一种超低脉冲高压流体发生装置及方法

技术领域

本发明涉及流体力学领域，特别是指一种超低脉冲高压流体发生装置及方法。

背景技术

超低脉动或无脉动高压流体源在流体力学，流体传动元件特性及高压射流特性研究中需求迫切。现有高压流体源多采用往复式容积型泵作为动力元件，柱塞泵作为典型代表，具有结构紧凑，压力高等优势而得到广泛应用。但受制于容积型泵工作原理，其产生的流量均呈周期性脉动。对流体平稳性要求较高的工程及实验现场，多采用蓄能器，以减小容积型水泵的周期脉动，但蓄能器使用时与主管路分支点的连接管道要短、通径要大，并需安装在脉动源附近，安装或参数匹配不合理时脉动消除效果不佳甚至会加剧压力振荡。同时，也可以采用压缩空气增压或者静压水柱等方式，但压缩空气增压或者静压水柱仅适用于流体压力较小的工况，无法满足高压流体实验等研究需求。

综上，现有方法均较难产生超低脉动或无脉动的高压流体，因此研制一种可靠性高、操作简便且适用广的超低脉动高压超低脉冲高压流体发生装置及方法，对于流体力学、流体传动元件特性实验及研究具有重要意义。

本课题组已获得2项相关的国家授权发明专利（CN201711270181.X，CN202210918729.1），即基于管道流体信号的水射流自振喷嘴性能检测装置与方法与一种空化射流特性同步检测系统及检测方法（以下分别称“专利一”，“专利二”），专利一在喷嘴装置上游和出水口旁安装压力传感器及水听器，并通过信号分析方法获得压力脉动特征及空化效果，进而实现射流性能的检测；专利二在空化喷嘴的进水口安装第一压力传感器，在测试腔的排水口旁第二压力传感器，摄像机与光源安装于测试腔四周，实现围压下空化射流压力振荡、噪声、形态及流场动力学特性实时同步检测。专利一和专利二在实施过程中发现，流体压力脉动对装置特性影响较大并降低数据可靠性，进一步佐证了本发明所提出的超低脉动高压超低脉冲高压流体发生装置及方法的重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超低脉冲高压流体发生装置及方法，该装置可以实现超低脉动高压流体的发生及压力或流量的伺服控制，为流体力学实验及精密液压元件研究提供超低脉动高压液体，降低流体压力脉动对装置的影响，同时提高研究结果的可靠性。

本发明所提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种超低脉冲高压流体发生装置，包括：电动缸、活塞缸、换向阀、液压增压器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、单向阀、水泵、第一压力表、第一流量计、第二压力表、第二流量计和液压油箱；所述水泵、所述单向阀、所述第一截止阀、所述活塞缸、所述第二截止阀、所述换向阀、所述第一流量计和所述第一压力表依次串联形成第一液压回路；所述水泵、所述单向阀、所述第一截止阀、所述活塞缸、所述第二截止阀、所述换向阀、所述液压增压器、所述第二流量计和所述第二压力表依次串联形成第二液压回路；其中，

所述电动缸安装在所述活塞缸的活塞上，所述电动缸用于控制活塞的运动；

所述水泵连通至所述活塞缸的无杆腔及所述液压增压器的高压端，所述水泵用于向所述活塞缸的无杆腔和所述液压增压器的高压端供液；

所述第一截止阀串联至在所述活塞缸的无杆腔入口处，所述第三截止阀串联至所述液压增压器的高压端入口处，所述第一截止阀和所述第二截止阀用于控制流体的流动方向；

所述换向阀为三位四通电磁换向阀，所述换向阀包括阀芯和阀体，所述阀芯被配置为相对阀体运动，而具有第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置，其中，

所述阀芯在所述第一工作位置时，流体通过所述换向阀直接排出；

所述阀芯在所述第二工作位置时，流体通过所述换向阀流向所述液压增压器；

所述阀芯在所述第三工作位置时，所述液压增压器通过所述换向阀将废液排到液压油箱。

示例性的，所述装置还包括：溢流阀，所述溢流阀布置在所述水泵的出口处，所述溢流阀用于控制管路中的流体压力。

示例性的，所述装置还包括中控器，所述中控器分别与所述水泵、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第三截止阀、所述电动缸、所述换向阀、所述第一流量计、所述第一压力表、所述第二流量计和所述第二压力表连接；

所述中控器通过所述第一压力表、所述第一流量计、所述第二压力表和所述第二流量计对输出流体的压力与流量进行监测；

所述中控器可伺服控制调节所述水泵和所述电动缸的工作状态；

所述中控器可控制液体回路中的液体压力和流量；

所述中控器可改变所述第一截止阀、所述第二截止阀和所述第三截止阀的开关状态；

所述中控器可改变所述换向阀中阀芯的工作位置。

示例性的，所述装置还包括：限位开关，所述限位开关布置在所述活塞缸的活塞运动两个极限位置处，所述限位开关用于监测所述活塞的位置；所述中控器用于根据所述限位开关的启闭监测所述活塞的位置以调整所述电动缸的工作状态。

示例性的，所述活塞缸为单活塞杆液压缸，在所述活塞缸的无杆腔末端设置进液口和出液口，所述进液口处安装第一截止阀；所述出液口处安装二截止阀，所述第一截止阀和所述第二截止阀用于控制液体的流向。

示例性的，所述电动缸包括伺服电机和受所述伺服电机驱动而移动的推杆，所述推杆与所述活塞缸连接，所述推杆移动时能够向活塞缸的活塞施加推力，以控制所述活塞的运动。

示例性的，所述液压增压器的低压端连接所述换向阀，所述液压增压器的高压端设置进液口和出液口，所述进液口处安装所述第三截止阀。

第二方面，本发明实施例还提供了一种超低脉冲高压流体发生方法，所述方法包括如下步骤：

在无需对流体进行增压处理或降低流体脉动处理的情况下，打开所述第一截止阀，关闭所述第三截止阀和所述第二截止阀；

启动所述水泵；

待流体充满所述活塞缸的无杆腔，调节所述换向阀至所述第一工作位置，打开所述第二截止阀，关闭所述第三截止阀和所述第一截止阀，启动所述电动缸，生成初步降低脉动的流体；

在需要对流体进行增压处理或降低流体脉动处理的情况下，

打开所述第三截止阀和所述第一截止阀；

启动所述水泵；

待流体充满所述活塞缸的无杆腔和所述液压增压器的高压端，调节所述换向阀至第二工作位置，并打开所述第二截止阀，关闭所述第三截止阀和所述第一截止阀，启动所述电动缸，生成相较于所述初步降低脉动的流体脉动更低且压力更高的流体；

当流体生成结束后，调节所述换向阀至第三工作位置。

示例性的，所述方法还包括：

通过所述第一流量计、所述第一压力表、所述第二流量计和所述第二压力表对所述流体的流量和压力进行监测，当所述流体的流量和压力不满足预定阈值时，所述中控器通过控制所述电动缸的推进速度，以调整所述流体流量和压力。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置及方法，通过电动缸控制活塞的匀速运动，均匀排出活塞缸的液体，达到初步降低流体脉动的目的；将初步降低脉动的流体注入液压增压器的低压端，可以实现从高压端排出脉动更低的流体；通过设置流量计和压力表，可以实时监测输出的低脉动高压流体的状态，可以实现对输出流体流量和压力的伺服控制。本发明提供的超低脉冲高压流体发生装置及方法，操作简便、可靠性好，且工作效率较高，为流体力学、流体传动元件特性实验及研究奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置的结构示意图；

图2为现有技术中的柱塞水泵高压流体压力脉动曲线；

图3为本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置产生的低脉动高压流体压力脉动曲线。

其中：1、水泵；2、单向阀；3、第三截止阀；4、第二流量计；5、第二压力表；6、液压增压器；7、第一压力表；8、第一流量计；9、换向阀；10、第二截止阀；11、活塞缸；12、电动缸；13、限位开关；14、中控器；15、液压油箱；16、第一截止阀；17、溢流阀。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例所提供的超低脉冲高压流体发生装置包括：电动缸12、活塞缸11、换向阀9、液压增压器6、第一截止阀16、第二截止阀10、第三截止阀3、单向阀2、水泵1、第一压力表7、第一流量计8、第二压力表5、第二流量计4和液压油箱15；其中，

所述水泵1、所述单向阀2、所述第一截止阀16、所述活塞缸11、所述第二截止阀10、所述换向阀9、所述第一流量计8和所述第一压力表7依次串联，形成第一液压回路；

所述水泵1、所述单向阀2、所述第一截止阀16、所述活塞缸11、所述第二截止阀10、所述换向阀9、所述液压增压器6、所述第二流量计4和所述第二压力表5依次串联组成，形成第二液压回路；

其中，所述电动缸12布置在所述活塞缸11旁边，且安装至所述活塞缸11的活塞上，所述电动缸12用于控制活塞的运动；所述水泵1连通至所述活塞缸11的无杆腔及所述液压增压器6的高压端，所述水泵用于向所述活塞缸11的无杆腔和所述液压增压器6的高压端供液，且所述第一截止阀16串联在所述活塞缸11的无杆腔入口处，所述第三截止阀3串联至所述液压增压器6的高压端入口处，所述第一截止阀16和所述第三截止阀3用于控制流体的流动方向；

所述换向阀9为三位四通电磁换向阀，所述换向阀9包括阀芯和阀体，所述阀芯被配置为相对阀体运动，而具有包括第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置，所述阀芯在所述第一工作位置时，流体通过所述换向阀9直接排出，所述阀芯在所述第二工作位置时，流体通过所述换向阀9流向所述液压增压器6，所述阀芯在所述第三工作位置时，所述液压增压器6通过所述换向阀9将废液排到液压油箱15。

上述方案中，通过电动缸12控制活塞的匀速运动，均匀排出活塞缸11的液体，达到初步降低流体脉动的目的；将初步降低脉动的流体注入液压增压器6的低压端，可以实现从高压端排出脉动更低的流体；通过设置流量计和压力表，可以实时监测输出的低脉动高压流体的状态，可以实现对输出流体流量和压力的伺服控制。需要说明的是，本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置可以用于产生超低脉动或无脉动高压流体，其中超低脉动流体是指，该装置所生成的流体压力脉动小于或等于输出流体压力脉动的千分之一。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，该装置还包括：溢流阀17，所述溢流阀17布置在所述水泵1的出口处，所述溢流阀17用于控制管路中的流体压力。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，该装置还包括中控器14，所述中控器14分别与所述水泵1、所述第一截止阀16、所述第二截止阀10、所述第三截止阀3、所述电动缸12、所述换向阀9、所述第一流量计8、所述第一压力表7、所述第二流量计4和所述第二压力表5连接，所述中控器14用于通过所述第一压力表7、所述第一流量计8、所述第二压力表5和所述第二流量计4对输出流体的压力与流量监测，所述中控器14可伺服控制调节所述水泵1、所述电动缸12的工作状态，所述中控器14可控制液体回路中的液体压力和流量，所述中控器14可根据需求改变截改变所述第一截止阀、所述第二截止阀和所述第三截止阀的开关状态，所述中控器14可改变所述换向阀9的工作位置。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，该装置还包括：限位开关13，所述限位开关13布置在所述活塞缸11的活塞运动两个极限位置处，所述限位开关用于监测所述活塞缸11的活塞位置；所述中控器14用于根据所述限位开关13的启闭监测的所述活塞的位置，以调整所述电动缸12的工作状态。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，所述活塞缸11为单活塞杆液压缸，且所述活塞缸11作为水增压单元，其在无杆腔末端设置有进液口和出液口，且进液口安装第一截止阀16，出液口处安装第二截止阀10，以控制流体的流向。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，所述电动缸12作为动力源，其包括伺服电机和受所述伺服电机驱动而移动的推杆，以伺服电机作为原动机，所述推杆移动时能够向活塞缸11的活塞施加推力，以控制所述活塞的运动，从而将活塞缸11内的液体排出。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，所述液压增压器6的低压端连接所述换向阀9，流入压力较低的流体；所述液压增压器6的高压端设置进液口和出液口，且进液口处安装所述第三截止阀3。

此外，本发明还提供了一种超低脉冲高压流体发生方法，所述方法包括如下步骤：

在无需对流体进行增压处理或降低流体脉动处理的情况下，

打开所述第一截止阀16，关闭所述第三截止阀3和所述第二截止阀10；

启动所述水泵1，以使流体流入所述活塞缸11的无杆腔；

待流体充满所述活塞缸11的无杆腔，调节所述换向阀9至第一工作位置，并打开所述第二截止阀10，关闭所述第三截止阀3和所述第一截止阀16，启动所述电动缸12，生成相较于输出流体脉动压力降低的初步降低脉动的流体；

在需要对流体进行增压处理或降低流体脉动处理的情况下，

打开所述第三截止阀3和所述第一截止阀16；

启动所述水泵1，以使流体流入所述活塞缸11的无杆腔和所述液压增压器6的高压端；

待流体充满所述活塞缸11的无杆腔和所述液压增压器6的高压端，调节所述换向阀9至第二工作位置，并打开所述第二截止阀10，关闭所述第三截止阀3和所述第一截止阀16，启动所述电动缸12，生成相较于所述初步降低脉动的流体脉动更低且压力更高的流体；

当流体生成结束后，调节所述换向阀9至第三工作位置，以将液压增压器6的低压端的流体排到液压油箱15。

需要说明的是，本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置可以用于产生超低脉动或无脉动高压流体，其中超低脉动流体是指，该装置所生成的流体压力脉动小于或等于输出流体压力脉动的千分之一。

示例性的，所述方法还包括如下步骤：

通过第一流量计8、第一压力表7、第二流量计4和第二压力表5进行流体的流量和压力监测，当流体的流量和压力不满足预定阈值（即不符合要求）时，则中控器14通过控制所述电动缸12的推进速度，以调整输出流体的流量和压力。

图2为现有技术中的柱塞水泵高压流体压力脉动曲线；图3为本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置产生的低脉动高压流体压力脉动曲线。由图2可以看出，现有技术中的柱塞水泵高压流体压力的脉动幅值为作业幅值的10%；图3可以看出，本发明实施例提供的超低脉冲高压流体发生装置产生的流体脉动幅值为作业幅值的1%。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。