CN108645731A - 高压脉冲疲劳试验的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压脉冲疲劳试验的节能方法，所述方法应用自激振动中动能与变形能互换原理产生高压脉冲，实现节能；所述节能方法包括在柱塞的两侧各设置一个封闭腔，封闭腔内充满液压介质；柱塞振动分别压缩和释放两侧封闭腔内的液压介质，产生柱塞自激振动，实现柱塞动能与介质变形能的互换，在每个封闭腔中形成高压脉冲；柱塞在液压缸活塞提供的可控外力作用下维持位移振幅不因阻力衰减；通过控制柱塞振动的位移实现对两侧封闭腔中高压脉冲压力波形和振幅的控制；本发明提出了可控外力要满足的时序关系及柱塞振动位移的控制模式，为节能方法的实施制定了操作流程；本发明经实际应用考核，节能效果比现有方法提高一倍以上。

Description

高压脉冲疲劳试验的方法
技术领域
本发明涉及高压脉冲疲劳试验，是一种高压脉冲疲劳试验的节能方法。
背景技术
高压脉冲疲劳试验是承压类设备研发和定型时必须要进行的关键试验。按照国际和国家标准规定：高压脉冲疲劳试验的试验脉冲总数要达到106次甚至107次。高压脉冲疲劳试验的持续时间很长，通常一次高压脉冲疲劳试验要连续进行300小时以上。高压脉冲疲劳试验的过程中，基本不对外作功，试验过程中原动机的理论能耗等于高压脉冲的峰值压力乘以高压流体的平均流量，再除以整个试验装置的总效率。原动机的能量主要用于产生变形能，其中包含高压流体的压力；而变形能最终又全部变为热能浪费了。所以高压脉冲疲劳试验的能耗巨大，既不环保，又极大增加了新产品研发和定型的成本。为此，国内外均在高压脉冲疲劳试验的节能方法上进行了大量研究。由于在液压性能试验中行之有效的液压变压器、二次调节、串联发电机等节能方法，在高压脉冲疲劳试验中都无法应用。所以目前，高压脉冲疲劳试验的现有节能方法是：①并联蓄能器供油方式，②高压小流量泵和低压大流量泵联合供油方式，③利用试验产生的高温液压油中的热能生存工业用热水，回收部分热能。这些方法的节能效果均不理想，只能比理论能耗节能15％以下。当然，如不采用节能方法，则高压脉冲疲劳试验的实际能耗都将大于理论能耗20％以上，因为计算理论能耗时，采用的是高压流体的平均流量，而不采用节能方法的实际试验系统设计时应按高压流体的峰值流量来确定泵的输出流量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高压脉冲疲劳试验的节能方法，改善节能效果。
本发明的高压脉冲疲劳试验的节能方法，应用了自激振动中动能与变形能互换的原理。
本发明的节能方法中，实现自激振动中动能与变形能互换的方案是振动柱塞的两边各对称设置一个充满液体的封闭腔，封闭腔中液体的质量不变，柱塞在封闭腔中的左右行程限之间振动，分别压缩和释放两侧封闭腔内的液压介质，产生柱塞自激振动，实现柱塞动能与介质变形能的互换，封闭腔体积变小时压力升高，封闭腔体积变大时压力减小，这就形成了交变的高压脉冲。
高压脉冲的频率等于柱塞振动的频率，高压脉冲的压力振幅Δp正比于柱塞振动的位移L，位移L原点是柱塞振动行程的中位。控制柱塞振动的位移L就可控制高压脉冲的压力波形和振幅。本发明的节能方法中，柱塞位移的控制模式是，柱塞振动位移与高压脉冲压力波形满足如下对应关系：压力波形的下降时间或上升时间对应柱塞从一侧行程限开始运动，走完全行程，到达另一侧行程限的时间；柱塞到达另一侧行程限后，柱塞某侧封闭腔压力为低压，柱塞另一侧封闭腔压力为高压峰值；低压和高压的持续时间对应柱塞在行程限停留的时间。
柱塞两边的封闭腔各接入一只被试件的承压腔，即可同时对两只被试件进行高压脉冲疲劳试验；也可只在某一封闭腔接入一只被试件进行高压脉冲疲劳试验，此时要将另一封闭腔的接入口封闭。
本发明方法维持高压脉冲振幅不变的方案是为振动的柱塞实时提供可控的外加推力。外加推力的大小和作用时间的长短以保证高压脉冲振幅不衰减为准。本发明提出的外加推力是液压力，该液压力是通过与柱塞串联或并联连接的推动机构施加的，推动机构与柱塞连接的结构为刚性连接或铰接。所述推动机构包括液压缸，液压缸内安装有活塞，液压缸由计算机控制的液压阀操控。
本发明方法中，液压缸为振动柱塞提供的可控外加推力要满足如下时序关系：外加推力开始施加的时间应与柱塞振动换向的时间同步，外加推力的作用时间小于柱塞走完单向行程的时间，外加推力施加的方向应与柱塞的位移方向同向。
本发明的方法中，柱塞达到足够速度后，无需再外加推力，靠自身动能与变形能的互换，即可运行到行程终点，达到最大压力峰值。所以本发明的方法中，活塞对柱塞施加推力的时间小于柱塞单向走完全行程的时间。这也是本发明方法实现节能的基本特征。
相应的，本发明提供的该节能方法的运作流程为：①对腔体和被试件进行排气和充液，②确认排气完成后，将柱塞运行到中位停止，再次对腔体和被试件充液，直至腔体的接入口有液压介质溢出，③采用预加热或其它手段将封闭腔中的液体温度升高，直至达到实现热平衡时对应的温度，将相关接入口封闭。④计算压力振幅Δp对应的柱塞最大行程L；将柱塞振动的左行程限位和右行程限位均设定为L/2。⑤控制液压阀，使液压缸活塞推动柱塞向左或向右运动，到达柱塞的左行程限位或右行程限位，使柱塞左或右侧封闭腔的压力升至高压脉冲预定的高压峰值；此时，另一腔体的压力为高压脉冲设定的最低压力；形成柱塞自激振动的初始条件。⑥通过计算机控制液压阀，激发柱塞振动，并通过液压缸为振动柱塞实时提供可控的外加的推力，使高压脉冲的幅值和频率为设定值，波形满足GBT19934.1-2005〈液压传动金属承压壳体的疲劳压力试验第1部分：试验方法〉中对压力脉冲波形的要求。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：高压脉冲的产生应用了自激振动中动能与变形能互换的原理，经实际应用考核，本发明节能效果比现有方法提高一倍以上。
附图说明
图1为弹簧-质量柱塞-弹簧系统示意图；
图2为柱塞-封闭腔示意图；
图3为本发明方法实施的原理示意图；
图4为本发明方法产生的压力脉冲波形图；
图5为本发明方法中对柱塞施加的外力F与压力脉冲波形的时序对应关系。
具体实施方式
自激振动最简单的示例是图1所示的弹簧-质量柱塞-弹簧系统。当柱塞m位于左端，被压缩的左端弹簧将柱塞m激发，向右运动后，柱塞m会在左右两个弹簧力的交变作用下，在中位附近作左右振动，这就是自激振动。同样，当两边的金属弹簧用封闭在柱塞左右容腔中的液体介质替代后，液体弹性变形构成的液压弹簧也会使柱塞自激振动，在柱塞左右容腔中产生压力脉冲。在自激振动过程中，相当部分的液体变形能和柱塞动能发生了相互转换，这部分能量未被浪费，产生节能效果。
如图2，本发明在振动柱塞的两边各对称设置一个充满液体的可变容积的封闭腔，封闭腔容积的变化与柱塞的振动行程成正比。由于封闭腔中液体的质量不变，所以封闭腔容积的变化对应于液体的体积变形，体积变小时压力升高，体积变大时压力减小，这就形成了交变的高压脉冲。
由于封闭腔中液体的质量不变，所以封闭腔容积的变化等于液体的体积变形ΔV，若振动柱塞的承压面积为A、柱塞从行程原点中位开始起振的位移为L，则由柱塞振动产生的液体体积变形：ΔV＝AL。此外，液体的体积变形ΔV和封闭腔中液体压力变化Δp的关系式如下：故有：式中，E为液体的综合体积弹性模量，V0为对应柱塞在中位原点初始压力p0时的封闭腔液体体积，A为柱塞的承压面积。对于某个确定的高压脉冲疲劳试验，V0、E、A、均为常数，所以高压脉冲的压力振幅Δp正比于柱塞振动的位移L,位移L以柱塞行程中位为位移原点。控制柱塞振动的位移L就可控制高压脉冲的压力波形和振幅。在本发明中，需根据上述公式计算产生高压峰值Pm对应的柱塞最大行程L；并将柱塞振动的左行程限和右行程限均设定为L/2。在本实施例中，取V0＝1200ml、E＝1350Mpa，柱塞直径为63mm时，A＝31cm2。
本发明方法产生的高压脉冲的频率等于柱塞振动的频率，高压脉冲的振幅正比于柱塞振动的最大行程。将两只被试件的承压腔分别接入柱塞两边的封闭腔，可同时对两只被试件进行高压脉冲疲劳试验，当然也可只接一只，这时要将另一封闭腔的接入口封闭。为保证液体变形能和柱塞动能的转换不被摩擦阻尼所制止，本发明中所用柱塞的质量必须足够大，本实施例中大于20kg，柱塞运动的阻尼必须足够小，本实施例中启动压力小于0.05Mpa。
在自激振动过程中，除了相当部分的液体变形能和柱塞动能发生了相互转换没有损耗外，还有部分变形能和柱塞动能损失变成了热量。也正因为自激振动过程中有能量损失存在，所以如无外加能量补充，自激振动的振幅会不断衰减。
为了保证柱塞振幅不因摩擦阻尼或其它能耗而减小，以维持高压脉冲的振幅不变，本发明提出的外加能量补充的方案是，为振动的柱塞实时提供外加的推力。外加推力的大小和作用时间的长短以保证高压脉冲振幅不衰减为准，外加的推力的方向变化应与柱塞的振动同相。本发明提出的外加推力是液压力，液压力是通过与柱塞串联或并联连接的推动机构施加的，推动机构与柱塞连接的结构为刚性连接或铰接。所述推动机构包括液压缸，液压缸内安装有活塞，液压缸由计算机控制的液压阀操控。如图3所示。
本发明方法利用动能与变形能互换原理生成的交变压力脉冲波形如图4所示，满足GBT 19934.1-2005〈液压传动金属承压壳体的疲劳压力试验第1部分：试验方法〉中对压力脉冲波形的要求。交变高压脉冲的压力波形是由对柱塞振动位移的控制实现的。柱塞位移的控制模式是，柱塞振动位移与交变高压脉冲压力波形满足如下对应关系：为便于说明，设图4所示波形为柱塞左侧封闭腔压力波形，图示下降时间和上升时间均等于t1。下降时间对应柱塞从左行程限向右运动，走完全行程L，到达右行程限的时间；柱塞到达右行程限后，柱塞左侧封闭腔压力为低压P0，柱塞右侧封闭腔压力为高压峰值Pm；低压P0持续时间对应柱塞在右行程限停留的时间；上升时间对应柱塞从右行程限向左运动，走完全行程，到达左行程限的时间；柱塞到达左行程限后，柱塞右侧封闭腔压力为低压P0，柱塞左侧封闭腔压力为高压峰值Pm；，高压峰值Pm持续时间对应柱塞在左行程限停留的时间。在本实施例中，脉冲压力周期为T，下降时间和上升时间均为t1＝0.2T，高压峰值持续时间和低压持续时间均为t2＝0.3T。
本发明液压缸为振动柱塞提供外加推力的时序波形和封闭腔高压脉冲压力波形要有如图5的对应关系。图5中，上部图只是柱塞左侧封闭腔的压力波形，未画出的右侧封闭腔高压脉冲压力波形与左侧压力波形反相；下部图表示液压缸为振动柱塞提供外加推力的时序波形，实线波形是液压缸推动柱塞右行的外加推力，虚线波形是液压缸推动柱塞左行的外加推力。
本发明的方法中，柱塞达到足够速度后，无需外加推力，靠柱塞自身动能也可运行到行程终点。所以本发明的方法中，活塞对柱塞施加推力的时间小于柱塞单向走完全行程的时间。
本发明方法实施的流程如下：
(1)按图3完成试验系统各部件的连接后，对封闭腔和被试件进行排气和充液。确认排气完成后，将柱塞运行到中位停止，再次对封闭腔和被试件充液，直至各油口有油溢出。
(2)采用预加热或其它手段使封闭腔中的液体温度升高，直至达到实现热平衡时的对应温度，将相关接入口封闭。
(3)由公式计算产生高压峰值Pm对应的柱塞最大行程L；将柱塞振动的左行程限位和右行程限位均设定为L/2。
(4)控制液压阀，使液压缸活塞推动柱塞向左或向右运动，到达柱塞的左行程限位或右行程限位，使柱塞左或右侧封闭腔的压力升至高压脉冲预定的高压峰值Pm；此时，另一腔体的压力为高压脉冲设定的最低压P0；形成柱塞自激振动的初始条件。
(5)通过计算机控制液压阀，激发柱塞振动，并通过液压缸为振动柱塞实时提供可控的外加的推力，使高压脉冲的幅值和频率为设定值，波形满足GBT19934.1-2005〈液压传动金属承压壳体的疲劳压力试验第1部分：试验方法〉中对压力脉冲波形的要求。
相关技术人员可以对本发明进行修改或变动，若这些修改或变动不脱离本发明的精神，属于本发明的权利要求及其等同技术范围，则这些修改或变动也包含在本发明中。

Claims (9)

1.一种高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于：高压脉冲的产生应用了自激振动中动能与变形能互换的原理，其中的动能由振动柱塞的质量和速度产生，变形能是封闭容腔中液体的压力能；所述节能方法包括，振动柱塞的两边各对称设置一个充满液体的封闭腔，柱塞在封闭腔中的左右行程限之间振动，分别压缩和释放两侧封闭腔内的液压介质，产生柱塞自激振动，实现柱塞动能与介质变形能的互换，封闭腔体积变小时压力升高，封闭腔体积变大时压力减小，形成了交变的高压脉冲；高压脉冲的频率等于柱塞振动的频率，高压脉冲的振幅正比于柱塞振动的位移，控制柱塞振动的位移就控制了高压脉冲的波形，柱塞振动位移的控制是由外加推力实现的；柱塞两边的封闭腔各接入一只被试件的承压腔，即可同时对两只被试件进行高压脉冲疲劳试验；或者只在某一封闭腔接入一只被试件进行高压脉冲疲劳试验，此时另一封闭腔的接入口封闭。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，一侧封闭腔高压脉冲的压力波形与柱塞另一侧封闭腔高压脉冲的压力波形反相，周期相同。
3.根据权利要求1所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，每侧封闭腔高压脉冲的压力波形是由对柱塞振动位移的控制实现的；柱塞位移的控制模式是，柱塞振动位移与高压脉冲压力波形满足如下对应关系：压力波形的下降时间或上升时间对应柱塞从一侧行程限开始运动，走完全行程，到达另一侧行程限的时间；柱塞到达另一侧行程限后，柱塞某侧封闭腔压力为低压，柱塞另一侧封闭腔压力为高压峰值；低压和高压的持续时间对应柱塞在行程限停留的时间。
4.根据权利要求1或3所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，为振动柱塞提供实时可控的外加推力；所述外加推力的大小和作用时间的长短既要使柱塞振动位移的振幅不衰减，又满足柱塞振动位移与高压脉冲压力波形的对应关系。
5.根据权利要求4所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，所述外加推力满足如下时序关系：外加推力开始施加的时间与柱塞振动换向的时间同步，外加推力的作用时间小于柱塞走完单向行程的时间，即交变高压脉冲压力波形的上升时间或下降时间，外加推力施加的方向应与柱塞的位移方向同向。
6.根据权利要求4所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，所述外加推力是液压力，该液压力沿柱塞移动的轴线方向，是通过与柱塞串联或并联连接的推动机构施加的；推动机构与柱塞连接的结构为刚性连接或铰接。
7.根据权利要求6所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，所述推动机构包括液压缸，液压缸内安装有活塞，所述液压缸由受计算机控制的液压阀操控。
8.根据权利要求1所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，按如下流程步骤进行操作：
步骤a、完成试验系统各部件的连接后，对封闭腔和被试件进行充分的排气和充液；
步骤b、采用预加热手段使封闭腔中的液体温度升高，直至达到实现热平衡时对应的温度后，将相关接入口封闭；
步骤c、计算压力振幅对应的柱塞最大行程L，将柱塞振动的左行程限和右行程限均设定为L/2；
步骤d、控制液压阀，使液压缸活塞推动柱塞向左或向右运动，到达柱塞的左行程限或右行程限，形成柱塞自激振动的初始条件；
步骤e、操作计算机控制液压阀，激发柱塞振动，并通过液压缸为振动柱塞实时提供可控的外加推力，使高压脉冲的幅值和频率为设定值。
9.根据权利要求8所述的高压脉冲疲劳试验的节能方法，其特征在于，所述柱塞自激振动的初始条件是：柱塞位于向某侧封闭腔移动的行程限，该封闭腔的压力升至高压脉冲预定的高压峰值，同时，另一封闭腔的压力为高压脉冲设定的最低压力。
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