CN101695830B - 一种水压冲击扳手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水压冲击扳手，包括相接的驱动机构和扳手机构，驱动机构从下往上依次为过流手柄、开关节流阀组件、换向阀组件和海水或淡水液压马达，开关节流阀组件上装有扳机，海水或淡水液压马达连接扳手机构。该工具直接以海水或淡水作为工作介质进行螺纹连接件的装/拆作业，主要用于船舶的海下维修与保养、水下建筑及湖泊、河道工程等领域，具有可靠性高、输出扭矩可调、水下作业深度不受限制、作业范围广、效率高、环境相容性好的特点。

Description

一种水压冲击扳手

技术领域

本发明涉及水下作业工具，具体涉及一种水压冲击扳手。

背景技术

冲击扳手主要用于螺纹连接件的安装与拆卸，以提高工作效率及装配质量、减轻劳动强度，在船舶的海下维修与保养及水下建筑等领域均具有广泛的应用。

最早的水下作业冲击扳手一般是由陆用电动工具改装而成，考虑到水密封、电绝缘、压力补偿等要求，改装后的工具比较复杂、笨重，可靠性和安全性不高。按照驱动方式冲击扳手分为电动、气动和液压三种型式。气动冲击扳手不用考虑电绝缘的问题，工作安全性得到提高。气动工具在水下工作时普遍存在耗气量大、效率低的问题；而且由于工作压力低，水中阻力又比较大，因此其工作深度较浅。传统的液压工具是以矿物型液压油作为工作介质，由于矿物型液压油与水不相容，系统必须设计成闭式循环系统，因而存在一些难以克服的弊端，主要表现为：

●对密封要求严格，一旦液压油和水相互渗漏，这不仅会污染环境，还加速了系统元件的损坏，大大降低工具可靠性与使用寿命，并且在大深度作业时，这种渗漏是不可避免地会发生；

●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损失增大；如史丹利生产的油压水下作业工具在超过150m时，则需特殊设计，而且效率较低。

●由于是闭式系统，因而需增加装置来平衡水深压力，增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种水压冲击扳手，直接以海水或淡水作为工作介质进行作业，具有可靠性高、水下作业深度不受限制、作业范围广、效率高、环境相容性好的特点。

一种水压冲击扳手，包括相接的驱动机构1.1和扳手机构1.2，驱动机构1.1从下往上依次为过流手柄2.6、开关节流阀组件2.4、换向阀组件2.3和海水或淡水液压马达2.1，开关节流阀组件2.4上装有扳机2.5，海水或淡水液压马达2.1连接扳手机构1.2。

本发明的技术效果体现在：本发明水压冲击扳手直接以海水或淡水为工作介质，由液压马达驱动冲击机构实现对螺纹连接件的作业，环境相容性好，不污染环境，同时也不会因水进入系统而降低工作的可靠性，水下作业深度不受限制、作业范围广，工具只有一根进水管与动力源相连接，水下作业时受潮流干扰小。本发明采用模块化设计，各组件相对独立，并可作为备件，因而使得平均故障修复时间MTTR得到减小，提高了现场的可维护性。本发明冲击扳手在海洋中采用海水液压马达，在湖泊等淡水环境中采用淡水液压马达，满足海水或淡水水下作业各种复杂的现场情况。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的驱动机构结构示意图。

图3是本发明实施例的开关节流阀组件结构示意图。

图4是本发明实施例的换向阀组件结构示意图。

图5是本发明实施例的扳手机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1所示的扭矩可调型海水液压冲击扳手采用模块化设计，将整体分成功能相对独立的组件，由驱动机构1.1和扳手机构1.2组成，驱动机构1.1连接扳手机构1.2，驱动扳手机构1.2作业。

驱动机构1.1结构如图2所示，主要由海水液压马达2.1、换向阀组件2.3、开关节流阀组件2.4、过流手柄2.6、扳机2.5以及快换接头2.7等组成。过流手柄2.6为空心结构作为进水管，手柄2.6的下端设有快换接头2.7，通过快换接头连接动力源，上端依次设有开关节流阀组件2.4、换向阀组件2.3和海水液压马达2.1。扳机2.5设置在开关节流阀组件2.4侧面，用于控制开关节流阀组件2.4的开关状态。

图3为开关节流阀组件结构示意图，主要起开关控制及调节扳手转速的作用。开关阀块3.12内装有开关阀芯3.7，开关阀芯3.7可采用球阀、锥阀、平板阀等形式。实施例中采用可旋转的钢球，在开关阀块3.12内钢球3.7的左侧安装有节流阀座3.10，节流阀座3.10的内部设有弹簧推杆3.8和复位弹簧3.9，弹簧推杆的一端接触钢球3.7，另一端连接复位弹簧3.9。节流阀座3.10的左侧设有节流阀芯3.2，节流阀芯3.2的左端伸出阀端盖3.11后连接转速调节手轮3.1，阀端盖3.11与开关阀块3.12间、节流阀芯3.2与阀端盖3.11之间均为螺纹连接，旋转转速调节手轮3.1，节流阀芯3.2可在阀块3.12内左右移动。节流阀芯3.2与节流阀座3.10间的空隙形成节流阀口，节流阀芯3.2右移靠近节流阀座3.10，节流阀口开度减小，反之增大，通过改变该节流阀口的大小实现对流量的调节。开关阀块3.12内还开有进水通道，进水通道与节流阀口相连通。节流阀座3.10上开有进水中间流道，该流道一端与节流阀口连通，另一端截至于开关阀口。阀块3.12内在钢球3.7的右侧依次安装有开关阀座3.5和推杆套3.4，推杆套3.4及开关阀座3.5的内部设有推杆3.6，推杆3.6的一端接触钢球3.7，另一端伸出推杆套3.4与连接头3.3相接，连接头3.3用于连接扳机2.5。钢球3.7与开关阀座3.5的接触处为开关阀口。开关阀座3.5上加工有出水中间流道。阀块3.12内开有出水通道，其与开关阀座3.5的出水中间流道相连通。按下扳机2.5，推动推杆3.6，推杆3.6推动钢球3.7向左移动，开关阀口打开，进水中间流道的水经过出水中间流道、出水通道进入换向阀组件2.6，经换向阀组件流入马达驱动海水液压马达工作；松开扳机2.5，在复位弹簧3.9的作用下，钢球3.7、推杆3.6复位，开关阀口关闭，停止驱动液压马达。不同规格的螺纹连接件所需的预紧力是不一样的，为提高本发明在海下复杂作业现场的适应性，将扳手设计成扭矩可调型。在开关阀的基础上增加了节流阀，两者组合在一起构成新的开关节流阀组件，通过旋转转速调节手轮3.1，带动节流阀芯3.2运动，从而改变节流阀口开度，控制进入马达的高压水流量，进而控制马达转速以及主动冲击块5.7冲击时的速度，从而实现冲击扳手输出扭矩的调节。

为实现开关阀的在高压下的可靠密封，在节流阀座3.10上加工有过流孔，其与节流阀座3.10上的中间流道相连通，引导高压水流入钢球3.7的左半球面与节流阀座3.10之间的空腔内，高压水对钢球3.7的左半球面上施加有向右的液压力。当开关阀口关闭时，由于左半球面与高压水的接触面积大于右半球面，因此向右液压力大于另一半球面所受向左的液压力，并且当高压水压力越高时，该向右与向左液压力的差值越大，钢球3.7与开关阀座3.5接触应力越大，实现可靠密封；当开关阀口开启后，钢球3.7两半球面受压面积相等，各方向的液压力平衡，此时，要保持开启状态，只需作用于扳机2.5较小的推动力用于平衡复位弹簧3.9的压力及推杆所受液压力。由于向右液压力的作用，实现了开关阀口的可靠密封，但是也使得开启时所需推动力很大，要缓和该矛盾，则需设计一个向左液压力，抵消部分向右液压力。实施例中采用了将高压水引入连通推杆3.6与推杆套3.4之间的空腔，为了引入高压水，在开关阀块3.12上另外加工有流道，其一端与进水通道相通，另一端连通推杆3.6与推杆套3.4之间的空腔，进入该空腔的高压水向推杆3.6上作用向左的液压力，开启时只需平衡向右液压力与向左液压力之间的差值及复位弹簧2.3的压力。

图4为换向阀组件结构示意图，主要用于实现对液流方向的控制，从而控制海水液压马达2.1的转向，驱动扳手机构1.2对螺纹紧固件装/拆作业。换向阀块4.1内部加工有一通孔用于安装换向阀套4.3，在通孔的侧壁上加工有过流槽C、D、E，过流槽D与开关阀块3.12的出水通道相通，过流槽C，E分别与海水液压马达2.1进，出口相连通；此外，在换向阀块4.1的侧面还加工有过流通道G。换向阀套4.3安装于换向阀块4.1的通孔内，换向阀套4.3上加工有三排小孔，小孔直径小于1.5mm，保证三排小孔分别与换向阀块4.1通孔内的过流槽C、D、E相连通，相邻过流槽之间安放有O形圈4.7，实现相邻过流槽间以及其与外界间的密封。换向阀芯4.4安装于换向阀套4.3内，换向阀芯4.4上依次套有安装有两个往复型格来圈4.8和复位弹簧4.5，阀芯4.4靠近复位弹簧4.5的一端伸出换向阀块4.1并与换向手轮4.6铆接，换向阀块4.1上加工有“一”字型凸台用于限位，换向手轮4.6加工有对应的“一”字型限位槽；换向阀块4.1内远离换向手轮4.6的另一端安装有换向阀端盖4.2，换向阀端盖4.2紧靠换向阀套4.3，换向阀端盖4.2实现换向阀套4.3轴向定位及换向阀芯4.4的轴向限位。换向阀端盖4.2上加工有过流孔F用于排水。

图4所示为冲击扳手右旋作业，高压水从过流槽D经过换向阀套4.3上的第二排小孔，进入换向阀芯4.4与换向阀套4.3在两往复型格来圈4.8间的空腔，再经过换向阀套4.3上第一排小孔流入换向阀块4.1上的过流槽C进入海水液压马达2.1，驱动冲击扳手右旋作业，经过海水液压马达2.1作完功后的水通过马达的回水口流到过流槽E，经过阀套上的第三排小孔，从换向阀块4.1的过流通道G排出。当需要实现左旋作业时，操作换向手轮4.6向右运动，然后旋转换向手轮4.6一定角度(90度)左右，使换向手轮4.6的“一”字型限位槽与换向阀块4.1上的“一”字型限位凸台有一定的错位，即限制了换向阀芯4.4在复位弹簧4.5弹力作用下的向左运动。此时，高压水从过流槽D经过换向阀套4.3上的小孔，进入换向阀芯4.4与换向阀套4.3形成的空腔内，再经过换向阀套4.3上第三排小孔、流槽E进入海水液压马达2.1，驱动冲击扳手左旋作业，高压海水驱动马达作完功后，再从马达的流道A流出，经过过流槽C流至换向阀套4.3的第一排小孔，通过换向阀端盖4.2上过流孔F排入大海中。通过控制海水液压冲击扳手的左右旋向而实现其螺纹紧固件的装/拆作业。

由于海水的粘度是油的1/40左右，本实中换向阀组件放弃了传统换向阀的间隙密封形式，而采用了上述直接密封结构，实现了在不提高加工精度条件下的零泄漏，该换向阀换向可靠、效率高；同时本实施为克服用于直接密封的格来圈4.8经过阀口时可能出现切剪切现象，增加了换向阀套4.3，换向阀套4.3上加工的三排小孔，形成新的阀口，在进行换向时，格来圈只需要经过细小孔阀口，从而解决了格来圈剪切问题。

图5为扳手机构结构示意图，通过图2中海水液压马达2.1的平键2.2将传动轴5.10与海水液压马达2.1的输出轴相连接。传动轴5.10为阶梯轴，轴的一端加工有轴肩，在传动轴5.10上轴肩的一侧装有径向轴承5.12，另外一侧装有端面轴承5.14；传动轴5.10的另一端表面对称加工有两条对称的“人”字型导向槽。传动轴5.10与径向轴承5.12、端面轴承5.14装配后，传动轴5.10上由内向外套有冲击弹簧5.9及主动冲击块5.7，冲击弹簧5.9两端分别与端面轴承5.14和主动冲击块5.7相接触。主动冲击块5.7与传动轴5.10的接触面上对称加工有两个凹槽。克服冲击弹簧5.9的压力，推动主动冲击块5.7沿着传动轴5.10向端面轴承5.14端运动，直到传动轴5.10的“人”字型导向槽完全从主动冲击块5.7中伸出，将两个滚珠5.8分别安装两个“人”字型导向槽内，滚珠5.8的一部分在“人”字型槽中，另一部分在主动冲击块5.7的凹槽中，“人”字型槽对滚珠起到导向作用，凹槽是在滚珠移位时的受力部位；解除外力，主动冲击块5.7在弹簧力的作用下沿着传动轴5.10朝远离端面轴承5.14的另一端运动，滚珠5.8逐渐从“人”字型导向槽的底部运动到顶端，由于滚珠5.8被导向槽限位，因而到达顶端后停止运运，同时由于主动冲击块5.7受滚珠限位因而也随滚珠一起停止运动。传动轴5.10加工有“人”字型导向槽的一端连接从动冲击块5.1，作业时，从动冲击块5.1外接扳手机用套筒。主动冲击块5.7和从动冲击块5.1的外部套有铝质的壳体5.4。在传动轴装有径向轴承5.12的一端装有与壳体相接的轴承定位端盖5.11，轴承定位端盖5.11与轴肩配合实现对径向轴承5.12的轴向定位。

为了防止钢件之间以及钢件与铝件间的粘着磨损，分别在传动轴5.10与从动冲击块5.1的连接处、从动冲击块5.1与壳体5.4的接触面处装有铜套5.5和5.6。在海水中铜件与铝件直接接触，电化学腐蚀现象比较严重，因此在铜套5.5与壳体5.4之间增设了钢套5.2。钢套5.2有局部表面与从动冲击块5.1面接触，在面接触处安放旋转型格来圈5.3，有效隔离海水与铜套5.5和5.6及铜套与铝质壳体5.4的接触。

扳手机构工作原理是：扳手机构启动时，滚珠5.8位于传动轴5.10的“人”字型导向槽的顶端，海水液压马达2.1工作带动传动轴5.10转动，滚珠5.8带动主动冲击块5.7旋转。在弹簧5.9的压力作用下，主动冲击块5.7和从动冲击块5.1处于啮合状态，主动冲击块5.7带动从动冲击块5.1一起旋转，扳手机用套筒在从动冲击块5.1的带动下迅速地拧动螺母或螺栓。当螺母或螺栓的端面与工件端面接触后，阻力矩急剧上升，当阻力矩达到冲击临界力矩后，主动和从动冲击块均停止转动，但海水液压马达2.1仍然驱动传动轴5.10转动，传动轴5.10上的“人”字型导向槽内的滚珠5.8从顶部逐渐移向底部，驱使主动冲击块5.7向右移动，直到主动冲击块5.7与从动冲击块5.1不再处于啮合状态，主动冲击块5.7继续转动。当主动冲击块5.7转到其啮合齿对应从动冲击块5.1的啮合槽的位置时，在弹簧5.9的压力作用下主动冲击块5.7瞬间前移，此时沿“人”字型导向槽方向运动产生一个角加速度，主动冲击块5.7的啮合齿撞击从动冲击块3.9的啮合齿，完成一次冲击和啮合。然后滚珠5.8再次驱使主动冲击块5.7后移，脱离啮合。这样周而复始产生一次又一次的碰撞，获得所需的冲击力矩，使螺母拧紧。随着碰撞的不断进行，每一闪碰撞时间会减小，冲击力矩增大。

冲击反力矩为冲击力矩的反作用力，是主动冲击块后移的主动力之一，随着冲击的不断进行，冲击反力矩会随着冲击力矩的增大而增大，因而主动冲击块5.7向后移动的距离也会增加。原有冲击机构经常会出现因主动冲击块5.7向后移动的距离过大而造成滚珠5.8从“人”字型螺旋导向槽中脱落，从而使冲击失效的现象，为预防该情况的出现，提高该海水液压扳手海下作业的可靠性，本发明在传动轴5.10的径向轴承5.12和端面轴承5.14之间增设了轴用弹性挡圈5.13，限制了主动冲击块后移的运动距离，防止滚珠5.8脱落。

扳手可根据螺纹连接件的不同规格，通过调节控制阀的节流开度，改变冲击扳手转速，从而调节输出扭矩，改变其作业能力，实现一种工具可对多种规格的螺纹连接件的装配与拆卸，提高了海下作业的适用性。

为减轻工具重量，壳体均采用铝合金LD5，表面进行硬质阳极级氧化处理，以提高其表面硬度及防腐性能。考虑海水特有的理化特性，如腐蚀性强，润滑性差等特点，工具关键零部件均采用超级双相不锈钢及特种高性能工程塑料，如钢球3.7、节流阀芯3.2及换向阀芯4.4均采用双相不锈钢F225加工，开关阀座3.5及换向套5.3采用聚醚醚酮PEEK制造，以提高耐蚀性及摩擦副的摩擦性能。

Claims (5)

1.一种水压冲击扳手，包括相接的驱动机构(1.1)和扳手机构(1.2)，驱动机构(1.1)从下往上依次包括过流手柄(2.6)、开关节流阀组件(2.4)、换向阀组件(2.3)和海水或淡水液压马达(2.1)，开关节流阀组件(2.4)上装有扳机(2.5)，海水或淡水液压马达(2.1)连接扳手机构(1.2)；

所述开关节流阀组件(2.4)的结构为：开关阀块(3.12)内装有开关阀芯(3.7)；开关阀芯(3.7)的左侧装有节流阀座(3.10)，节流阀座(3.10)的内部设有弹簧推杆(3.8)和复位弹簧(3.9)，弹簧推杆(3.8)的一端接触开关阀芯(3.7)，另一端连接复位弹簧(3.9)，节流阀座(3.10)的左侧装有节流阀芯(3.2)，节流阀芯(3.2)的左端伸出开关阀块(3.12)连接转速调节手轮(3.1)，旋转转速调节手轮(3.1)，节流阀芯(3.2)能在开关阀块(3.12)内左右移动；节流阀芯(3.2)与节流阀座(3.10)间的空隙形成节流阀口；开关阀芯(3.7)的右侧依次安装有开关阀座(3.5)和推杆套(3.4)，推杆套(3.4)及开关阀座(3.5)的内部设有推杆(3.6)，推杆(3.6)的一端接触开关阀芯(3.7)，另一端伸出推杆套(3.4)与扳机(2.5)相接，开关阀芯(3.7)与开关阀座(3.5)的接触处为开关阀口；开关阀块(3.12)内开有进水通道和出水通道，节流阀座(3.10)内开有进水中间流道和出水中间流道，进水通道、节流阀口和进水中间流道顺序连通，进水中间流道截止于开关阀口，出水中间流道一端起始于开关阀口，另一端连通出水通道。 

2.根据权利要求1所述的水压冲击扳手，其特征在于，在节流阀座(3.10)上加工有第一过流孔，第一过流孔一端连通进水中间流道，另一端连通开关阀芯(3.7)与节流阀座(3.10)之间的空腔；在开关阀块(3.12)上加工有流道，其一端连通进水通道，另一端连通推杆(3.6)与推杆套(3.4)之间的空腔。

3.根据权利要求2所述的水压冲击扳手，其特征在于，所述换向阀组件的结构为：换向阀块(4.1)内部加工有一通孔，在通孔的侧壁上加工有第一、二、三过流槽(C、D、E)，第一过流槽(C)与开关阀块(3.12)的出水通道相通，第二，三过流槽(D，E)分别与海水或淡水液压马达(2.1)的进，出口相连通，相邻过流槽之间安放有O形圈(4.7)；在换向阀块(4.1)的侧面还加工有过流通道(G)；换向阀块(4.1)内设有换向阀套(4.3)，换向阀套(4.3)上加工有三排小孔，第一、二、三排小孔分别与换向阀块(4.1)通孔内的第一、二、三过流槽(C、D、E)相连通，第三排小孔还与过流通道(G)连通；换向阀套(4.3)内设有换向阀芯(4.4)，换向阀芯(4.4)上顺序套有两个复型格来圈(4.8)和复位弹簧(4.5)，换向阀芯(4.4)靠近复位弹簧(4.5)的一端伸出换向阀块(4.1)并与换向手轮(4.6)铆接；换向阀块(4.1)内装有换向阀端盖(4.2)，换向阀端盖(4.2)紧靠换向阀套(4.3)，换向阀端盖(4.2)上加工有与第一排小孔连通的第二过流孔(F)；换向手轮(4.6)加工有“一”字型限位槽，换向阀块(4.1)靠近换向手轮(4.6)的端部加工有对应的“一”字型凸台。

4.根据权利要求1或2或3所述的水压冲击扳手，其特征在于，所 述扳手机构(1.2)的结构为：传动轴(5.10)的一端加工有轴肩，另一端表面加工有两条对称的“人”字型导向槽；轴肩的一侧装有径向轴承(5.12)，另外一侧装有端面轴承(5.14)，径向轴承(5.12)和端面轴承(5.14)之间设有轴用弹性挡圈(5.13)；传动轴(5.10)上紧靠端面轴承(5.14)处套有冲击弹簧(5.9)，冲击弹簧(5.9)的外面套有主动冲击块(5.7)，主动冲击块(5.7)远离端面轴承(5.14)的端面为齿槽结构；主动冲击块(5.7)与传动轴(5.10)的接触面上对称加工有两个凹槽；另设有滚珠(5.8)，滚珠(5.8)的一部分在“人”字型导向槽内，另一部分在凹槽内；传动轴(5.10)加工有“人”字型导向槽的一端连接从动冲击块(5.1)，从动冲击块(5.1)靠近主动冲击块(5.7)的端面为齿槽结构，从动冲击块(5.1)的另一端外接扳手机用套筒；主动冲击块(5.7)和从动冲击块(5.1)的外部套有壳体(5.4)，在传动轴(5.10)设有径向轴承(5.12)的一端装有与壳体(5.4)相接的轴承定位端盖(5.11)。

5.根据权利要求4所述的水压冲击扳手，其特征在于，在传动轴(5.10)与从动冲击块(5.1)的连接处、从动冲击块(5.1)与壳体(5.4)的接触面处分别装有铜套，铜套与壳体(5.4)之间增设了钢套(5.2)，钢套(5.2)有局部表面与从动冲击块(5.1)面接触，在该面接触处安放旋转型格来圈(5.3)。 

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