Малогабаритная установка для создания в изделии высокого давления газа в автоматическом режиме

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к пневмогидравлическим мультипликаторным установкам высокого давления, и может быть использована в качестве оборудования для создания в автоматическом режиме высокого давления водорода или инертного газа в замкнутом объеме.
Из существующего уровня техники известен газовый компрессор GBS компании High Pressure Equipment (HIP). Компрессор включает в себя мультипликатор, пневмогидравлический насос, газовые коммуникации и запорную арматуру. Мультипликатор выполнен одноступенчатым и имеет газовый шток, взаимодействующий с гидравлическим поршнем. Уплотнение штока осуществляется по его наружной поверхности. Работа пневмогидравлического насоса обеспечивается постоянной подачей сжатого воздуха (0,5-0,8 МПа). На вход компрессора подается инертный газ под давлением (15МПа). Под действием давления масла гидравлический поршень оказывает воздействие на газовый шток. При этом происходит сжатие инертного газа. Управление осуществляется путем регулирования запорной арматуры в ручном режиме.
К недостаткам данного компрессора можно отнести следующее:
- отсутствие автоматического режима управления и контроля процессом создания давления;
- отсутствие возможности работы с агрессивной средой водорода;
- ввиду разделения гидравлической и газовой сред уплотнением газового штока, при разрушении данного уплотнения высока вероятность попадания масла в газовую среду.
Наиболее близким техническим решением является система для создания высокого давления в газостате, описанном в патенте RU 2402408 С1. Система включает в себя газовую панель, газовый мультипликатор и гидравлическую часть. Мультипликатор выполнен двухступенчатым и имеет газовые цилиндры с плунжерами и гидравлический цилиндр с поршнем. Плунжеры выполнены в виде узла уплотнений и штока. Уплотнение осуществляется по внутренней стенке газового цилиндра. В состав гидравлической части входят аксиально-поршневой насос, фильтр, гидробак, а также блок управления, который состоит из гидрораспределителя, предохранительного клапана, манометра и реле давления. Контроль достижения давления в системе осуществляется по срабатыванию реле давления.
Недостатками данного технического решения являются:
- относительно низкая точность создания заданного давления, так как газовая система инертная и не учтен процесс стабилизации давления газа в замкнутом объеме (завершение процесса создания давления происходит по сигналу реле давления);
- отсутствие возможности работы с водородом.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание малогабаритной установки, предназначенной для проведения испытаний изделий высоким давлением водорода или инертного газа (до 400 МПа) в автоматическом режиме с высокой точностью (±1 МПа). Технический результат в виде:
- уменьшения габаритных размеров и массы мультипликатора;
- исключения возможности попадания масла гидравлической системы в рабочий газ;
- увеличения коэффициента компримирования (к=42) благодаря уменьшению «паразитного» объема в газовой части, в том числе в обратных клапанах, и, как следствие, возможность применения баллонного давления в качестве начального;
- способности мультипликатора работать в агрессивной среде водорода;
- возможности создания давления в изделии в автоматическом режиме с высокой точностью (±1 МПа)
достигается тем, что установка снабжена одноступенчатым мультипликатором, газовая часть которого выполнена в виде многослойного сосуда с вкладышем из водородостойкой стали, газовая и гидравлическая части изолированы промежуточным корпусом; применение элементов системы управления, а также использование уникального алгоритма управления позволило создавать давление в изделии в автоматическом режиме.
Конструкция предлагаемой установки представлена на фигурах 1, 2, 3.
Установка содержит мультипликатор 1, станцию гидравлическую 2, стойку газовую 3 и пульт управления. Гидравлическая станция 2 включает асинхронный электродвигатель 10, шестеренный насос 15, преобразователь давления 9, гидрораспределитель 8 с электромагнитными клапанами. Мультипликатор состоит из газового многослойного газового сосуда 16, внутри которого установлен вкладыш 18, выполненный из водородостойкой стали, а также гидроцилиндра 19 со штоком 13. Между газовым сосудом 16 и гидроцилиндром 19 установлен промежуточный корпус 20, внутри которого перемещается бегунок 21, соединяющий шток 13 гидроцилиндра со штоком 14 газового сосуда 16. Уплотнение штока газового сосуда осуществляется с помощью самоуплотняющегося сальника по наружной поверхности штока, состоящего из уплотнительных колец 22-27, а также экструзионных колец 28-31. Мультипликатор 1 оснащен тройником 17 и обратными клапанами 4, 5. Стойка газовая 3 включает пневматические вентили 6 и 11, управляемые электромагнитными клапанами, а также преобразователь давления 7.
На фигуре 4 представлена схема автоматического управления установкой.
Основная задача системы - контроль и управление в автоматическом режиме процессом создания давления в изделии с высокой точностью. Создание установленного давления с высокой точностью достигается за счет изменения производительности гидросистемы мультипликатора. Для этого были применены следующие устройства: в качестве основного элемента управления -программируемый логический контроллер (далее - ПЛК); для управления электродвигателем гидростанции - частотный преобразователь (далее - ПЧ); в качестве человеко-машинного интерфейса - сенсорная графическая панель оператора (далее - панель). Для ПЛК разработан уникальный алгоритм системы автоматического управления, по которому, используя двухконтурную отрицательную обратную связь (по давлению масла в гидросистеме и создаваемому испытательному давлению), вычисляется управляющий сигнал для ПЧ. ПЛК подает управляющий сигнал на ПЧ, который в свою очередь управляет электродвигателем станции гидравлической, тем самым, изменяя производительность гидросистемы мультипликатора.
Установка работает следующим образом. Исходное состояние: на газовой панели 12 отсечен баллон с рабочим газом; вентиль 6 - закрыт, вентиль 11 - закрыт; шток 14 и шток 13 отведены в крайнее правое положение; питание пульта управления отключено. К стойке газовой 3 подключают изделие. Подают питание на пульт управления. Оператор в программе, запущенной на панели, открывает вентиль 6. Газ от газовой панели 12 через обратный клапан 4 поступает во внутренний объем мультипликатора 1, а через обратный клапан 5 - в газовую стойку 3 и изделие. Оператор в программе устанавливает значение давления и выставляет команду на запуск. Программа по заложенному алгоритму обрабатывает данные состояния системы и выдает управляющую команду на ПЛК. Управляющая команда включает в себя информацию о режиме работы, состояния системы, значение установленного давления, значение давления в системе с преобразователя давления 7 и стартовую команду на запуск. По полученной команде ПЛК выполняет следующие действия: устанавливает рабочие параметры на ПЧ, запускает электродвигатель 10, при этом начинает работать шестеренный насос 15, включает левый электромагнитный клапан гидрораспределителя 8. После чего масло из гидравлической станции 2 поступает в правую часть гидроцилиндра 19. Под действием давления масла, создаваемого гидравлической станцией 2, шток 13 начинает перемещаться влево. Усилие гидроцилиндра 19 передается через бегунок 21 на шток 14, который перемещаясь, сжимает рабочий газ во внутренней полости газового сосуда 16. Направление перемещения газа регулируют обратные клапаны 4 и 5: один препятствует возвращению газа в газовую панель (4), а другой ограничивает поток газа в сторону мультипликатора (5).
ПЛК отслеживает значения давления в изделии по преобразователю давления 7 и давления в гидравлической системе по преобразователю давления 9. По мере приближения к заданному значению давления ПЛК выдает управляющий сигнал на ПЧ, вследствие которого происходит уменьшение производительность гидравлической станции 2. В результате чего происходит снижение скорости перемещения штоков 13,14 и, следовательно, уменьшение скорости нарастания давления в изделии. По достижению заданного значения давления ПЛК выдает команду на включение правого электромагнитного клапана гидрораспределителя 8. При этом масло из гидравлической станции 2 поступает в левую часть гидроцилиндра 19, осуществляя перемещение штока 14 в обратном направлении. Происходит закрытие вентиля 6. При необходимости циклы компримирования повторяются до тех пор, пока не будет достигнуто значение давления установленного оператором. При достижении штока конечного положения выдается команда на обратное перемещение. Конечные положения штоков 14, 13 отслеживаются ПЛК по преобразователю давления 9. По окончанию испытания оператор на газовой панели 12 закрывает подачу рабочего газа и в программе открывает вентиль 11 и 6, осуществляя при этом сброс газа с изделия.
Предлагаемая конструкция установки имеет малые габаритные размеры, способна создавать высокое давление (400 МПа) в изделии в автоматическом режиме с высокой точностью (±1 МПа), исключает возможность попадания масла гидравлической системы в рабочий газ, а также имеет возможность работать с агрессивной средой водорода.