CN114658846A - 一种基于二次加压的层间充液式超高压设备 - Google Patents

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CN114658846A
CN114658846A CN202210301157.2A CN202210301157A CN114658846A CN 114658846 A CN114658846 A CN 114658846A CN 202210301157 A CN202210301157 A CN 202210301157A CN 114658846 A CN114658846 A CN 114658846A
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piston
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CN202210301157.2A
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吴志林
陈小雷
赵磊
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Nanjing University of Science and Technology
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Nanjing University of Science and Technology
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J12/00—Pressure vessels in general
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B3/00—Intensifiers or fluid-pressure converters, e.g. pressure exchangers; Conveying pressure from one fluid system to another, without contact between the fluids

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Abstract

本发明公开了一种基于二次加压的层间充液式超高压设备，包括从内向外依次同轴设置的内筒、中筒、外筒；所述内筒材质为碳化钨合金；所述内筒与中筒之间、中筒与外筒之间均设有环形空腔，内筒内腔、内筒与中筒之间的空间、中筒和外筒之间的空间均填充有媒介液；所述内筒、中筒、外筒的口部依次设有内筒活塞、中筒活塞和压力轴，所述压力轴用于施加压力；通过媒介液对中筒活塞施压，进而通过媒介液对内筒活塞二次施压。

Description

一种基于二次加压的层间充液式超高压设备
技术领域
本发明属于超高压容器技术领域，特别是一种基于二次加压的层间充液式超高压设备。
背景技术
目前国内外常用的超高压筒体结构有缩套式、自增强式、绕丝式、剖分式和液体支承式等。传统的单层厚壁式圆筒从承压能力和安全性方面来看，都比较低。随着壁厚的增加也不能明显提高的承压能力。在铝镁合金挤压成型等领域，需要能有可靠超高静压的装置。为此研究以液体为传压介质的超高压装置非常有必要。现今已有的相关研究内容，如双层厚壁式和自增强式同时使用相结合的筒体、层间充液式复合筒配合自增强的筒体。中国专利CN107989997公开了一种层间充液式超高压装置。上述文献的结果表明层间充液式复合筒更大程度利用弹性材料的特性，但对于超高硬度的脆性材料却不适用，因而使得压力筒承载能力的极限受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二次加压的层间充液式超高压设备，以提高设备的承载能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于二次加压的层间充液式超高压设备，包括从内向外依次同轴设置的内筒、中筒、外筒；
所述内筒材质为碳化钨合金；
所述内筒与中筒之间、中筒与外筒之间均设有环形空腔，内筒内腔、内筒与中筒之间的空间、中筒和外筒之间的空间均填充有媒介液；
所述内筒、中筒、外筒的口部依次设有内筒活塞、中筒活塞和压力轴，所述压力轴用于施加压力；通过媒介液对中筒活塞施压，进而通过媒介液对内筒活塞二次施压。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
承载能力强：内筒使用碳化钨合金作为材料，使得内筒内壁的承载能力极大的提高；内筒内壁和外壁同时承受层间媒介液的压力，使得内筒能更好工作在材料的压应力状态，更好发挥出碳化钨合金的特性，碳化钨合金本为脆性材料，能承受的拉应力有限，本发明很好地利用碳化物合金的材料特性，使得内筒可以达到很高的承载能力。
二级加压：二级加压降低了对中筒和外筒材料的高要求；压力由外筒一级接着一级传递到内筒，根据静压原理可知，各位置的层间媒介液的压力从外筒到内筒是依次升高的。
安全可靠：由于层间媒介液的存在，内筒同时承受内筒内外壁等静液压力，使筒体的承压能力提高的同时，保证了安全性。
附图说明
图1为本发明的层间充液式超高压设备四分之一剖视图。
图2为本发明的层间充液式超高压设备结构示意图。
图3为设备的筒径示意图。
图4为沿着内筒中心到外筒外壁处的路径图。
图5为设备内筒、中筒和外筒的应力分布图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1和图2，本实施例的一种基于二次加压的层间充液式超高压设备，包括内筒1、中筒2、内筒活塞3、外筒4、中筒活塞5、压力轴6、密封件7和媒介液8。所述内筒、中筒、外筒同轴设置；所述外筒4为一端开口的筒形结构；所述中筒2底部固定在外筒4底部；所述内筒1底部固定在中筒2底部；所述内筒活塞3下端圆柱与内筒1台阶孔的下端贴合；内筒活塞3在内筒1可上下滑动；所述中筒活塞5在中筒2可上下滑动；所述压力轴6在外筒4中滑动，处在其上端；内筒1与中筒2之间、中筒2与外筒4之间均设有环形空腔；内筒1内壁空间、内筒1外壁与中筒2内壁之间的空间、中筒2外壁和外筒4内壁之间的空间都填充媒介液8；通过在压力轴6上部施加压力，通过媒介液8对中筒活塞5施压，进而通过媒介液8对内筒1活塞二次施压。
所述内筒1材质为碳化钨合金；所述中筒2和外筒4材质为00Ni18Co12Mo4Ti2Al超高强度钢；碳化钨合金具有高达5GPa抗压能力、但抗拉能力弱；00Ni18Co12Mo4Ti2Al超高强度钢具有2460MPa的屈服强度。
如图3，内筒内径定为r1、内筒外径r2、中筒内径r3、中筒外径r4、外筒内径r5、外筒外径r6。内筒的抗拉能力弱，保证内筒工作在内筒内壁切向应力小于0，现取切向应力等于0得到的关系式：
Figure BDA0003565679500000031
式中：p1为内筒内壁压力；
pm1为内筒外壁和中筒内壁之间的层间液压力；
K1为内筒筒径比r2/r1。
对于中筒和外筒的材质是一样的，考虑中筒和外筒工作在材料的弹性阶段。
Figure BDA0003565679500000032
式中：σs2为中筒屈服强度；
pm1Max为中筒内壁承受的最大压力；
K2为中筒径比r4/r3；
K3为外筒径比r6/r5。
结合上述两个式子，可得到各径比之间的相互影响的关系。设总径比K＝K1K2K3。总径比最小值约14，此时内筒径比约2.7，中筒和外筒径比约2.3。
现设定内筒内半径为15mm，内筒外半径为40.5mm；中筒内半径为42mm，中筒的外半径为96.5mm；外筒内半径为98mm，外筒外半径为225mm；内筒工作压力3500MPa。则可以得到内筒外壁和中筒内壁之间的层间液压力pm1为1990MPa，中筒外壁和外筒内壁之间的层间液压力pm2为995MPa。
如图4，沿着筒体内径的方向，得到如图5的各应力路径图；对于内筒的切向应力是小于0，说明内筒满足工作要求。内筒的所受最大剪切应力为1404.1MPa；中筒所受的最大剪切应力为892MPa；外筒所受的最大剪切应力为835MPa。各最大剪切应力值均小于其材料屈服极限的一半。结果说明，内筒、中筒和外筒都能在弹性状态下工作；此时内筒的承载能力达到3500MPa。

Claims (5)

1.一种基于二次加压的层间充液式超高压设备，其特征在于，包括从内向外依次同轴设置的内筒、中筒、外筒；
所述内筒材质为碳化钨合金；
所述内筒与中筒之间、中筒与外筒之间均设有环形空腔，内筒内腔、内筒与中筒之间的空间、中筒和外筒之间的空间均填充有媒介液；
所述内筒、中筒、外筒的口部依次设有内筒活塞、中筒活塞和压力轴，所述压力轴用于施加压力；通过媒介液对中筒活塞施压，进而通过媒介液对内筒活塞二次施压。
2.根据权利要求1所述的基于二次加压的层间充液式超高压设备，其特征在于，满足：
Figure FDA0003565679490000011
其中：p1为内筒内壁压力；
pm1为内筒外壁和中筒内壁之间的层间液压力；
K1为内筒筒径比。
3.根据权利要求1所述的基于二次加压的层间充液式超高压设备，其特征在于，所述中筒和外筒的材质一致。
4.根据权利要求3所述的基于二次加压的层间充液式超高压设备，其特征在于，满足：
Figure FDA0003565679490000012
其中：σs2为中筒屈服强度；
pm1Max为中筒内壁承受的最大压力；
K2为中筒径比；
K3为外筒径比。
5.根据权利要求1所述的基于二次加压的层间充液式超高压设备，其特征在于，所述中筒和外筒材质为00Ni18Co12Mo4Ti2Al。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116381572A (zh) * 2023-04-18 2023-07-04 北京航空航天大学 一种布里奇曼活塞圆筒超高静水压力磁性测量装置及方法

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