CN101670885B - 一种水压扩张器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水压扩张器，包括依次相接的换向阀、海水或淡水液压缸和扩张机构，换向阀控制液压缸伸缩，液压缸通过伸缩带动扩张臂张合实现扩张与牵引。换向阀为三位四通结构，其换向阀阀芯与阀座的接触形式采用浮动结构，在弹簧压力的作用下，阀芯与阀座始终接触可靠，磨损后的间隙可以自动补偿，大大提高了密封的可靠性和寿命。本发明以海水或淡水作为工作介质，具有效率高，作业深度大，操作方便，环境相容性好的特点，不仅可用于水下扩张、夹持等作业，还可用于陆地消防及抢险救生。

Description

一种水压扩张器

技术领域

本发明涉及水下作业工具，具体涉及一种水压扩张器，用于海洋或淡水湖泊。

背景技术

液压扩张器是由液压驱动的大型破拆救助器具，能提供较大的扩张力，用于扩开钢筋混凝土、石板等重物，主要适用于海洋、内河、湖泊的水下作业，也可用于消防、抢险救灾等行业。

目前市场上的液压扩张器产品均为油压类产品，用于水下作业时，是通过将陆用油压类扩张器进行一定的改装，虽然油压工具具有工作压力高，功率密度大等优点，但由于油介质本身的特点，决定了油压扩张器用于水下时会存在如下问题：

1)液压油和水不相容，当液压油泄漏到水中，会造成环境污染，当水渗入到油压系统，会引起元件的腐蚀和功能失效，从而降低工具的可靠性；

2)液压油的粘度大，且其粘温、粘压系数大，随着作业深度和范围的扩大，系统进油和回油管的沿程压力损失显著增大，工具效率明显降低；

3)油压扩张器和动力源之间必须设计成闭式系统，用于大深度作业时，必须增加压力补偿装置，从而增加了设备的体积、重量及复杂程度，降低了系统的可靠性与可维修性；

4)油压扩张器和动力源之间须采用进油和回油两根软管相连，因而水下作业时受风浪及海流的作用力大，对潜水员操作的干扰大；

5)不能够在水下直接更换作业工具，或者进行简单的维修，工具的适应性较差。

以上的缺点并不局限于油压扩张器，其它油压工具用于水下作业时也同样会存在这些缺点，为此，上世纪60年代，美国率先进行了海水液压水下作业工具的研究，随后，英国、日本，芬兰等国也相继展开这方面的研究，在我国，二十世纪90年代，以华中科技大学液压气动技术中心为代表的科研院所才相继开展了水液压技术的研究。研究中发现，液压技术虽与油压技术有很多相似之处，但由于水介质与液压油在理化特性方面存在较大区别，使得如果将油压扩张器直接改用海水介质存在如下技术问题：

1)泄漏问题，由于水的粘度只有油的1/30～1/40左右，因此，在同等压力下，通过相同密封缝隙的泄漏流量比油要大得多，约为20倍左右。

2)腐蚀问题，水特别是海水的腐蚀性强，由于海水中包含了大量的有机物、微生物、金属和非金属离子，而且海水中含盐率3.2～3.75，氯离子量大，海水是天然的电解质，因而它具有极强的腐蚀作用。

3)气蚀问题，由于水的汽化压力高(20℃时约为0.0023MPa，50℃时约为0.012MPa)，这比普通液压油高数千万倍，特别容易产生气蚀。气蚀造成元件表面金属剥落、粗糙，元件的工作寿命下降。

4)磨损问题，由于水介质的润滑性能很差，磨擦副对偶面难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，因此很容易造成干磨擦，加剧液压元件的磨损速度，引发失效。

由此可见，水压扩张器不是简单地将油压扩张器的油介质潜换成水介质，实现工作介质的改变，需要克服很多技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水压扩张器，直接以海水或淡水作为工作介质进行作业，可靠性高，效率高，作业深度大，操作方便，环境相容性好。

水压扩张器，包括依次相接的换向阀、海水或淡水液压缸和扩张机构，换向阀控制海水或淡水液压缸伸缩，海水或淡水液压缸通过伸缩带动扩张臂张合实现扩张与牵引，所述换向阀包括阀座2.10、阀芯2.4、阀体2.7、换向套2.5和换向手柄2.1；阀体2.7内安放有阀芯2.4，阀芯2.4上端伸出阀体2.7并套有换向套2.5，换向套2.5上安装有换向手柄2.1；阀体2.7远离换向套2.5的一端连接阀座2.10；阀座2.10内设有四个流道，第一和第二流道分别与海水或淡水液压缸的无杆腔和有杆腔相连通，第三和第四流道分别为进水流道和出水流道；阀芯2.4内设有三个通道，通过转动阀芯2.4使得阀座的流道与阀芯的通道能够选择组合连通；在阀座的四个流道内分别设有浮动密封组件，浮动密封组件由弹簧2.9和中间开有通孔的密封块2.11组成，密封块2.11位于弹簧2.9的上端，密封块2.11在弹簧2.9的压力作用上保持与阀芯2.4的紧密接触。

本发明的技术效果体现在：

1)以海水或者淡水为工作介质，一方面绿色、环保，对环境完全没有污染，另一方面因为水的粘度比油小，压力损失小，工作效率高，作业深度显著增加；

2)本发明只需要一个高压水接口与动力源相连，回水直接排入大海中，无需回水管，水下作业时受潮流干扰小，操作方便；

控制阀为三位四通换向转阀，为克服水的粘度低、泄漏量大、气蚀严重等技术问题，该阀阀芯与阀座的密封形式与油压转阀常采用的间隙密封形式不同(这种密封结构的密封型式阀芯和阀套之间总是存在间隙，而且该间隙随着阀芯和阀套的磨损而加大，从而引起泄漏量的增加)，本发明在阀座内设有浮动密封组件，阀座通过密封组件与阀芯密封，密封组件与阀芯之间采用了抗气蚀性强的端面密封形式，在弹簧力作用下阀芯和密封组件间密封可靠，可实现零泄漏。

3)三位四通换向转阀阀芯与阀座接触形式采用浮动结构，在弹簧压力的作用下，两者间始终接触可靠，磨损后的间隙可以自动补偿，从而大大提高了密封的可靠性和寿命；

5)可在水下更换作业工具，或者进行简单的维修，提高了工具的适应性；本发明扩张器在海洋中采用海水液压缸，湖泊等淡水环境中采用淡水液压缸，广泛应用于海洋、水库大坝，湖泊、河道工程的水下作业以及陆地作业。

附图说明

图1本发明实施例整体结构示意图；

图2本发明实施例换向阀结构示意图；

图3本发明实施例阀座上端面示意图；

图4本发明实施例阀芯结构示意图，图4(a)为阀芯剖视图，图4(b)为图4(a)的左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1给出了海水液压扩张器的整体结构，包括换向阀1.1、海水液压缸和扩张机构。换向阀与海水液压缸相连接，控制海水液压缸伸缩；海水液压缸连接扩张机构，通过伸缩带动扩张臂张合从而实现扩张与牵引。

图2为换向阀结构示意图，换向阀包括阀座2.10、阀芯2.4、阀体2.7、换向套2.5和换向手柄2.1。阀体2.7内安放有阀芯2.4，阀芯2.4上端伸出阀体2.7并套有换向套2.5，换向套2.5上安装有换向手柄2.1。阀体2.7远离换向套2.5的一端连接阀座2.10；

阀座2.10内加工有四个流道，参见图2和图3，第一，二流道A，B从阀座2.10的下端面通向上端面，第三，四流道P，T截面呈“L”型，从阀座2.10的侧面通向上端面，第三通道P在阀座2.10侧面的端口为进水口，第四通道T在阀座2.10侧面的端口为回水口。工作时，进水口外接动力源。第一，二流道A，B分别与液压缸相连通。

阀芯2.4内设加工有三个通道，参见图4，三个通道截面成

形，通道的端口均位于阀芯2.4的下端面。1，1’为第一通道的两个端口，2，2’第二通道的两个端口，3，3’第三通道的两个端口。

用户转动换向手柄2.1，由于换向套2.5与阀芯2.4之间为键传动，阀芯2.4随之转动，使得阀体的流道与阀芯的通道能够选择组合连通。

为了限定阀芯的最大转动角，增设了限位销2.6，限位销2.6的上端固定于换向套2.5内，下端位于阀体2.7的弧形限位槽内。最大转动角度由弧形限位槽的弧度决定，本实施例中换向手柄转向角度即阀芯转动角度为-45度～45度。

依据阀芯转动区域可将阀芯位置分为左位(-45度)、中位(0度)和右位(45度)。位于左位时，高压海水从进水口进入，依次经过第三流道P、第三通道的3端口、第三通道的3’端口、第一流道A进入液压缸的无杆腔，驱动液压缸前伸，海水从海水液压缸的有杆腔流出，依次经过第二流道B、第一通道的1端口、第一通道的1’端口、第四流道T，从回水口排出；位于中位时，第二通道的2端口与第三流道P相连通，第二通道的2’端口与第四通道T相连通，则第三流道P与第四流道T相连通，海水不经过液压缸，实现卸荷；位于右位时，高压海水从进水口进入，依次经过第三流道P、第一通道的1端口、第一通道的1’端口、第二流道B进入液压缸的有杆腔，驱动液压缸后缩，海水从液压缸的无杆腔流出，依次经过第一流道A、第三通道的3端口、第三通道的3’端口、第四流道T，从回水口排出。

在海下操作时，操作员主要靠手感感知换向手柄工作位置，因此在转向时最好给出手可感知的到位提示。实施例在换向套2.5和阀体2.7的接触面处设置有限位机构，限位机构包括限位弹簧2.3、限位钢球和圆锥孔，限位弹簧2.3位于换向套2.5内靠近其与阀体2.7的接触面处，在限位弹簧2.3下端安放有限位钢球2.2，阀体2.7与换向套2.5的接触面处加工有三个直径略小于限位钢球2.2的圆锥孔，三个圆锥孔分别对应阀芯左位、中位和右位。转动换向手柄2.1，当到达左或中或右位时，限位钢球2.2在限位弹簧2.3弹力下落入对应的圆锥孔，此时操作者会有明显振动感，由此判断转向是否到位。

由于海水要经过阀座2.7的流道和阀芯2.4的通道进入液压缸，因此，流道和通道之间的水密封非常重要，一旦出现泄露，水压降低，不能驱动液压缸工作。实施例在阀座2.7的流道内增设了浮动密封组件，浮动密封组件安放于流道内的上部分位置处，其由密封弹簧2.9和密封块2.11组成，密封块2.11借助密封弹簧2.9的弹力始终保持与阀芯2.4紧密接触，达到水密封的目的。为了固定密封弹簧2.9，实施例将流道设计为截面呈形。密封块2.11的内部开有通孔，用于阀芯通道和阀座流道之间的连通。

阀芯2.4与阀体2.7之间安装有推力轴承2.8，使阀芯2.4与阀口2.11之间以较大的压力接触，而换向手柄2.1操作仍然轻松灵活。

海水液压缸包含有缸体1.2，缸体1.2的尾端安装有缸体端盖1.3，缸体1.2内设有活塞杆1.4。缸体1.2的头端与活塞杆1.4后端间的空腔为无杆腔，缸体1.2的尾端与活塞杆1.4前端间的空腔为有杆腔，无杆腔与阀座2.7的第一流道A相连通，有杆腔与阀座2.7的第二流道B相连通。活塞杆1.4的一端伸出缸体端盖1.3连接扩张机构。

扩张机构包括两个结构相同的三角形扩张钳1.6，扩张钳1.6的尖角向前，底边的内角点与活塞杆1.4前端铰接，外角点与连杆1.5的一端铰接，连杆1.5的另一端与液压缸的缸体端盖1.3铰接。在液压力的作用下，当活塞杆1.4前伸时推动两扩张钳1.6同时向外侧张开，实现扩张功能；当活塞杆1.4后缩时推动两扩张钳1.6向内合拢，实现牵引功能。

在用于海下作业时，换向阀的阀芯2.4采用双相不锈钢(例如F225)，阀口2.11采用特种高性能工程塑料(例如聚醚醚酮PEEK)，从而克服了水的润滑性差、腐蚀性强的特点，提高了摩擦副的耐蚀性以及摩擦副间的摩擦性能；针对海水腐蚀性强、工具重量要求轻的特点，液压缸的活塞杆采用双相不锈钢，时效后并镀铬，缸体采用密度比钢材小的铝合金(例如铝合金6063)，并进行硬质阳极氧化处理，以提高防腐性能。

Claims (1)

1. 水压扩张器，包括依次相接的换向阀、海水或淡水液压缸和扩张机构，换向阀控制海水或淡水液压缸伸缩，海水或淡水液压缸通过伸缩带动扩张臂张合实现扩张与牵引，其特征在于，

所述换向阀包括阀座（2.10）、阀芯（2.4）、阀体（2.7）、换向套（2.5）和换向手柄（2.1）；阀体（2.7）内安放有阀芯（2.4），阀芯（2.4）一端伸出阀体（2.7）并套有换向套（2.5），换向套（2.5）上安装有换向手柄（2.1）；阀体（2.7）远离换向套（2.5）的一端连接阀座（2.10）；阀座（2.10）内设有四个流道，第一流道与海水或淡水液压缸的无杆腔相连通，第二流道与海水或淡水液压缸的有杆腔相连通，第三流道为进水流道，第四流道为出水流道；阀芯（2.4）内设有三个通道，通过转动阀芯（2.4）使得阀座（2.10）的流道与阀芯（2.4）的通道能够选择组合连通；在阀座（2.10）的四个流道内分别设有浮动密封组件，浮动密封组件由密封弹簧（2.9）和中间开有通孔的密封块（2.11）组成，密封块（2.11）在密封弹簧（2.9）的压力作用上保持与阀芯（2.4）的紧密接触。

    2、  根据权利要求1所述的水压扩张器，其特征在于，所述换向阀还包括限位销（2.6），限位销（2.6）的一端固定于换向套（2.5）内，另一端位于阀体（2.7）的弧形限位槽内。

3、  根据权利要求1或2所述的水压扩张器，其特征在于，在换向套（2.5）与阀体（2.7）的接触面处设置有限位机构，限位机构包括限位弹簧（2.3）、限位钢球和圆锥孔，限位弹簧（2.3）位于换向套（2.5）内靠近其与阀体（2.7）的接触面处，在限位弹簧（2.3）下端安放有限位钢球（2.2），阀体（2.7）与换向套（2.5）的接触面处加工有三个直径略小于限位钢球（2.2）的圆锥孔，三个圆锥孔的位置分别对应阀芯的左、中、右工位。

4、  根据权利要求1或2所述的水压扩张器，其特征在于，所述阀芯（2.4）与阀体（2.7）的接触面之间安装有推力轴承（2.8）。

5、 根据权利要求3所述的水压扩张器，其特征在于，所述阀芯（2.4）与阀体（2.7）的接触面之间安装有推力轴承（2.8）。

6、 根据权利要求1或2所述的水压扩张器，其特征在于，所述阀芯（2.4）采用双相不锈钢，密封块（2.11）采用聚醚醚酮PEEK。

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