CN106764011B - 水下液压控制球阀的执行机构 - Google Patents
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Abstract
一种水下液压控制球阀的执行机构，包括：一液压控制机构，安装在液压控制机构上的弹簧复位机构、水下机器人操作机构；其中，液压控制机构和弹簧复位机构均是双冗余布置，液压控制机构的进油口和弹簧复位机构的腔体出油口各自联通，两套机构同时工作；液压控制机构安装在一壳体内，壳体固定在齿轮箱的上端，齿轮箱的下端盖与与阀体连接。本发明由液压控制球阀的打开和关闭，当液压系统出现故障时，不仅弹簧复位机构能够自动关闭球阀；而且，还能够在液压失控的情况下，完全由水下机器人来打开和关闭球阀，大大提高了水下球阀工作的可靠性，降低了生产和维护成本，为深水水下工程装备的研究和水下阀门生产制造提供了可靠的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及液压控制球阀，尤其涉及一种水下液压控制球阀的执行机构。属于海洋石油工程领域。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的应用。随着经济的发展，能源消耗量不断增加，世界各国对能源资源的需求越来越大。近年来探测到的大型石油和天然气资源中，海洋中所占比重超过六成，尤其是深海区域更有大量未探明的油气资源，因此，海洋将成为未来资源开发的全新领域。
随着国民经济快速增长，我国油气消费量大幅攀升，我国拥有300多万平方公里海域，在勘探发现的油气田中，大多集中在200m水深以内周边浅海区域，更为广阔的深水海域仍有待开发。随着我国近岸浅水海洋石油开发的日趋饱和以及当今社会快速增长的石油需求，我国海洋石油正在加速向深水进军。
目前，作为水下采油及处理设施中的水下采油树、水下管汇、水下分离器、海管终端等，已广泛应用于海洋资源开发系统中。而水下阀门及其执行机构是水下采油设施基本组成部件之一，并在其中担负着重要作用。现有的水下阀门主要集中应用于水下管汇和海底油气输送管道上，同时，还在深海潜水器上有一定的应用。水下阀门的运行性能直接关系着海上油田的正常生产以及周边的海洋环境。
在现有的水下球阀执行机构中，控制球阀打开和关闭的动力单元都是单一配置的，这样一旦动力单元出现故障，整个执行机构立即处于失效状态，没有可替代的动力单元用以备份工作。由于执行机构都是在动力源作用下被动发挥作用，当动力源出现故障或水下油气管道出现泄漏等紧急情况时，执行机构不具备自动关闭球阀的功能，球阀上也没有可供水下机器人操作的接口，其不能由水下机器人操作球阀的打开和关闭，因此，现有的水下球阀执行机构容易给水下采油设施带来很大的安全隐患，且由于现有的水下阀门及深水作业的高风险及高维护费用，这就要求水下阀门及执行机构必须具有很高的可靠性，设计寿命内免维修，当管路出现紧急故障时，球阀执行机构必须具备保证安全生产的一些功能。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种水下液压控制球阀的执行机构，其结构紧凑，并由液压控制球阀的打开和关闭，当液压系统失效时，不仅弹簧复位机构能够自动关闭球阀；而且，还能够在液压失控的情况下，完全由水下机器人来打开和关闭球阀，大大提高了水下球阀工作的可靠性，降低了生产和维护成本，为深水水下工程装备的研究和水下阀门生产制造提供了可靠的技术支持。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
1、一种水下液压控制球阀的执行机构，其特征在于：包括：一液压控制机构，安装在液压控制机构上的弹簧复位机构、水下机器人操作机构；其中，液压控制机构和弹簧复位机构均是双冗余布置，液压控制机构的进油口和弹簧复位机构的腔体出油口各自联通，两套机构同时工作；液压控制机构安装在一壳体内，壳体固定在齿轮箱的上端，齿轮箱的下端盖与与阀体连接；
液压控制机构包括：安装在球阀上的液压缸、与液压缸相连的数套进油管线，其中，液压缸固定于齿条外壳的一端，液压缸的液压杆的前端为齿条，齿条部分与直齿轮啮合，使液压缸进出压力油时，液压杆带动直齿轮往复旋转运动；且该直齿轮固定在阀杆上；
弹簧复位机构包括：复位弹簧、安装在液压杆一端的弹簧基座，其中，复位弹簧的外面安装有弹簧外壳，弹簧外壳与齿轮箱固连在一起，齿轮箱上端盖上固定有压力补偿器；弹簧外壳端盖分别与第一压力补偿油管线、第二压力补偿油管线连接；
水下机器人操作机构包括：固连在齿轮箱上端盖上的传动杆外壳、设置在传动杆外壳内的传动杆、安装在传动杆上的小斜齿轮，其中，小斜齿轮与大斜齿轮交错啮合后，传动杆的位置由传动杆外壳固定，传动杆上固定有水下机器人接口。
所述齿条的外面套装有齿条外壳，而齿条外壳与弹簧复位机构固连在一起。
所述进油管线通过连接头与液压缸刚性连接，数套液压缸进油管线的汇聚点处与水下液压脐带缆连接。
所述弹簧外壳安装在齿条外壳上，弹簧外壳固定于齿条外壳的一端，且弹簧外壳的另一端固定在弹簧外壳端盖上。
所述弹簧基座采用橡胶材料制成。
所述液压杆的直线行程对应球阀的角行程。
所述传动杆外壳的一端密封，传动杆外壳的另一端紧挨着水下机器人接口但不与其固连；通过交错大斜齿轮将水下机器人接口的运动传递到阀杆上，实现水下机器人直接控制球阀的打开和关闭。
本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其结构紧凑，并由液压控制球阀的打开和关闭，当液压系统出现故障时，其弹簧复位机构能自动关闭球阀；执行机构的液压缸和弹簧复位机构均采用双冗余配置，这将大大提高了水下工作的可靠性；其液压补偿系统的设置平衡了弹簧外壳的内外压力，减小了壳体壁厚和强度要求，从而，使弹簧复位机构的体积变得更为紧凑灵巧；而且，还配备了水下机器人标准操作接口，可由水下机器人独立操作球阀的打开和关闭，为水下生产的正常运行提供了更多一层保障。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明隐藏部分外壳体后的整体结构示意图。
图3为本发明整体结构剖视示意图。
图中主要标号说明：
1.阀体，2.球阀，3.阀杆，4.大斜齿轮，5.直齿轮，6.液压杆，7.液压缸，8.弹簧外壳，9.复位弹簧，10.弹簧外壳端盖，11.进油管线，12.小斜齿轮，13.传动杆，14.水下机器人接口，15.过渡连接，16.弹簧基座，17.第一压力补偿油管线，18.第二压力补偿油管线，19.压力补偿器，20.传动杆外壳，21.齿条外壳，22.齿轮箱上端盖。
具体实施方式
如图1—图3所示，本发明包括：为球阀2的打开提供液压动力的液压控制机构、安装在液压控制机构上，并为球阀2的关闭提供动力的弹簧复位机构、用于水下机器人控制球阀2的打开和关闭的水下机器人操作机构；其中，液压控制机构和弹簧复位机构均是双冗余布置，液压控制机构的进油口和弹簧复位机构的腔体出油口各自联通，两套机构同时工作；
液压控制机构包括：安装在球阀2上的液压缸7、与液压缸7相连的数套进油管线11(本实施例为两套)，其中，液压缸7通过螺栓固定于齿条外壳21的一端，液压缸7的液压杆6的前端为齿条，齿条部分与直齿轮5啮合，从而，实现液压缸7进出压力油时，液压杆6带动直齿轮5往复旋转运动；且直齿轮5固定在阀杆3上，液压控制机构安装在一壳体内，壳体固定在齿轮箱的上端，齿轮箱的下端盖与与阀体1连接。
上述齿条的外面套装有齿条外壳21，齿条外壳21对液压杆6在周向上束缚定位，使液压杆6只能在齿条外壳21内部左右运动，而齿条外壳21与弹簧复位机构固连在一起，上述两套进油管线11通过连接头与液压缸7刚性连接，两套液压缸进油管线的汇聚点处与水下液压脐带缆连接。
弹簧复位机构包括：复位弹簧9、安装在液压杆6一端的弹簧基座16，其中，复位弹簧9的外面安装有弹簧外壳8，弹簧外壳8通过螺栓固定于齿条外壳21一端，弹簧外壳8的另一端部采用螺栓连接方式固定在弹簧外壳端盖10上，由于齿条外壳21与齿轮箱上端盖22是铸造在一起的，因此，弹簧外壳8也就与齿轮箱固连在一起，弹簧外壳端盖10上通过连接头分别与第一压力补偿油管线17、第二压力补偿油管线18连接；齿轮箱上端盖22上采用螺栓连接方式固定有压力补偿器19。
上述弹簧基座16采用性能良好的橡胶材料制成，其与弹簧外壳8以过盈配合的方式安装，由于弹簧外壳8的内壁加工的比较光滑，液压杆6左右移动时，减少了弹簧基座16与弹簧外壳8之间的摩擦力，因此，弹簧基座16既能起到承载来自压力补偿器19的压力作用，又减小了液压杆6运动的阻力。使用时，将液压油通入液压缸7，液压杆6移动，液压杆6带动直齿轮5运动，直齿轮5带动阀杆3转动，从而实现了阀杆3控制球阀2的打开和关闭。
当液压管线出现故障时，弹簧复位机构自行关闭球阀2，弹簧基座16一侧是压力油，另一侧是复位弹簧9，复位弹簧9这一侧也通有压力油，以平衡弹簧基座16两侧压力，液压控制机构和弹簧复位机构均是双冗余布置，两套机构的液压缸7的进油口和弹簧外壳8的腔体出油口各自联通，两套机构同时工作，以保证整个机构工作的高可靠性。当液压油由进油管线11通入液压缸7时，液压杆6在液压缸7内移动，复位弹簧9压缩，与此同时，弹簧基座16这一侧的压力油流回压力补偿器19，压力补偿器19的作用是为平衡弹簧基座16两侧压力，以使液压缸7内通入液压油时，液压杆6平稳的移动。当需要关闭球阀2时，液压缸7内的液压油流回水上液压控制台，压力补偿器19中的液压油流进弹簧外壳8的腔体内，这样复位弹簧9的弹力和压力补偿器19提供的油压力共同作用于弹簧基座8上，液压杆6在液压缸7内往回移动，带动直齿轮5回转，从而关闭球阀2。
上述液压杆6的直线行程对应球阀2的角行程，当球阀2处于完全打开或关闭状态，液压杆6在液压缸7内刚好处于其直线位移的两个端点，这也就确保了当液压杆6处于行程的起点或终点时，球阀2则处于完全打开或关闭状态。当液压系统出现故障时，可由水下机器人通过水下机器人操作接口14直接控制球阀2的打开和关闭。
水下机器人操作机构包括：以焊接方式固连在齿轮箱上端盖22上的传动杆外壳20、设置在传动杆外壳20内的传动杆13、以齿轮轴的形式铸造在传动杆13上的小斜齿轮12，其中，小斜齿轮12与大斜齿轮4交错啮合后，传动杆13的位置由传动杆外壳20固定，传动杆13上通过螺栓连接方式固定有水下机器人接口14，传动杆外壳20的一端密封，传动杆外壳20的另一端紧挨着水下机器人接口14但不与其固连，传动杆外壳20对传动杆13起到位置固定作用。通过交错大斜齿轮4，可将水下机器人接口14的运动传递到阀杆3上，实现水下机器人直接控制球阀2的打开和关闭。
为了便于水下机器人操作接口14的安装以及整体结构布置更趋于合理匀称，在阀体1的上端面法兰处安装有过渡连接15，二者通过螺栓固定在一起。过渡连接15的两个端面，一个端面与阀体1通过法兰形式连接，另一个端面则是齿轮箱的下端盖。过渡连接15的上端口处由带有凸台的端盖密封，端盖依然由螺栓固定在过渡连接15上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种水下液压控制球阀的执行机构，其特征在于：包括：一液压控制机构，安装在液压控制机构上的弹簧复位机构、水下机器人操作机构；其中，液压控制机构和弹簧复位机构均是双冗余布置，液压控制机构的进油口和弹簧复位机构的腔体出油口各自联通，两套机构同时工作；液压控制机构安装在一壳体内，壳体固定在齿轮箱的上端，齿轮箱的下端盖与与阀体连接；
液压控制机构包括：安装在球阀上的液压缸、与液压缸相连的数套进油管线，其中，液压缸固定于齿条外壳的一端，液压缸的液压杆的前端为齿条，齿条部分与直齿轮啮合，使液压缸进出压力油时，液压杆带动直齿轮往复旋转运动；且该直齿轮固定在阀杆上；
弹簧复位机构包括：复位弹簧、安装在液压杆一端的弹簧基座，其中，复位弹簧的外面安装有弹簧外壳，弹簧外壳与齿轮箱固连在一起，齿轮箱上端盖上固定有压力补偿器；弹簧外壳端盖分别与第一压力补偿油管线、第二压力补偿油管线连接；
水下机器人操作机构包括：固连在齿轮箱上端盖上的传动杆外壳、设置在传动杆外壳内的传动杆、安装在传动杆上的小斜齿轮，其中，小斜齿轮与大斜齿轮交错啮合后，传动杆的位置由传动杆外壳固定，传动杆上固定有水下机器人接口；
所述齿条的外面套装有齿条外壳，而齿条外壳与弹簧复位机构固连在一起；
所述弹簧外壳安装在齿条外壳上，弹簧外壳固定于齿条外壳的一端，且弹簧外壳的另一端固定在弹簧外壳端盖上；
所述传动杆外壳的一端密封，传动杆外壳的另一端紧挨着水下机器人接口但不与其固连；通过交错大斜齿轮将水下机器人接口的运动传递到阀杆上，实现水下机器人直接控制球阀的打开和关闭。
2.根据权利要求1所述的水下液压控制球阀的执行机构，其特征在于：所述进油管线通过连接头与液压缸刚性连接，数套液压缸进油管线的汇聚点处与水下液压脐带缆连接。
3.根据权利要求1所述的水下液压控制球阀的执行机构，其特征在于：所述弹簧基座采用橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述的水下液压控制球阀的执行机构，其特征在于：所述液压杆的直线行程对应球阀的角行程。
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