基于试验测试的超重力离心模拟环境下加载缸稳压方案研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.08.001

摘要/Abstract

摘要：

为解决超重力离心模拟环境下装置在无外接油源时压力波动过大的问题，对引起压力波动的因素进行了分析，并针对各因素进行了试验测试，在对各因素进行分析的基础上提出蓄能器稳压方案，并通过超重力实验对比了不同试件变形工况下蓄能器工作参数、工作压力及工作介质等参数对稳压性能的影响。试验测试结果表明：油液测试温度36~42.5 ℃范围内，温度变化引起的压力波动比小于4%；试件变形量是影响压力波动的主要因素，样品1 mm的变形量引起的压力波动比可达47%；超重力下蓄能器稳压时的波动比与工作压力及试件变形量成正比，采用2个300 mL气体体积的蓄能器可实现20 MPa内压力波动小于10%的需求，且与理论计算结果较为吻合。研究结果为超重力环境下高温高压及其他装置的压力波动控制提供了技术支撑。

关键词: 超重力离心模拟环境, 温度, 工作压力, 压力波动, 蓄能器, 工作介质

Abstract:

To solve the problems of excessive pressure fluctuations in the simulation environment of high gravity centrifugal environment without an external oil source， the factors causing pressure fluctuations were analyzed， and experimental tests were conducted on each factor. Based on the analysis of each factor， an accumulator stabilization scheme was proposed， and the effects of accumulator working parameters， working pressure， and working medium parameters on stabilization performance were compared under different deformation conditions of specimens through supergravity experiments. The experimental test results show that within the temperature range of 36~42.5 ℃， the pressure fluctuation of oil caused by temperature changes is less than 4%. The deformation of the specimen is the main factor affecting pressure fluctuations， with a pressure fluctuation ratio of up to 47% caused by a deformation of 1 mm in the samples. The fluctuation ratio of the accumulator during pressure stabilization under supergravity is proportional to the working pressure and the deformation of the specimen. The use of two 300 mL gas volume accumulators may achieve the requirement of less than 10% internal pressure fluctuation of 20 MPa， which is consistent with theoretical calculations. The test provides technical support for controlling pressure fluctuations in high-temperature and high-pressure devices under supergravity environments.

Key words: high gravity centrifugal environment, temperature, working pressure, pressure fluctuations, accumulator, working medium

中图分类号:

TH137

邱冰静, 贾慕华, 励音骐, 吉刘斌. 基于试验测试的超重力离心模拟环境下加载缸稳压方案研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(8): 1651-1657.

Bingjing QIU, Muhua JIA, Yinqi LI, Liubin JI. Research on Pressure Stabilization for Loading Cylinders under Centrifu-gation Supergravity Environment Based on Experimental Tests[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(8): 1651-1657.

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图/表 15

图1 离心实验中压力波动结果示例

Fig.1 Example of pressure fluctuation results in entrifugation experiments

图2 压机及高温高压腔简图

Fig.2 Schematic diagram of compressor and high temperature and high pressure chamber

图3 部件受力图

Fig.3 The force on components

图4 温度压力变化实验测试结果

Fig.4 The variations of temperature and pressure based on experimental test

表1 温度变化范围36~42.5 ℃时压力的波动

Tab.1 Pressure fluctuations within temperature 36~42.5 ℃

p_a0（36 ℃）/

MPa

p_a0（42.5 ℃）/

MPa

单位温升的压力

变化/（MPa·K^-1）

压力波动/

图5 样品变形测量

Fig. 5 The measure of sample deformation

图6 试件变形测量

Fig.6 Measurement of sample deformation

图7 蓄能器稳压性能超重力离心测试

Fig.7 The stabilization performance of energy storage device based on supergravity centrifugal testing

图8 单蓄能器水介质（pa0=10 MPa）

Fig.8 Single accumulator with water （pa0=10 MPa）

图9 单蓄能器水介质（pa0=20 MPa）

Fig.9 Single accumulator with water （pa0=20 MPa）

表2 超重力下单蓄能器压力变化（水介质）

Tab.2 Pressure variation of single accumulator under high gravity （water medium）

体积压缩量/mL	p_a0/MPa	p_at/MPa	λ/%	V_ac/mL
10	9.96	10.41	4.52	9.14
10	19.82	21.62	9.08	8.82
20	10.41	11.38	9.32	17.20
20	21.63	26.11	20.71	16.66

图10 双蓄能器水介质（pa0=10 MPa，20 MPa）

Fig.10 Double accumulators with water （pa0=10 MPa，20 MPa）

表3 超重力下双蓄能器压力变化（水介质）

Tab.3 Pressure variation of double accumulator under high gravity （water medium）

体积压缩量/mL	p_a0/MPa	p_at/MPa	λ/%	V_ac/mL
10	10.20	10.44	2.35	9.464
10	20.30	21.19	4.38	8.674
20	10.44	10.92	4.60	17.68
20	21.17	23.19	9.54	17.28

图11 双蓄能器液压油介质（pa0=20 MPa）

Fig. 11 Double accumulators with oil （pa0=20 MPa）

表4 超重力下双蓄能器压力变化（液压油）

Tab.4 Pressure variation of double accumulator under high gravity （oil）

体积压缩量/mL	p_a0/MPa	p_at/MPa	λ/%	V_ac/mL
10	20.10	21.07	4.83	9.62
20	21.12	23.13	9.56	17.28

参考文献 11

[1]	谢鸿森. 地球深部物质科学导论［M］. 北京：科学出版社， 1997.
	XIE Hongsen. Introduction to Deep Earth Material Science［M］. Beijing： Science Press， 1997.
[2]	HAYDEN L A， WATSON E B. Rutile Saturation in Hydrous Siliceous Melts and Its Bearing on Ti-thermometry of Quartz and Zircon［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2007， 258（3/4）： 561-568.
[3]	李家掀， Stepanov Aleksandr，蒋少涌. 长英质熔体中钛铁矿扮演的角色作用：来自活塞圆筒实验的探索［C］∥第十届全国成矿理论与找矿方法学术讨论会.西安，2023： 293-295.
	LI Jiaxian， ALEKSANDR S， JIANG Shaoyong. The Role of Ilmenite in Long-ingot Melting： Explorations From piston Cylinder Experiments ［C］∥ The 10th National Academic Symposium on Mineralisation Theory and Prospecting Methods. Xi̓an，2023： 293-295.
[4]	程鹏，饶建华，刘东升. 高温高压活塞-圆筒式装置控制系统的设计研究［J］. 机械与电子， 2021， 39（1）： 52-55.
	CHENG Peng， RAO Jianhua， LIU Dongsheng. Design of Control System for High Temperature and High Pressure Piston-cylinder Apparatus［J］. Machinery & Electronics， 2021， 39（1）： 52-55.
[5]	陈云敏. 离心超重力实验：探索多相介质演变的革命性手段［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2020， 54（4）： 631-632.
	CHEN Yunmin. Centrifugal Hypergravity Experiment： a Revolutionary Means to Explore the Evolution of Multiphase Media［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2020，54（4）： 631-632.
[6]	CHEN Yunmin， TANG Yao， LING Daosheng， et al. Hypergravity Experiments on Multiphase Media Evolution［J］. Science China Technological Sciences， 2022， 65（12）： 2791-2808.
[7]	夏莹，丁兴，宋茂双，等. 活塞圆筒装置压力盘样品组装的温度测定和热结构分析［J］. 高压物理学报， 2014， 28（3）： 262-272.
	XIA Ying， DING Xing， SONG Maoshuang， et al. Temperature Determination and Thermal Structure Analysis on the Pressure Assembly of a Piston-cylinder Apparatus［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2014， 28（3）： 262-272.
[8]	程志康，张清，刘勋，等. 双向活塞圆筒装置19 mm外径样品组装的压强和温度标定［J］. 高压物理学报， 2022， 36（1）： 79-85.
	CHENG Zhikang， ZHANG Qing， LIU Xun， et al. Pressure and Temperature Calibrations of End-loaded Piston-cylinder 19 mm Outer Diameter Sample Assembly［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2022， 36（1）： 79-85.
[9]	晋超，权龙，夏连鹏，等. 储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化［J］. 中国机械工程， 2022， 33（11）： 1287-1293.
	JIN Chao， QUAN Long， XIA Lianpeng， et al. Study and Optimization of Energy Storage Hydraulic Cylinders Synergistically Driving Heavy Manipulator Systems［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（11）： 1287-1293.
[10]	王益群，杨阳，韩松杉，等. 油源动态特性及伺服阀前蓄能器对轧机控制精度影响的实验研究［J］. 中国机械工程， 2013， 24（3）： 375-379.
	WANG Yiqun， YANG Yang， HAN Songshan， et al. Experimental Research on Influences of Dynamic Characteristics of Oil Source and Accumulator at Inlet of Valve on Mill Control Precision［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（3）： 375-379.
[11]	冯斌.液压油有效体积弹性模量及测量装置的研究［D］.杭州：浙江大学，2011.
	Study on Effective Fluid Bulk Modulus and Measurement in Hydraulic System ［D］.Hangzhou： Zhejiang University， 2011.

[1]	吴怀超, 吴白羽, 张秀华. 石蜡感温阀传热性能的数字仿真研究 [J]. J4, 201016, 21(16): 1921-1926.
[2]	崔熙颖1, 王文奇1, 徐世浩1, 刘阔1, Sahal Ahmed ELMI1, 白振华1, 2, 3. 20辊轧机非对称冷却的板形预报模型及影响因素分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(07): 1592-1599,1610.
[3]	侯雨雷1, 李希萌1, 索槐2, 李岳1, 曾达幸3 . 正压防护服用供气背包设计及其数值模拟与实验[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1352-1362，1370.
[4]	鲜超1, 3, 辛红敏2, 3, 代辉2, 程清思2. 砂布轮抛光航空发动机叶片温度仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 802-810.
[5]	王伟平, 周心怡, 陆顺. 基于气液溶解与气体压缩复合原理的高能量密度液压储能方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 426-434，443.
[6]	马晓帆1, 2, 蔡志钦1, 姚斌1, 陈冠峰3. 以离散磨粒为计算单元的面齿轮展成磨削温度场预测方法[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2239-2250.
[7]	范依航, 楚星雨, 郝兆朋. 基于应变梯度理论的切削加工 SiCp/Al 表面创成机理分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(10): 1852-1861.
[8]	李瑞君, 赵亮, 姚攀, 王勇俊, 杨晓婷, 夏果, 程真英. 钨极高压微电弧温度模型的建立与验证[J]. 中国机械工程, 2024, 35(07): 1188-1193，1204.
[9]	李勇凡, 宋勇, 郝木明, 庄宿国, 周芮, 李天照, 王陈寅, 任宝杰, 李小卒. 涡轮泵用球面装配机械密封热变形及磨损特性实验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1550-1558.
[10]	张一楠, 丁建完. 考虑温度影响的机器人关节摩擦模型[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 127-134.
[11]	陶双全, 郝小忠, 杨子剑, 刘舒霆. CF/PEEK复合材料自阻电热原位膜混合加热固化方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(22): 2748-2754.
[12]	刘旭, 孙玉利, 张桂冠, 钱炳坤, 高航, 左敦稳. 液氮射流冲击冷却聚二甲基硅氧烷的温度场仿真和实验研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(18): 2161-2171.
[13]	张军, 王稳, 王健, 金涛涛, 田志鹏. 静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(17): 2115-2124.
[14]	束梓豪, 庞启龙, 况良杰. 晶体已加工表面频率特征对亚表层温度场的影响[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1983-1991.
[15]	薛恩驰, 郭智威, 袁成清, . 具备温度感知的船用智能水润滑尾轴承设计及性能验证[J]. 中国机械工程, 2022, 33(14): 1639-1645.