CN110273869A - 自适应变间隙密封超高压水增压器 - Google Patents

自适应变间隙密封超高压水增压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自适应变间隙密封超高压水增压器，它包括低压缸体，所述低压缸体两端的端口上均设置有中空的导向套，所述低压缸体内设置有来回滑动的低压缸活塞，所述低压缸活塞两端面的中心位置对称设置有高压柱塞；所述高压变形柱塞穿过导向套并伸出，所述高压柱塞另一端开设有圆筒形柱状腔体，所述高压柱塞外部套有高压缸体，所述高压缸体一端插入导向套外表面上凹槽内；所述高压缸体另一端设置有中空且顶端开口的高压缸端盖。本发明具有低摩擦、高频响、长寿命、能自适应变间隙密封的特点；进一步提升超高压水增压器的增压能力和压力稳定性，使最大工作压力达800MP以上，压力波动率控制在5％内。

Description

自适应变间隙密封超高压水增压器
技术领域
本发明涉及增压器，具体涉及一种自适应变间隙密封超高压水增压器。
背景技术
为适应市场需要，钢铁行业开发生产了NM450、WHF1300D/R、Q960等大批量高强钢新产品。该类钢种具有很高的硬度和抗拉强度(σb＞1200MPa)，传统的加工方式难以加工制作检验试样，一般采用水切割方式进行加工。超高压水增压器是水切割设备的动力核心部件，其工作原理是使用电磁换向阀控制受压截面积不同的柱塞往复运动而实现连续增压，且增压压力越大切割效率越高，压力越稳定。
超高压水增压器往复运动柱塞的动密封一般采用接触式密封或间隙密封结构形式。增压器采用接触式动密封，因工作介质水的黏度低、润滑性差，在100～400MPa超高压力下高速运动的柱塞易烧损密封圈，且摩擦副阻力会影响运动部件的响应特性，超高压状态下接触式密封件存在摩擦阻力大、耐磨寿命低、响应慢、易烧损等问题。间隙密封是依靠缸筒衬套和柱塞相对运动副之间的微小配合间隙形成节流压降来实现密封，间隙密封效果主要取决于间隙量大小、间隙长度及间隙两端的压差等因素，具有摩擦力小、频率响应高、稳定性好等优点，但超高压力下间隙密封装配结构加工精度要求高，且恒间隙密封的泄漏量会随着工作压力的升高而增大，增压容积效率变低，采用恒间隙密封增压压力和容积效率受限。受密封技术限制，现有水切割超高压水增压器工作压力一般在400MPa以内，且压力波动率在10％左右，压力波动大。
因此，超高压密封技术制约了增压器增压能力的进一步提升，影响高强钢试样切割效率及切割质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种自适应变间隙密封超高压水增压器，该增压器具有低摩擦、高频响、长寿命、能自适应变间隙密封的特点；解决接触式密封元件在超高压状态下高速往复运动的烧损问题，并有效控制泄漏量，保持超高压状态下较高的容积效率，进一步提升超高压水增压器的增压能力和压力稳定性，使最大工作压力达800MP以上，压力波动率控制在5％，解决超高强钢试样加工难题。
为实现上述目的，本发明所设计一种自适应变间隙密封超高压水增压器，它包括低压缸体，所述低压缸体两端的端口上均设置有中空的导向套，所述低压缸体内设置有来回滑动的低压缸活塞，所述低压缸活塞两端面的中心位置对称设置有高压柱塞；所述高压变形柱塞穿过导向套并伸出，所述导向套内部上对称开设有上支承油腔和下支承油腔，所述上支承油腔和下支承油腔的腔壁上均设置有上油口和下油口，所述上油口和下油口通过管线与圆台形滑阀反馈节流器两端的圆台形滑阀出油口连通；所述高压柱塞另一端开设有圆筒形柱状腔体，所述圆筒形柱状腔体的腔体外壁受内外压力差作用后会变形成弧形；所述高压柱塞外部套有高压缸体，所述高压缸体内壁上设有衬套，所述衬套与高压柱塞之间预留有密封节流间隙，所述高压缸体一端插入导向套外表面上凹槽内；所述高压缸体另一端设置有中空且顶端开口的高压缸端盖，所述高压缸端盖顶部开口处连接有进出水管，所述进出水管分别连接有进水管和出水管。
进一步地，所述圆台形滑阀反馈节流器包括节流器壳体，所述节流器壳体内部中空，所述节流器壳体中央水平设置有圆台形滑阀阀芯，所述节流器壳体与圆台形滑阀阀芯之间预留有圆台形滑阀阀芯节流间隙；所述圆台形滑阀阀芯两端均设置有回位弹簧，所述回位弹簧端部设置有堵头，所述堵头插入节流器壳体内，所述节流器壳体中央内壁上开设有环形槽，所述环形槽的槽壁上开设有圆台形滑阀进油口，所述节流器壳体两端内壁上均间隔开设有多个对称环形槽，所述节流器壳体两端的对称环形槽的槽壁上开设有分别与上油口和下油口连通的圆台形滑阀出油口。
再进一步地，所述圆筒形柱状腔体由小腔体a和大腔体b组成，所述大腔体b内壁受内外压力差作用后会变形为弧形。
再进一步地，所述导向套与衬套之间高压缸体内壁上设置有接触式密封圈，所述接触式密封圈设置高压缸体内壁面，并压在衬套端面上；所述接触式密封圈由U型密封环和O型圈组合而成；U型密封环由铝材质制作，内圆柱面与高压柱塞的外圆柱面贴合形成动密封面，并通过O型圈对其预压。O型圈与高压缸衬套的内圆柱面贴合，满足U型密封环与柱塞接触密封的预压力要求。
再进一步地，所述接触式密封圈一侧的高压缸体上设置有直动式溢流阀(其开启压力可使间隙内保持一定背压力，在柱塞与衬套间形成间隙水膜，防止运动副接触产生磨擦磨损)。
再进一步地，所述进水管和出水管上分别设置有进水单向阀和排水单向阀。
再进一步地，所述上支承油腔和下支承油腔与高压缸体之间导向套内壁上设置有环形槽，所述环形槽连接有回油管，所述回油管从导向套壁上穿出。
再进一步地，所述导向套内设置有换向传感器。
本发明的有益效果：
本发明自适应变间隙密封超高压水增压器为超高压自补偿变间隙密封结构。利用间隙节流降压原理和柱塞高压端的腔体弹性变形，高压缸柱塞吸入与排出往复运动时，高压端柱塞腔体会受内、外压力差作用发生变形量，在腔体结构弹性变形范围内调节柱塞与衬套间的间隙，使得最小密封间隙和间隙密封节流长度均随工作压力变化而变化，克服恒间隙密封泄漏量随工作压力的增加而增大缺陷。
本发明自适应变间隙密封超高压水增压器中包括阀芯带有锥度的圆台形滑阀反馈节流器，圆台形滑阀反馈节流器通过圆台形阀芯节流间隙的变化起反馈作用，节流器的液阻与阀芯位移量的三次方成比例，进油变量指数等于支承油腔排油变量指数，抵抗负载的反馈能力较圆柱形阀芯更强。采用圆台形滑阀反馈式静压支承技术对柱塞进行导向支承，防止柱塞在超高压缸筒运动时出现过大偏摆。
本发明双作用水增压器高压柱塞具有较小的摩擦力和自对中性，能够高速、高频运动，稳定增压压力可达1000MPa，克服接触式密封元件在超高压状态下的烧损问题并有效控制泄漏量，解决高强钢试样加工难题。
附图说明
图1为自适应变间隙密封超高压水增压器的结构示意图；
图2为图2自适应变间隙密封增压缸往复动密封结构图
图3为高压柱塞变形示意图
图4为圆台形滑阀反馈节流器静压支承原理图
图中，高压缸端盖1、高压柱塞2、圆筒形柱状腔体2.1、小腔体2.1a、大腔体2.1b、高压缸体3、密封节流间隙4、衬套5、直动式溢流阀6、接触式密封圈7、导向套8、上支承油腔8.1、下支承油腔8.2、上油口8.11、下油口8.21、凹槽8.3、换向传感器9、低压缸活塞10、低压缸体11、环形油槽12、回油管12.1、进出水管13、进水管13.1、出水管13.2、进水单向阀14、排水单向阀15、圆台形滑阀反馈节流器16、节流器壳体16.1、圆台形滑阀阀芯16.2、回位弹簧16.3、堵头16.4、环形槽16.5、对称环形槽16.6、圆台形滑阀出油口16.7、圆台形滑阀进油口16.8、圆台形滑阀阀芯节流间隙16.9。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图所示的自适应变间隙密封超高压水增压器，它包括低压缸体11，低压缸体11两端的端口上均螺纹连接有中空的导向套8，低压缸体11内设置有来回滑动的低压缸活塞10，低压缸活塞10两端面的中心位置对称设置有高压柱塞2；高压变形柱塞2穿过导向套8并伸出，
高压柱塞2另一端开设有圆筒形柱状腔体2.1，圆筒形柱状腔体2.1的腔体外壁受内外压力差作用后会变形成弧形；圆筒形柱状腔体2.1由小腔体2.1a和大腔体2.1b组成，大腔体2.1b内壁受内外压力差作用后会变形为弧形。
高压柱塞2外部套有高压缸体3，高压缸体3内壁上设有衬套5，衬套5与高压柱塞2之间预留有密封节流间隙4，高压缸体3一端插入导向套8外表面上凹槽8.3内并与凹槽8.3螺纹连接；高压缸体3另一端设置有中空且顶端开口的高压缸端盖1，高压缸端盖1顶部开口处连接有进出水管13，进出水管13分别连接有进水管13.1和出水管13.2。进水管13.1和出水管13.2上分别设置有进水单向阀14和排水单向阀15。
导向套8内部上对称开设有上支承油腔8.1和下支承油腔8.2，上支承油腔8.1和下支承油腔8.2的腔壁上均设置有上油口8.11和下油口8.21，上支承油腔8.1和下支承油腔8.2与高压缸体3之间导向套8内壁上设置有环形油槽12，环形油槽12连接有回油管12.1，回油管12.1从导向套8壁上穿出；导向套8内设置有换向传感器9。
上油口8.11和下油口8.21通过管线与圆台形滑阀反馈节流器16两端的圆台形滑阀出油口16.7连通；
圆台形滑阀反馈节流器16包括节流器壳体16.1，节流器壳体16.1内部中空，节流器壳体16.1中央水平设置有圆台形滑阀阀芯16.2，节流器壳体16.1与圆台形滑阀阀芯16.2之间预留有圆台形滑阀阀芯节流间隙16.9；圆台形滑阀阀芯16.2两端均设置有回位弹簧16.3，回位弹簧16.3端部设置有堵头16.4，堵头16.4插入节流器壳体16.1内，节流器壳体16.1中央内壁上开设有环形槽16.5，环形槽16.5的槽壁上开设有圆台形滑阀进油口16.8，节流器壳体16.1两端内壁上均间隔开设有多个对称环形槽16.6，节流器壳体16.1两端的对称环形槽16.6的槽壁上开设有分别与上油口8.11和下油口8.21连通的圆台形滑阀出油口16.7。
导向套8与衬套5之间高压缸体3内壁上设置有接触式密封圈7，接触式密封圈7设置高压缸体3内壁面，并压在衬套5端面上；接触式密封圈7由U型密封环和O型圈组合而成；U型密封环由铝材质制作，内圆柱面与高压柱塞的外圆柱面贴合形成动密封面，并通过O型圈对其预压。O型圈与高压缸衬套的内圆柱面贴合，满足U型密封环与柱塞接触密封的预压力要求；接触式密封圈7一侧的高压缸体上设置有直动式溢流阀6。上述自适应变间隙密封超高压水增压器的工作过程：
1)液压系统通过电磁换向阀控制向增压器低压缸活塞10两侧交替输入压力油液。当压力油进入增压器低压缸体11右端油腔，并推动低压缸活塞体10向左运动，与活塞相连的高压柱塞2高压柱塞2同步向左运动，增压器高压缸体3左侧的容积相应减小，高压缸体3左侧内的水持续压缩，压力急剧上升，达到一定压力时推动左侧排水单向阀15排出高压水；同时，右侧高压缸体3的容积不断增大，压力急剧下降，低压水经右侧进水单向阀13流入增压器右侧高压缸体3内。当低压缸活塞10左行至行程终点时，行程换向传感器9反馈位置信号，控制系统发出指令，控制压力油进入增压器低压缸体11左端油腔，并将低压缸活塞10向右推，高压柱塞2右运动，右侧高压缸体3中的水被压缩，左侧高压缸体3同步补入低压水，如此循环往复，形成稳定的超高压水源。
2)圆筒形柱状腔体2.1当高压柱塞2向一端运动排水增压时，高压柱塞2与衬套5间隙进口处压力等于工作压力P1，高压柱塞2与衬套5间的密封间隙起到节流降压作用，间隙内沿轴向方向的压力呈递减趋势，间隙出口处压力也就是接触式密封圈7处压力由降P1为P0。高压柱塞2的圆筒形柱状腔体2.1的内壁面受到大小等于工作压力P1高压水作用，高压柱塞2与衬套5之间间隙节流降压使得圆筒形柱状腔体2.1内外产生压力差，圆筒形柱状腔体2.1的大腔体2.1b受内外压差作用会产生径向弹性形变，
径向弹性形变导致圆筒形柱状腔体2.1和衬套5配合表面的密封节流间隙4发生相对变化，在弹性变形范围内自动调节补偿高压柱塞2与衬套5间的密封密封节流间隙4，实现自适应变间隙密封。工作过程中，高压水会沿节流间隙从高压端P1处向低压端P0处间隙泄漏，低压端P0处容积压力会相应增大，当容积压力超过一定数值后，直动式溢流阀6阀口打开，低压端P0处的间隙压力会迅速降低，在高压端P1与低压端P0处之间形成压力差。当高压柱塞2回程运动吸入低压水时，节流间隙容积自动减小，直动式溢流阀口6关闭，节流间隙内高压水自动排入高压缸体3内。
3)当高压柱塞2处于吸入行程时，高压柱塞2的圆筒形柱状腔体2.1一端处于低压状态，作用在高压柱塞2的圆筒形柱状腔体2.1的内壁面与外表面的压力大小相当，圆筒形柱状腔体2.1将不会产生形变，高压柱塞2和衬套5的配合表面相对轴线等距平行，接触面密封节流间隙4大小等于初始间隙，环形间隙内的剪切流动使得间隙内的容积排出；
4)高压柱塞2相当于低压缸活塞杆2，采用闭式静压支承技术对其两端进行导向支承，两端的上支承油腔8.1、下支承油腔8.2可视为两个支座，一定压力的油液经圆台形滑阀阀芯16.2的圆台形滑阀阀芯节流间隙16.9流入导向套8的上支承油腔8.1和下支承油腔8.2内，由于导向套8的轴向封油面间隙很小，液流阻力大，油液可以在油上支承油腔8.1好下支承油腔8.2中形成静压力将低压缸活塞杆2浮起。
a.在低压缸活塞杆2没有受到径向载荷时，上支承油腔8.1和下支承油腔8.2的节流间隙、间隙液阻力和节流阻力相等，圆台形滑阀反馈节流器16在其两端回位弹簧16.3的作用下，圆台形滑阀阀芯16.2处于初始中间位置，上支承油腔8.1和下支承油腔8.2内相等的压力油会把低压缸活塞杆2悬浮在导向套8的正中心。上支承油腔8.1和下支承油腔8.2两端分别开环形油槽12，各油腔内的压力油液通过轴向封油间隙后从环形油槽12引回油箱。
b.在低压缸活塞杆2受到径向载荷时，假设载荷为W，低压缸活塞杆2会发生与载荷方向一致的位移e，导致与载荷W方向相同的一边(下支承油腔8.2)的间隙会减少，与载荷W方向相反的一边(上支承油腔8.1)的间隙会增加。在间隙减少的下支承油腔8.2内压力会增大，在间隙增大的上支承油腔8.1内压力会降低，导致载荷W方向的径向方向受到的液压力会形成压力差。由于上支承油腔8.1、下支承油腔8.2分别与圆台形滑阀反馈节流器16的弹簧腔连接，当下支承油腔8.2压力大于上支承油腔8.1时，圆台形滑阀反馈节流器16两端弹簧腔内的油液作用于圆台形滑阀阀芯16.2的力不再平衡，而使圆台形滑阀阀芯16.2向左移动一定距离，圆台形滑阀阀芯16.2的轴向位移会引起阀芯径向间隙变化，于是圆台形滑阀阀芯16.2左侧的节流间隙变小，节流阻力增大，使得流入上支承油腔8.1内的压力减小；同时，圆台形滑阀阀芯16.2右侧的节流间隙变大，节流阻力及节流压力损失会相应减小，使得流入下支承油腔8.2内的压力增加。圆台形滑阀反馈节流器16通过圆台形滑阀阀芯16.2节流间隙的变化起反馈作用，圆台形滑阀反馈节流器16的液阻与圆台形滑阀阀芯16.2位移量的三次方成比例，进油变量指数等于支承油腔排油变量指数，抵抗负载的反馈响应能力较强。圆台形滑阀阀芯16.2移动引起上支承油腔8.1和下支承油腔8.2内的压力变化，两油腔产生压力差克服载荷W作用，使低压缸活塞杆2向导向套8轴心位置浮动。当载荷W与上支承油腔8.1和下支承油腔8.2压力差平衡时，低压缸活塞杆2将保持在轴心位置并处于稳定状态。如果设计参数得当，可使低压缸活塞杆2在一定的载荷下，经过瞬间的位移后迅速回到导向套8的轴心位置，从而抵抗运动过程中发生的偏载，避免低压缸活塞杆2在高速高频往复运动过程中产生偏摆及摩擦磨损等问题，使每个支座的低压缸活塞杆2与衬套8的轴心自动对中，确保了自适应变间隙密封系统的稳定可靠性。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：它包括低压缸体(11)，所述低压缸体(11)两端的端口上均设置有中空的导向套(8)，所述低压缸体(11)内设置有来回滑动的低压缸活塞(10)，所述低压缸活塞(10)两端面的中心位置对称设置有高压柱塞(2)；所述高压变形柱塞(2)穿过导向套(8)并伸出，所述导向套(8)内部上对称开设有上支承油腔(8.1)和下支承油腔(8.2)，所述上支承油腔(8.1)和下支承油腔(8.2)的腔壁上均设置有上油口(8.11)和下油口(8.21)，所述上油口(8.11)和下油口(8.21)通过管线与圆台形滑阀反馈节流器(16)两端的圆台形滑阀出油口(16.7)连通；所述高压柱塞(2)另一端开设有圆筒形柱状腔体(2.1)，所述高压柱塞(2)外部套有高压缸体(3)，所述高压缸体(3)内壁上设有衬套(5)，所述衬套(5)与高压柱塞(2)之间预留有密封节流间隙(4)，所述高压缸体(3)一端插入导向套(8)外表面上凹槽(8.3)内；所述高压缸体(3)另一端设置有中空且顶端开口的高压缸端盖(1)，所述高压缸端盖(1)顶部开口处连接有进出水管(13)，所述进出水管(13)分别连接有进水管(13.1)和出水管(13.2)。
2.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述圆台形滑阀反馈节流器(16)包括节流器壳体(16.1)，所述节流器壳体(16.1)内部中空，所述节流器壳体(16.1)中央水平设置有圆台形滑阀阀芯(16.2)，所述节流器壳体(16.1)与圆台形滑阀阀芯(16.2)之间预留有圆台形滑阀阀芯节流间隙(16.9)；所述圆台形滑阀阀芯(16.2)两端均设置有回位弹簧(16.3)，所述回位弹簧(16.3)端部设置有堵头(16.4)，所述堵头(16.4)插入节流器壳体(16.1)内，所述节流器壳体(16.1)中央内壁上开设有环形槽(16.5)，所述环形槽(16.5)的槽壁上开设有圆台形滑阀进油口(16.8)，所述节流器壳体(16.1)两端内壁上均间隔开设有多个对称环形槽(16.6)，所述节流器壳体(16.1)两端的对称环形槽(16.6)的槽壁上开设有分别与上油口(8.11)和下油口(8.21)连通的圆台形滑阀出油口(16.7)。
3.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述圆筒形柱状腔体(2.1)由小腔体(2.1a)和大腔体(2.1b)组成。
4.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述导向套(8)与衬套(5)之间高压缸体(3)内壁上设置有接触式密封圈(7)，所述接触式密封圈(7)设置高压缸体(3)内壁面，并压在衬套(5)端面上；所述接触式密封圈(7)由U型密封环和O型圈组合而成；U型密封环由铝材质制作，内圆柱面与高压柱塞的外圆柱面贴合形成动密封面，并通过O型圈对其预压。O型圈与高压缸衬套的内圆柱面贴合，满足U型密封环与柱塞接触密封的预压力要求。
5.根据权利要求4所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述接触式密封圈(7)一侧的高压缸体上设置有直动式溢流阀(6)。
6.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述进水管(13.1)和出水管(13.2)上分别设置有进水单向阀(14)和排水单向阀(15)。
7.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述上支承油腔(8.1)和下支承油腔(8.2)与高压缸体(3)之间导向套(8)内壁上设置有环形油槽(12)，所述环形油槽(12)连接有回油管(12.1)，所述回油管(12.1)从导向套(8)壁上穿出。
8.根据权利要求1所述自适应变间隙密封超高压水增压器，其特征在于：所述导向套(8)内设置有换向传感器(9)。
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