CN105332973A - 一种电液伺服机构用内嵌式冷却器及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直列管式冷却器，特别涉及一种电液伺服机构用冷却器及冷却方法，该冷却器可串联、内嵌于电液伺服机构主体结构中，实现电液伺服机构工作介质油液冷却，属于电液伺服机构冷却技术领域。该冷却器包括不锈钢壳体、前端板、折流板、管束、后端板和支撑杆。本发明的低温气体是伺服机构做功后的气体，实现对伺服机构液压油的冷却，不需要外界再引入冷却介质，能源利用率高；本发明通过在不锈钢壳体的外表面上一体成型一个带有进油通道和出油通道的加强筋，使得冷却器的结构紧凑，且该加强筋可作为通道，不需要额外配置管路通道及接头附件，使得冷却器减重效果明显。

Description

一种电液伺服机构用内嵌式冷却器及冷却方法

技术领域

本发明涉及一种直列管式冷却器，特别涉及一种电液伺服机构用冷却器及冷却方法，该冷却器可串联、内嵌于电液伺服机构主体结构中，实现电液伺服机构工作介质油液冷却，属于电液伺服机构冷却技术领域。

背景技术

电液伺服机构能源部件能量转换或做功过程中都伴随发热，工作时间短或发热量小时，一般通过伺服机构金属基体容热、散热；当工作时间长且发热量巨大时，必须采取措施对伺服机构进行温度控制。

伺服机构采用涡轮泵能源，伺服机构工作时，发热功率超过20kW，单采用金属基体容热、散热，伺服机构工作100s，液压油温度就会超过200℃，导致液压密封失效，伺服机构功能丧失。必须采取措施进行温度控制。

伺服液压回路一般采用冷却器实现工作介质温度控制，利用冷却介质与被冷却介质间的热交换将液压工作介质维持在适宜的平衡温度。

现有地面伺服液压回路系统中，一般采用独立的冷却器(板式/管式、水冷/风冷)或冷却设备(空调)对液压油进行冷却。冷却器、冷却设备通过外置油路/气路与液压系统连接。

飞机伺服液压系统中，采用独立的(管式或板式)冷却器，利用润滑油对燃油进行冷却。

地面或飞机上采用外置的独立冷却器，冷却器通过外置油路(一般为四路，冷却介质进/出管道、被冷却介质进/出管道)对液压系统进行连接。对工程产品而言，结构越简单、可靠性越高，连接冷却器的四路外置管道无疑降低了冷却器的可靠性；同时四路管路外置，导致冷却器外廓尺寸增大、重量增大，而航天产品对外廓尺寸、重量限制异常苛刻，现有的冷却装置不能应用到火箭配套电液伺服机构中。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种电液伺服机构用内嵌式冷却器。

本发明的技术解决方案是：

一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，该冷却器包括不锈钢壳体、前端板、折流板、管束、后端板和支撑杆；不锈钢壳体、前端板、折流板、管束、后端板和支撑杆的材料均为不锈钢材质；

所述的不锈钢壳体为承力件，不锈钢壳体为中空圆柱，其一端带有第一法兰，另一端带有第二法兰，在不锈钢壳体的侧壁上有加强筋，加强筋内部带有进油通道和出油通道，进油通道的入口在第一法兰上，出油通道的出口在第一法兰上，第一条通道出口在中空圆柱内表面且接近第二法兰处；出油通道入口在中空圆柱内表面且接近第一法兰；第一法兰和第二法兰上各有一密封凹槽；所述的不锈钢壳体通过其两端的法兰与伺服机构主体固定连接；

所述的前端板为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔；

所述的折流板为一带有缺口的圆板，圆板上分布有若干个毛细孔，圆板的边缘处有光孔；

所述的管束为毛细管；

所述的后端板为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔；

所述的支撑杆为实心不锈钢杆，支撑杆的一端焊接在前端板的底盘上，中间穿过折流板并与折流板点焊连接，支撑杆的另一端焊接在后端板的底盘上；

所述的管束依次穿过前端板、折流板和后端板，管束在前端板和后端板上均突出3-5mm；

所述的管束与前端板、后端板均采用钎焊焊接；

所述的前端板的外表面与不锈钢壳体的内表面相匹配，前端板插入不锈钢壳体内，前端板的上表面距不锈钢壳体第一法兰端面8～12mm，前端板的上表面与不锈钢壳体内表面采用氩弧焊角焊焊接；

所述的后端板的外表面与不锈钢壳体的内表面相匹配，后端板插入不锈钢壳体内，后端板的上表面距不锈钢壳体第二法兰端面8～12mm，后端板的上表面与不锈钢壳体内表面也采用氩弧焊角焊焊接；

从伺服机构主体流出的液压油首先通过进油通道进入管束组成的管间腔，经折流板的折流，通过折流板上的缺口沿管束的管间腔蜿蜒流动，并经出油通道流出；

所述的不锈钢壳体的两端法兰上的凹槽用于安装柔性石墨，通过柔性石墨对不锈钢壳体与伺服机构主体进行密封；

所述的不锈钢壳体的进油通道和出油通道与伺服机构本体的油路通道之间采用密封管进行连接，不锈钢壳体的进油通道入口端面上有一凹槽，进油通道入口内壁上有一凹槽和凸台，进油通道入口内壁上的凸台用于对密封管进行定位；进油通道入口内壁上凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道进行密封；不锈钢壳体的进油通道入口端面上的凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道进行双重密封；

所述的管束的毛细管为气路通道，管束与伺服机构本体出气管路连通，气路通道和出气管路之间通过柔性石墨进行密封。

不锈钢壳体采用屈服强度不低于为1100Mp的不锈钢，其厚度为4-5mm。

管束的内径为1.6-3mm，相邻管束之间的距离为2-5mm，管束呈正三角形布局。

一种电液伺服机构用内嵌式冷却器的冷却方法，步骤为：伺服机构做功后的低温气体，经冷却器管束通道流动，并排出；同时伺服机构中的高温液压油经冷却器进油通道进入冷却器，经管束与折流板形成的流道蜿蜒流动，并从出油通道流出；过程中，管束内部的低温气体与管束外部的高温液压油通过管束毛细管外壁实现低温气体与高温液压油的热交换，完成对伺服机构液压油介质的温度控制。

有益效果

(1)本发明的低温气体是伺服机构做功后的气体，实现对伺服机构液压油的冷却，不需要外界再引入冷却介质，能源利用率高；

(2)本发明通过在不锈钢壳体的外表面上一体成型一个带有进油通道和出油通道的加强筋，使得冷却器的结构紧凑，且该加强筋可作为通道，不需要额外配置管路通道及接头附件，使得冷却器减重效果明显；

(3)本发明的不锈钢壳体为承力件，且两端带有法兰能够与伺服机构本体连接，使得冷却器能够串联、内嵌于伺服机构本体结构中，作为伺服机构的一部分，承载不小于10t的拉、压载荷；

(4)本发明可以通过调整管束的规格、数量改变冷却器的散热面积，适用不同伺服机构液压油冷却系统的需求，且管束的内径一般为1.6-3mm，相邻管束之间的距离为2-5mm，使得液压油的冷却效果好，

(5)本发明的管束两端与前端板和后端板采用钎焊焊接结构形式，前端板和后端板与不锈钢壳体采用氩弧焊角焊焊接，使得油路通道和气路通道承受不低于10MPa液压压力，而传统的冷却器的强度一般不大于1MPa；

(6)本发明的气路通道采用柔性石墨密封，使用范围最低可达到-70℃；

(7)本发明的油路通道采用双重密封结构，使得油路的密封效果好，可靠性高；

(8)本发明的冷却器整体冷却效果好，强度、可靠性高，满足大功率、长时工作、高可靠性电液伺服机构(系统)使用，可推广应用于集成度要求高、工作环境恶劣、且有热交换需求的同类产品上。

附图说明

图1本发明的冷却器的结构示意图；

图2不锈钢壳体示意图；

图3为冷却器的油-气换热结构示意图。

具体实施方式

一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，冷却器采用一体式不锈钢列管式结构，壳体为承力件，额定工作载荷为不小于10t的交变拉、压载荷；管束与两端隔板采用镍基钎焊，两端隔板与壳体采用氩弧焊焊接。冷却器主要组成部件有：不锈钢壳体、前/后端板、折流板、管束等。在圆筒形壳体内设置上千根平行管束，冷却介质(低温氢气或氦气)在管内流动，被冷却介质(高温液压油)在管与外壳组成的空腔内流动。

冷却器与伺服机构接口分为机械接口、油路接口和气路接口。

(1)机械接口：冷却器前端通过法兰及连接螺栓与伺服机构主体前端连接，后端通过法兰及连接螺栓与伺服机构主体后端连接；

(2)油路接口：冷却器左端面设有进油口、出油口，与伺服机构主体油路连通，使用O型密封圈密封；

(3)气路接口：冷却器设有进气口、排气口，分别与伺服机构主体结构连接。采用焊接与柔性石墨端面密封相结合的油气隔离技术，可靠地对工作介质和低温冷却介质进行隔离和密封。

实施例

本发明氢气冷却器采用一体式不锈钢列管式结构，图1为本发明冷却器结构示意图，主要由不锈钢壳体1、前端板2、折流板3、管束4、后端板5、支撑杆6组成。

不锈钢壳体1为承力件，通过两端通过法兰与伺服机构主体结构螺接。所有毛细管管束4穿过折流板3以及前端板2、后端板5，与前端板2、后端板5采用钎焊焊接；前端板2与不锈钢壳体1采用氩弧焊焊接；后端板5与不锈钢壳体1采用氩弧焊焊接。

不锈钢壳体1两端与伺服机构主体采用柔性石墨密封；

不锈钢壳体1左端设进油通道131和排油通道，采用密封圈进行密封。

毛细管管束4管腔为低温气路通道；毛细管管束4与不锈钢壳体1间的管间容腔为油路通道。前端板2、后端板5与不锈钢壳体1间的氩弧焊焊接实现油路与气路间的油气隔离；不锈钢壳体1两端的柔性石墨密封，确保气路密封；不锈钢壳体1左端的进油、排油通道的密封圈取保油路密封。

如图3所示，冷却器的油-气换热示意图，其中，1-冷却器进气，2-冷却器排气，3-冷却器进油，4-冷却器出油。涡轮泵打出高压液压油，经过伺服机构，回油汇总流入冷却器进油口；涡轮机中做完功的低温氢气进入冷却器进气口；流入冷却器的油液与氢气进行对流换热；降温后的油液流出冷却器，流向涡轮泵，循环往复；热交换后的氢气流出冷却器，排出伺服机构。油路、气路通道设置合理，换热方案有效。

冷却器中选用600根直径为2mm的不锈钢毛细管，散热面积为2m²。伺服机构做功后的-70℃低温氢气，经冷却器管束4通道流动，并排出；同时伺服机构中温度为80℃、流量为70L/min的液压油经冷却器进油通道131进入冷却器，经管束4与折流板3形成的流道蜿蜒流动，并从出油通道132流出；过程中，管束4内部的低温气体与管束4外部的高温液压油通过管束外壁实现低温气体与高温液压油的热交换，经热交换后，排出的氢气温度升至-20℃以上，而同时，液压油工作介质降低至60℃以下，完成对伺服机构液压油介质的温度控制。

伺服机构不设置冷却器时，工作100s，伺服机构油液温度将升高至250℃。

Claims (8)

1.一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：该冷却器包括不锈钢壳体(1)、前端板(2)、折流板(3)、管束(4)、后端板(5)和支撑杆(6)；

所述的不锈钢壳体(1)为中空圆柱，其一端带有第一法兰(11)，另一端带有第二法兰(12)，在不锈钢壳体(1)的侧壁上有加强筋(13)，加强筋(13)内部带有进油通道(131)和出油通道(132)，进油通道(131)的入口在第一法兰(11)上，出油通道(132)的出口在第一法兰(11)上，进油通道(131)出口在中空圆柱内表面且接近第二法兰(12)处；出油通道(132)入口在中空圆柱内表面且接近第一法兰(11)处；

所述的不锈钢壳体(1)通过其两端的第一法兰(11)和第二法兰(12)与伺服机构主体固定连接，并通过柔性石墨进行密封；

所述的支撑杆(6)的一端焊接在前端板(2)的上，中间穿过折流板(3)并与折流板(3)点焊连接，支撑杆(6)的另一端焊接在后端板(5)上；

所述的管束(4)依次穿过前端板(2)上的毛细孔、折流板(3)和后端板(5)上的毛细孔，管束(4)在前端板(2)和后端板(5)上均突出3-5mm；

所述的管束(4)与前端板(2)、后端板(5)均采用钎焊焊接；

所述的前端板(2)的外表面与不锈钢壳体(1)的内表面相匹配，前端板(2)插入不锈钢壳体(1)内，前端板(2)的上表面距不锈钢壳体(1)第一法兰(11)端面8～12mm，前端板(2)的上表面与不锈钢壳体(1)内表面采用氩弧焊角焊焊接；

所述的后端板(5)的外表面与不锈钢壳体(1)的内表面相匹配，后端板(5)插入不锈钢壳体(1)内，后端板(5)的上表面距不锈钢壳体(1)第二法兰(12)端面8～12mm，后端板(5)的上表面与不锈钢壳体(1)内表面采用氩弧焊角焊焊接。

2.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：所述的不锈钢壳体(1)的进油通道(131)和出油通道(132)与伺服机构本体的油路通道之间采用密封管进行连接，不锈钢壳体(1)的进油通道(131)入口端面上有一凹槽，进油通道(131)入口内壁上有一凹槽和凸台，进油通道(131)入口内壁上的凸台用于对密封管进行定位；进油通道(131)入口内壁上凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道(131)进行密封；不锈钢壳体(1)的进油通道(131)入口端面上的凹槽安装密封圈，用于对密封管和进油通道(131)进行双重密封。

3.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：所述的管束(4)为气路通道，管束(4)与伺服机构主体出气管路连通，气路通道和出气管路之间通过柔性石墨进行密封。

4.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：不锈钢壳体(1)采用屈服强度不低于为1100Mp的不锈钢，其厚度为4-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：管束(4)的内径为1.6-3mm，相邻管束(4)之间的距离为2-5mm，管束(4)呈正三角形布局。

6.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：第一法兰(11)和第二法兰(12)上各有一密封凹槽用于安装柔性石墨。

7.根据权利要求1所述的一种电液伺服机构用内嵌式冷却器，其特征在于：所述的前端板(2)为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔，所述的折流板(3)为一带有缺口的圆板，圆板上分布有若干个毛细孔，圆板的边缘处有光孔；所述的管束(4)为毛细管，所述的后端板(5)为一圆盘，圆盘的底盘上分布有若干个毛细孔，所述的支撑杆(6)为实心不锈钢杆，支撑杆(6)的一端焊接在前端板(2)的底盘上，中间穿过折流板(3)并与折流板(3)点焊连接，支撑杆(6)的另一端焊接在后端板(5)的底盘上。

8.一种权利要求1所述的电液伺服机构用内嵌式冷却器的冷却方法，其特征在于：伺服机构做功后的低温气体，经冷却器管束(4)通道流动，并排出；同时伺服机构中的高温液压油经冷却器进油通道(131)进入冷却器，经管束(4)与折流板(3)形成的流道蜿蜒流动，管束(4)内部的低温气体与管束(4)外部的高温液压油进行热交换后形成低温液压油从出油通道(132)流出。