CN109799139A - 一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，包括活塞缸、活塞缸盖、活塞柱、密封圈、O型圈、螺栓和螺母；活塞缸的腔体与活塞缸盖的活塞孔内径相同；活塞缸盖通过多个螺栓和螺母固定连接在活塞缸的顶部，且活塞孔与腔体对应；活塞柱设置于活塞孔和腔体内；活塞孔内壁嵌设有两道密封圈；活塞缸和活塞缸盖的连接面之间嵌设有O型圈。本发明采用密封组合形式，机械加工由原先需要配对研磨到仅仅需要精车即可满足要求，大大减少了机械加工要求，降低了生产成本，且拆卸简单、易于维护。

Description

一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器

技术领域

本发明超高压试验技术领域，更具体的说是涉及一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器。

背景技术

随着航空技术的发展，飞机成为重要的出行、运输方式之一，飞行安全始终是航空领域的一个焦点问题，飞行器坠撞事故已经成为一个严峻的社会问题，涉及到生命财产安全和社会稳定等多个方面。因此，研究飞行器的安全防护显得尤为重要。研发新型的具有高能量耗散密度的材料是提升适坠安全性的一种有效途径，此外在车辆防撞、土木结构抗震等领域也同样具有广泛的应用，因此近年来成为了防护工程领域的热点问题。

目前大多数材料和结构都存在能量耗散密度较低，不可重复使用等问题。因此，有必要进一步研发新型的能量耗散系统。随着纳米科学研究的深入，相关学者发现纳米多孔材料可以用于开发新型的能量耗散部件。基于纳米多孔材料，上世纪90年代开始有学者对液体在外压下进入纳米孔道的现象进行研究，在此基础上相关学者提出将纳米多孔材料与液体混合，配制成纳米流体，并着力研究其作为能量耗散部件的潜力。纳米流体的基本工作原理为通过液体在外界载荷作用下进入纳米孔道的过程实现机械能向固液界面能的转换,。由于其纳米尺寸效应，该系统微观的能量转换机理及耗散密度与基于宏观固液作用的系统具有显著差异。得益于纳米多孔材料超高的比表面积,其与液体的相互作用能够实现较高的能量耗散密度。因此在缓冲器领域具有出色的应用前景。但是纳米流体的渗入渗出压强分布较为广泛，5Mpa-100Mpa均有，所以为了充分研究纳米流体的特性，需要一种方便实用的高压试验器材对纳米流体进行测试。

然而这类超高压试验仪器是由往复运动的油缸、活塞机构组成，为了提高仪器的测试精度，必须尽量减少运动副之间的泄漏和相对运动时的摩擦损失。以往解决的办法是采用制作精度较高的、最终还需要对活塞和油缸进行成对配研的间隙密封结构。这种结构加工成本很高且无法进行维护。虽然从理论上来说这种结构的寿命几乎是无限的，然而在实际制造时，由于一般工厂的工艺手段有限，即使最终进行配研等精加工工艺，花费了大量工时，仍不能达到预期要求的精度，这样会造成使用中仪器磨损，不能长时间使用，且无法维护的特点大大提高了实验成本。同时，不良的加工精度影响测试精度的进一步提升。

因此，如何提供一种适合大量可重复多次操作、用于超高压纳米流体试验的测试设备，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，在保证耐压能力、方便拆装的同时，还具有价格低、易加工、维护方便等优点，适合广泛使用于纳米流体超高压试验中。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于纳米流体试验的超高压测试仪器，包括活塞缸、活塞缸盖、活塞柱、密封圈、O型圈、螺栓和螺母；

所述活塞缸的腔体与所述活塞缸盖的活塞孔内径相同；

所述活塞缸盖通过多个所述螺栓和所述螺母固定连接在所述活塞缸的顶部，且所述活塞孔与所述腔体对应；

所述活塞柱设置于所述活塞孔和所述腔体内；

所述活塞孔内壁嵌设有两道所述密封圈；

所述活塞缸和所述活塞缸盖的连接面之间嵌设有所述O型圈。

通过上述技术方案，本发明采用密封组合形式，机械加工由原先需要配对研磨到仅仅需要精车即可满足要求，大大减少了机械加工要求，降低了生产成本，且拆卸简单、易于维护。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述活塞缸和所述活塞缸盖连接处的外壁均形成有法兰盘，多个所述螺栓穿过所述法兰盘与所述螺母配合固定连接所述活塞缸和所述活塞缸盖。螺栓和螺母的设置使更换实验液体时，不需要像传统设备那样拔出整个活塞柱，仅仅需要松开活塞缸与活塞缸盖之间的六颗螺栓即可打开整个活塞缸盖，这样即减少了在实验过程中的准备时间，又减少人为损坏实验设备的可能性。而且通过打开六个螺栓即可完全分解活塞缸、活塞缸盖和活塞柱，可较为方便的更换三组密封圈，从而完成维护维修作业。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述腔体和所述活塞孔的内径均为20mm，且公差在0至0.05之间；所述活塞柱的外直径为20mm，且公差在-0.02至-0.07之间；所述活塞柱与所述腔体和所述活塞孔间隙配合，且最大间隙小于0.12mm。且光洁度Ra＝0.8，有利于提高活塞柱的运行顺畅度。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，两道所述密封圈分别为DZ密封圈和W27-E2密封圈。能够有效满足密封和使用效果，使设备在长期使用，发生磨损后，可以通过更换密封圈来恢复设备耐压能力。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述DZ密封圈为聚四氟乙烯或丁晴橡胶材质，尺寸为20mm×26.80mm×5mm；所述W27-E2密封圈为PU材质，尺寸为20mm×26mm×7.4mm。能够有效满足密封和使用效果。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述O型圈的型号为RT35密封圈，所述RT35密封圈为PU材质，尺寸为21mm×30mm×2.25mm。能够有效满足密封和使用效果。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述腔体深度为46mm，总容积为14.4mL，所述腔体底部使用倒圆角加工，所述倒圆角半径为3mm。从而避免在该位置形成气泡。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述活塞柱底端倒直角加工，所述倒直角尺寸为1.5mm×70°。从而避免在该位置形成气泡。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述螺栓和所述螺母均采用M8A2-70级别以上型号。符合120Mpa时超高压计算要求。

优选的，在上述一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器中，所述活塞缸、所述活塞缸盖和所述活塞柱均使用调质达到800Mpa屈服极限的30CrMnSi材料制成。可保证在120Mpa超高压作用下，材料不发生塑性形变。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了，具有以下有益效果：

1、该高压试验装置的设计着眼于纳米流体试验的需要，在继承原试验器材耐压能力高、摩擦阻力小、实验精度高等设计优点的同时采用密封组合形式，机械加工由原先需要配对研磨到仅仅需要精车即可，大大减少了机械加工要求，降低了生产成本。

2、所设计的高压试验装置可以通过更换密封圈实现对实验器材的维护，改变了原有类型实验无法维护修理的弊端，大大降低了试验的总体成本。

3、所设计的试验装置在更换实验液体时，不需要像传统设备那样拔出整个活塞柱，仅仅需要松开活塞缸盖与活塞缸之间的六颗螺栓即可打开整个活塞缸盖，这样即减少了在实验的准备时间，又减少人为损坏实验设备的可能性。

4、该设备维护维修时仅仅通过打开六个螺栓即可完全分解活塞缸、活塞缸盖和活塞柱，可较为方便的更换三组密封圈，从而完成维护维修作业。

5、该高压试验装置易于加工，易于装配，易于维护，有巨大应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的纳米多孔材料液体系统能量吸收原理图；

图2附图为本发明提供的纳米流体试验超高压测试仪器的剖视图；

图3附图为本发明提供的纳米流体试验超高压测试仪器的结构示意图；

图4附图为本发明提供的可修复性说明示意图；

图5附图为本发明提供的硅胶系统的压强—体积应变(P–εV)曲线图。

其中：

1为活塞缸，11为腔体，2为活塞缸盖，21为活塞孔，3为活塞柱，4为密封圈，5为O型圈，6为螺栓，7为螺母，8为法兰盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，包括活塞缸1、活塞缸盖2、活塞柱3、密封圈4、O型圈5、螺栓6和螺母7；

活塞缸1的腔体11与活塞缸盖2的活塞孔21内径相同；

活塞缸盖2通过多个螺栓6和螺母7固定连接在活塞缸1的顶部，且活塞孔21与腔体11对应；

活塞柱3设置于活塞孔21和腔体11内；

活塞孔21内壁嵌设有两道密封圈4；

活塞缸1和活塞缸盖2的连接面之间嵌设有O型圈5。

为了进一步优化上述技术方案，活塞缸1和活塞缸盖2连接处的外壁均形成有法兰盘8，多个螺栓6穿过法兰盘8与螺母7配合固定连接活塞缸1和活塞缸盖2。

为了进一步优化上述技术方案，腔体11和活塞孔21的内径均为20mm，且公差在0至0.05之间；活塞柱3的外直径为20mm，且公差在-0.02至-0.07之间；活塞柱3与腔体11和活塞孔21间隙配合，且最大间隙小于0.12mm。

为了进一步优化上述技术方案，两道密封圈4分别为DZ密封圈和W27-E2密封圈。

为了进一步优化上述技术方案，DZ密封圈为聚四氟乙烯或丁晴橡胶材质，尺寸为20mm×26.80mm×5mm；W27-E2密封圈为PU材质，尺寸为20mm×26mm×7.4mm。为了进一步优化上述技术方案，

为了进一步优化上述技术方案，O型圈5的型号为RT35密封圈，RT35密封圈为PU材质，尺寸为21mm×30mm×2.25mm。

为了进一步优化上述技术方案，腔体11深度为46mm，总容积为14.4mL，腔体11底部倒圆角加工，倒圆角半径为3mm。

为了进一步优化上述技术方案，活塞柱3底端倒直角加工，倒直角尺寸为1.5mm×70°。

为了进一步优化上述技术方案，螺栓6和螺母7均采用M8A2-70级别以上型号。

为了进一步优化上述技术方案，活塞缸1、活塞缸盖2和活塞柱3均使用调质达到800Mpa屈服极限的30CrMnSi材料制成。

本发明的原理为：

参见附图3，纳米流体的基本工作原理为通过液体在外界载荷作用下进入纳米孔道的过程实现机械能向固液界面能的转换,。由于其纳米尺寸效应，该系统微观的能量转换机理及耗散密度与基于宏观固液作用的系统具有显著差异。得益于纳米多孔材料超高的比表面积,其与液体的相互作用能够实现较高的能量耗散密度。

参见附图4，本发明与传统柱塞相比，将易损部位从柱塞与缸体配合表面变为密封圈4与活塞柱3配合表面。传统柱塞在长时间使用后其配合表面发生磨损，设备不能保持良好耐压性能，并且这种磨损无法修复，只能更换整个新的柱塞设备，如附图4的左图所示，可以看到长配合的机械加工面。而在本发明活塞设备中，易损部位由原长配合面变成两个尺寸很小的密封圈4与活塞柱3配合区域，本发明设备在长期使用，发生磨损后，可以通过更换密封圈4来恢复设备耐压能力。

材料尺寸选择：

按照《压力容器安全技术监察规程》中的分类，将压力容器按照容器的压力等级分为低压、中压、高压和超高压四个等级。其中超高压容器为承受压强大于100Mpa的容器，显然本实施例中120Mpa耐压值的器具已经属于超高压，所以设计时应采用超高压容器设计的思路以及计算方法。在超高压容器设计中，由于内部压强太大，导致压力容器筒壁内外应力严重不均匀，单纯增加筒壁厚度并不完全有效，因为内部材料可能在高压下进行屈服导致高压筒变形甚至失效。应对这种状况应该在选材上进行考虑，需要满足筒壁在设计压强下不变形的条件。根据拉美公式，厚壁圆筒在内压作用下，其内外壁周应力之比为：

K容器的为外径与内径之比，当K增到6时，单纯的增加厚度对于高压容器的耐压设计已经没有用了。高压筒的内壁应力极限为：

可以看到制作超高压容器其材料选择十分重要，如果选用了低屈服强度的材料，则增厚对耐压设计不会有显著作用甚至不能达到设计要求，一般来讲选择材料的屈强比在0.8-0.9范围之间。因为是实验设备的设计，其内部尺寸比较重要，所以应用塑性失效准则，不允许塑性变形。公式是屈服应力与压强的关系

或当b为外径a为内径时

得到在本实施例设计的尺寸要求下，耐压120Mpa时，屈服应力326.992Mpa，查询手册得到使用塑性失效计算方法时，超高压力容器取2为安全系数，屈服强度为528Mpa。查询机械设计手册得到30CrMnSiA材料使用880℃淬火(油冷却)，再配合520℃回火(油冷却)可以使材料达到抗拉强度980Mpa，屈服极限830Mpa，延伸率12％，断面收缩45％，夏比冲击功41J，十分适合作为高高压容器的材料。本实施例中的耐压容器选用该材料制造。从机械设计手册中查询压力容器的螺栓选用方法，得到下表，本例中采用六个M8A2-70级别不锈钢螺栓以达到设计要求。

密封形式选择：

由于实验过程中需要进行压缩，要设计密封来保证压缩过程中液体的密闭性，从而保证内压。装置是由活塞缸1、活塞柱3、活塞缸盖2、密封圈4组成。密封一般分成两类：活塞缸1密封和活塞柱3密封。

考虑实验条件，需要保证活塞直径的准确性，从而确保加压准确，选用活塞柱3密封的形式。本实验中密封圈采用了材料采用优泰科(UTEC)的组合密封圈，为两个带挡圈的密封圈4及一个O型圈5。其中W27-E2与R20分别安装在油缸内，通过两道减压防止高压时油液外泄。本例中除了要求耐压测量还需要有耐油性考虑，所以选用的第一道密封圈W27-E2为PTFE4+NBR材料，可以使摩擦系数仅仅为0.05，并且可以使用与油基溶液的密封，RT35密封圈是一个带槽的O型圈，安装于活塞缸盖2与活塞缸1之间，防止液体从侧面泄露。

结果展示：

将纳米多孔材料液体系统置于高压腔体装置中，倒入过程中使用玻璃棒进行充分搅拌，并确保将腔体空间充满。本实验采用的纳米多孔材料液体系统的初始体积为14ml。将封装好的高压腔体装置置于T2402S型电子万能试验机上进行准静态加卸载实验。该试验机的加卸载速率范围为0.05–500mm/min，最大载荷为10kN。

参见附图5，按照上述实验方法得到硅胶系统的压强—体积应变(P–εV)曲线，,其中压强P为试验机载荷与活塞横截面积之比，体积应变εV为活塞占据的体积与纳米多孔材料液体系统的初始体积之比。图中所示的系统由0.4g疏水硅胶与8ml去离子水配制而成。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，包括活塞缸(1)、活塞缸盖(2)、活塞柱(3)、密封圈(4)、O型圈(5)、螺栓(6)和螺母(7)；

所述活塞缸(1)的腔体(11)与所述活塞缸盖(2)的活塞孔(21)内径相同；

所述活塞缸盖(2)通过多个所述螺栓(6)和所述螺母(7)固定连接在所述活塞缸(1)的顶部，且所述活塞孔(21)与所述腔体(11)对应；

所述活塞柱(3)设置于所述活塞孔(21)和所述腔体(11)内；

所述活塞孔(21)内壁嵌设有两道所述密封圈(4)；

所述活塞缸(1)和所述活塞缸盖(2)的连接面之间嵌设有所述O型圈(5)。

2.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述活塞缸(1)和所述活塞缸盖(2)连接处的外壁均形成有法兰盘(8)，多个所述螺栓(6)穿过所述法兰盘(8)与所述螺母(7)配合固定连接所述活塞缸(1)和所述活塞缸盖(2)。

3.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述腔体(11)和所述活塞孔(21)的内径均为20mm，且公差在0至0.05之间；所述活塞柱(3)的外直径为20mm，且公差在-0.02至-0.07之间；所述活塞柱(3)与所述腔体(11)和所述活塞孔(21)间隙配合，且最大间隙小于0.12mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，两道所述密封圈(4)分别为DZ密封圈和W27-E2密封圈。

5.根据权利要求4所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述DZ密封圈为聚四氟乙烯或丁晴橡胶材质，尺寸为20mm×26.80mm×5mm；所述W27-E2密封圈为PU材质，尺寸为20mm×26mm×7.4mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述O型圈(5)的型号为RT35密封圈，所述RT35密封圈为PU材质，尺寸为21mm×30mm×2.25mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述腔体(11)深度为46mm，总容积为14.4mL，所述腔体(11)底部倒圆角加工，所述倒圆角半径为3mm。

8.根据权利要求1或7所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述活塞柱(3)底端倒直角加工，所述倒直角尺寸为1.5mm×70°。

9.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述螺栓(6)和所述螺母(7)均采用M8A2-70级别以上型号。

10.根据权利要求1所述的一种用于纳米流体试验的超高压测试仪器，其特征在于，所述活塞缸(1)、所述活塞缸盖(2)和所述活塞柱(3)均使用调质达到800Mpa屈服极限的30CrMnSi材料制成。