СТЕНД ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЕМКОСТЕЙ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ Российский патент 2011 года по МПК F15B19/00 F16J12/00 F17C1/00 

Изобретение относится к области гидравлических систем, а именно к гидравлическим испытательным стендам, и может найти применение при испытаниях на циклическую долговечность всевозможных гидравлических и пневматических емкостей, в частности баллонов высокого давления для сжатого природного газа, а также емкостей большого объема и высокого давления, например, емкостей для хранения и перевозки сжатого природного газа морским и ж/д транспортом, кислородных емкостей, ж/д цистерн и других технологических емкостей.

Известен стенд для гидравлических испытании емкостей (а именно пневмогидравлических аккумуляторов) на циклическую долговечность, содержащий основной насос, рабочие каналы которого соединены с двумя гидролиниями для подсоединения подлежащих испытанию емкостей, вспомогательный насос, один из рабочих каналов которого соединен с гидробаком, а второй рабочий канал - с каналом гидравлического устройства, каждый из двух других каналов которого соединен с соответствующей из упомянутых гидролиний, а также датчики, напорный клапан для ограничения максимального давления и контроллер [1, Стенд для испытания пневмогидравлических аккумуляторов. Авторское свидетельство. СССР №1550236, MKU F15B 19/00. Заявлено 21.06.1988. Опубликовано 15.03.1990]. Гидравлическое устройство, входящее в состав данного стенда, выполнено в виде совокупности обратного клапана и четырехлинейного трехпозиционного гидрораспределителя с электроуправлением, электрический вход которого соединен с соответствующим выходом контроллера. При этом второй рабочий канал вспомогательного насоса посредством обратного клапана соединен с напорным каналом гидрораспределителя. Напорный канал основного насоса также соединен посредством соответствующего обратного клапана с напорным каналом указанного гидрораспределителя.

Сливной канал гидрораспределителя соединен со всасывающей гидролинией основного насоса, а исполнительные каналы - с гидролиниями для подсоединения подлежащих испытанию емкостей.

Основной и вспомогательный насосы выполнены нерегулируемыми. Каждый из этих насосов снабжен приводящим электродвигателем и пускателем, при этом входы пускателей подключены к соответствующим выходам контроллера. Датчики выполнены в виде сигнализаторов осушения и заполнения подлежащих испытанию емкостей (пневмогидравлических аккумуляторов), а их выходы соединены с соответствующими входами контроллера.

Рассматриваемый стенд обеспечивает возможность одновременного испытания двух идентичных групп пневмогидравлических аккумуляторов, газовые полости которых соединены между собой. В силу последнего обстоятельства при перекачивании рабочей жидкости из жидкостных полостей аккумуляторов одной группы в жидкостные полости аккумуляторов другой группы и наоборот давление газа в газовых полостях аккумуляторов, а следовательно, и в их жидкостных полостях остается практически постоянным, и основной насос работает при незначительном перепаде давления в его напорном и всасывающем каналах.

Недостатком рассматриваемого стенда является то, что приводящие электродвигатели основного и вспомогательного насосов, а соответственно, и сами насосы, в процессе испытаний постоянно работают в режиме непрерывных пусков и остановов, что отрицательно сказывается на долговечности как электродвигателей, так и насосов (особенно если учесть, что включение приводящего электродвигателя вспомогательного насоса происходит под нагрузкой) и является одним из недостатков известного стенда.

Конструкция известного стенда не исключает возможность понижения давления во всасывающей гидролинии основного насоса и в соединенных с ней в процессе испытаний жидкостных полостях подлежащих испытанию емкостей до уровня упругости насыщенного пара рабочей жидкости с последующим развитием кавитационных процессов, что снижает долговечность стенда и может стать причиной преждевременного выхода из строя испытуемых емкостей.

Рассматриваемый стенд не обеспечивает возможность изменения давления в подлежащих испытанию емкостях по тому иди иному наперед заданному закону, что весьма существенно, например, при гидравлических испытаниях на циклическую долговечность газовых баллонов высокого давления.

Таким образом, известный стенд обладает ограниченными функциональными возможностями и недостаточной долговечностью. Дело в том, что полномасштабные испытания большинства емкостей, в том числе и пневмогидравлических аккумуляторов, предполагают имитацию их многократной зарядки и разрядки.

Так, например, согласно ГОСТ Р 51753-2001 "Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия" предусмотрено проведение гидравлических испытаний указанных баллонов на циклическую долговечность. В процессе этих испытаний давление внутри подлежащего испытанию баллона должно изменяться в пределах от не более 0,1·Р_раб до не менее 1,3·Р_раб (где Р_раб - рабочее давление баллона) с частотой не более десяти циклов в минуту. Баллон должен выдерживать без разрушения не менее 1000·Т циклов (где Т - расчетный срок службы баллона в годах). Рабочее давление в этих баллонах должно быть Р_раб=20 МПа.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является принятый в качестве прототипа стенд [2, Стенд для гидравлических испытаний емкостей на циклическую долговечность. Патент Российской Федерации №2266440, MKU F15B 19/00. Заявлено 24.05.2004. Опубликовано 20.12.2005] для гидравлических испытаний емкостей на циклическую долговечность, содержащий основной насос, рабочие каналы которого соединены с двум гидролиниями для подсоединения подлежащих испытанию емкостей, вспомогательный насос, один из рабочих каналов которого соединен с гидробаком, а второй рабочий канал - с каналом гидравлического устройства, каждый из двух других каналов которого соединен с соответствующей из упомянутых гидролиний, а также датчики, напорный клапан для ограничения максимального давления и контроллер, согласно изобретению основной насос выполнен в виде реверсивного мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, каждый из рабочих каналов основного насоса соединен с соответствующей из двух гидролиний для подсоединения подлежащих испытанию емкостей, при этом данное соединение выполнено напрямую, в указанных гидролиниях установлены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, и, кроме того, стенд снабжен задатчиком закона изменения давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, и дополнительными напорными клапанами.

В частных случаях исполнения стенд имеет следующие отличительные признаки.

Согласно изобретению стенд снабжен напорным клапаном, соединенным своим напорным каналом со, вторым каналом вспомогательного насоса, являющимся в данном случае напорным, а сливным каналом - с гидробаком.

Согласно изобретению напорный клапан выполнен с пропорциональным электрическим управлением, при этом электрический вход данного клапана соединен с соответствующим выходом контроллера, а ко второму каналу вспомогательного насоса присоединен датчик давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера.

Согласно изобретению стенд снабжен напорным клапаном, напорный канал которого посредством соответствующего обратного клапана соединен с каждой из гидролиний для подсоединения подлежащих испытанию емкостей, а сливной канал - с гидробаком.

Согласно изобретению стенд снабжен двумя напорными клапанами, напорный канал каждого из которых соединен с соответствующей из гидролиний для подсоединения подлежащих испытанию емкостей, а сливной канал - с гидробаком.

Согласно изобретению каждый напорный клапан выполнен с пропорциональным электрическим управлением, при этом электрический вход клапана соединен с соответствующим выходом контроллера.

Согласно изобретению гидравлическое устройство выполнено в виде двух обратных клапанов, полости которых, расположенные со стороны седел, соединены между собой и со вторым каналом вспомогательного насоса, являющимся в данном случае напорным.

Согласно изобретению вспомогательный насос выполнен в виде реверсивного мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, при этом гидравлическое устройство выполнено в виде гидрораспределителя с электроуправлением, электрический вход которого соединен с соответствующим выходом контроллера.

Согласно изобретению на валу приводящего электродвигателя основного насоса установлен маховик.

Согласно изобретению привод основного и вспомогательного насосов выполнен от одного приводящего электродвигателя.

Выполнение основного насоса в виде реверсивного мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, и соединение каждого из рабочих каналов основного насоса с соответствующей из двух гидролиний для подсоединения подлежащих испытанию емкостей напрямую, а также установка в указанных гидролиниях датчиков давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, и снабжение стенда задатчиком закона изменения давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, и дополнительными напорными клапанами обеспечивает возможность изменения давления в подлежащих испытанию емкостях по требуемому закону (при соответствующем выборе параметров устройств, входящих в состав стенда), что расширяет функциональные возможности стенда по сравнению с аналогом.

Соединение напрямую каждого из рабочих каналов основного насоса с соответствующей из двух гидролиний для подсоединения подлежащих испытанию емкостей исключает скачкообразное изменение перепада давления на основном насосе (характерное для аналога).

Установка на валу приводящего электродвигателя основного насоса маховика предназначена для снижения энергии, потребляемой при работе стенда. Использование маховика позволяет при работе основного насоса в режиме гидромотора аккумулировать энергию непосредственно на валу основного насоса и его приводящего электродвигателя и исключить дополнительные потери энергии в электродвигателе. При этом нагрузка на валу электродвигателя за цикл работы стенда выравнивается, вследствие чего становится возможным уменьшение установочной мощности электродвигателя.

Выполнение привода основного и вспомогательного насосов от одного приводящего электродвигателя также направлено на снижение энергии, потребляемой при работе стенда, так как позволяет более рационально использовать накопленную в испытуемых емкостях потенциальную энергию при работе основного насоса в режиме гидромотора (часть этой энергии непосредственно используется для привода вспомогательного насоса).

Однако у прототипа есть следующие недостатки.

1. На стенде нельзя проводить испытания емкостей большого объема (50-100 м³ и более) на циклическую долговечность, т.к. основной и вспомогательный насосы не в состоянии обеспечить испытания с частотой до 10 циклов в минуту таких емкостей из-за своей малой подачи. Кроме того, эти насосы с малой подачей в режиме подготовки стенда к испытаниям (заполнение обеих емкостей маслом) будут работать на емкости несколько часов, что также снижает производительность стенда. В настоящее время выпускаются для гидропривода такого типа насосы с рабочей подачей до 250 л/мин. Следовательно, заполнение двух емкостей объемом по 50 м³ займет более 6 часов, что явно не приемлемо для стенда. На наш взгляд это снижение функциональных возможностей.

Кроме того, к снижению функциональных возможностей нужно отнести невозможность испытания емкостей для кислорода, так как масло и кислород не совместимы (может произойти взрыв).

2. При работе стенда потенциальная энергия, накопленная ранее в емкости, где на предыдущем этапе давление повышалось, используется ей следующем этапе испытаний, когда в этой емкости давление понижается, для повышения давления в другой емкости не напрямую из емкости в емкость, а через основной насос, где часть энергии теряется. На наш взгляд из-за этого при работе стенда наблюдается недостаточное снижение энергии.

Недостаточное снижение потребляемой энергии дополнительно заключается еще в следующем. Основной насос, качающий рабочую жидкость в испытываемую емкость, должен развивать большое давление (26 МПа), то при таком давлении в нем наблюдаются большие объемные потери рабочей жидкости, а следовательно, и большие потери энергии. Известно [3. с.77-79, рис.186], что при малом давлении объемные потери насоса меньше, чем при большом. Кроме того, вспомогательный насос компенсирует не только объемные потери основного насоса, но и поддерживает давление в испытываемой емкости, где давление должно уменьшиться до величины 0,1·Р_раб, то есть 2 МПа. На все это необходимо затратить больше его подачи, давления и, в целом, энергии.

3. Основной насос стенда, работающий при большом давлении (26 МПа) имеет из-за этого ниже ресурс, надежность и долговечность, чем насос, работающий при низком давлении (10 МПа). Поэтому долговечность основного насоса и, в целом, стенда низкая.

4. При испытаниях емкостей с использованием масла в качестве рабочей жидкости (прототип) нарушается экология, т.к. при разрыве стенки емкости масло выливается в атмосферу и загрязняет все окружающее, особенно когда емкости больших объемов (50-100 м³ и более).

5. Испытания с заполнением емкостей маслом дороже, чем с заполнением водой, т.к. стоимость масла объемом 50-100 м³ в два порядка дороже, чем воды.

Таким образом, известный стенд обладает ограниченными функциональными возможностями, недостаточной долговечностью, недостаточным снижением энергозатрат и не предотвращает нарушения экологии при испытании.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение функциональных возможностей стенда для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность, снижение затрат энергии при работе стенда, повышение его долговечности и предотвращение нарушения экологии.

Для решения поставленной задачи стенд для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность содержит контроллер, задатчик закона изменения давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, основной насос, кинематически связанный с маховиком и электродвигателем и выполненный в виде реверсивного регулируемого мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, а рабочие каналы основного насоса соединены с двумя гидролиниями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, вспомогательный насос, один из рабочих каналов которого соединен с гидробаком, а второй рабочий канал - с напорным предохранительным клапаном, выполненным с пропорциональным электрическим управлением, при этом электрический вход данного клапана соединен с соответствующим выходом контроллера, а также ко второму каналу вспомогательного насоса присоединен канал гидравлического устройства, каждый из двух каналов которого соединен с соответствующей из упомянутых гидролинии, к которым через обратные клапаны подключен предохранительный напорный клапан, сливной канал которого соединен с гидробаком, причем стенд дополнительно содержит поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, два плунжерных одинаковых гидроцилиндра и дополнительный насос со своим электродвигателем и предохранительным напорным клапаном, причем входной канал дополнительного насоса соединен с емкостью с водой, а выходной его канал соединен через запорные вентили с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, при этом обе гидролинии стенда, соединенные с рабочими каналами основного насоса, подключены к манометрам и к обеим полостям поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, причем этот гидроцилиндр расположен между двумя одинаковыми плунжерными гидроцилиндрами, плунжеры которых соединены напрямую с обоими одинаковыми штоками поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия.

Поскольку стенд дополнительно содержит поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, два плунжерных одинаковых гидроцилиндра и дополнительный насос со своим электродвигателем и предохранительным напорным клапаном, причем входной канал дополнительного насоса соединен с емкостью с водой, а выходной его канал соединен через запорные вентили с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, к которым подключены датчики давления и через два других запорных вентиля полости обоих плунжерных гидроцилиндров, при этом обе гидролинии стенда, соединенные с рабочими каналами основного насоса, подключены к манометрам и к обеим полостям поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, причем этот гидроцилиндр расположен между двумя одинаковыми плунжерными гидроцилиндрами, плунжеры которых соединены напрямую с обоими одинаковыми штоками поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия, то такая связь дополнительных элементов стенда с известными позволяет расширить функциональные возможности стенда, а именно проводить испытания емкостей большого объема и высокого давления, а также проводить испытания емкостей для кислорода.

Кроме того, потенциальная энергия воды, накопленная ранее в одной испытываемой емкости, используется напрямую для повышения давления воды в другой испытываемой емкости без дополнительных потерь энергии в основном насосе (чего нет в прототипе).

Механическая связь штоков поршневого гидроцилиндра двухстороннего действию с плунжерами плунжерных гидроцилиндров и гидравлическая связь основного насоса с полостями поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия, а полостей плунжерных гидроцилиндров с испытываемыми емкостями позволяют уменьшить давление основного насоса в несколько раз, чем в испытываемых емкостях (чего нет в прототипе). А работа насоса на меньшем давлении повышает его надежность, долговечность и снижает затраты энергии.

Кроме того, у насоса, работающего при меньшем давлении, объемные потери меньше, чем у насоса, работающего при большем давлении. Следовательно, затраты энергии у основного насоса в нашем техническом решении будут меньше и по этой причине.

Вспомогательный насос работает только как подпиточный насос (чего нет в прототипе), поэтому у него и подача, и давление существенно меньше, чем в прототипе, и, как следствие, снижение энергозатрат.

Поскольку испытываемые емкости не соединены гидравлически с основным насосом, то стенд позволяет испытывать емкости не на масле, а на воде, что приводит к существенному снижению затрат на испытания, т.к. стоимость масла не сравнима со стоимостью воды при испытаниях емкостей объемом 50-100 м³ и более. Кроме того, исключается нарушение экологии при испытаниях на воде.

Применение дополнительного насоса для предварительного заполнения водой испытываемых емкостей и гидравлическая связь его с ними позволяет в несколько раз снизить время заполнения емкостей перед испытаниями. Для этих целей целесообразно использовать центробежный насос большой подачи [4, И.А.Чиняев. Лопастные насосы. - Л.: Машиностроение. 1973. с.184, с.76-88].

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема стенда для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность.

Стенд для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность содержит основной насос 1, кинематически связанный с маховиком 2 и электродвигателем 3, и выполнен в виде реверсивного регулируемого мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, один из рабочих каналов 4 которого соединен напрямую с гидролинией 5, а другой канал 6 соединен напрямую с гидролинией 7, вспомогательный насос 8, один из рабочих каналов 9 (всасывающий) которого соединен с гидробаком 10, а второй рабочий канал 11 - с напорным предохранительным клапаном 12, выполненным с пропорциональным электрическим управлением 13, второй рабочий канал 11 соединен также с каналом 14 гидравлического устройства 15, два других канала 16, 17 которого соединены с гидролиниями соответственно 5, 7, к которым подключены датчики 18, 19 давления, контроллер 20 и задатчик 21 закона изменения давления, электрический выход которого соединен с входом 22 контроллера 20. Электрический вход узла управления основного насоса 1 соединен с выходом 23 контроллера 20, а выходы датчиков 18, 19 давления соединены с входами соответственно 24, 25, контроллера 20.

Стенд дополнительно содержит поршневой гидроцилиндр 27 двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками 28, 29, два одинаковых плунжерных гидроцилиндра 30, 31 и дополнительный насос 32 со своим электродвигателем 33 и предохранительным напорным клапаном 34, причем входной канал 35 дополнительного насоса 32 соединен с емкостью 36 с водой, а выходной канал 37 соединен через запорные вентили 38, 39 с полостями 44, 45 обоих плунжерных гидроцилиндров 30, 31 и с двумя одновременно испытываемыми емкостями 40, 41, к которым подключены датчики 42, 43 давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера 20. При этом обе гидролинии 5, 7 стенда, соединенные с рабочими каланами 4, 6 основного насоса 1, подключены к манометрам 46, 47 и к обеим полостям 48, 49 поршневого гидроцилиндра 27 двухстороннего действия с одинаковыми штоками 28, 29. В то же время этот гидроцилиндр 27 расположен между двумя одинаковыми плунжерными гидроцилиндрами 30, 31, плунжеры 50, 51 которых соединены напрямую с обоими одинаковыми штоками 28, 29 поршневого гидроцилиндра 27 двухстороннего действия. Емкости 40, 41 идентичны друг другу. Для проведения испытаний емкостей 40, 41 они подключаются с помощью двух других запорных вентилей 52, 53 к полостям 44, 45 плунжерных гидроцилиндров 30, 31. Сбросные запорные вентили 54, 55 соединяют испытываемые емкости 40, 41 с емкостью 36 с водой.

Вспомогательный насос 8 выполняет функцию только подпиточного насоса, то есть он компенсирует объемные потери (утечки рабочей жидкости) основного насоса 1, которые отводятся из корпуса основного насоса 1 по дренажному трубопроводу 56 в гидробак 10. Гидравлическое устройство 15 выполнено в виде двух обратных клапанов 57, 58, полости которых, расположенные со стороны седел, соединены между собой со вторым каналом 11, являющемся в данном случае напорным вспомогательного насоса 8.

Для ограничения величины максимального давления в гидролиниях 5, 7 стенд снабжен предохранительным напорным клапаном 59, напорный канал которого посредством обратных клапанов 60, 61 соединен с гидролиниями 5, 7 соответственно, а сливной канал - с гидробаком 10.

Напорный предохранительный клапан 12 вспомогательного насоса 8 выполнен с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход 13 узла управления которого соединен с выходом 62 контроллера 20. А сам вспомогательный насос 8 выполнен нерегулируемым и нереверсивным.

Выходы датчиков 42, 43 давления соединены с входами соответственно 63, 64 контроллера 20.

Для выпуска воздуха из подлежащих испытанию емкостей 40, 41 стенд снабжен воздухоспускными устройствами 65, 66, установленными в непосредственной близости к местам подключения емкостей 40, 41.

Предлагаемый стенд для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность работает следующим образом.

Предварительно в ручном режиме управления основным насосом 1 заполняют рабочей жидкостью (маслом) замкнутый контур гидропривода, то есть гидролинии 5, 7 и полости 48, 49 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия. При этом включают в работу и вспомогательный насос 8, который через обратные клапаны 57, 58 гидравлического устройства 15 заполняет рабочей жидкостью замкнутый контур гидропривода, из которого одновременно выпускается воздух (воздухоспускные устройства условно не показаны).

Вспомогательный насос 8 выполняет функцию только подпиточного насоса, то есть он компенсирует объемные потери (утечки рабочей жидкости) в замкнутом контуре гидропривода при его работе. Общеизвестно, что в гидроцилиндре 27 двухстороннего действия объемных потерь нет, а есть эти потери только в основном насосе 1, которые отводятся из корпуса основного насоса 1 по дренажному трубопроводу 56 в гидробак 10. Поэтому, если циркуляция рабочей жидкости происходит против часовой стрелки в замкнутом контуре гидропривода, то основной насос 1 всасывает рабочую жидкость из правой полости 48 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия по гидролинии 5 через канал 4 и нагнетает ее из канала 6 по гидролинии 7 в левую полость 49 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия. Объемные потери основного насоса 1 отводятся от него по трубопроводу 56 в гидробак 30. Вспомогательный насос 8 в этом случае всасывает рабочую жидкость из гидробака 10 и нагнетает ее из канала 11 через обратный клапан 57 гидравлического устройства 15 в гидролинию 5, где давление рабочей жидкости становится меньше, чем в гидролинии 7 и в левой полости 49 гидроцилиндра 27. Обратный клапан 60 в этом случае закрывается. Штоки 28, 29 и поршень гидроцилиндра 27 перемещаются вправо до упора. Затем реверсируют циркуляцию рабочей жидкости на противоположное направление (по часовой стрелке). Тогда основной насос 1 всасывает рабочую жидкость из левой полости 49 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия по гидролинии 7 через канал 6 и нагнетает ее из канала 4 по гидролинии 5 в правую полость 48 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия. Объемные потери основного насоса 1 вновь компенсирует вспомогательный насос 8, который нагнетает рабочую жидкость из канала 11 теперь через обратный клапан 58 гидравлического устройства 15 в гидролинию 7, которая теперь становится всасывающей для замкнутого контура гидропривода и в ней давление рабочей жидкости становится меньше, чем в гидролинии 5 и в правой полости 48 гидроцилиндра 27. Штоки 28, 29 гидроцилиндра 27 перемещаются теперь влево до упора.

Реверсируя, таким образом, несколько раз циркуляцию рабочей жидкости между основным насосом 1 и гидроцилиндром 27 двухстороннего действия и одновременно выпуская воздух, готовят замкнутый контур гидропривода к началу испытаний емкостей 40, 41.

После этого испытываемые емкости 40, 41 подключают с помощью двух запорных вентилей 52, 53 к полостям 44, 45 плунжерных гидроцилиндров 30, 31. Закрывают запорные сбросные вентили 54, 55 и открывают запорные вентили 38, 39 и 52, 53. После чего включают в работу дополнительный насос 32, с помощью которого перед проведением испытаний заполняют водой обе подлежащие испытанию емкости 40, 43. Вода всасывается дополнительным насосом 32 по входному каналу 35 из емкости 36 и нагнетается через выходной канал 37 в испытываемые емкости 40, 41, проходя через открытые запорные вентили 38, 39 и 52, 53. Одновременно с емкостями 40, 41 заполняются водой полости 44, 45 двух плунжерных гидроцилиндров 30, 31, т.к. они соединены с испытываемыми емкостями 40, 41 через запорные вентили 52, 53. Испытания емкостей 40, 41 выполняются на воде, а не на масле. Как только датчики 42, 43 давления покажут давление 0,1·Р_раб в обеих испытываемых емкостях 40, 41, включают в работу основной насос 1 и вспомогательный насос 8.

Основной насос 1, работая по-прежнему в ручном режиме управления, заставляет перемещаться штоки 28, 29 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия по очереди то влево, то вправо. А вместе с ними перемещаются в ту же сторону и плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31. Перед началом перемещения вправо плунжеров 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 закрывают запорный вентиль 38. Поэтому в полости 44 правого плунжерного гидроцилиндра 30 и в емкости 40 давление воды увеличивается, а в полости 45 левого плунжерного гидроцилиндра 31 и в емкости 41 уменьшается и может стать меньше 0,1·Р_раб. Чтобы это не произошло, дополнительный насос 32, продолжая нагнетать воду только в емкость 41 и в полость 45 левого плунжерного гидроцилиндра 31, поддерживает это давление (0,1·Р_раб). Это давление контролируется датчиком 43 давления. Когда штоки 28, 29 гидроцилиндра 27 и плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 перемещаются вправо, в емкости 40 и в полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 увеличивается давление воды, которое контролируется датчиком 42 давления. Как только давление там достигнет величины 1,3·Р_раб, реверсируется поток рабочей жидкости в основном насосе 1, а следовательно, и в замкнутом контуре гидропривода (по часовой стрелке). Одновременно перед реверсированием выключается электродвигатель 33 дополнительного насоса 32 и закрывается запорный вентиль 39. Штоки 28, 29 гидроцилиндра 27 и плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 перемещаются теперь влево и в емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 увеличивается давление воды, которое контролируется датчиком 43 давления. А в это же время в емкости 40 и полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 давление воды уменьшается до 0,1·Р_раб и может достигнуть значения существенно меньше 0,1·Р_раб. Если это наблюдается, то при достижении давления 1,3·Р_раб в емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 открывают запорный вентиль 38 и включают в работу дополнительный насос 32. Тем самым добиваются поддержания в емкости 40 давления воды на уровне 0,1·Р_раб. Такое изменение давления с величины 0,1·Р_раб до 1,3·Р_раб в каждой испытываемой емкости 40, 43 выполняется поочередно несколько раз, добиваясь устойчивых этих значений давлений. Одновременно выпускают воздух из этих емкостей 40, 41 с помощью спускных устройств 65, 66.

Во время заполнения водой емкостей 40, 41 при достижении давления воды в этих емкостях 40, 41 величины 1,3·Р_раб контролируют давление рабочей жидкости в замкнутом контуре гидропривода. Давление рабочей жидкости в гидролинии 5 контролирует манометр 46, а в гидролинии 7 - манометр 47. На это давление настраивают напорный предохранительный клапан 59 (настраивается на немного большую величину).

На этом предварительная подготовка стенда к работе завершена, и стенд включают на автоматический режим испытаний на циклическую долговечность емкостей 40, 41.

Включают в работу основной насос 1 и вспомогательный насос 8. Рассмотрим работу стенда с исходного положения, как показано на фиг.1, то есть плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 и штоки 28, 29 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия перемещены влево. В этом случае в испытываемой емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 будет давление воды 1,3·Р_раб, а в испытываемой емкости 40 и полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 будет давление воды 0,1·Р_раб. Рабочее давление воды при таких испытаниях, как правило, Р_раб=20 МПа. Поэтому величина давления в испытываемых емкостях 41, 40 будет 26 МПа и 2 МПа соответственно. А в это время давление рабочей жидкости в полостях 48, 49 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками 28, 29 будет существенно меньше, чем в испытываемых емкостях 40, 41 (в несколько раз). Так в правой полости 48 давление будет больше, чем в левой полости 49 этого гидроцилиндра 27, поскольку из левой полости 49 основной насос 1 всасывал рабочую жидкость по гидролинии 7 через канал 6 (который в этом случае всасывающий), а в правую полость 48 нагнетал через канал 4 (который в этом случае напорный) по гидролинии 5. Давление на всасывающей стороне основного насоса 1 поддерживается вспомогательным насосом 8 с помощью своего напорного предохранительного клапана 12. Величина этого давления достаточна 0,1 МПа (чтобы не было разрыва потока рабочей жидкости при всасывании основным насосом 1). Давление в полости 48 гидроцилиндра 27 в это время поддерживает предохранительный напорный клапан 59, который отрегулирован на необходимое для испытаний давление.

Величина этого давления зависит от соответствующего подбора площади поршня гидроцилиндра 27 двухстороннего действия и площади плунжеров 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 (например, для обеспечения давления воды в емкостях 40, 41 26 МПа, давление основного насоса 1 достаточно 10 МПа, на это давление должен быть настроен предохранительный напорный клапан 57).

Итак, при достижении давленая воды в испытываемой емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 величины 1,3·Р_раб с выхода датчика 43 давления поступает сигнал на вход 64 контроллера 20, а с выхода 23 этого контроллера сигнал поступает на электрический вход узла управления основного насоса 1, который согласно поступившему сигналу изменяет направление циркуляции рабочей жидкости (против часовой стрелки) в замкнутом контуре гидропривода. А именно, основной насос 1 всасывает по каналу 4 (который в этом случае будет всасывающим), по гидролинии 5 из правой полости 48 поршневого гидроцилиндра 27 двухстороннего действия рабочую жидкость и подает ее по каналу 6 (который в этом случае будет напорным), по гидролинии 7 в левую полость 49 гидроцилиндра 27 с максимальной подачей. Штоки 28, 29 и поршень гидроцилиндра 27 перемещаются вправо и вместе с ними перемещаются вправо плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31, причем в полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 давление воды возрастает с величины 0,1·Р_раб до 1,3·Р_раб, а в полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 давление, наоборот, снижается с величины 1,3·Р_раб до 0,1·Р_раб. При этом давление рабочей жидкости в полостях 48, 49 поршневого гидроцилиндра 27 изменяется, то есть в полости 48 уменьшается, а в полости 49 увеличивается. Поэтому основной насос 1 переходит в режим гидромотора и аккумулирует избыточную энергию непосредственно на своем валу и на валу его приводящего электродвигателя 3 с маховиком 2 (как и в прототипе).

Кроме того, в предлагаемом техническом решении потенциальная энергия воды, накопленная ранее в испытываемой емкости 41, используется напрямую для повышения давления воды в испытываемой емкости 40 (чего нет в прототипе).

Это происходит следующим образом. Поскольку штоки 28, 29 поршневого гидроцилиндра 27 соединены с плунжерами 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31, то давление воды передается через них из испытываемой емкости 41 через полость 45 плунжерного гидроцилиндра 31 в полость 44 плунжерного гидроцилиндра 30 и далее в испытываемую емкость 40 напрямую, и в итоге дополнительно снижается энергия, потребляемая при работе стенда.

При работе основного насоса 1 на описанном выше режиме вспомогательный насос 8 работает только как подпиточный насос (чего нет в прототипе), потребляет минимальную энергию. Так на схеме, приведенной на фиг.1, датчики 18, 19 давления рабочей жидкости передают сигнал на вход 24, 25 контроллера 20, который сравнивает его с необходимым давлением 0,1 МПа и выдает с выхода 62 контроллера 20 па вход электрического управления 13 напорного предохранительного клапана 12 сигнал для поддержания давления 0,1 МПа рабочей жидкости этим клапаном 12. Когда основной насос 1 нагнетает рабочую жидкость по гидролинии 7 в левую полость 49 гидроцилиндра 27 двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками 28, 29, то в этой полости 49 давление повышается с 0,1 МПа до необходимого давления для испытаний (например 10 МПа). А в это же время в правой полости 48 гидроцилиндра 27 и гидролинии 5 давление снижается (например с 10 МПа) до 0,1 МПа. Во время этого снижения давления у вспомогательного насоса 8 нет необходимости подпитывать замкнутый контур гидропривода. Поэтому датчик 18 давления, контролирующий давление рабочей жидкости в гидролинии 5, передает сигнал о давлении выше 0,1 МПа на вход 24 контроллера 20, который с выхода 62 передает сигнал на вход электрического управления 13 напорного предохранительного клапана 12, на полное открытие этого клапана. Поэтому вспомогательный насос 8 свою подачу сливает через открытый клапан 12 с минимальным давлением, близким к нулю, в гидробак 10, потребляя минимальную энергию. В конце завершения первого этапа испытаний, когда в полости 48 поршневого гидроцилиндра 27 может давление рабочей жидкости понизиться ниже 0,1 МПа (за счет объемных потерь основного насоса 1), то датчик давления 18 зафиксирует в гидролинии 5 и полости 48 гидроцилиндра 27 давление меньше 0,1 МПа, и с выхода 62 контроллера 20 передается сигнал на вход электроуправления 13 напорного предохранительного клапана 12, на закрытие этого клапана 12 и поддержания им давления рабочей жидкости 0,1 МПа. В этом случае вспомогательный насос 8 будет теперь подпитывать замкнутый контур гидропривода через обратный клапан 57 гидравлического устройства 15 по каналу 16, заполняя гидролинию 5 (в данном случае она всасывающая) и потребляя опять минимальную энергию. Причем подача вспомогательного насоса 8, так же, как и его давление, небольшая (в отличии от прототипа), идущая только на компенсацию объемных потерь основного насоса 1. Благодаря этому энергия, потребляемая при работе стенда, дополнительно снижается. В прототипе же вспомогательный насос 8 должен поддерживать давление в таком случае в 20 раз большее, т.е. 2 МПа, а следовательно, и энергии будет потреблять во столько же раз больше.

Изменение давления воды в испытываемых емкостях 40, 41 происходит поэтапно в противофазе, то есть если в предыдущем этапе давление воды в испытываемой емкости 40 увеличивалось, а в емкости 41 уменьшалось, то в следующем этапе наоборот: в емкости 40 давление уменьшается, а в емкости 41 увеличивается. Стенд работает так же, как и в предыдущем случае, то есть при достижении давления воды в испытываемой емкости 40 и полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 величины 1,3·Р_раб с выхода теперь датчика 42 давления поступает сигнал на вход 63 контроллера 20, а с выхода 23 этого контроллера поступает сигнал на электрический вход узда управления основного насоса 1, который согласно поступившего сигнала изменяет направление циркуляции рабочей жидкости по часовой стрелке в замкнутом контуре гидропривода. А именно, основной насос всасывает по каналу 6 (который в этом случае будет всасывающим), по гидролинии 7 из левой полости 49 поршневого гидроцилиндра 27 рабочую жидкость и нагнетает ее по каналу 4 (который в этом случае будет напорным), по гидролинии 5 в правую полость 48 гидроцилиндра 27 с максимальной подачей. Штоки 28, 29 и поршень гидроцилиндра 27 перемещаются при этом влево и вместе с ними перемещаются влево плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31, причем в полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 давление воды возрастает с величины 0,1·Р_раб до 1,3·Р_раб, а в полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 давление воды, наоборот, снижается с величины 1,3·Р_раб до 0,1·Р_раб. При этом давление рабочей жидкости в полости 49 поршневого гидроцилиндра 27 уменьшается, а в полости 48 увеличивается. Поэтому основной насос 1 переходит в режим гидромотора (как и в предыдущем этапе). По мере приближения давления воды в испытываемой емкости 41 величины 1,3·Р_раб подача основного насоса 1 уменьшается вплоть до нуля при постоянном получении управляющего сигнала с выхода 23 контроллера 20 на управление основного насоса 1. Контроль и поддержание давления рабочей жидкости в замкнутом контуре гидропривода выполняет предохранительный напорный клапан 59. Вспомогательный насос 8 подпитывает замкнутый контур гидропривода через обратный клапан 58 гидравлического устройства 15 по каналу 17, заполняя гидролинию 7 (в данном случае она всасывающая).

Как и в предыдущем этапе, потенциальная энергия; воды, накопленная теперь в испытываемой емкости 40, передается напрямую в обратном направлении через плунжеры 50, 51 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 и штоки 28, 29 поршневого гидроцилиндра 27 в испытываемую емкость 41. Причем, насколько в испытываемой емкости 40 давление воды уменьшается, настолько в другой испытываемой емкости 41 оно увеличивается, так как утечек рабочей жидкости (объемных потерь) нет в плунжерных гидроцилиндрах 30, 31.

Предложенные в нашем техническом решении механическая связь штоков 28, 29 поршневого гидроцилиндра 27 с плунжерами 50, 51 плунжерных гвдроцилиндров 30, 31 и гидравлическая связь основного насоса 1 с полостями 48, 49 поршневого гидроцилиндра 27, а полостей 44, 45 плунжерных гидроцилиндров 30, 31 с испытываемыми емкостями 40, 41 соответственно, позволяют уменьшить давление основного насоса 1 в несколько раз, чем в испытываемых емкостях 40, 41 (чего нет в прототипе). А работа насоса на меньшем давлении повышает его надежность и долговечность. Кроме того, известно, что у насоса, работающего при меньшем давлении, объемные потери меньше, чем при большом давлении. Следовательно, затраты энергии у основного насоса 1 в нашем техническом решении будут дополнительно снижены и по этой причине.

Вспомогательный насос 8 в нашем техническом решении будет поддерживать давление в системе подпитки гидропривода в 20 раз меньше, чем в прототипе, поэтому его энергозатраты будут существенно меньше.

Поскольку испытываемые емкости 40, 41 не соединены гидравлически с основным насосом 1, то стенд позволяет испытывать емкости не на масле, а на воде, что необходимо для испытания емкостей, не допускающих контакта с маслом, например кислородных баллонов и других емкостей. Тем самым предлагаемый стенд повышает его функциональные возможности. Кроме того, он позволяет испытывать емкости большого объема (50-100 м³ и более) без увеличения времени, необходимого для испытаний (в отличие от прототипа). Это также повышает его функциональные возможности.

Стенд позволяет предотвратить нарушение экологии при испытании емкостей большого объема, так как при разрыве стенки емкости при испытании в атмосферу выливается не масло, а вода.

Таким образом, как следует из выше изложенного, реализация предлагаемого технического решения обеспечивает возможность изменения давления в емкостях, подлежащих гидравлическому испытанию на циклическую долговечность, по требуемому закону, при этом расширяются функциональные возможности стенда, повышается его долговечность, производительность, снижаются затраты энергии при его работе, а также предотвращается нарушение экологии при проведении испытаний.

Источники информации

1. Стенд для испытания пневмогидравлических аккумуляторов. Авторское свидетельство СССР №1550236, MKU F15B 19/00. Заявлено 21.06.1988. Опубликовано 15.03.1990.

2. Стенд для гидравлических испытаний емкостей на циклическую долговечность. Патент Российской Федерации №2266440, MKU F15B 19/00. Заявлено 24.05.2004. Опубликовано 20.12.2005.

3. Т.М.Башта. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение. 1974. с.606.

4. И.А.Чиняев. Лопастные насосы. - Л.: Машиностроение. 1973. с.184.

Стенд предназначен для испытаний на циклическую долговечность емкостей большого объема и высокого давления для хранения и перевозки сжатого природного газа морским и ж/д транспортом, кислородных емкостей, ж/д цистерн и других технологических емкостей. Стенд содержит контроллер, задатчик закона изменения давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, основной насос, кинематически связанный с маховиком и электродвигателем и выполнен в виде реверсивного регулируемого мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, а рабочие каналы основного насоса соединены с двумя гидролиниями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, вспомогательный насос, один из рабочих каналов которого соединен с гидробаком, а второй рабочий канал - с напорным предохранительным клапаном, выполненным с пропорциональным электрическим управлением, при этом электрический вход данного клапана соединен с соответствующим выходом контроллера, а также ко второму каналу вспомогательного насоса присоединен канал гидравлического устройства, каждый из двух каналов которого соединен с соответствующей из упомянутых гидролиний, к которым через обратные клапаны подключен предохранительный напорный клапан, сливной канал которого соединен с гидробаком. Стенд дополнительно содержит поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, два плунжерных одинаковых гидроцилиндра и дополнительный насос со своим электродвигателем и предохранительным напорным клапаном, причем входной канал дополнительного насоса соединен с емкостью с водой, а выходной его канал соединен через запорные вентили с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, при этом обе гидролинии стенда, соединенные с рабочими каналами основного насоса подключены к манометрам и к обеим полостям поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, причем этот гидроцилиндр расположен между двумя одинаковыми плунжерными гидроцилиндрами, плунжеры которых соединены напрямую с обоими одинаковыми, штоками поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия. Технический результат: расширение функциональных возможностей стенда, снижение затрат энергии при работе стенда, повышение его долговечности и предотвращение нарушений экологии. 1 ил.

Стенд для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность, содержащий контроллер, задатчик закона изменения давления, выход которого соединен с соответствующим входом контроллера, основной насос, кинематически связанный с маховиком и электродвигателем, и выполнен в виде реверсивного регулируемого мотор-насоса с пропорциональным электрическим управлением, электрический вход узла управления которого соединен с соответствующим выходом контроллера, а рабочие каналы основного насоса соединены с двумя гидролиниями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, вспомогательный насос, один из рабочих каналов которого соединен с гидробаком, а второй рабочий канал - с напорным предохранительным клапаном, выполненным с пропорциональным электрическим управлением, при этом электрический вход данного клапана соединен с соответствующим выходом контроллера, а также ко второму каналу вспомогательного насоса присоединен канал гидравлического устройства, каждый из двух каналов которого соединен с соответствующей из упомянутых гидролиний, к которым через обратные клапаны подключен предохранительный напорный клапан, сливной канал которого соединен с гидробаком, отличающийся тем, что стенд дополнительно содержит поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, два плунжерных одинаковых гидроцилиндра и дополнительный насос со своим электродвигателем и предохранительным напорным клапаном, причем входной канал дополнительного насоса соединен с емкостью с водой, а выходной его канал соединен через запорные вентили с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, к которым подключены датчики давления, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, при этом обе гидролинии стенда, соединенные с рабочими каналами основного насоса, подключены к манометрам и к обеим полостям поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия с двумя одинаковыми штоками, причем этот гидроцилиндр расположен между двумя одинаковыми плунжерными гидроцилиндрами, плунжеры которых соединены напрямую с обоими одинаковыми штоками поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия.