Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 127-129

В эпоху широкого применения и развития техники алмазных наковален мало кто помнит о классических методах создания высоких давлений [1]. Тем не менее, если необходимо сжать газ или жидкость в объеме порядка десятков см³ до давлений порядка 20 кбар и более, придется использовать классическую систему типа цилиндр-поршень. Ниже описывается установка, способная сжимать инертные газы, включая гелий, до давлений в десятки килобар.

Общая схема установки показана на рис. 1а, а камера высокого давления – на рис. 1б. В основе установки лежит двухцилиндровый гидравлический пресс усилием 800 т, управляемый гидравлической системой, условно показанной на рис. 1а. Плиты и цилиндры пресса выполнены из поковок легированной конструкционной стали. Колонны, гайки и прочие детали изготовлены из соответствующего проката. Все элементы пресса подвергнуты закалке и высокому отпуску до твердости HRc ∼ 40, что соответствует пределу текучести σ_т ∼ 90 кг/мм². Максимальное давление масла в цилиндрах составляет ∼1500 кг/см², что является оптимальным значением при указанной прочности стали [2]. Для уплотнения гидравлических цилиндров используют резиновые кольца с защитой из тефлоновых колец, вставленные с натягом в специальные канавки (рис. 1а).

Рис. 1.

Общий вид установки (а) и камера высокого давления (б), находящаяся во внутреннем пространстве пресса. 1 – колонны; 2 – плиты; 3 – гайки; 4 – верхний цилиндр; 5 – верхний поршень; 6 – нижний цилиндр; 7 – нижний поршень; 8 – насос; 9 – вентили; 10 – манометры; 11 – камера; 12 – поддерживающая оправка; 13 – пробка; 14 – поршень; 15 – упорное кольцо; 16 – газовый ввод; 17 – стальное кольцо; 18 – индиевая прокладка; 19 – О-образное резиновое кольцо; 20 – стальное фиксирующее кольцо; 21 – кольцо из бериллиевой бронзы; 22 – стальные конуски; 23 – пирофиллитовая изоляция.

Конструкция камеры высокого давления, находящейся во внутреннем пространстве пресса, представлена на рис. 1б.

Пробка 13 изображена на рис. 1б в нижнем положении, что обеспечивает возможность создания предварительного давления с помощью газового ввода 16. Верхнее положение пробки 13, показаное тонкими линиями, отсекает канал низкого давления и уплотняет канал высокого давления. Нижнее уполотнение на пробке 13 аналогично верхнему уплотнению и включает стальное и резиновое О-образное кольца.

Как видно из рис. 1а и 1б, в установке используется принцип переменной механической поддержки, впервые предложенный П. Бриджменом [3]. Здесь коническая камера 11, обернутая свинцовой фольгой для уменьшения трения, вдвигается в коническую полость оправки 12 по мере повышения давления, создавая тем самым переменное поддерживающее напряжение на поверхности конуса. Соответственно эта схема предусматривает использование гидравлического пресса с двумя рабочими цилиндрами (см. рис. 1а). Далее, поскольку сжатие среды в установке рассматриваемого типа происходит в результате одноактного хода поршня, то с учетом высокой сжимаемости газов необходимо обеспечить подачу предварительно сжатого газа в камеру. Для сжатия газа используется тихоходный поршневой компрессор [4]. Обсуждаемая в данной работе установка отличается от раннее описанных в литературе [1, 5] способом подачи сжатого газа в камеру и использованием О-образных резиновых колец как основы подвижных и неподвижных уплотнений (см. рис. 1).

Необходимость в разработке нового способа создания предварительного давления в камере возникла в связи с тем обстоятельством, что в случае традиционного способа (см. рис. 2) [1, 5] на уплотнении высокого давления неизбежно возникает “царапина” после прохода газа через отверстие для ввода предварительного давления, что вызывает утечку сжимаемой среды и потерю давления. Возможно, что это обстоятельство не создает больших затруднений при сжатии азота [5], но может быть катастрофичным при сжатии гелия. Один из способов подачи предварительного давления в камеру, основанный на использовании громоздкой классической системы уплотнений типа некомпенсированной площади, предложен в работе [6]. В данной работе эта проблема решается с помощью двух компактных уплотнений с использованием О-образных резиновых колец. Как показано на рис. 1б, в начале цикла сжатия пробка – электроввод 13 – находится в нижнем положении, открывая канал подачи предварительного давления 16. После достижения необходимого давления газа (обычно 3–4 кбар в случае гелия) пробка 13 перемещается вверх с помощью гидравлического цилиндра 6, отсекая канал 16 от рабочего объема камеры 11. Дальнейшее повышение давления происходит при работе цилиндра 4, который вдвигает поршень 14 в канал камеры 11. Одновременно необходимо увеличивать давление масла в цилиндре 6 для поддержки рабочей камеры 11. Поршень 14 (∅ 16 и высотой 150 мм) камеры изготавливается из твердого сплава ВК-6, шлифуется и притирается алмазной пастой. Камера изготавливается из термообработанной конструкционной стали с твердостью HRc ∼ 40. Канал камеры также шлифуется и притирается. Уплотнение поршня (см. слева вставку на рис. 1б) работает в условиях сухого трения и включает О-образное резиновое кольцо 19, мягкое кольцо 18 из металлического индия и кольцо 21 из бериллиевой бронзы, покрытое индием. Пробка-электроввод 13 содержит несколько электрических вводов, изолированных пирофиллитовыми конусками (cм. справа вставку на рис. 1б).

Рис. 2.

К способу создания предварительного давления в газовой камере. 1 – поршень и 2 – грибок (уплотнение типа некомпенсированной плошади); 3 – камера; 4 – защитное кольцо; 5 – мягкая прокладка; 6 – газовый ввод.

Описанная установка позволяет сжимать газообразный гелий до давлений 30 кбар. Дальнейшему повышению давления препятствует пластическая деформация камеры 11.