CN108331800B - 全密封无活塞压力缸及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全密封无活塞压力缸及使用方法。该压力缸包括外缸套筒和柔性可伸缩的全封闭压力腔体；全封闭压力腔体包括至少一个柔性可伸缩单元、前密封部件和后密封部件，在全封闭压力腔体内形成有连通的柔性可伸缩的后压力腔和柔性可伸缩的前压力腔；前密封部件和后密封部件将所有柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔密封成一个柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔；全封闭压力腔体可滑动地插装在外缸套筒中。本发明从构造上省去了活塞、活塞杆和密封圈，使得压力缸的整体结构更加简单和可靠，并且无需精密机械加工，降低了制造成本，提高了可靠性。可以采用水或空气取代液压油作为动力传送介质。可以直接作为气压缸使用。

Description

全密封无活塞压力缸及使用方法

技术领域

本发明涉及一种压力缸，特别是一种全密封无活塞压力缸及使用方法。

背景技术

现有传统液压缸的基本构造离不开活塞、活塞杆和密封环。其工作原理是，通过进出口注入液压油，并通过对流体腔内的液压油加压推动或回收活塞及活塞杆，从而实现液压能向机械能的转换。传统双冲程液压缸通常具有多个密封圈，其中主要是活塞和活塞杆的密封元件。活塞杆的密封圈用于防止活塞杆在受压状态从流体腔进出时液压油逸出，用于防止外界的杂物进入液压缸内。同时活塞杆密封圈需要液压油滑润，以减少密封圈的摩擦耗损。活塞的密封圈用于在液压缸受压工作时防止液压油在前后二个流体腔体之间相互渗透。

现有高端液压缸不仅对液压缸能够承受的压力大小(能量输出的大小)有要求，更重要的是对活塞及活塞杆推进和回程距离的精确性有非常高的要求(控制的精确度最高能够达到0.1毫米)。因此，大多数传统双冲程液压缸通常采用容积泵对活塞及活塞杆推进和回程距离实施精确控制。能实现对距离精确控制的基本原理是液体和钢材质组成的流体腔体的体积在没有新注入液体的条件下都是固定的、不可压缩的，并且与压力无关。只要利用容积泵精确地控制注入液压油的体积大小就可以精确地控制活塞及活塞杆推进和回程的距离大小。容积泵通常有活塞型和旋转型等不同类型。容积泵的工作原理是将等体积和小容量流体控制性地注入流体腔体内，注入流体体积的多少与腔体内的压力无关。

传统液压缸的基本构造一百多年来没有本质变化，但其存在着一些固有缺陷，主要包括：一)由于需要对缸内相对运动的摩擦面进行润滑，因此动力传输介质必须是液压油或类似的流体，而不能使用普通水。液压油品种、规格繁多，不同使用环境和条件需要使用不同种类的液压油，使用不当会造成密封圈的损坏。同时，液压油易燃，存在使用和储存方面的安全隐患。另外，液压油的泄漏和废弃液压油的不当处置会对环境造成严重污染；二)缸筒内壁、活塞和活塞杆均需要精密机加工才能达到与密封圈的高度吻合，以达到在高压下减少摩擦力，同时防止液压油逸出的目的。精加工的要求造成了液压缸制造成本的提高；三)必须使用多个密封圈。密封圈不但成本高而且是整个液压缸最薄弱的环节，需要经常更换与维护。绝大多数液压缸的故障都是由密封圈的破损而造成的。通常液压缸密封圈破损并被替换后需要更换全部液压油。

当前，在海洋工程领域有一种名称为“海上平台靠船件(marine shock cell)”的装置，该装置采用橡胶与金属的硫化粘接技术，将同轴设置的二个钢套筒和一个橡胶筒连接成一体，形成单个靠船件，用来降低海上平台与靠泊船只之间产生的冲撞力、吸收靠泊冲撞能量。如图1A剖面图所示，单个靠船件主要由三部分组成：一个外钢套筒101，一个与外钢套筒101同轴设置的内钢套筒102和一个安置在外钢套筒101和内钢套筒102 之间的橡胶筒103。橡胶筒103的外表面与外钢套筒101的内表面硫化粘接；橡胶筒103 的内表面与内钢套筒102的外表面硫化粘接。单个靠船件的工作原理可以由图1B所示：当内钢套筒102前端受到靠泊船只的冲撞力F1时，由于橡胶筒103的柔性和内钢套筒102 的回收，最大冲撞力受到限制，冲撞能量被储存于变形的橡胶筒103体内。当冲撞力F1 消失后，储存于变形后的橡胶筒103体内的能量迅速转化为橡胶筒103的回复力，使橡胶筒103恢复到其原始状态，如图1A所示。

最大单个靠船件能够承受200吨以上的冲撞力。该装置是成熟并久经考验的产品，在海洋工程领域已广泛成功应用了60多年，可在恶劣海上工作环境下30年无需维护并保持其基本功能。超过二万件以上的靠船件已经成功地在世界海域海上固定式平台上应用。橡胶与金属的硫化粘连技术已有上百年的历史，成熟、安全、可靠。但是，目前该装置只能用于被动式地吸收冲撞能量，而不能像传统液压缸一样主动输出机械动能。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种全密封无活塞压力缸，该无活塞压力缸能够主动输出机械动能并能够取代绝大多数传统压力缸。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种全密封无活塞压力缸，包括外缸套筒和柔性可伸缩的全封闭压力腔体；所述全封闭压力腔体包括至少一个柔性可伸缩单元、前密封部件和后密封部件；所述柔性可伸缩单元包括前外套筒和后外套筒，在所述前外套筒和所述后外套筒的内部设有同轴且较短的一个内套筒，在所述内套筒的外侧中部固接有环型受夹部件，在所述前外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的前橡胶环，在所述后外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的后橡胶环，所述前橡胶环和所述后橡胶环分别设置在所述环型受夹部件的两侧；所述后外套筒和所述后橡胶环形成柔性可伸缩的后压力腔，所述前外套筒和所述前橡胶环形成柔性可伸缩的前压力腔，所述前压力腔和所述后压力腔通过所述内套筒连接；所述前密封部件和所述后密封部件将所有所述柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔密封成一个柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔；所述全封闭压力腔与工作介质进出管口连接；所述全封闭压力腔体可滑动地插装在所述外缸套筒中，在所述外缸套筒的前端内侧设有限位结构，所述外缸套筒的后端与所述后密封部件固接。

在所述全封闭压力腔体外和所述外缸套筒内之间具有相对运动的接触面上安装有减摩部件。

所述环型受夹部件为环型夹块；所述前外套筒和所述后外套筒并列设置，由所述后外套筒和所述内套筒以及所述环型受夹部件形成的可伸缩环型槽构成后橡胶环变形引导槽，由所述前外套筒和所述内套筒以及所述环型受夹部件形成的可伸缩环型槽构成前橡胶环的变形引导槽，所述后压力腔位于所述后橡胶环的后方、所述后外套筒的内部，所述前压力腔位于所述前橡胶环的前方、所述前外套筒的内部。

所述全封闭压力腔体采用一个柔性可伸缩单元，所述前密封部件为前顶头，所述后密封部件为后缸盖，所述一个柔性可伸缩单元的后外套筒的后端与所述后缸盖的前端面密封固接，所述一个柔性可伸缩单元的前外套筒的前端与所述前顶头的后端密封固接，所述一个柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔构成所述全封闭压力腔。

所述全封闭压力腔体包括至少两个柔性可伸缩单元，所述前密封部件为前顶头，所述后密封部件为后缸盖，所有所述柔性可伸缩单元串联，其中相邻的两个柔性可伸缩单元，在后的柔性可伸缩单元的前外套筒和在前的柔性可伸缩单元的后外套筒相对焊接；位于最后方的柔性可伸缩单元的后外套筒的后端与所述后缸盖密封固接，位于最前方的柔性可伸缩单元的前外套筒的前端与所述前顶头密封固接，所有所述柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔构成所述全封闭压力腔。

所述全封闭压力腔体采用一个柔性可伸缩单元，所述环型受夹部件为环型夹板，所述前外套筒和所述后外套筒被所述环型夹板隔开，在所述环型夹板的后方形成有可伸缩的后橡胶环变形引导槽，在所述环型夹板的前方形成有可伸缩的前橡胶环变形引导槽。

所述后密封部件为后缸盖，所述前密封部件为前密封盖，所述前密封盖密封固接在所述前外套筒内部，所述后缸盖与所述后外套筒的后端密封固接，所述前压力腔和所述后压力腔构成所述全封闭压力腔。

所述后密封部件为后缸盖，所述前密封部件为前顶头，所述环型夹板设有外套筒，所述环型夹板的外套筒可滑动地设置在所述外缸套筒与所述前外套筒和所述后外套筒之间；所述前顶头的后端与所述前外套筒的前端密封固接，所述后缸盖的前端面与所述后外套筒的后端密封固接，所述前压力腔和所述后压力腔构成所述全封闭压力腔。

在所述前密封部件和所述后密封部件之间设有复位拉簧。

所述后橡胶环的后侧面以及所述前橡胶环的前侧面均采用环形凹曲面。

在所述前橡胶环的前侧设有前固定环，所述前固定环与所述前外套筒内表面和所述前橡胶环分别硫化粘接，在所述后橡胶环的后侧设有后固定环，所述后固定环与所述后外套筒内表面和所述后橡胶环分别硫化粘接；所述前橡胶环与所述前外套筒和所述内套筒分别硫化粘接；所述后橡胶环与所述后外套筒和所述内套筒分别硫化粘接。

所述减摩部件为塑料套筒。

所述减摩部件是采用超高分子量聚乙烯材料制成的。

所述密封固接为焊接或法兰连接。

上述全密封无活塞压力缸的使用方法，该无活塞压力缸作为液压缸使用，所述液压缸通过回转式容积泵传输工作介质。

所述回转式容积泵在所述液压缸推进过程中正向旋转将工作介质注入所述全封闭压力腔，在所述液压缸回程过程中反向旋转将工作介质抽出所述全封闭压力腔。

上述全密封无活塞压力缸的使用方法，该无活塞压力缸作为气压缸使用，所述气压缸采用空压机提供工作介质。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)利用橡胶优良的伸缩性能使得压力缸的全封闭压力腔体本身具备伸缩功能，从而实现了液压能或气压能与机械动能的直接转化，并从构造上省去了活塞、活塞杆和密封圈，使得压力缸的整体结构更加简单和可靠，并且无需精密机械加工，降低了液压缸或气压缸的整体制造成本，提高了液压缸或气压缸的整体可靠性。

二)由于压力缸的全封闭压力腔体不存在具有相对运动而需要液压油润滑的接触面，因此，可以采用普通水或空气取代液压油作为动力传送介质。从而可以：1)降低成本；2)免除液压油品种、规格选择和维护的麻烦；3)消除环境污染的风险和发生火灾的安全隐患；4)在水下作业时可直接从周围取水，而无需通过液压管线从地面输入和输出液压油。

三)无活塞压力缸可以直接作为气压缸使用，从而在应用中提供了更多的灵活性。

附图说明

图1A为单个靠船件处于初始状态时的剖视图；

图1B为单个靠船件处于受力状态时的剖视图；

图2A为本发明实施例1的单个柔性可伸缩单元的剖视图；

图2B为本发明实施例1的采用单个柔性可伸缩单元的全封闭压力腔体的剖视图；

图2C为本发明实施例1采用单个柔性可伸缩单元的压力缸在初始状态的剖视图；

图2D为图2C的A-A剖示图；

图2E为本发明实施例1采用单个柔性可伸缩单元的压力缸在低内压推进状态下的剖视图；

图2F为本发明实施例1采用单个柔性可伸缩单元的压力缸在高内压推进状态下的剖视图；

图3A为本发明实施例1采用两个串联柔性可伸缩单元的剖视图；

图3B为本发明实施例1采用两个串联柔性可伸缩单元的全封闭压力腔体的剖视图；

图3C为本发明实施例1采用两个串联柔性可伸缩单元的压力缸在推进状态下的剖视图；

图4A为本发明实施例2的I型压力缸柔性可伸缩单元的剖视图；

图4B为本发明实施例2的I型压力缸处于初始状态时的剖视图；

图4C为本发明实施例2的I型压力缸处于最大冲程状态时的剖视图；

图5A为本发明实施例2的Ⅱ型压力缸柔性可伸缩单元的剖视图；

图5B为本发明实施例2的Ⅱ型压力缸处于推进状态下的剖视图；

图6为本发明增加复位拉簧后变型为单冲程液压缸的剖示图。

图中：

101、外钢套筒，102、内钢套筒，103、橡胶筒；

210、外缸套筒，211、限位结构，212、塑料内套管；

220、全封闭压力腔体；

221、柔性可伸缩单元，2211、前外套筒，2212、后外套筒，2213、内套筒，2214、环形夹块，2215、前橡胶环，2216、后橡胶环，2217、环形焊缝，2218、前固定环，2219、后固定环，222、后缸盖，223、前顶头，224、全封闭压力腔，230、工作介质进出管口； 240、复位拉簧；

310、外缸套筒，311、限位结构，312、塑料内套管；320、柔性可伸缩单元，321、前外套筒，322、后外套筒，323、内套筒，324、环型夹板，3241、外套筒，325、前橡胶环，326、后橡胶环，327、后固定环，328、前固定环；330、后缸盖，340、全封闭压力腔，350、工作介质进出管口，360、塑料外套管；370、前密封盖，380、前顶头。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅附图，一种全密封无活塞压力缸，本发明的构思为：采用柔性可伸缩的全封闭压力腔体实现液压能或气压能和机械动能的直接转化，从构造上省去活塞、活塞杆和密封圈。

采用的技术方案为：一种全密封无活塞压力缸，包括外缸套筒和柔性可伸缩的全封闭压力腔体；所述全封闭压力腔体包括至少一个柔性可伸缩单元、前密封部件和后密封部件。

所述柔性可伸缩单元包括前外套筒和后外套筒，在所述前外套筒和所述后外套筒的内部设有同轴且较短的一个内套筒，在所述内套筒的外侧中部固接有环型受夹部件，在所述前外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的前橡胶环，在所述后外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的后橡胶环，所述前橡胶环和所述后橡胶环分别设置在所述环型受夹部件的两侧；所述后外套筒和所述后橡胶环形成柔性可伸缩的后压力腔，所述前外套筒和所述前橡胶环形成柔性可伸缩的前压力腔，所述前压力腔和所述后压力腔通过所述内套筒连接。

所述前密封部件和所述后密封部件将所有所述柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔密封成一个柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔；所述全封闭压力腔与工作介质进出管口连接。

所述全封闭压力腔体可滑动地插装在所述外缸套筒中，在所述外缸套筒的前端内侧设有限位结构，所述外缸套筒的后端与所述后密封部件固接。

实施例1：

请参阅图2A～图2F以及图3A～图3C，一种全密封无活塞压力缸，包括外缸套筒210和柔性可伸缩的全封闭压力腔体220。

在本实施例中，所述环型受夹部件采用较厚的环型夹块2214，所述前密封部件为前顶头223，所述后密封部件为后缸盖222。

所述全封闭压力腔体220是采用后缸盖222、前顶头223和至少一个柔性可伸缩单元 221构成的。

所述柔性可伸缩单元221包括并列的前外套筒2211和后外套筒2212，在所述前外套筒2211和所述后外套筒2212的内部设有与它们同轴的一个内套筒2213，在所述内套筒2213的外侧中部固接有环形夹块2214，在所述前外套筒2211与所述内套筒2213之间设有与它们硫化固接的前橡胶环2215，在所述后外套筒2212与所述内套筒2213之间设有与它们硫化固接的后橡胶环2216，所述前橡胶环2215和所述后橡胶环2216分别设置在所述环形夹块2214的两侧，所述内套筒2213和所述环形夹块2214是所述前橡胶环2215 和所述后橡胶环2216的随动部件，也是所述前橡胶环2215和所述后橡胶环2216的变形引导部件。由所述后外套筒2212和所述内套筒2213以及所述环形夹块2214形成的可伸缩环型槽构成所述后橡胶环2216的变形引导槽，由所述前外套筒2211和所述内套筒2213 以及所述环形夹块2214形成的可伸缩环型槽构成所述前橡胶环2215的变形引导槽，在所述后外套筒2212的内部、在所述后橡胶环2216的后方形成有柔性可伸缩的后压力腔，在所述前外套筒2211的内部、在所述前橡胶环2215的前方形成有柔性可伸缩的前压力腔，所述前压力腔和所述后压力腔通过所述内套筒2213连通。

请参见图2B，当所述全封闭压力腔体220采用一个柔性可伸缩单元221时，所述一个柔性可伸缩单元221的后外套筒2212的后端与所述后缸盖222的前端面固接，所述一个柔性可伸缩单元221的内套筒2213的后端与所述后缸盖222的前端面分离，所述一个柔性可伸缩单元221的前外套筒2211的前端与所述前顶头223的后端固接，所述一个柔性可伸缩单元221的内套筒2213的前端与所述前顶头223的后端分离，所述一个柔性可伸缩单元221的前压力腔和后压力腔构成柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔224。

请参见图3B，当所述全封闭压力腔体220采用至少两个所述柔性可伸缩单元221时，所有所述柔性可伸缩单元221串联，其中相邻的两个柔性可伸缩单元221，在后的柔性可伸缩单元221的前外套筒2211和在前的柔性可伸缩单元的后外套筒2212相对焊接，采用环形焊缝2217连接，在后的柔性可伸缩单元的内套筒2213和在前的柔性可伸缩单元的内套筒2213分离；位于最后方的柔性可伸缩单元的后外套筒2212的后端与所述后缸盖222的前端面密封固接，位于最后方的柔性可伸缩单元的内套筒2213的后端与所述后缸盖222的前端面分离；位于最前方的柔性可伸缩单元的前外套筒2211的前端与所述前顶头223的后端密封固接，位于最前方的柔性可伸缩单元的内套筒2213的前端与所述前顶头223的后端分离，所有所述柔性可伸缩单元221的前压力腔和后压力腔构成柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔224。上述密封固接的形式可以是焊接也可以是法兰连接。

所述全封闭压力腔体220插装在所述外缸套筒210中，所述后缸盖222的前端面与所述外缸套筒210的后端固接，所述一个柔性可伸缩单元221或至少两个串联的所述柔性可伸缩单元221以及所述前顶头223与所述外缸套筒210滑动连接，在所述外缸套筒 210的前端内侧设有限位台阶211，所述全封闭压力腔224的后端与工作介质进出管口230 连接，所述工作介质进出管口230固定在所述外缸套筒210上。

请参阅图2A～2F，采用一个柔性可伸缩单元221的压力缸的最大冲程只能达到其自身长度的20％～25％。请参阅图3A～3C，当压力缸采用两个柔性可伸缩单元221时，最大冲程可以达到其自身长度的30％左右。压力缸也可以采用两个以上的柔性可伸缩单元221的串联连接。

上述环形夹块2214可以是刚性结构如钢制结构，也可以依据需求采用柔性结构如塑料或硬橡胶等。环形夹块2214固定在内套筒2213的外表面上，与前橡胶环2215和后橡胶环2216以及前外套筒2211和后外套筒2212不连接，前橡胶环2215的后侧面吻合地贴在环形夹块2214的前侧面上，后橡胶环2216的前侧面吻合地贴在环形夹块2214的后侧面上。为了便于前橡胶环2215和后橡胶环2216产生变形，所述后橡胶环2216的后侧面以及所述前橡胶环2215的前侧面均可采用环形凹曲面。

请参见图6，以采用一个柔性可伸缩单元221的压力缸为例，为了增强压力缸的回程能力，在所述后缸盖222和所述前顶头223之间设置复位拉簧240。该压力缸的回程回复力源于二个方面：1)复位拉簧240提供的回复力；2)在向前推进过程中，前橡胶环2215 和后橡胶环2216由于拉伸而存储在其体内的弹性回复力。同理，在采用至少两个柔性可伸缩单元221的压力缸中也可以同样设置复位拉簧240。

为了增强前橡胶环2215和后橡胶环2216外侧固定的牢固性，在所述前橡胶环2215的前侧设有前固定环2218，所述前固定环2218内侧表面与所述前外套筒2211内壁表面和所述前橡胶环2215硫化固接，在所述后橡胶环2216的后侧设有后固定环2219，所述后固定环2219内侧表面与所述后外套筒2212内壁表面和所述后橡胶环2216硫化固接。更具体地，所述前固定环2218和所述后固定环2219均采用钢环，所述前固定环2218的外侧与所述前外套筒2211的内壁固接，所述前固定环2218的后侧与所述前橡胶环2215 硫化粘接；所述后固定环2219的外侧与所述后外套筒2212的内壁固接，所述后固定环 2219的后侧与所述后橡胶环2216硫化粘接。同样地，所述前外套筒2211和所述后外套筒2212采用钢套筒，所述前橡胶环2215与所述前外套筒2211和所述内套筒2213外表面分别硫化粘接；所述后橡胶环2216与所述后外套筒2212和所述内套筒2213外表面分别硫化粘接。

本实施例所述无活塞压力缸采用无相对运动接触面的全封闭压力腔体220，将相对运动接触面设置在全封闭压力腔体220的外面。在全封闭压力腔体220外面的相对运动接触面同样需要考虑如何降低接触面摩擦系数的问题。为了降低接触面的摩擦系数，可以在所述外缸套筒210的内壁上固定塑料内套管212，所述塑料内套管212设置在所述外缸套筒210的滑动配合面上。塑料内套管212可以采用超高分子量聚乙烯材料(“UHMWPE”既Ultra-high Molecular Weight PE，亦称为PE板)来降低接触面摩擦系数。这种塑料具有及其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料。它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑并具有各种环境下的低摩擦系数、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等性能。为了更进一步地降低接触面的摩擦系数，可以在所述塑料内套管212的内侧面上涂刷润滑油，形成润滑油层。

本实施例的工作原理：

请参见图2E，以采用一个柔性可伸缩单元221的压力缸为例，当压力缸处于低内压推进状态时，前橡胶环2215和后橡胶环2216在内压力下产生初步自由变形(与图2C所示的状态相比)。前顶头223在内部压力的驱使下向前推进。由于前橡胶环2215和后橡胶环2216在低内压的驱使下开始产生大小一致但方向相反的变形，因此导致二者作用在环形夹块2214两侧的力大小相等方向相反，以至相互抵消。在这个变形状态下，前橡胶环2215和后橡胶环2216都处于剪切力为主的受力状态，在这种状态下，它们的变形与其厚度有密切关系。当厚度减小时，它们能够在低内压的条件下能够产生较大的变形，但是当前橡胶环2215和后橡胶环2216的厚度变小时，在压力缸推进时，它们能够储存的能量有限，在回程过程中有可能不能够提供足够的回复力。只有在对回程回复力要求低或者能够通过其他方法获得所需回程回复力的情况下，才可以降低它们的厚度。

橡胶和水都有一个共同的特性，就是在压力作用下，体积是不可压缩的。当前橡胶环2215和后橡胶环2216按照全封闭压力腔224的设计而产生引导式变形并完全贴附于环形夹块2214的两侧和前外套筒2211和后外套筒2212的内壁表面上后，本发明所述无活塞压力缸和传统液压缸一样，全封闭压力腔体的体积变化与内压力无关，只与注入工作介质的容积有关，因此能够采用容积泵精确控制前顶头223向前推进的位移。

请参阅图2F，压力缸处于高内压推进状态。前橡胶环2215和后橡胶环2216在高内压作用下、在全封闭压力腔224内部结构的引导下各自完成引导式变形(与图2C所示状态相比)。前顶头223在内部压力的驱使下向前推进，同时内部压力由于注入液体容量的增加而相应地增加。前橡胶环2215和后橡胶环2216在高内压的驱使下开始产生较大变形，完全贴附于环形夹块2214的两侧和前外套筒2211和后外套筒2212的内壁表面上。在这个变形状态下，前橡胶环2215和后橡胶环2216都处于正压力为主的受力状态，而橡胶的抗压能力非常强，且与其厚度无关，因此无活塞压力缸的最大抗压能力由前外套筒2211和后外套筒2212的抗压能力决定，而前外套筒2211和后外套筒2212通常采用钢制套筒，因此无活塞压力缸的最大抗压能力与传统液压缸或传统气压缸的最大抗压能力基本相同。当无活塞压力缸处于高内压推进状态时，前固定环2218和后固定环2219 处于受拉状态，前橡胶环2215和后橡胶环2216也受到拉伸，但是橡胶具有良好的伸展特性，它通常允许自身长度500％的拉伸而不会破损，前橡胶环2215和后橡胶环2216在压力缸处于最大冲程的状态下所产生的拉伸长度明显低于这个拉伸允许值。

综上所述，本实施例所述无活塞压力缸在结构设计上有三大特点：

一)利用现有成熟的橡胶与金属粘合技术和橡胶优良的伸缩性能，使得压力缸的全封闭压力腔体本身具备伸缩功能，并实现了腔体的全封闭，从而取消了对活塞、活塞杆、密封圈的需求，进而使压力缸的工作介质可以采用普通水或空气。

二)所有具有相对运动的摩擦面都被设计在全封闭压力腔体的外面。

三)利用引导式变形设计，使得全封闭压力腔体内的前橡胶环2215和后橡胶环2216 按预设结构变形，从而将橡胶环体内剪切应力的全部以及拉伸应力的大部分转变为正压应力，从而大幅度地提高了橡胶环的抗压能力，使其抗压能力与前外套筒2211和后外套筒2212一致。

传统液压缸有四种常见的应用：水下应用、作为气压缸应用、作为单冲程液压缸的应用和作为双冲程液压缸的应用。下面针对这四种应用，将本发明所述无活塞压力缸和传统液压缸进行对比。

一)水下应用

无活塞压力缸采用海水作为工作介质在水下应用时，比传统液压缸有明显优势。首先，无活塞压力缸的应用与水深无关。在水下使用前，在工作介质进出管口230的管线上设置泄水阀门，打开后可使缸内压力与周围海水的压力一致，在推进前，将该泄水阀门关闭。需要回程时，只需打开与外部海水直接连通的泄水阀门释放缸内的高压海水，整个回程就可以自动完成，从而使无活塞压力缸回复到初始状态。回到初始状态后再将泄水阀门关闭，以备泵入海水进行下一次推进。

无活塞压力缸在水下应用时，回复力源于二个因素：1)全封闭压力腔体内的海水压力大于缸体外部的海水压力，泄水阀门打开后缸内高压海水会自动流出以达到压力平衡； 2)向前推进过程中储存于前橡胶环2215和后橡胶环2216体内的橡胶弹性回复力。

二)无活塞压力缸作为气压缸应用

传统气压缸的密封圈还是需要液压油来润滑的。所以传统气压缸通常采用液压和气压混合系统：用液压油来润滑密封圈，再在液压基础上用气压来完成推进和回程。

本发明所述无活塞压力缸在陆上应用最简单和直接的方式就是用于气动系统。采用开放式结构，在工作介质进出管口230的管线上设置泄气阀门和打压阀门，利用空压机在空气中吸气，通过泄气阀门直接在空气中排气，不需要配置压力气源和输气管线。

由于无活塞压力缸采用了全封闭压力腔体，没有密封圈，作为气压缸使用，可提高气压系统的整体安全性、可靠性和工作效能，可以采用空压机提供工作介质，与传统气压缸相比，具有明显优势。

三)作为单冲程液压缸应用

当液压缸对回程位移精度要求不高时，传统液压缸可采用单冲程液压缸。单冲程液压缸通常只有一个工作介质进出管口。传统单冲程液压缸回程的回复力通常都是由缸体内安装的弹簧来完成。

如本发明所述无活塞压力缸对回复力有更高要求时，也可以加装复位拉簧240，变型成单冲程液压缸，请参见图6。

四)作为双冲程液压缸应用

传统双冲程液压缸通常采用容积泵进行控制，其最大特点就是能够对流量传递进行与缸内压力无关的精确控制。由于活塞安装了密封环，因此需要两个封闭的液压流体腔，一个通过液压油的精确注入来完成推进过程，另一个通过液压油的精确注入来完成液压缸的回复过程。通常传统双冲程液压缸不允许采用将液压油等容积抽出的方法来实现回程，以避免在缸体内产生非常高的脉冲式负压。而本实施例所述无活塞压力缸最理想的配套是回转式容积泵，只需要一个工作介质进出管口，推进时，容积泵正向旋转从进出管口将工作介质等容积注入；在回程时，容积泵反向旋转从同一个进出管口将工作介质等容积抽出。综上所述，该无活塞压力缸可以作为液压缸使用，所述液压缸可以通过回转式容积泵传输工作介质，具体工作方式为：所述回转式容积泵在所述液压缸推进过程中正向旋转将工作介质注入所述全封闭压力腔，在所述液压缸回程过程中反向旋转将工作介质抽出所述全封闭压力腔。

本实施例所述无活塞压力缸与传统双冲液压缸在结构上有以下三个明显不同之处： 1)采用全封闭压力腔体，全密封，无密封圈；2)全封闭压力腔体是柔性的，不是刚性的；3)在全封闭压力腔体内设有储存液体的初始空间并持续保持一定的液体储存，能够避免在回程中抽出工作介质时出现脉冲式的高负压。因此，本发明所述无活塞压力缸回程利用容积泵反转回抽是可行的。

实施例2：

请参阅图4A～图4C以及图5A～图5B，一种冲程加长型全密封无活塞压力缸，包括外缸套筒310和一个柔性可伸缩的全封闭压力腔体。

本实施例的柔性可伸缩的全封闭压力腔体与实施例1的稍有不同。在本实施例中，所述环型受夹部件采用较薄的环型夹板324，所述前密封部件为前顶头380或前密封盖370，所述后密封部件为后缸盖330。

所述全封闭压力腔体是采用后缸盖330、前密封部件和一个柔性可伸缩单元320构成的。

所述柔性可伸缩单元320包括前外套筒321和后外套筒322，所述前外套筒321和所述后外套筒322采用环型夹板324隔开，在所述前外套筒321和所述后外套筒322的内部设有与它们同轴的一个内套筒323，所述内套筒323的中部外侧与所述环型夹板324 的内侧固接，在所述前外套筒321与所述内套筒323之间设有与它们固接的前橡胶环325，在所述后外套筒322与所述内套筒323之间设有与它们固接的后橡胶环326，所述前橡胶环325和所述后橡胶环326分别设置在所述环型夹板324的两侧。在所述环型夹板324 的后方形成有可伸缩的后橡胶环变形引导槽，在所述环型夹板324的前方形成有可伸缩的前橡胶环变形引导槽。所述后外套筒322和所述后橡胶环326形成柔性可伸缩的后压力腔，所述前外套筒321和所述前橡胶环325形成柔性可伸缩的前压力腔，所述前压力腔和所述后压力腔通过所述内套筒323连接。

所述后缸盖330与所述后外套筒322的后端密封固接，所述前密封部件固接在所述前外套筒321上，所述前密封部件位于所述前橡胶环325的前方，所述内套筒323与所述前密封部件和所述后缸盖330是分离的，所述前压力腔和所述后压力腔构成柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔340。

所述全封闭压力腔体插装在所述外缸套筒310中，所述后缸盖330的前端面与所述外缸套筒310的后端固接，所述柔性可伸缩单元320与所述外缸套筒310滑动连接，在所述外缸套筒310的前端内侧设有限位结构311，在所述后缸盖330上连接有与所述全封闭压力腔340连接的工作介质进出管口350。

参阅图4A～4C，I型压力缸采用前密封盖370作为所述前密封部件，所述前密封盖370密封固接在所述前外套筒321内部。前密封盖370采用椭圆形球冠结构，凹面朝前。 I型压力缸的最大冲程可以达到其自身长度的65％左右。

请参阅图5A～5B，Ⅱ型压力缸采用前顶头380作为前密封部件，其最大冲程可以达到其自身长度的50％左右。所述环型夹板324设有外套筒3241，所述环型夹板的外套筒3241可滑动地设置在所述外缸套筒310与所述前外套筒321和所述后外套筒322之间。

上述环型夹板324可以是刚性结构如钢制结构，也可以依据需求采用柔性结构如塑料或硬橡胶等。环型夹板324固定在内套筒323的外表面上，与前橡胶环325和后橡胶环326以及前外套筒321和后外套筒322不连接，前橡胶环325的后侧面贴在环型夹板 324的前侧面上，后橡胶环326的前侧面贴在环型夹板324的后侧面上。

与实施例1相同的是，所述后橡胶环326的后侧面以及所述前橡胶环325的前侧面均可采用环形凹曲面；在所述前橡胶环325的前侧设有前固定环328，在所述后橡胶环 326的后侧设有后固定环327，前固定环328和后固定环327的连接方式与实施例1相同。

请参阅图5A～图5B，在前外套筒321和后外套筒322靠近环形夹板324的端面上设有坡口，前橡胶圈325与前外套筒321的内表面、前固定环328的后侧面以及前外套筒 321的后坡面分别硫化粘接，同样地，后橡胶圈326与后外套筒322的内表面、后固定环 327的前侧面以及后外套筒322的前坡面分别硫化粘接。

为了降低接触面的摩擦系数，可以在所述外缸套筒310的内壁上固定塑料内套管312，在所述前外套筒321或其前密封部件的滑动配合面上固接有塑料外套管360。塑料内套管312和塑料外套管360可以采用超高分子量聚乙烯材料。为了更进一步地降低接触面的摩擦系数，可以在所述塑料内套管312的内侧表面上或所述塑料外套管360的外侧表面上涂刷润滑油，形成润滑油层。

请参见图4C，在Ⅰ型压力缸推进的过程中，内压力将前橡胶环325和后橡胶环326的受力状态从起初的受剪切力改变成以受正压力为主加上有限正拉力的受力状态。在Ⅰ型压力缸达到最大冲程时，内压力将前橡胶环325和后橡胶环326挤压至塑料内套筒312 上，内压力通过塑料内套筒312传递到外缸套筒310的内表面，因此采用这种结构，需要将外缸套筒310设计为承受压力的部件。请参见图5B，环形夹板324设有外套筒3241，当环形夹板324采用刚性结构时，外缸套筒310的内表面不承受压力，压力由环形夹板的外套筒3241内表面承受；当环形夹板324采用柔性结构时，压力由外缸套筒310的内表面承受。

当前橡胶环325和后橡胶环326按照全封闭压力腔340的设计而产生引导式变形并完全贴附在刚性结构上时，本发明所述无活塞压力缸和传统液压缸一样，全封闭压力腔体的体积变化与内压力无关，只与注入工作介质的容积有关，因此能够采用容积泵精确控制压力缸的输出位移。

本实施例具有和实施例1相同的三大特点以及应用上的优势。

综上所述，本发明所述无活塞压力缸不仅具有将液压能或气压能转化为机械动能的结构，还具有导向控制结构和最大冲程的限位结构；最大冲程可以与传统液压缸接近；液压缸的抗压能力取决于前外套筒和后外套筒的抗压能力，而不受制于前橡胶环和后橡胶环的抗压能力，因此可以取代绝大多数传统液压缸和气压缸，并在水下应用和气压传动领域的应用中，具有明显优于传统液压缸和气压缸的特性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种全密封无活塞压力缸，其特征在于，包括外缸套筒和柔性可伸缩的全封闭压力腔体；所述全封闭压力腔体包括至少一个柔性可伸缩单元、前密封部件和后密封部件；

所述柔性可伸缩单元包括前外套筒和后外套筒，在所述前外套筒和所述后外套筒的内部设有同轴且较短的一个内套筒，在所述内套筒的外侧中部固接有环型受夹部件，在所述前外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的前橡胶环，在所述后外套筒与所述内套筒之间设有与它们固接的后橡胶环，所述前橡胶环和所述后橡胶环分别设置在所述环型受夹部件的两侧；所述后外套筒和所述后橡胶环形成柔性可伸缩的后压力腔，所述前外套筒和所述前橡胶环形成柔性可伸缩的前压力腔，所述前压力腔和所述后压力腔通过所述内套筒连接；

所述前密封部件和所述后密封部件将所有所述柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔密封成一个柔性可伸缩的、无相对运动接触面的全封闭压力腔；所述全封闭压力腔与工作介质进出管口连接；

所述全封闭压力腔体可滑动地插装在所述外缸套筒中，在所述外缸套筒的前端内侧设有限位结构，所述外缸套筒的后端与所述后密封部件固接。

2.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，在所述全封闭压力腔体外和所述外缸套筒内之间具有相对运动的接触面上安装有减摩部件。

3.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述环型受夹部件为环型夹块；所述前外套筒和所述后外套筒并列设置，由所述后外套筒和所述内套筒以及所述环型受夹部件形成的可伸缩环型槽构成后橡胶环变形引导槽，由所述前外套筒和所述内套筒以及所述环型受夹部件形成的可伸缩环型槽构成前橡胶环的变形引导槽，所述后压力腔位于所述后橡胶环的后方、所述后外套筒的内部，所述前压力腔位于所述前橡胶环的前方、所述前外套筒的内部。

4.根据权利要求3所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述全封闭压力腔体采用一个柔性可伸缩单元，所述前密封部件为前顶头，所述后密封部件为后缸盖，所述一个柔性可伸缩单元的后外套筒的后端与所述后缸盖的前端面密封固接，所述一个柔性可伸缩单元的前外套筒的前端与所述前顶头的后端密封固接，所述一个柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔构成所述全封闭压力腔。

5.根据权利要求3所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述全封闭压力腔体包括至少两个柔性可伸缩单元，所述前密封部件为前顶头，所述后密封部件为后缸盖，所有所述柔性可伸缩单元串联，其中相邻的两个柔性可伸缩单元，在后的柔性可伸缩单元的前外套筒和在前的柔性可伸缩单元的后外套筒相对焊接；位于最后方的柔性可伸缩单元的后外套筒的后端与所述后缸盖密封固接，位于最前方的柔性可伸缩单元的前外套筒的前端与所述前顶头密封固接，所有所述柔性可伸缩单元的前压力腔和后压力腔构成所述全封闭压力腔。

6.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述全封闭压力腔体采用一个柔性可伸缩单元，所述环型受夹部件为环型夹板，所述前外套筒和所述后外套筒被所述环型夹板隔开，在所述环型夹板的后方形成有可伸缩的后橡胶环变形引导槽，在所述环型夹板的前方形成有可伸缩的前橡胶环变形引导槽。

7.根据权利要求6所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述后密封部件为后缸盖，所述前密封部件为前密封盖，所述前密封盖密封固接在所述前外套筒内部，所述后缸盖与所述后外套筒的后端密封固接，所述前压力腔和所述后压力腔构成所述全封闭压力腔。

8.根据权利要求6所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述后密封部件为后缸盖，所述前密封部件为前顶头，所述环型夹板设有外套筒，所述环型夹板的外套筒可滑动地设置在所述外缸套筒与所述前外套筒和所述后外套筒之间；所述前顶头的后端与所述前外套筒的前端密封固接，所述后缸盖的前端面与所述后外套筒的后端密封固接，所述前压力腔和所述后压力腔构成所述全封闭压力腔。

9.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，在所述前密封部件和所述后密封部件之间设有复位拉簧。

10.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述后橡胶环的后侧面以及所述前橡胶环的前侧面均采用环形凹曲面。

11.根据权利要求1所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，在所述前橡胶环的前侧设有前固定环，所述前固定环与所述前外套筒内表面和所述前橡胶环分别硫化粘接，在所述后橡胶环的后侧设有后固定环，所述后固定环与所述后外套筒内表面和所述后橡胶环分别硫化粘接；所述前橡胶环与所述前外套筒和所述内套筒分别硫化粘接；所述后橡胶环与所述后外套筒和所述内套筒分别硫化粘接。

12.根据权利要求2所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述减摩部件为塑料套筒。

13.根据权利要求2或12所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述减摩部件是采用超高分子量聚乙烯材料制成的。

14.根据权利要求4、权利要求5、权利要求7和权利要求8中任意一项所述的全密封无活塞压力缸，其特征在于，所述密封固接为焊接或法兰连接。

15.一种如权利要求1所述全密封无活塞压力缸的使用方法，其特征在于，该无活塞压力缸作为液压缸使用，所述液压缸通过回转式容积泵传输工作介质。

16.根据权利要求15所述的全密封无活塞压力缸的使用方法，其特征在于，所述回转式容积泵在所述液压缸推进过程中正向旋转将工作介质注入所述全封闭压力腔，在所述液压缸回程过程中反向旋转将工作介质抽出所述全封闭压力腔。

17.一种如权利要求1所述全密封无活塞压力缸的使用方法，其特征在于，该无活塞压力缸作为气压缸使用，所述气压缸采用空压机提供工作介质。