CN108180186A - 深海变形间隙自动补偿夹紧器 - Google Patents

Abstract

一种深海变形间隙自动补偿夹紧器，包括水囊橡胶，水囊橡胶的内部相对安装有支撑缸桶和导向缸桶，支撑缸桶的端部通过锁紧螺钉安装水囊前盖，导向缸桶的端部通过紧固件安装水囊后盖，从而在支撑缸桶和导向缸桶的内部形成水囊腔；水囊后盖的后端安装有水缸缸桶，水缸缸桶的端部通过紧固件安装后端盖，水缸缸桶的内部安装有活塞，活塞中部伸出有活塞杆，活塞杆穿过水囊后盖中部的通孔；还包括耐压桶，耐压桶的输入端通过平衡阀与水缸缸桶连通。不需要外界动力源，对变形间隙进行补偿，并且间隙补偿范围大，能提供稳定的夹紧力，工作稳定可靠。

Description

深海变形间隙自动补偿夹紧器

技术领域

本发明涉及液压补偿器技术领域，尤其是一种深海变形间隙自动补偿夹紧器。

背景技术

海洋覆盖地球约有70.8％的表面，蕴含着丰富的生物、矿产、化学和动力资源，是人类最后可利用的领地之一。海洋不仅面积超过陆地，而且深度也超过陆地。海洋最深处为马里亚纳海沟11500m，平均深度也达到了3795m，而陆地最高的珠穆朗玛峰为8848m，平均高度仅为875m。在陆上资源日益枯竭的情况下，对海洋资源的开发和利用越来越受到人们的重视。

为了探测开发海洋资源，人们设计了各种水下设备，包括有缆远程控制水下运载器(ROV)、无缆自主导航水下运载器(AUV)、水下滑翔机、无人潜水器、载人潜水器等等。这些水下设备工作深度一直在增大，向着更深更广阔海域发展。美国载人潜水器“Alvin”号下潜深度可达4500m，日本载人潜水器“Shinkai6500”号下潜深度可达6500m，而我国的蛟龙号载人潜水器最深达到了7062m。这些设备必须在深海高压和地面常压两种工况下工作，由于材料的变形不一样，会导致连接位置的间隙大小产生变化，进而影响夹紧力和材料的应力应变状态，对设备安全带来隐患。

现在针对深海变形间隙的补偿主要分为三种：机械弹簧式补偿器、液压系统补偿器和气囊蓄能式补偿器。第一种机械弹簧式补偿器技术成熟，材料品种多样化，结构简单可靠，能补偿的位移量也比较大，夹紧力大小可设计，但是由于夹紧力是弹性元件形变带来的，设计好后就无法调节夹紧力，夹紧力是随着深度变化在一个范围内变化的，特别是随着深度增加，变形间隙增加，为了保证在深海工况的夹紧力，在陆上常压时弹性元件变形必须设计足够大，造成陆上常压时夹紧力过大。第二种液压系统补偿器，由于采用液压动力源，使得系统压力调节方便，间隙补偿范围大，夹紧力稳定可靠，但也带来系统耗能，管路布置等问题，特别是如果采用液压油作为工作介质，会需要附带油箱，而且有可能泄露造成海洋环境污染；采用海水作为工作介质，对环境会有更好的适应性，但是海水粘度低、润滑性差、含有泥沙，会对液压泵的可靠性有很大影响，虽然市面有海水泵，但是对过滤精度要求过高。第三种是气囊蓄能式补偿器，由于采用气囊蓄能器，可以一次补充气体压力，利用气体可变形的优势对变形间隙进行补偿，并且压力变化不大，使得间隙补偿范围大，夹紧力变化范围小，每个夹紧器单独作用无关联，没有管路布置，便于集成化和小型化；但是有泄露风险，造成水气混合，而且气体受温度影响较大，陆上和深海温度变化比较大，均会对设计带来影响。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深海变形间隙自动补偿夹紧器，从而不需要外界动力源，对变形间隙进行补偿，并且间隙补偿范围大，能提供稳定的夹紧力，工作稳定可靠。

本发明所采用的技术方案如下：

一种深海变形间隙自动补偿夹紧器，包括水囊橡胶，所述水囊橡胶的内部相对安装有支撑缸桶和导向缸桶，所述支撑缸桶的端部通过锁紧螺钉安装水囊前盖，所述导向缸桶的端部通过紧固件安装水囊后盖，从而在支撑缸桶和导向缸桶的内部形成水囊腔；所述水囊后盖的后端安装有水缸缸桶，所述水缸缸桶的端部通过紧固件安装后端盖，所述水缸缸桶的内部安装有活塞，所述活塞中部伸出有活塞杆，所述活塞杆穿过水囊后盖中部的通孔；还包括耐压桶，所述耐压桶的输入端通过平衡阀与水缸缸桶连通，还包括通海口，所述通海口处通过过滤器引入三路，一路通过溢流阀和减压阀与水缸缸桶连通，另一路通过管路与后端盖中部连通，再一路通过管路与平衡阀连通。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述平衡阀的结构为：包括阀体，所述阀体中部通过密封圈安装有阀芯，所述阀芯上套有弹簧，所述阀体一端安装阀座，所述阀座伸入阀体内，并通过密封圈密封，所述阀体的另一端安装有阀套，所述阀套的外壁面与阀体的内壁面配合连接，所述阀套的内壁面与阀芯的外壁面配合连接；位于阀座处设置有入口A，所述阀体的底部设置有出口B，所述阀套的端部设置有平衡口C。

所述水囊前盖上安装有补水螺钉。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过水囊腔和耐压桶系统控制，不需要外界动力源，对变形间隙进行补偿，并且间隙补偿范围大，能提供稳定的夹紧力，工作稳定可靠

本发明采用深海环境压力为动力源，不需要额外提供动力，节能可靠。

本发明虽然采用海水作为工作介质，但是没有动力元件液压泵，而液压阀和水缸对海水精度要求不高，抗污染能力强，工作可靠性高。

本发明由于是采用活塞杆的受力平衡来保证水囊与环境压差，泄露后压力变化会通过活塞杆运动自动补偿，所以抗泄露能力强，夹紧力稳定可靠。

本发明每个夹紧器是单独个体存在，避免了常规液压补偿器多个夹紧器之间的各种管路的布置，大大减小空间，可以集成为一个整体，便于水下设备的集成化和小型化。

本发明前段采用水囊结构，由于活塞杆的运动有时间滞后，导向缸桶和支撑缸桶之间的环形间隙合理设计可以改变夹紧器的液压刚度。如果取消水囊橡胶结构，在导向缸桶和支撑缸桶之间加密封圈，液压刚度大大增加，使得夹紧器抵抗瞬时外载能力增强，夹紧更加稳定可靠。增大导向缸桶和支撑缸桶之间的间隙，还可以柔性的补偿位置扰动，减轻被夹紧件的受力负荷，提高设备的可靠性。

本发明设计过程中存在活塞面积比A₁和A₂，便于设计者设定夹紧压力(p₂-p₃)和平衡阀开启压力(p₃-p₁)，夹紧力可调范围大，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的平衡阀的结构示意图。

其中：1、水囊前盖；2、锁紧螺钉；3、水囊腔；4、水囊橡胶；5、活塞杆；6、活塞；7、水缸缸桶；8、后端盖；9、平衡阀；10、耐压桶；11、通海口；12、减压阀；13、溢流阀；14、过滤器；15、水囊后盖；16、导向缸桶；17、支撑缸桶；18、补水螺钉；21、阀座；22、阀体；23、阀套；24、阀芯；25、弹簧；A、入口；B、出口；C、平衡口。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的深海变形间隙自动补偿夹紧器，包括水囊橡胶4，水囊橡胶4的内部相对安装有支撑缸桶17和导向缸桶16，支撑缸桶17的端部通过锁紧螺钉2安装水囊前盖1，导向缸桶16的端部通过紧固件安装水囊后盖15，从而在支撑缸桶17和导向缸桶16的内部形成水囊腔3；水囊后盖15的后端安装有水缸缸桶7，水缸缸桶7的端部通过紧固件安装后端盖8，水缸缸桶7的内部安装有活塞6，活塞6中部伸出有活塞杆5，活塞杆5穿过水囊后盖15中部的通孔；还包括耐压桶10，耐压桶10的输入端通过平衡阀9与水缸缸桶7连通，还包括通海口11，通海口11处通过过滤器14引入三路，一路通过溢流阀13和减压阀12与水缸缸桶7连通，另一路通过管路与后端盖8中部连通，再一路通过管路与平衡阀9连通。

平衡阀9的结构为：包括阀体22，阀体22中部通过密封圈安装有阀芯24，阀芯24上套有弹簧25，阀体22一端安装阀座21，阀座21伸入阀体22内，并通过密封圈密封，阀体22的另一端安装有阀套23，阀套23的外壁面与阀体22的内壁面配合连接，阀套23的内壁面与阀芯24的外壁面配合连接；位于阀座21处设置有入口A，阀体22的底部设置有出口B，阀套23的端部设置有平衡口C。

水囊前盖1上安装有补水螺钉18。

水囊前盖1与被夹紧件通过耳环相连，后端盖8与支撑件相连；活塞杆5前端始终伸进水囊腔3中，中间加有密封圈密封；活塞6和水缸缸桶7中间加有密封圈；螺钉2将水囊前盖1和支撑缸桶17连接起来，中间夹着水囊橡胶4；导向缸桶16和水囊后盖15也采用螺钉连接；水缸后端盖8和水囊后盖15采用双头螺柱连接；外界环境海水通过通海口11，经过滤器14引入，分成三个支路，一路连接溢流阀13入口，一路连接水缸后端盖8无杆腔p₃，一路引入平衡阀9平衡口C；溢流阀13出口连接减压阀12的入口，减压阀12的出口与水缸有杆腔p₁相连；平衡阀的入口A与水缸有杆腔p₁相连，出口B与耐压桶10相连。

实际使用过程中，外界环境海水通过通海口11，经过滤器14引入，分成三个支路，一路连接溢流阀13入口，一路连接水缸后端盖8无杆腔p₃，一路引入平衡阀9平衡口C；溢流阀13出口连接减压阀12的入口，减压阀12的出口与水缸有杆腔p₁相连；平衡阀的入口A与水缸有杆腔p₁相连，出口B与耐压桶10相连。

深海水下设备的工作过程主要分为下潜过程和上浮过程。这里为方便介绍工作过程，假定设计的平衡阀9、溢流阀13和减压阀12开启压力为1Mpa，下面就两种工况分别介绍。

下潜过程：刚开始水面状态，夹紧器通过支撑缸桶17直接顶在水囊后盖15进行机械限位进行支撑夹紧，这时候给水囊腔3和水缸补常压水，耐压桶10保持低水位。这时候由于p₁和p₃相等，减压阀12和平衡阀9为常开，但是耐压桶10位置高于水缸，耐压桶10还是处于低水位，溢流阀13处于关闭状态。随着下潜进行到100m，环境压力p₃达到1Mpa，此时材料变形可以忽略不计，夹紧件之间的间隙变化也可忽略不计，平衡阀9、溢流阀13和减压阀12均开始工作。随着下潜深度增大，材料变形后夹紧件之间间隙增大，水囊前盖1与被夹紧件相连，随着被夹紧件往外伸，水囊腔3压力p₂降低。水囊腔3压力p₂降低，导致活塞杆5受力不平衡，在水缸无杆腔压力p₃作用下活塞杆5往水囊腔3伸，导致水囊腔3压力p₂上升，水缸有杆腔压力p₁也增加，导致减压阀12一直处于关闭状态。但是由于平衡阀9的作用，使得海水环境压力p₃与水缸有杆腔压力p₁的压差(p₃-p₁)始终稳定，水缸有杆腔多余的水从平衡阀9溢流到耐压桶10中，直到水囊腔3压力p₂和海水环境压力p₃压差(p₂-p₃)达到设定稳定值时，活塞杆5两端受力重新平衡。由于下潜过程下降速度有限，压力变化缓慢，活塞杆5有足够的时间进行调整，从而保证了夹紧力始终稳定为设定值。虽然耐压桶10在下潜过程中一直处于进水状态，但实际上材料变形导致的夹紧件之间间隙变化有限，水缸有杆腔溢流到耐压桶10的水量有限，完全可以集成一体小型化。

上浮过程：刚开始深海水下状态，(p₂-p₃)和(p₃-p₁)维持稳定状态，活塞杆5伸进水囊腔3中。随着上浮过程，材料恢复变形，夹紧件之间间隙变小，水囊前盖1往回压缩水囊腔3，水囊腔3的压力p₂增大，而且海水环境压力p₃减小，导致活塞杆5受力不平衡，活塞杆5往回运动，导致水缸有杆腔压力p₁减小，平衡阀9处于关闭状态，减压阀12处于开启状态，水缸有杆腔从通海口11经过溢流阀13和减压阀12进行补水，直到有杆腔压力达到设定的值(p₃-p₁)和水囊腔3和海洋环境压差(p₂-p₃)达到稳定值，活塞杆5受力会重新平衡，始终保持夹紧力稳定可靠。当达到离水面100m时，这时材料变形几乎完全恢复，支撑缸桶17几乎顶到水囊后盖15，溢流阀13开始关闭，水缸有杆腔无法从减压阀12得到补水，压力减小，无法达到设定值(p₃-p₁)，由于活塞杆5平衡，会导致水囊腔3与海洋环境压差(p₂-p₃)增大，水囊腔3的压力p₂增大，使得支撑缸桶17顶回水囊后盖15更加缓慢，可以起到良好缓冲作用。当到达水面状态时，打开耐压桶10的放水阀(图中未画出)，把耐压桶10里面的水放回到原来水面，即可进行下一次工作。

本发明的主要工作原理为：忽略活塞杆5密封件的摩擦力，活塞杆5受力平衡，则有：p₃×A₃＝p₁×A₁+p₂×A₂ (1)

又由活塞面积可知：A₁+A₁＝A₃ (2)

由式(1)和式(2)可得：(p₃-p₁)×A₁＝(p₂-p₃)×A₂

由于(p₂-p₃)为水囊与环境压差，提供夹紧力，所以通过平衡阀9控制(p₃-p₁)稳定就可以提供稳定的夹紧力。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种深海变形间隙自动补偿夹紧器，其特征在于：包括水囊橡胶(4)，所述水囊橡胶(4)的内部相对安装有支撑缸桶(17)和导向缸桶(16)，所述支撑缸桶(17)的端部通过锁紧螺钉(2)安装水囊前盖(1)，所述导向缸桶(16)的端部通过紧固件安装水囊后盖(15)，从而在支撑缸桶(17)和导向缸桶(16)的内部形成水囊腔(3)；所述水囊后盖(15)的后端安装有水缸缸桶(7)，所述水缸缸桶(7)的端部通过紧固件安装后端盖(8)，所述水缸缸桶(7)的内部安装有活塞(6)，所述活塞(6)中部伸出有活塞杆(5)，所述活塞杆(5)穿过水囊后盖(15)中部的通孔；还包括耐压桶(10)，所述耐压桶(10)的输入端通过平衡阀(9)与水缸缸桶(7)连通，还包括通海口(11)，所述通海口(11)处通过过滤器(14)引入三路，一路通过溢流阀(13)和减压阀(12)与水缸缸桶(7)连通，另一路通过管路与后端盖(8)中部连通，再一路通过管路与平衡阀(9)连通。

2.如权利要求1所述的深海变形间隙自动补偿夹紧器，其特征在于：所述平衡阀(9)的结构为：包括阀体(22)，所述阀体(22)中部通过密封圈安装有阀芯(24)，所述阀芯(24)上套有弹簧(25)，所述阀体(22)一端安装阀座(21)，所述阀座(21)伸入阀体(22)内，并通过密封圈密封，所述阀体(22)的另一端安装有阀套(23)，所述阀套(23)的外壁面与阀体(22)的内壁面配合连接，所述阀套(23)的内壁面与阀芯(24)的外壁面配合连接；位于阀座(21)处设置有入口(A)，所述阀体(22)的底部设置有出口(B)，所述阀套(23)的端部设置有平衡口(C)。

3.如权利要求1所述的深海变形间隙自动补偿夹紧器，其特征在于：所述水囊前盖(1)上安装有补水螺钉(18)。