Устройство для испытания сосудов внутренним давлением

Авторы патента:

Предлагаемая полезная модель относится к испытательной технике, более конкретно, к исследованию устройств на герметичность с помощью жидких и газообразных веществ или вакуума. Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности поддержания заданного испытательного давления внутри сосуда и упрощение системы измерения деформации сосуда в процессе его нагружения испытательным давлением. Схема включает в себя: испытываемый сосуд 1, испытательную камеру 2, системный блок 3 компьютера, цифро-аналоговый преобразователь 4, частотный регулятор 5, асинхронный электродвигатель 6, гидравлический насос 7, мультипликатор 8, датчики давления 9 и 11, аналого-цифровой преобразователь 10.

Известны устройства для испытания на прочность сосудов (изделий в форме оболочек) внутренним давлением жидкости или газа (А.П.Волощенко, М.М.Алексюк, В.Г.Гришко и др. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов. - Киев: «Наукова думка», 1984. - 318 с. [1], Гидросистемы высоких давлений. Под ред. к.т.н. Ю.Н.Лаптева. - М.: Машиностроение, 1973. - 152 с. [2]).

К таким изделиям относятся элементы военной техники (гильзы артиллерийских снарядов, оболочки двигательных отсеков боевых ракет и др.), трубопроводы конструкций энергетического машиностроения, различного вида сосуды (газовые баллоны, баллоны для хранения криогенных жидкостей, и пр.) и другие изделия и их элементы, имеющие цилиндрическую и сферическую формы. При испытаниях натурных образцов изделий или их моделей внутренним давлением они заполняются жидкими или газообразными испытательными средами под высоким давлением, которое создает в материале испытываемых изделий двухосное напряжение. Устройства для испытания сосудов внутренним давлением наиболее часто представляют собой гидравлическую систему, использующую принцип создания высокого давления за счет разницы в рабочих площадях двух гидроцилиндров, механически связанных между собой, реализуемую с помощью классического мультипликатора (Большая советская энциклопедия. Под ред. A.M.Прохорова. Третье издание. - М., изд. «Советская энциклопедия». 1974. С.315-316.) [3]. В мультипликаторе исходное давление рабочей жидкости (минеральное масло), создаваемое насосной станцией, воздействует на поршень гидроцилиндра большого диаметра (большей рабочей площади), который механически связан с поршнем гидроцилиндра меньшего диаметра, обеспечивающего на выходе относительно исходного давления более высокое давление испытательной среды (жидкости или газа), величина которого пропорциональна отношению рабочих площадей поршней гидроцилиндров. Для измерения деформации оболочки, возникающей при нагружении сосуда внутренним давлением, используются различного типа тензометры. Так, в криогенном стенде для механических испытаний сосудов внутренним давлением величиной до 100 МПа (А.П.Волощенко, М.М.Алексюк, В.Г.Гришко и др. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов. - Киев: «Наукова думка», стр.7882 [1] система нагружения состоит из двух подсистем: первая обеспечивает давление в сосуде с помощью жидкостей (минеральное масло или изопентан), вторая - газовыми средами. Первая содержит бак, заполняющий испытываемый сосуд жидкостью под невысоким давлением. Дальнейшее нагружающее давление создается газом, поступающим из баллона, который накапливается в ресивере и сжимается в компрессоре. Наибольшее разрушающее давление создается мультипликатором (авторы называют его гидроусилителем). Давление газа на жидкость передается через эластичную диафрагму. Контроль за деформацией сосуда осуществляется с помощью тензодатчиков, наклеенных на внешнюю поверхность сосуда, выходные сигналы которых обрабатываются информационно-коммутирующим комплексом «МАРС-100», включающим в себя нормирующие усилители, коммутирующее устройство и регистрирующую аппаратуру.

Наиболее близким аналогом предлагаемому устройству является установка СН-10 (А.П.Волощенко, М.М.Алексюк, В.Г.Гришко и др. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов. - Киев: «Наукова думка», стр.6874 [1], предназначенная для испытания на прочность внутренним давлением образцов в форме тонкостенной оболочки (образец трубчатого вида). Испытательное давление внутри образца создается гидравлической системой, состоящей из поршневого насоса, подающего рабочую жидкость (минеральное масло) под давлением 40 МПа в полость низкого давления мультипликатора. Большой поршень мультипликатора жестко связан с малым поршнем, имеющим меньшую рабочую площадь и сжимающим масло до давления, в несколько раз превышающее исходное, в результате чего давление масла на выходе мультипликатора достигает величины 150 МПа. Испытательная среда (инертный газ) из баллона под невысоким давлением заполняет систему давления и испытываемый образец. Дальнейшее увеличение давления газа производится мультипликатором, который давлением масла через газонепроницаемую диафрагму выдавливает газ в рабочую полость образца. Для регулирования давления газа внутри образца используется редукционный клапан, который управляется поршневым гидроприводом, связанным с системой нагружения образца внутренним давлением. Действие гидропривода на редукционный клапан производится через рычаг, опирающийся на призму. Изменение давления газа внутри образца производится вручную перемещением опорной призмы относительно рычага с помощью винтового механизма. Измерение поперечной деформаций образца осуществляется с помощью электромеханического тензометра, закрепляемого на испытываемом образце. Выходной сигнал тензометра усиливается тензостанцией типа «8 АНЧ» и регистрируется осциллографом типа «К-5».

Основным недостатком рассмотренных аналогов является недостаточная точность поддержания испытательного давления внутри образца (сосуда), обусловленная отсутствием системы автоматического регулирования испытательного давления, и сложность системы измерения деформации сосуда, которая определяется большим количеством сложных элементов схемы измерения (тензодатчики либо тензометр, информационно-коммутирующий комплекс «МАРС-100» либо тензостанция «8 АНЧ» и осциллограф «К-5»). Измерение деформации образца осложняется тем, что испытываемый сосуд в процессе нагружения подвергается как поперечной, так и продольной деформации. Поэтому для измерения общей деформации сосуда необходимо, как минимум, два тензометра: один для измерения поперечной деформации сосуда, другой для измерения его продольной деформации.

Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности поддержания заданного испытательного давления внутри сосуда и упрощение системы измерения деформации сосуда в процессе его нагружения испытательным давлением.

Данная цель достигается за счет того, что:

1) выход системного блока компьютера соединен со входом цифро-аналогового преобразователя, выходом подключенного ко входу частотного регулятора, управляющие выходы которого подсоединены к статорным обмоткам асинхронного электродвигателя, вращающего вал гидравлического насоса высокого давления, питающего рабочей жидкостью первичный контур мультипликатора, вторичный контур которого, запитанный испытательной жидкостью, обеспечивает повышение давления испытательной жидкости внутри испытываемого сосуда, а выход датчика, измеряющего давление испытательной жидкости внутри сосуда, подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом соединенного со входом системного блока компьютера;

2) выход датчика, измеряющего давление вытесненной из испытательной камеры жидкости, в которую помещен испытываемый сосуд, подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом соединенного со входом системного блока компьютера.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на рисунке.

Схема включает в себя: испытываемый сосуд 1, испытательную камеру 2, системный блок 3 компьютера, цифро-аналоговый преобразователь 4, частотный регулятор 5, асинхронный электродвигатель 6, гидравлический насос 7, мультипликатор 8, датчики давления 9 и 11, аналого-цифровой преобразователь 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии испытываемый сосуд 1 и испытательная камера 2 заполнены испытательной жидкостью (технической водой) под невысоким избыточным давлением порядка 0,20,6 МПа.

Системный блок 3 компьютера по специальной программе формирует в цифровом виде сигнал задания в виде линейно изменяющегося напряжения, который после преобразования цифро-аналоговым преобразователем 4 в аналоговый вид поступает на управляющий вход частотного регулятора 5 (Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. - М.: ACADEMA, 2004. - 256 с.) [4], управляющего частотой вращения асинхронного электродвигателя 6. Частота вращения электродвигателя 6 определяется величиной сигнала на входе частотного регулятора 5, поэтому давление рабочей жидкости (минеральное масло) на выходе гидравлического насоса 7 высокого давления, вал которого вращает электродвигатель 6, пропорционально величине сигнала задания, сформированного системным блоком 3 компьютера. Рабочая жидкость от насоса 7 поступает в гидроцилиндр первичного контура мультипликатора 8. Шток гидроцилиндра первичного контура мультипликатора 8 под действием давления рабочей жидкости перемещается, вызывая тем самым перемещение поршня гидроцилиндра вторичного контура мультипликатора 8, рабочая полость которого заполнена испытательной жидкостью (технической водой). Поршнем гидроцилиндра вторичного контура мультипликатора 8 испытательная жидкость выдавливается во внутрь сосуда 1, повышая в нем давление. Давление испытательной жидкости внутри сосуда 1 измеряется датчиком давления 9. Выходной сигнал датчика давления 9 после преобразования аналого-цифровым преобразователем 10 в качестве сигнала обратной связи поступает в системный блок 3 компьютера, где в цифровом виде сравнивается с сигналом задания, сформированным ранее системным блоком 3 компьютера.

Заявляемое устройство по сравнению с рассмотренными аналогами имеет значительно более высокую точность регулирования и поддержания испытательного давления внутри сосуда, благодаря действующей цифровой системе автоматического регулирования давления.

В процессе нагружения испытываемого сосуда 1 происходит его поперечная и продольная деформация, в результате чего техническая вода из испытательной камеры 2 вытесняется в мерную колонку (на функциональной схеме не показана), представляющую собой трубу определенного сечения и высоты. Давление водяного столба в мерной колонке измеряется датчиком давления 11, выходной сигнал которого, пропорциональный объемному расширению испытываемого сосуда 1, после преобразования в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем 10 и обработки системным блоком 3 компьютера индицируется на экране монитора в литрах.

Измерение, деформации испытываемого сосуда через его объемное расширение не только упрощает систему измерения за счет исключения сложных по конструкции элементов, таких, как комплекс «МАРС-100», тензостанция «8 АНЧ» и осциллограф «К-5», но также повышает точность определения величины деформации за счет измерения общей деформации сосуда, а не только его поперечной деформации, и замены метрологически нестабильных от температуры элементов (тензодатчиков, тензометра) на высокоточный датчик давления.

Предлагаемая полезная модель реализована в системе управления стендом СГ-125, предназначенным для проведения прочностных испытаний гильз артиллерийских снарядов и имеющим следующие основные технические характеристики: максимальное испытательное давление жидкости (очищенная техническая вода) 125 МПа, погрешность автоматического поддержания задаваемого испытательного давления не более ±3%, погрешность измерения объемного расширения, испытываемого сосуда не превышает ±3%.

Использованные источники:

1. А.П.Волощенко, М.М.Алексюк, В.Г.Гришко и др. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов. - Киев: «Наукова думка», 1984. - 318 с.

2. Гидросистемы высоких давлений. Под ред. к.т.н. Ю.Н.Лаптева. - М.: Машиностроение, 1973. - 152 с.

3. Большая советская энциклопедия. Под ред. A.M.Прохорова. Третье издание. - М., изд. «Советская энциклопедия». 1974. С.315-316.

4. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. - М.: ACADEMA, 2004. - 256 с.

1. Устройство для испытания сосудов внутренним давлением, содержащее мультипликатор, обеспечивающий высокое давление испытательной жидкости, устройство регулирования давления испытательной жидкости внутри сосуда, датчики для измерения давления и контроля деформации сосуда при повышении испытательного давления и гидравлический насос, обеспечивающий исходное высокое давление масла в первичном контуре мультипликатора, отличающееся тем, что выход системного блока компьютера соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выходом подключенного ко входу частотного регулятора, управляющие выходы которого подсоединены к статорным обмоткам асинхронного электродвигателя, вращающего вал гидравлического насоса высокого давления, питающего маслом первичный контур мультипликатора, вторичный контур которого, запитанный испытательной жидкостью, обеспечивает повышение давления испытательной жидкости внутри испытываемого сосуда, а выход датчика, измеряющего давление испытательной жидкости внутри сосуда, подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом соединенного со входом системного блока компьютера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход датчика, измеряющего давление вытесненной из испытательной камеры жидкости, в которую помещен испытываемый сосуд, подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом соединенного со входом системного блока компьютера.