在工程应用中的液压系统通常采用的压力为35 MPa以内,因为在这个压力下液压元件和液压系统具有较高的技术经济性。但在某些场合,诸如金属挤压、液压成形、粉末冶金、人造金刚石合成,超高压射流加工和耐压试验等方面采用的压力通常在100 MPa左右,有的甚至在600MPa以上。
当液压系统或液压机械的压力超过82 MPa时,通常称为超高压压力。在这一压力域中,有着许多一般液压技术所未予考虑的特殊性。这些特殊性即形成了独特的超高压液压技术。
1、超高压小流量
超高压液压技术主要发挥超高压液压压力的优势和威力。当超高压液压机械或系统以一定的功率工作时,由于使用的压力很高,所以流量就很小,其流量一般在1L/min左右。以极高的压力在很小的流量下工作是超高压液压技术的一大特征。目前,以流体为传动介质的机械中采用的压力值已高达1400MPa以上。在以流体为静压介质的应用中,所采用的压力值则更高,可达2400MPa以上。
2、采用柱塞副结构
超高压压力是对液体介质实施强大作用力产生的,为保证产生超高压的构件强度和刚度,在超高压泵和增压器中,升压元件几乎都采取了柱塞副的结构形式。同时,柱塞副对超高压力下的密封也具备良好的适应性。
3、要求专用液压介质
一般液压油在超高压力下流动性锐减,体积压缩量不可忽略,后者在极大程度上影响着系统的容积效率。所以一般液压油在超高压力下难以正常工作,应该选用在超高压力下具有良好流动性和最小体积压缩量的特殊专用介质。超高压力下液体介质稠化与否取决于它的超高压黏度特性;超高压力下液体介质的压缩量和弹性则取决于它的体积弹性模量。体积弹性模量越高则介质体积压缩量和弹性越小。
一般情况下大多数矿物油在高于400 MPa压力下呈稠脂状。但60%的煤油和40%的变压器油混合,在1000 MPa压力时仍能很好工作。丙三醇(即甘油)是一种良好的超高压液压用介质,它在1400MPa压力下也能保持良好的流动性,并且还具有很高的体积弹性模量。通常它以水--甘醇混合液的形式实际应用,水虽然具有很高的体积弹性模量,但由于水会锈蚀金属,并且不易密封,故主要用于耐压试验。
能用于超高压系统的介质还有蓖麻油、凡士林油等。除此之外,混合介质的应用常能获得较理想的效果,如蓖麻油-酒精、蓖麻油-矿物油混合液在700~1000 MPa压力下仍能保持良好的流动性。
4、要求严格的密封
在超高压力下要求所有的密封环节和元件都具有很高的强度,否则极易击穿。由于液压介质在升压过程中会释放热量,致使密封环节和密封部位瞬时升温,所以超高压力下的密封也必须具有良好的耐热性。超高压液压技术对密封的要求极为严格。一方面由于间隙相同时超高压力下的泄漏量比常用压力下大几倍甚至几十倍;另一方面由于超高压液压装置的流量较小,一般仅约1L/min左右,因此即便是微量的泄漏也会产生很大影响,特别是对超高压液压系统的升压和保压性能的影响尤为突出。
超高压密封虽然有它独特的要求,但与一般的液压密封还是大同小异,因此传统的密封方式是可以参考的。需要特别指出的是,由于超高压液压技术常用于尖端科学技术的研究、试验和生产中,其密封型式具有很强的针对性和局限性,所以密封常常是特殊设计的,可供选用的超高压密封元件很少。对大多数超高压系统来说,参考已有的传统密封形式,结合超高压系统功能的独特要求,进行专用密封形式的设计和制造是解决超高压密封的主要途径和方法。
4.1密封材料
在超高压力下密封材质受到强烈的压挤,易于产生塑性流变。升压过程中液体介质会放热,由于超高压升压压差大,瞬时温升高,促使塑性流变加剧,造成密封变形量大甚至击穿。而超高压力下密封材质的弹性丧失也将使密封性能急剧下降。所以一般的密封材料是难以承受苛刻的超高压条件的。
当压力在100MPa以下时,塑性材质如橡胶、皮革,氟塑料尚可使用。当压力高于100MPa时则需采用具有一定韧性的硬质材料,如铝、紫铜、铅和镀青铜等。
4.2密封结构
超高压静密封通常采用借助于螺纹力强制密封件与被密封件之间产生一定的接触压力而达到密封的结构型式。通过螺纹可调节接触压力,对密封进行调整和补偿,常用于100MPa压力以下、要求不高的场合。另外带挡圈的O形圈可耐压200MPa左右。金属О形密封则可承受350 MPa,甚至700 MPa的压力。
实际使用中尚无定型的超高压静密封元件,由于超高压技术在应用上的多样性,所以在超高压静密封的选用和设计中还要考虑实际的工作条件,诸如高温、酸蚀、易燃等因素。如果合适地选用密封材料、设计密封结构可以取得1000MPa以上压力的密封效果。例如,根据螺纹力强制密封结构的原理,选用淬硬球面钢垫(材质为45号钢或35 CrMoA等)作密封件的结构可密封1000MPa左右的压力。
超高压动密封主要是指往复式动密封,主要依靠间隙密封和密封填料实现。间隙密封多采用弹性圆筒衬套结构,由于液体介质的黏性流动,在弹性圆简衬套两端产生压降,衬套就局部地抱紧在轴上。这种结构可达到600~700 MPa的超高压动密封效果。除此之外,密封填料结构型式的V形密封填料在螺纹力作用下受压强制密封,当填料采用镀青铜等制作时,可达到1000MPa左右的超高压动密封效果。
5、超高压管接头
超高压系统中不可避免地存在管子与管子的连接,或管子与主体(如阀、容器、设备等)的连接。由于管路的细长特点,管接头所承受的压力脉冲、机械振动,腐蚀或热冲击等与主体构件中的情况相比有过之而无不及。因此超高压管接头的设计、制造和安装应特别注意。否则容易因松动而泄漏,因疲劳而爆破,导致事故发生。
在超高压系统中应尽量减少管接头,使系统的密封环节尽可能少。一般小直径(3~15 mm)的管道,多采用中间接头结构型式的管接头。当管道直径大于15 mm时多采用法兰结构型式的管接头。超高压管接头的密封要有足够的密封强度,压力在100 MPa以下时管接头中的密封件可采用橡胶、氟塑料等材质。压力在100 MPa以上时管接头中的密封需采用钢材,此时密封件采用球面或不等角锥面的几何接触,在螺母或法兰强制力的作用下产生接触表面轻微变形的均匀线接触密封。
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