CN115655946A - 一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法，包括压力工作腔，压力工作腔固内设有定位板，定位板上固设有填料模拟件，填料模拟件的中心设有柱塞样件，压力工作腔上连通有加压系统，用于给压力工作腔充入高压气体，柱塞样件端部连接有往复运动系统，用于驱动柱塞样件往复移动，在压力工作腔的内壁圆周方向布置有多个第一位移传感器与第二位移传感器，第一位移传感器正对填料模拟件与柱塞样件的交界处，用于检测距柱塞样件外表面的间距，从而分析柱塞样件磨损量；第二位移传感器正对柱塞样件的轴心，用于监测柱塞样件轴心运动轨迹。有效利用了压力工作腔内部空间，装置体积小，结构紧凑，快速测试、评价柱塞材料的磨损性能。

Description

一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及超高压压缩机的技术领域，具体涉及一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法。

背景技术

超高压压缩机的工作压力可达260 MPa，柱塞作为其重要零部件，在气缸内部通过作往复运动实现气体压缩。目前超高压压缩机所用柱塞均依赖进口，但进口柱塞价格昂贵，采购周期长，原材料及生产加工工艺技术被封锁，随着国际局势越来越严峻，实现柱塞国产化迫在眉睫。因此，我们选用一种可替代材料，通过结构设计、加工工艺实现柱塞自主设计研发。超高压压缩机机组在长期运动过程中，柱塞与填料形成的移动副带来的摩擦会造成柱塞磨损，当柱塞磨损量达到0.5mm时就会失效，因此保证国产柱塞的耐磨性至关重要。本发明设计了一种磨损试验装置，模拟超高压环境下，柱塞进行往复式运动与填料发生磨损，当磨损量达到0.5mm时，记录柱塞运行时间，验证该材料是否可满足柱塞要求的耐磨特性，对于柱塞选材、寿命预测具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法，解决上述背景技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括压力工作腔，压力工作腔固内设有定位板，定位板上固设有填料模拟件，填料模拟件的中心设有柱塞样件，压力工作腔上连通有加压系统，用于给压力工作腔充入高压气体，柱塞样件端部连接有往复运动系统，用于驱动柱塞样件往复移动，

在压力工作腔的内壁圆周方向布置有多个第一位移传感器与第二位移传感器，第一位移传感器正对填料模拟件与柱塞样件的交界处，用于检测距柱塞样件外表面的间距，从而分析柱塞样件磨损量；

第二位移传感器正对柱塞样件的轴心，用于监测柱塞样件轴心运动轨迹。

优选方案中，加压系统包括空压机、压力表以及压力调节阀，空压机用于压缩产生高压空气，对压力工作腔进行加压；

压力调节阀用于调节空压机提供的气源压力，以适应不同压力工况。

优选方案中，填料模拟件内部设有弹簧件，保证在高压工作环境下与柱塞样件牢牢抱紧，以使二者无径向间隙。

优选方案中，往复运动系统包括电机、曲柄、连杆以及滑轨，柱塞样件抵靠在滑轨内往复移动，连杆铰接在柱塞样件与曲柄之间，电机驱动曲柄转动。

优选方案中，压力工作腔采用封闭结构，填料模拟件通过螺栓固定在定位板上，填料模拟件的中心设有中心孔，中心孔与往复运动系统中的滑轨同轴心，从而保证柱塞样件沿该轴心作往复式运动。

优选方案中，第一位移传感器为两个，两个第一位移传感器设在压力工作腔水平、垂直面的右、上位置。

优选方案中，第二位移传感器为两个，两个第二位移传感器设在压力工作腔水平、垂直面的左、下位置。

优选方案中，还设有运动润滑系统，运动润滑系统包括油泵、球阀、Y型过滤器、油箱、油管以及油箱支架，油泵用于将润滑油抽取到油箱中，Y型过滤器用于过滤油中杂质，油管连通油箱与填料模拟件上的注油孔，从而将润滑油通入到填料模拟件中，对其进行润滑。

其方法是：S1、组好并调试好试验装置，第一位移传感器对准柱塞样件的外表面，监测柱塞样件外表面的磨损，第二位移传感器对准柱塞样件的轴心，监测柱塞样件轴心的运动轨迹；

S2、通过第二位移传感器的监测数据绘制出轴心的轨迹，判断柱塞样件是否处于正常工作磨损状态，当轴心轨迹在正常范围内时，表明所测的磨损值是在正常运行状态下的磨损，而非异常故障导致的磨损；

S3、在轴心轨迹正常的前提下，再结合第一位移传感器来计算柱塞样件表面磨损量，当磨损量超过极限值时，停止试验，此时记录试验时长，即为柱塞样件的使用寿命，可作为该材料是否可用的判断依据。

本发明提供了一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法，模拟柱塞在超高压环境下与填料的相对往复式直线运动，在线监测记录其磨损量，采用填料固定、柱塞往复直线运动的方式，可真实模拟超高压压缩机工作过程中填料与柱塞相对运动的情景，有效利用了压力工作腔内部空间，装置体积小，结构紧凑，快速测试、评价柱塞材料的磨损性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体结构连接示意图；

图2是本发明A-A剖视图及润滑系统连接示意图；

图3是本发明B-B剖视图；

图中：空压机1；压力表2；压力调节阀3；压力工作腔4；定位板5；填料模拟件6；柱塞样件7；滑轨8；连杆9；曲柄10；电机11；注油孔12；第一位移传感器13；油管14；油箱15；Y型过滤器16；球阀17；油泵18；油箱支架19；第二位移传感器20。

具体实施方式

实施例1

如图1~3所示，一种超高压柱塞磨损试验装置及使用方法，采用封闭结构作为压力工作腔4，压力工作腔4内设置一个定位板，填料模拟件6通过六个螺纹孔固定在定位板上，填料模拟件6按照实际填料尺寸开有中心孔，且其中心孔与滑轨8处于同一中心线上，柱塞样件7沿着该中心线作往复式运动，且始终保持有一段长度在填料模拟件6中摩擦、磨损。

加压系统安置在压力工作腔4最左端，主要包括空压机1、压力调节阀3、压力表2等，空压机1可压缩产生高压空气，对压力腔进行加压，提供柱塞工作过程中所需的260MPa压力的气体，可通过压力调节阀3调节空压机1提供的气源压力，以适应不同压力工况。填料模拟件6内部有弹簧件，保证在260MPa工作压力下会与柱塞样件7牢牢抱紧，使二者始终无径向间隙。

往复运动系统安置与压力工作腔4内最右端，主要包括电机11、曲柄10、连杆9、滑轨8、滑块柱塞部件。曲柄10安装在电机11输出轴上，曲柄10长度根据实际工作过程中该超高压压缩机的行程来确定，连杆9一端与曲柄10相连，另一端连接滑块柱塞部件，滑块柱塞部件能在电机11、曲柄10连杆9机构的作用下在滑轨8上作往复直线运动。

在压力工作腔4内壁、且位于填料模拟件6与柱塞样件7交界圆周面的上侧、右侧位置各固定一个位移传感器，如图2所示。再在距离该交界面200mm的压力工作腔4内壁内壁的水平、垂直面的左、下各固定一个位移传感器，如图3所示，共4个位移传感器，并通过传感器自带接线将各个位移应变测量数据传输至电脑。其中第一位移传感器用来实时测量轴心位移，通过轴心位移数据绘制出轴心轨迹，判断柱塞样件7是否处于正常工作磨损状态，当轴心轨迹在正常范围内时，表明所测的磨损值是在正常运行状态下的磨损，而非异常故障导致的磨损；第二位移传感器是用来测量柱塞样件7表面与传感器的距离，分析输出柱塞样件7磨损量值，在轴心轨迹正常的前提下，再结合第一位移传感器来计算柱塞表面磨损量，判断柱塞磨损量是否达到可使用的最大磨损量值，当该值超过0.5mm时，页面弹出报警窗口，提醒该样件已失效不可用，此时记录试验时长，即为该柱塞样件7可服役时间，可作为该材料是否可用的判断依据。

为了保证柱塞样件7在运动过程中与填料模拟件6与有良好的润滑性，在压力腔外设置一个润滑系统，并通过油管将润滑油引至滑轨8上端，位于填料模拟件6与柱塞样件7交界点，持续为该往复式直线运动供油。运动润滑系统包括油泵、油管、油箱支架、油箱、油箱液位计、球阀、过滤器等，油泵用于将润滑油从油桶中抽取到油箱上，并由液位计显示油箱液面，再通过油管和接头将油箱中的油输送至注油点，过滤器用于过滤油中的杂质，球阀作为供油开关。当油箱液位计显示油箱中油不够时，启动油泵。

实施例2

如图1~3所示，结合实施例1进一步说明：组好并调试好试验装置，第一位移传感器13对准柱塞样件7的外表面，监测柱塞样件7外表面的磨损，第二位移传感器20对准柱塞样件7的轴心，监测柱塞样件7轴心的运动轨迹；通过第二位移传感器20的监测数据绘制出轴心的轨迹，判断柱塞样件7是否处于正常工作磨损状态，当轴心轨迹在正常范围内时，表明所测的磨损值是在正常运行状态下的磨损，而非异常故障导致的磨损；在轴心轨迹正常的前提下，再结合第一位移传感器13来计算柱塞样件7表面磨损量，当磨损量超过极限值时，停止试验，此时记录试验时长，即为柱塞样件7的使用寿命，可作为该材料是否可用的判断依据。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：包括压力工作腔（4），压力工作腔（4）固内设有定位板（5），定位板（5）上固设有填料模拟件（6），填料模拟件（6）的中心设有柱塞样件（7），压力工作腔（4）上连通有加压系统，用于给压力工作腔（4）充入高压气体，柱塞样件（7）端部连接有往复运动系统，用于驱动柱塞样件（7）往复移动，

在压力工作腔（4）的内壁圆周方向布置有多个第一位移传感器（13）与第二位移传感器（20），第一位移传感器（13）正对填料模拟件（6）与柱塞样件（7）的交界处，用于检测距柱塞样件（7）外表面的间距，从而分析柱塞样件（7）磨损量；

第二位移传感器（20）正对柱塞样件（7）的轴心，用于监测柱塞样件（7）轴心运动轨迹。

2.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：加压系统包括空压机（1）、压力表（2）以及压力调节阀（3），空压机（1）用于压缩产生高压空气，对压力工作腔（4）进行加压；

压力调节阀（3）用于调节空压机（1）提供的气源压力，以适应不同压力工况。

3.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：填料模拟件（6）内部设有弹簧件，保证在高压工作环境下与柱塞样件（7）牢牢抱紧，以使二者无径向间隙。

4.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：往复运动系统包括电机（11）、曲柄（10）、连杆（9）以及滑轨（8），柱塞样件（7）抵靠在滑轨（8）内往复移动，连杆（9）铰接在柱塞样件（7）与曲柄（10）之间，电机（11）驱动曲柄（10）转动。

5.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：压力工作腔（4）采用封闭结构，填料模拟件（6）通过螺栓固定在定位板（5）上，填料模拟件（6）的中心设有中心孔，中心孔与往复运动系统中的滑轨（8）同轴心，从而保证柱塞样件（7）沿该轴心作往复式运动。

6.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：第一位移传感器（13）为两个，两个第一位移传感器（13）设在压力工作腔（4）水平、垂直面的右、上位置。

7.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：第二位移传感器（20）为两个，两个第二位移传感器（20）设在压力工作腔（4）水平、垂直面的左、下位置。

8.根据权利要求1所述一种超高压柱塞磨损试验装置，其特征是：还设有运动润滑系统，运动润滑系统包括油泵（18）、球阀（17）、Y型过滤器（16）、油箱（15）、油管（14）以及油箱支架（19），油泵（18）用于将润滑油抽取到油箱（15）中，Y型过滤器（16）用于过滤油中杂质，油管（14）连通油箱（15）与填料模拟件（6）上的注油孔（12），从而将润滑油通入到填料模拟件（6）中，对其进行润滑。

9.根据权利要求1~8任意一项所述一种超高压柱塞磨损试验装置的使用方法，其方法是：S1、组好并调试好试验装置，第一位移传感器（13）对准柱塞样件（7）的外表面，监测柱塞样件（7）外表面的磨损，第二位移传感器（20）对准柱塞样件（7）的轴心，监测柱塞样件（7）轴心的运动轨迹；

S2、通过第二位移传感器（20）的监测数据绘制出轴心的轨迹，判断柱塞样件（7）是否处于正常工作磨损状态，当轴心轨迹在正常范围内时，表明所测的磨损值是在正常运行状态下的磨损，而非异常故障导致的磨损；

S3、在轴心轨迹正常的前提下，再结合第一位移传感器（13）来计算柱塞样件（7）表面磨损量，当磨损量超过极限值时，停止试验，此时记录试验时长，即为柱塞样件（7）的使用寿命，可作为该材料是否可用的判断依据。

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