СТЕНД ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЕМКОСТЕЙ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ Российский патент 2013 года по МПК F15B19/00 

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.

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·P_раб до не менее 1,3·P_раб (где P_раб - рабочее давление баллона) с частотой не более десяти циклов в минуту. Баллон должен выдерживать без разрушения не менее 1000·T циклов (где T - расчетный срок службы баллона в годах). Рабочее давление в этих баллонах должно быть P_раб=20 МПа.

Известен стенд для гидравлических испытаний емкостей (а именно пневмогидравлических аккумуляторов) на циклическую долговечность [Стенд для гидравлических испытаний емкостей на циклическую долговечность. Патент Российской Федерации №2266440, MКИ F15B 19/00. Заявлено 24.05.2004. Опубликовано 20.12.2005], 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, 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.

Стенд позволяет проводить испытания одновременно двух испытываемых емкостей небольшого объема по заданному закону изменения давления в них.

Однако у известного стенда 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 на 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, 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·P_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.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является принятый в качестве прототипа стенд [Стенд для гидравлических испытаний емкостей большого объема и высокого давления на циклическую долговечность. Заявка №2009 133178 от 03.09.2009, патент №2416742, 20.04.2011] 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 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 гидролиний, 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 аналоге).

Механическая связь штоков поршневого гидроцилиндра двухстороннего действия 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 аналоге). 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 аналоге), 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.

Однако у прототипа есть недостаток. При испытаниях на стенде может происходить нарушение закона изменения давления в испытываемых емкостях. Это поясняется следующим образом. На стенде испытываются две емкости большого объема (50 м³ и более). Но при их изготовлении могут быть различия их геометрических размеров, а следовательно и объемов. Например, одна емкость объемом 50 м³, а другая 49,5 м³. Поэтому при испытаниях на стенде происходит нарушение закона изменения давления в испытываемых емкостях. Так, если по программе испытаний в первой емкости должно повышаться давление до 1,3P_раб, а во второй емкости понижаться давление до 0,1P_раб, то этого не произойдет, т.к. когда в первой емкости (большего объема) давление достигнет 1,3P_раб, то во второй емкости (меньшего объема) давление будет меньше 0,1P_раб (например 0,05P_раб), что нарушает закон изменения давления. Поэтому, чтобы не нарушался этот закон, необходимо поднять в это время давление во второй емкости до 0,1P_раб. Для чего необходимо в нее дополнительно добавить воды, включив дополнительный насос и открыв соответствующий вентиль, соединяющий выходной канал этого насоса со второй емкостью. Тем самым давление в ней повысится до 0,1P_раб. Однако открыть вентиль и включать дополнительный насос можно только вручную, контролируя давление 0,1P_раб визуально по дополнительному манометру.

Когда же идет обратный процесс, т.е. в первой емкости должно уменьшаться давление до 0,1P_раб, а во второй емкости увеличиваться до 1,3P_раб, то при достижении давления 1,3P_раб во второй емкости, в первой емкости давление снижается, но будет больше 0,1P_раб (например, 0,15P_раб), что также не допустимо. Поэтому у первой емкости необходимо открыть сбросной вентиль и слить часть воды из нее в емкость с водой, тем самым понизить давление в первой емкости до заданного значения 0,1P_раб.

Но опять сбросной вентиль можно открыть и закрыть вручную, контролируя давление в этой емкости визуально по другому дополнительному манометру.

Все это снижает функциональные возможности стенда, т.к. нарушается закон изменения давления в испытываемых емкостях, нарушается автоматический режим испытаний и увеличивается тем самым время испытания.

Таким образом, известный стенд обладает ограниченными функциональными возможностями, т.к. испытания не могут проводиться в автоматическом режиме и время испытаний увеличивается.

Технической задачей, решаемой изобретением, является выполнение закона изменения давления в испытываемых емкостях в автоматическом режиме и тем самым повышение функциональных возможностей стенда, а также - снижение времени испытаний.

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 гидролиний, к которым через обратные клапаны подключен предохранительный напорный клапан, сливной канал которого соединен с гидробаком, кроме того стенд 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 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, причем стенд дополнительно содержит четыре гидрораспределителя с электрическим управлением на открытие, причем два (из этих четырех) гидрораспределителя соединяют параллельно выходной канал дополнительного насоса с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, при этом соответствующие выходы контроллера соединены с пускателем электродвигателя дополнительного насоса и с электрическими входами двух этих гидрораспределителей, а два других гидрораспределителя соединяют каждый одну испытываемую емкость с емкостью с водой, при этом электрические входы этих гидрораспределителей соединены с соответствующими выходами контроллера.

Поскольку стенд дополнительно содержит четыре гидрораспределителя с электрическим управлением на открытие, причем два гидрораспределителя соединяют параллельно выходной канал дополнительного насоса с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, при этом соответствующие выходы контроллера соединены с пускателем электродвигателя дополнительного насоса и с электрическими входами двух этих гидрораспределителей, а два других гидрораспределителя соединяют каждый одну испытываемую емкость с емкостью с водой, при этом электрические входы этих гидрораспределителей соединены с соответствующими выходами контроллера, то такая связь дополнительных элементов стенда с известными позволяет повысить функциональные возможности стенда и снизить время испытаний.

Сущность изобретения поясняется чертежом. 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, выполненный 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.

Кроме того, стенд 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 гидрораспределители с электрическим управлением на открытие 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. Гидрораспределители с электрическим управлением на открытие 54, 55 соединяют испытываемые емкости 40, 41 с емкостью 36 с водой.

Кроме того, соответствующие выходы 67, 68 контроллера 20 соединены с пускателем электродвигателя 33 дополнительного насоса 32 и с электрическими входами двух гидрораспределителей 38, 39, а электрические входы гидрораспределителей 54, 55 соединены с соответствующими выходами 69, 70 контроллера 20.

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 10. 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 гидрораспределители 54, 55 и открывают гидрораспределители 38, 39 и запорные вентили 52, 53. После чего включают в работу дополнительный насос 32, с помощью которого перед проведением испытаний заполняют водой обе подлежащие испытанию емкости 40, 41. 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 гидрораспределители 38, 39 и запорные вентили 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·P_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 гидрораспределитель 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·P_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·P_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·P_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 гидрораспределитель 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·P_раб и может достигнуть значения существенно меньше 0,1·P_раб. Если это наблюдается, то при достижении давления 1,3·P_раб в емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 открывают гидрораспределитель 38 и включают в работу дополнительный насос 32. Тем самым добиваются поддержания в емкости 40 давления воды на уровне 0,1·P_раб.

Такое изменение давления с величины 0,1·P_раб до 1,3·P_раб в каждой испытываемой емкости 40, 41 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·P_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·P_раб, а в испытываемой емкости 40 и полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 будет давление воды 0,1·P_раб. Рабочее давление воды при таких испытаниях, как правило, P_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 давления воды в испытываемой емкости 41 и полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 величины 1,3·P_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·P_раб до 1,3·P_раб, а в полости 45 плунжерного гидроцилиндра 31 давление наоборот снижается с величины 1,3·P_раб до 0,1·P_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. 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, 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 на 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 поддержание 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, также как и его давление, небольшая, идущая только на компенсацию объемных потерь основного насоса 1. Благодаря этому энергия, потребляемая при работе стенда, дополнительно снижается.

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·P_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 узла управления основного насоса 1, который согласно поступившему сигналу 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·P_раб до 1,3·P_раб, а в полости 44 плунжерного гидроцилиндра 30 давление воды наоборот снижается с величины 1,3·P_раб до 0,1·P_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·P_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.

Если окажется, что испытываемые емкости 40, 41 после изготовления имеют различия их геометрических размеров, а следовательно и объемов, то стенд позволит провести испытания этих емкостей 40, 41 автоматически, выполняя закон изменения давления в них. Это происходит следующим образом. Если испытываемая емкость 40 имеет объем, например 50 м³, а другая испытываемая емкость 41 имеет объем 49,5 м³ и по программе испытаний в емкости 40 давление должно повышаться до 1,3P_раб, а в емкости 41 понижаться до 0,1P_раб, то при достижении в емкости 40 давления 1,3P_раб в емкости 41 давление может понизиться ниже 0,1P_раб (например, 0,05P_раб). Это зафиксируют датчики давления 42 и 43 и подадут соответствующие сигналы на входы 63, 64 контроллера 20. Тогда с выхода 68 контроллера 20 поступает электрический сигнал на пускатель электродвигателя 33 дополнительного насоса 32 и на электрический вход гидрораспределителя 39. В результате чего гидрораспределитель 39 открывается, а дополнительный насос 32, включенный в работу, качает в испытуемую емкость 41 и в полость 45 плунжерного гидроцилиндра 31 воду и повышает там давление с 0,05P_раб до 0,1P_раб. После чего датчик давления 43 выдает об этом сигнал на вход 64 контроллера 20, который с выхода 68 подает сигнал на выключение пускателя электродвигателя 33 дополнительного насоса 32 и на закрытие гидрораспределителя 39.

Теперь стенд переходит в другую фазу изменения давления, т.е. в испытываемой емкости 40 (большего объема) давление должно понижаться с 1,3P_раб до 0,1P_раб, а в испытываемой емкости 41 (меньшего объема) наоборот должно повышаться с 0,1P_раб до 1,3P_раб. То при достижении давления 1,3P_раб, в емкости 41, в другой емкости 40 (большего объема) давление снижается с 1,3P_раб, но будет больше 0,1P_раб (например 0,15P_раб), из-за большего своего объема по сравнению с емкостью 41. Датчик давления 42 подаст соответствующий сигнал на вход 63 контроллера 20. Тогда с выхода 69 контроллера 20 поступает сигнал на электрический вход гидрораспределителя 54 и открывает его. При этом вода из емкости 40 сливается в емкость 36 с водой, и давление в емкости 40 снижается до заданного значения 0,1P_раб. После чего датчик давления 42 выдает (соответствующий) об этом сигнал на вход 63 контроллера 20, который с выхода 69 подает сигнал на закрытие гидрораспределителя 54. Затем цикл испытаний повторяется.

Если при испытаниях других партий емкостей окажется, что емкость 40 меньшего объема, а емкость 41 большего объема, то стенд вновь выполнит заданный закон изменения давлений в емкостях автоматически. Только теперь будут включаться по команде контроллера 20 пускатель электродвигателя 33 дополнительного насоса 32 и гидрораспределитель 38, а в другой фазе гидрораспределитель 55.

Предложенная в нашем техническом решении конструкция стенда, содержащая дополнительно гидрораспределители 38, 39, 54, 55 с электрическим управлением на открытие, причем два гидрораспределителя 38, 39 соединяют параллельно выходной канал 37 дополнительного насоса 32 с полостями плунжерных гидроцилиндров 30, 31 и с двумя испытываемыми емкостями 40, 41, при этом соответствующие выходы 67, 68 контроллера 20 соединены с пускателем электродвигателя 33 дополнительного насоса 32 и с электрическими входами двух этих гидрораспределителей 38, 39, а два других гидрораспределителя 54, 55 соединяют каждый одну испытываемую емкость 40, 41 с емкостью с водой 36, при этом электрические входы этих гидрораспределителей соединены с соответствующими выходами 69, 70 контроллера 20, позволяет обеспечить изменение давления по требуемому закону в испытываемых емкостях, подлежащих гидравлическому испытанию на циклическую долговечность, при этом повышаются функциональные возможности стенда и снижается время испытаний.

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 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 гидролиний, к которым через обратные клапаны подключен предохранительный напорный клапан, сливной канал которого соединен с гидробаком, кроме того стенд 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 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. Стенд дополнительно содержит четыре гидрораспределителя с электрическим управлением на открытие, причем два (из этих четырех) гидрораспределителя соединяют параллельно выходной канал дополнительного насоса с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, при этом соответствующие выходы контроллера соединены с пускателем электродвигателя дополнительного насоса и с электрическими входами двух этих гидрораспределителей, а два других гидрораспределителя соединяют каждый одну испытываемую емкость с емкостью с водой, при этом электрические входы этих гидрораспределителей соединены с соответствующими выходами контроллера. Технический результат: повышение функциональных возможностей стенда, снижение времени испытаний. 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, кроме того, стенд 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, отличающийся тем, что стенд дополнительно содержит четыре гидрораспределителя с электрическим управлением на открытие, причем два гидрораспределителя соединяют параллельно выходной канал дополнительного насоса с полостями обоих плунжерных гидроцилиндров и с двумя одновременно испытываемыми емкостями, при этом соответствующие выходы контроллера соединены с пускателем электродвигателя дополнительного насоса и с электрическими входами двух этих гидрораспределителей, а два других гидрораспределителя соединяют каждый одну испытываемую емкость с емкостью с водой, при этом электрические входы этих гидрораспределителей соединены с соответствующими выходами контроллера.