便从六个方向的每一个驱动各个砧到容器上。因此经由框架和套筒之间的固定机构，可将负载施加到容器上和压机框架上(在相反方向上)。
同类的径向固定机构被设置在每个套筒的前端和后端，从而将其径向固定在每个各自孔的前端和后端。将径向固定机构设计为当处于未锁定状态下容许套筒自由插入到孔中(并从孔中取出)，并防止当处于锁定状态下套筒的径向位移。在锁定和未锁定状态之间的转换可涉及以60度围绕其纵向轴转动套筒。径向固定机构包括三个从套筒径向向外伸出的紧靠的凸角，和包括三个从压机框架的孔中径向向内伸入紧靠的凸角。在套筒和压机框架上的三个紧靠的凸角一方面围绕套筒圆周，另一方面在孔内被等距离分开。套筒和框架上的邻接凸角被配置和尺寸上设计为使得当将套筒完全插入到孔中并处于锁定状态时，套筒的邻接凸角可径向地紧靠框架的邻接凸角，由此防止套筒基本上径向的位移。
当在未锁定状态下被插入到孔中时，可使用周向地位于框架的邻接凸角之间的其邻接凸角对套筒定向，并且在套筒和孔之间，包括其各个邻接凸角之间存在间隙，使得可以自由插入和取出套筒，而不与孔接触。一旦被插入，通过将其转动60度，可将套筒放置于锁定状态中，使得各个邻接凸角径向地相互紧靠。同时，可使轴向固定机构啮合。

Claims (16)

1.一种套筒组件包括含有液压流体的腔室，增压器元件和活塞，所述增压器元件能够在所述腔室内往复运动并响应于作用在所述增压器元件上的驱动装置而移动所述液压流体，所述驱动装置包括机电机构，所述活塞能够在所述腔室内往复运动并响应于所述液压流体压力的变化而可被移动；所述套筒组件被配置为使得当响应于由所述驱动装置施加在所述增压器上的第一力而所述流体压力增加时，所述液压流体将在所述活塞上产生第二力，所述第二力大于所述第一力；所述液压流体的质量基本上被保存在所述套筒组件中。
2.如权利要求1所述的套筒组件，用于超高压发生器设备。
3.如权利要求1所述的套筒组件，其中，所述增压器元件为长形元件。
4.如权利要求1所述的套筒组件，其中，所述增压器元件在近端处与所述腔室外面的柱塞连接，所述柱塞与所述驱动装置联接。
5.如权利要求1所述的套筒组件，包括壳体，其中所述驱动装置包括与具有纵向轴的螺纹梁联接的伺服电机，所述梁的位置相对于所述壳体固定；所述伺服电机和所述梁被配置为使得可通过所述伺服电机可选择地驱动所述梁围绕其纵轴的转动；通过协同的螺纹机构，所述增压器元件可以被可驱动地连接至所述螺纹梁，使得所述梁的转动将导致纵向力经由所述螺纹机构被施加至所述增压器元件。
6.如权利要求1所述的套筒组件，包括壳体，所述壳体包括用于所述增压器元件的导向孔，所述导向孔将所述腔室与所述壳体的外部连接；所述增压器元件位于所述导向孔内，所述导向孔被配置有位于所述壳体外部的近端和位于所述壳体内的远端；所述套筒组件包括针对所述壳体和所述增压器元件配置的密封装置，使得基本上避免液压流体从所述腔室中泄漏，同时所述增压器元件能够在导向孔中往复运动。
7.如权利要求1所述的套筒组件，包括壳体，其中，所述活塞具有位于所述腔室内部的近端，当将所述活塞完全插入到所述壳体中时，所述活塞的近端紧靠由所述腔室的内表面限定的机座。
8.如权利要求1所述的套筒组件，其中，所述活塞具有位于所述腔室内部的近端和相对的远端，所述活塞包括在所述近端中的接收器孔，用于容纳靠近所述增压器元件远端的所述增压器元件的一部分。
9.如权利要求1所述的套筒组件，包括壳体，其中，所述壳体包括用于所述增压器元件的导向孔，且所述活塞包括在所述活塞近端中的接收器孔，其用于容纳靠近增压器元件远端的增压器元件的一部分，所述导向孔和所述接收器孔对齐，使得所述增压器元件能够从所述导向孔伸出并进入到所述接收器孔中。
10.如权利要求9所述的套筒组件，其中，所述接收器孔和导向孔相互连通，并且当将所述活塞完全插入到所述腔室内时，所述腔室内基本上所有的液压流体被包含在由所述导向孔和所述接收器孔限定的体积中。
11.如权利要求1所述的套筒组件，包括用于撞击待增压主体的砧，所述砧被安装在所述活塞的远端上。
12.如权利要求11所述的套筒组件，其中，所述砧被安装在砧固定器上，所述砧固定器被安装在用于在侧面内调节所述砧位置的位置调节机构上，所述砧固定器被安装在所述活塞的远端上。
13.如权利要求1所述的套筒组件，包括壳体，其中，所述壳体被配置为插入并联接至孔中，所述孔被设置在压机设备的框架内。
14.如权利要求13所述的套筒组件，其中压机设备是用于超硬材料，比如金刚石或立方氮化硼(cBN)材料的合成和或烧结。
15.一种压机系统，包括压机框架和如权利要求1所述的套筒组件。
16.如权利要求15所述的压机系统，包括四个或六个如权利要求1所述的套筒组件。
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