增压式液压涨管机液压系统设计

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1　前言
　　液压涨管技术是国外七十年代发展起来的新技术，主要用于石油化工业、电站设备中的热交换设备管路外侧与封头板密封。液压涨管与机械碾压式涨管相比，有显著的优越性，从管壁与封头板接触的均匀程度及密封性能都比机械式涨管有很大提高，是管箱式换热器所备专用工具。
2　设计原理
　　液压系统采用增压原理，一是可以减少设备费用，解决了超高压泵制造技术复杂问题，二是设备构造简单，使用方便可靠。原理如图1所示。
+ W* q% T; R2 u
/ I( {2 W0 U, f" W" R& q/ C1.油箱2.滤油器3.油泵4.电机5.调压阀6.压力表6543217.增压器8.涨头9.换向阀10.压缩空气进口11.乳化液箱1110987
: m0 l" c+ c( o图1　液压系统原理图
: Q/ F, p; Z( j' z3　设计参数的确定
" D7 c2 Z1 Q! i6 x, h3 A4 b　　根据管壁与封头板接触的均匀度及密封性能要求，对外径为φ19的1Gr18Ni9Ti无缝钢管进行压力涨管试验，当压力升到260MPa时，管壁外侧与模拟封头板孔壁接触紧密，满足产品检验技术指标。
) X% a: W+ K: ~9 I. ~/ T/ O9 s" q1 `　　为保证涨管质量要求，在试验压力260MPa的基础上，设计压力增加85%的可靠系数。设计参考系数为：
　　原始压力：p1=30MPa
　　最大顶出压力：p2=260MPa+260MPa×85%=480MPa
% r; J$ Q) g% k- T; i7 F* }　　增压头直径：d=2cm
( H; o4 u* H: t9 {　　增压头行程：L=12cm
　　压缩介质选用乳化液。
4　设计计算
# D. ^) ^1 g% n) C7 D6 V: T& t$ [　　增压器原理如图2所示。
- e2 Y5 }+ F  a  \; l" `' k
图2　增压器原理图
4.1　大活塞直径计算
　　根据巴斯加定率:
　　则：dp1p2=230480=8cm
4.2水的压缩性计算
　　计算公式：
　　式中：Δp=480MPa
5 ~' @: J4 B: }  P
: M) G$ u$ t6 eβ—水的压缩率
　　根据表1、表2水的压缩率β和比容v,绘出（p～β）、（p～V）曲线，如图3、图4所示。
5 [* T* y& `4 {" P表1　水的压缩率×1.0m2/N
  m  O& F) B  v. m- e压力范围/MPa
温度／℃
　
  K$ ~0 ~2 z3 B3 \1 E　
　
7 Y: B2 Y2 O& Z* D! B' R- x3 F0
' p0 l$ X' X2 s1 p) }" |2 |10
5 z3 z+ C& h6 N1 P, P$ D/ ~' b20
- h* _( E; @0 s" v+ K50
0.1～25.
0.508
0.484
0.475
: R, Z3 }& r3 f0 |2 z3 m4 y- |% U　
2.5～5.0
8 n6 ^3 U5 z. y4 L8 W0.499
: ~0 n6 ]+ W/ ~+ D0.476
6 a2 s+ ~' a# v# K. \; v) K0.461
　
' N* K/ c: I4 ?; Z% S' H  ^! r5.0～7.5
0.493
" m' Z1 L. H8 o$ G. _0.458
0.441
　
7.5～10
0.486
0.455
0.438
　
0.1～50
! u9 d; Y( F2 u2 B" c1 y0.460
0.433
0.420
0.403
1 u4 S& T0 M" g* F9 c2 M/ `50～100
0.403
9 z( h' s8 N6 n0.382
0.368
! G' F, m1 i- U0.354
9 T  X7 i2 Z* B# I100～150
0.346
6 c5 W6 {  w$ n  a. P, E0.337
0.327
4 y- P* |! E- Q* {% D5 [3 k0.315
可见，当p↑时β↓、V↓，而且压力p越大，β、V的变化趋势缓慢。
7 u) s+ q2 _7 P/ U表2　水的比容（单位：latm4℃的水为0.1MPa）
压力/MPa
温度/℃
6 W! v, g$ N; Y* b0
# @8 L# B; {- B20
0 v" o; U$ _. W  O4 t; R50
100
4 ~2 r# ~8 i8 ]  y' }4 S0 L/ G6 l5 C200
' y! p9 q; R& S300
5
0.9977
8 B" J2 a6 A6 z0.9995
4 t9 [2 _% x' d4 k( V7 y' z1.0099
1.0409
1.1532
0 Z" v% v: p8 N( L　
10
7 H- K4 q8 \* {0.9952
0.9973
' J6 C% H$ u+ ?7 K& I1 q1.0077
1.0385
1.1485
0 E9 ^( _- k, Q7 J/ {) y1.3979
3 H1 E1 L! \$ u$ \. M20
0.9905
: A! y8 E2 w: t) o' {7 A0 m0.9929
1.0035
& q5 @& [+ D% C9 x1.0337
1.1935
1.3612
# ^0 F3 A; T0 ]1 m& D50
0.9774
0.9815
& j4 D9 U4 x! K0.9921
! }+ t4 i7 r6 D8 n! f　
- y. `4 C% e( L6 n　
3 z) M: _; h3 g, `4 l　
100
0.9579
0.9631
3 ^9 h* R5 G6 I& F$ |0 V7 M0.9744
　
/ S% S8 d, S  a* O　
" N, r8 ]. |8 `　
) K2 ~4 n0 j5 K) K6 d0 R! I200
0.9261
0.9328
0.9446
* u, O1 K, s& V: E, y　
2 b4 t& r( z$ T　
' B% J& W3 Y# V5 _7 k　
400
0.8808
0.8881
) J. w; e( H! i) @4 w0.8997
& c6 f! _4 y* P2 S7 }　
( J- P6 h5 F( R0 m　
* p  S3 Y1 a- e) `# D　

图3　p～β曲线
+ z" A& p! x( n
( k" h' L+ M7 P% Y1 {% U' A& n图4　p～V曲线
) `7 {# D& t1 m( q: Y3 u4 W* f　　由（p～β）曲线，当p=480MPa时
　　β≈0.3×10-9m2/N因此
　　ΔV=V.βΔ.p=37.7×0.3×10-4×480=5.43(cm3)
　　相对压缩量
4.3　增压头行程
# d' {+ E8 Y$ f: h　　为补偿压缩量所需活塞行程，由（p～V）曲线，当p=480MPa时，
4.4　泄漏计算
　　由于系统处于超高压状态下工作，故对其泄漏性必须仔细处理。如果是采用间隙密封形式，其泄漏量计算公式为:
* s5 X7 }2 d# I1 o( ^* }
式中d-柱塞直径
　　δ-径向间隙，设直径间隙为0.01mm,则δ=0.005mm
" S& [/ j7 C) R  w5 d　　k-修正系数，若柱塞与孔完全同心，k=1；最大偏心时，k=1.5
　　l1-密封长度，通常取l1≥(2.5～3)d
3 L; X' O9 f6 E* \7 G　　μ-水的粘性动力系数
# u6 Y3 T7 s: o  X　　μ=9.8×10-4PaS
3 u& [/ {" i$ j! s$ C0 b- v　　所以
8 f; n. t7 T$ g% |* e. J8 Y
=(0.00534～0.00801)(cm3/s)
1 a) F( y2 n  z1 U, k  }　　为补偿泄漏所需的活塞运动速度：
& l# c7 m, _0 B% E  c, Q! c
　　根据计算结果，为增加液压系统的可靠性，增压器柱塞采用间隙密封与弹性密封结合的密封防泄漏方式。
* X, C; Y. n* p8 n4 D, \' I5　应用结果
　　依据设计原理设计制造的增压式涨管器，经过中国第一重型机械集团公司现场使用，达到设计要求，效率高，涨管符合产品检验标准。整个装置结构简单紧凑，具有一定的通用性。【MechNet】
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