CN108895048B - 一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器 - Google Patents

Abstract

一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器，属于深海液压伺服领域，包括液压缸筒、压力平衡保护罩、活塞杆组合、压力平衡结构、阀块、阀块支架及缸底一体结构、端盖和位移测量结构。该发明的有益之处为：本发明采用压力平衡结构中的波纹管以及活塞杆组合，实现对压力平衡保护罩内的压力补偿，使压力平衡保护罩内压力与海水压力相等；综合利用波纹管结构、活塞杆组合结构等实现压力补偿，并且配合液压缸筒、压力平衡保护罩、阀块、阀块支架及缸底一体结构、端盖和位移测量结构实现深海环境正常作业。

Description

一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器

技术领域

本发明涉及一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器，具体地说是由动力油源、阀块、液压缸、波纹管式平衡阀等装置组成，属于深海液压伺服领域。

背景技术

在深海大压力环境下，如果增加装备外部包装壳的抗压能力，则会大大增加水下装置的质量、体积及成本(采用钛合金等材料，价格昂贵)，因此，要满足水下仪器装备体积小、质量小的要求，在工程上优先考虑压力平衡的方法解决海水大压力问题。目前，常用的压力平衡方式可分为两类，一类是利用弹性元件的变形，如皮囊式、金属薄膜式(或称补偿膜)及波纹管式；另一类则是在海水压力的作用下利用活塞的往复移动来平衡海水压力-浮动活塞式。本文为了使液压舵机能够在深海环境中正常的工作，设计了一种基于波纹管压力平衡式液压舵机。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器，包括液压缸筒、压力平衡保护罩、活塞杆组合、压力平衡结构、阀块、阀块支架及缸底一体结构、端盖和位移测量结构，所述液压缸筒包括液压缸筒端盖、筒壁、法兰连接底座，所述筒壁为圆柱形，其两端各设有一个液压缸筒端盖，所述液压筒端盖底座底侧设有法兰连接底座，所述法兰连接底座连接到船体上；所述液压缸筒的一侧液压缸筒端盖与端盖法兰连接，所述液压缸筒的另一侧液压缸筒端盖与阀块支架及缸底一体结构的缸底之间采用法兰连接，所述阀块支架及缸底一体结构的缸底和阀块支架为一体，阀块支架远离缸底的一端连接着阀块，所述阀块和阀块支架及缸底一体结构的外围包裹着压力平衡保护罩，所述压力平衡保护罩的一端和缸底焊接，另一端与压力平衡结构焊接，所述活塞杆组合位于液压缸筒和阀块支架及缸底一体结构组成的空腔内，所述位移测量结构设置于活塞杆组合内部靠近阀块的一端。

优选的，所述液压缸筒还包括横梁A、横梁B、前侧内置油路和后侧内置油路，所述横梁A设置于筒壁远离法兰连接底座的一侧，所述横梁B设置于横梁A的相对侧，即靠近法兰连接底座的一侧，所述前侧内置油路内嵌于液压缸筒的实体中，首先穿过阀块支架及缸底一体结构的缸底，再通过一侧液压缸筒端盖，经过横梁A内部，再通过另一侧液压缸筒端盖，再经过横梁B内部，穿过向对侧液压缸筒端盖，经过阀块支架及缸底一体结构的缸底，进入液压缸筒、压力平衡保护罩、压力平衡结构及活塞杆组合形成的空腔内，所述后侧内置油路内嵌于液压缸筒的实体中，油路穿过阀块支架及缸底一体结构的缸底，通过一侧液压缸筒端盖内部油路，竖直向下，然后再到液压缸筒、压力平衡保护罩、压力平衡结构及活塞杆组合形成的空腔内。

优选的，所述压力平衡保护罩包括接口结构和保护罩筒壁，所述保护罩筒壁为空心圆柱，壁厚为5mm，所述接口结构位于保护罩筒壁的一侧，其结构包括长方体底座、进油嘴、出油嘴和电气接口，所述长方体底座设置于保护罩筒壁上，上面依次排在分布着电气接口、出油嘴和进油嘴，所述电气接口连接内部电控电路。

优选的，所述阀块包括伺服阀、平衡阀、阻尼旁通阀、压力传感器、进油口、出油口、油口一、油口二和温度传感器，所述阀块的正面放置伺服阀和阻尼旁通阀，即阀块与阀块支架及缸底一体结构连接的相对侧，阀块侧面各放置一个平衡阀和一个压力传感器，所述平衡阀在下，所述压力传感器在上，所述温度传感器置于底面，数量为两个，阀块顶面设置与液压缸连接的油口一和油口二，油箱的进油口和出油口分别与阀块的侧面与底面的油口相连，所述油口一通过油管与前侧内置油路连通，所述油口二通过油管与后侧内置油路连接，所述进油口的进油端口连接进油嘴，所述出油口的出油端口连接出油嘴。

优选的，所述活塞杆组合包括外活塞杆、中部活塞杆和内活塞杆，所述内活塞杆采用空心设计，一侧长空心，一侧短空心，长空心一侧内部设有位移测量结构，所述外活塞杆一端套到内活塞杆的短空心，所述中部活塞杆一端套在外活塞杆靠近内活塞杆的一端，所述外活塞杆另一端伸出部分为主要受力部分。

优选的，所述压力平衡结构包括压力平衡端盖、平衡筒壁、平衡结构法兰端盖、波纹管、排气口及排气阀和注油泄油结构，所述压力平衡端盖和平衡筒壁法兰连接，所述平衡筒壁另一端与平衡结构法兰端盖相连接，所述平衡结构法兰端盖上面设有排气口及排气阀和注油泄油结构，所述波纹管安装于平衡筒壁内部，所述平衡结构法兰端盖与压力平衡保护罩连接在一起。

优选的，所述注油泄油结构包括注油泄油保护端盖、注油嘴接口和泄油阀，所述注油嘴接口和泄油阀安装于平衡结构法兰端盖上面，并且通到压力平衡保护罩组成的空腔内，所述注油泄油保护端盖将注油嘴接口和泄油阀包裹在内，并且与注油泄油保护端盖焊接在一起。

优选的，所述位移测量结构包括磁致伸缩传感器、磁环和磁环支架，所述磁致伸缩传感器的一端嵌套安装在圆形槽中，圆形槽位于阀块与阀块支架及缸底一体结构相对的面上，所述磁环支架固定安装在内活塞杆的长空心开口处，磁环支架上面带腰形孔，四个腰孔均匀圆周分布在磁环支架上，所述磁环支架将磁环固定在内活塞杆的长空心开口处。

优选的，所述压力平衡保护罩、压力平衡结构、阀块支架及缸底一体结构和液压缸筒组成的空腔，与前侧内置油路、后侧内置油路和阀块相连通，组成液压回路，压力平衡保护罩内充满液压油，对电气元件和液压阀进行耐高压设计。

与现有技术相比，该发明的有益之处为：

1.本发明采用压力平衡结构中的波纹管以及活塞杆组合，实现对压力平衡保护罩内的压力补偿，使压力平衡保护罩内压力与海水压力相等。

2.本发明中，压力平衡保护罩内充满液压油，保护阀类元件和电气元件不受海水腐蚀，对电气元件和液压阀进行耐高压设计，电气元件通过打孔的方式实现压力平衡。

3.本发明中，外活塞杆的伸出部分为主要承力元件，内活塞杆起到平衡压力的作用，为了减轻系统重量，采用空心设计。

4.本发明中，综合利用波纹管结构、活塞杆组合结构等实现压力补偿，并且配合液压缸筒、压力平衡保护罩、阀块、阀块支架及缸底一体结构、端盖和位移测量结构实现深海环境正常作业。

附图说明

附图1为本发明的整体外部结构示意图；

附图2为本发明去掉保护罩的内部结构传动系统；

附图3为本发明的活塞杆组合结构示意图；

附图4为本发明的压力平衡结构示意图；

附图5为本发明的活塞杆及位移测量结构示意图；

附图6为本发明的阀块整体结构示意图；

附图7为本发明的阀块底部结构示意图；

附图8为本发明的接口布置结构示意图；

附图9为本发明的注油、泄油和排气接口结构示意图；

附图10为本发明的泄油和排气接口结构拆解示意图；

附图11为本发明的前侧内置油路示意图；

附图12为本发明的后侧内置油路示意图。

图中，1、液压缸筒，101、液压缸筒端盖，102、横梁A，103、筒壁，104、横梁B，105、法兰连接底座，106、前侧内置油路，107、后侧内置油路，2、压力平衡保护罩，201、接口结构，2011、长方体底座，2012、进油嘴，2013、出油嘴，2014、电气接口，202、保护罩筒壁，3、活塞杆组合，301、外活塞杆，302、中部活塞杆，303、内活塞杆，4、压力平衡结构，401、压力平衡端盖，402、平衡筒壁，403、平衡结构法兰端盖，404、波纹管，405、排气口及排气阀，406、注油泄油结构，4061、注油泄油保护端盖，4062、注油嘴接口，4063、泄油阀，5、阀块，501、伺服阀，502、平衡阀，503、阻尼旁通阀，504、压力传感器，505、进油口，506、出油口，507、油口一，508、油口二，509、温度传感器，6、阀块支架及缸底一体结构，7、端盖，8、位移测量结构，801、磁致伸缩传感器，802、磁环，803、磁环支架。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1—12所示，一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器，包括液压缸筒1、压力平衡保护罩2、活塞杆组合3、压力平衡结构4、阀块5、阀块支架及缸底一体结构6、端盖7和位移测量结构8，所述液压缸筒1包括液压缸筒端盖101、筒壁103、法兰连接底座105，所述筒壁103为圆柱形，其两端各设有一个液压缸筒端盖101，所述液压筒端盖101底座底侧设有法兰连接底座105，所述法兰连接底座105连接到船体上；所述液压缸筒1的一侧液压缸筒端盖101与端盖7法兰连接，所述液压缸筒1的另一侧液压缸筒端盖101与阀块支架及缸底一体结构6的缸底之间采用法兰连接，所述阀块支架及缸底一体结构6的缸底和阀块支架为一体，阀块支架远离缸底的一端连接着阀块5，所述阀块5和阀块支架及缸底一体结构6的外围包裹着压力平衡保护罩2，所述压力平衡保护罩2的一端和缸底焊接，另一端与压力平衡结构4焊接，所述活塞杆组合3位于液压缸筒1和阀块支架及缸底一体结构6组成的空腔内，所述位移测量结构8设置于活塞杆组合3内部靠近阀块5的一端。

优选的，所述液压缸筒1还包括横梁A102、横梁B104、前侧内置油路106和后侧内置油路107，所述横梁A102设置于筒壁103远离法兰连接底座105的一侧，所述横梁B104设置于横梁A102的相对侧，即靠近法兰连接底座105的一侧，所述前侧内置油路106内嵌于液压缸筒1的实体中，首先穿过阀块支架及缸底一体结构6的缸底，再通过一侧液压缸筒端盖101，经过横梁A102内部，再通过另一侧液压缸筒端盖101，再经过横梁B104内部，穿过相对侧液压缸筒端盖101，经过阀块支架及缸底一体结构6的缸底，进入液压缸筒1、压力平衡保护罩2、压力平衡结构4及活塞杆组合3形成的空腔内，所述后侧内置油路107内嵌于液压缸筒1的实体中，油路穿过阀块支架及缸底一体结构6的缸底，通过一侧液压缸筒端盖101内部油路，竖直向下，然后再到液压缸筒1、压力平衡保护罩2、压力平衡结构4及活塞杆组合3形成的空腔内。

优选的，所述压力平衡保护罩2包括接口结构201和保护罩筒壁202，所述保护罩筒壁202为空心圆柱，壁厚为5mm，所述接口结构201位于保护罩筒壁202的一侧，其结构包括长方体底座2011、进油嘴2012、出油嘴2013和电气接口2014，所述长方体底座2011设置于保护罩筒壁202上，上面依次排在分布着电气接口2014、出油嘴2013和进油嘴2012，所述电气接口2014连接内部电控电路。

优选的，所述阀块5包括伺服阀501、平衡阀502、阻尼旁通阀503、压力传感器504、进油口505、出油口506、油口一507、油口二508和温度传感器509，所述阀块5的正面放置伺服阀501和阻尼旁通阀503，即阀块5与阀块支架及缸底一体结构6连接的相对侧，阀块5侧面各放置一个平衡阀502和一个压力传感器504，所述平衡阀502在下，所述压力传感器504在上，所述温度传感器509置于底面，数量为两个，阀块5顶面设置与液压缸连接的油口一507和油口二508，油箱的进油口505和出油口506分别与阀块5的侧面与底面的油口相连，所述油口一507通过油管与前侧内置油路106连通，所述油口二508通过油管与后侧内置油路107连接，所述进油口505的进油端口连接进油嘴2012，所述出油口506的出油端口连接出油嘴2013。

优选的，所述活塞杆组合3包括外活塞杆301、中部活塞杆302和内活塞杆303，所述内活塞杆303采用空心设计，一侧长空心，一侧短空心，长空心一侧内部设有位移测量结构8，所述外活塞杆301一端套到内活塞杆303的短空心，所述中部活塞杆302一端套在外活塞杆301靠近内活塞杆303的一端，所述外活塞杆301另一端伸出部分为主要受力部分。

优选的，所述压力平衡结构4包括压力平衡端盖401、平衡筒壁402、平衡结构法兰端盖403、波纹管404、排气口及排气阀405和注油泄油结构406，所述压力平衡端盖401和平衡筒壁402法兰连接，所述平衡筒壁402另一端与平衡结构法兰端盖403相连接，所述平衡结构法兰端盖403上面设有排气口及排气阀405和注油泄油结构406，所述波纹管404安装于平衡筒壁402内部，所述平衡结构法兰端盖403与压力平衡保护罩2连接在一起。

优选的，所述注油泄油结构406包括注油泄油保护端盖4061、注油嘴接口4062和泄油阀4063，所述注油嘴接口4062和泄油阀4063安装于平衡结构法兰端盖403上面，并且通到压力平衡保护罩2组成的空腔内，所述注油泄油保护端盖4061将注油嘴接口4062和泄油阀4063包裹在内，并且与注油泄油保护端盖4061焊接在一起。

优选的，所述位移测量结构8包括磁致伸缩传感器801、磁环802和磁环支架803，所述磁致伸缩传感器801的一端嵌套安装在圆形槽中，圆形槽位于阀块5与阀块支架及缸底一体结构6相对的面上，所述磁环支架803固定安装在内活塞杆303的长空心开口处，磁环支架803上面带腰形孔，四个腰孔均匀圆周分布在磁环支架803上，所述磁环支架803将磁环802固定在内活塞杆303的长空心开口处。

优选的，所述压力平衡保护罩2、压力平衡结构4、阀块支架及缸底一体结构6和液压缸筒1组成的空腔，与前侧内置油路106、后侧内置油路107和阀块5相连通，组成液压回路，压力平衡保护罩2内充满液压油，对电气元件和液压阀进行耐高压设计。

工作原理：工作时，液压油通过阀块5进入油路，并受到阀块5内的阀的控制，进而在油路内运行，实现活塞杆组合3的运动；压力平衡保护罩2内的压力通过液压舵机尾部的压力平衡结构4进行压力补偿，使保护罩内压力与海水压力相等，压力平衡结构4主要由波纹管404结构组成；注油嘴接口4062和泄油阀4063位于平衡结构法兰端盖403的下方，为防止接口被海水腐蚀，采用注油泄油保护端盖4061进行与海水隔绝，内部为一个小的耐压容腔，排气口位于平衡结构法兰端盖4061的顶部。在充油时打开，排出压力平衡保护罩2容腔中的空气；压力平衡保护罩2内充满液压油，保护阀类元件和电气元件不受海水腐蚀，对电气元件和液压阀进行耐高压设计，电气元件通过打孔的方式实现压力平衡；综合利用波纹管404结构、活塞杆组合3结构等实现压力补偿，并且配合液压缸筒1、压力平衡保护罩2、阀块5、阀块支架及缸底一体结构6、端盖7和位移测量结构8实现深海环境正常作业。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于波纹管压力平衡式深海液压作动器，包括液压缸筒（ 1） 、压力平衡保护罩（ 2） 、活塞杆组合（ 3） 、压力平衡结构（ 4） 、阀块（ 5） 、阀块支架及缸底一体结构（ 6）、端盖（ 7） 和位移测量结构（ 8） ，其特征在于：所述液压缸筒（ 1） 包括液压缸筒端盖（101） 、筒壁（ 103） 、法兰连接底座（ 105） ，所述筒壁（ 103） 为圆柱形，其两端各设有一个液压缸筒端盖（ 101） ，所述液压缸筒端盖（ 101） 底座底侧设有法兰连接底座（ 105） ，所述法兰连接底座（ 105） 连接到船体上；所述液压缸筒（ 1） 的一侧液压缸筒端盖（ 101）与端盖（ 7） 法兰连接，所述液压缸筒（ 1） 的另一侧液压缸筒端盖（ 101） 与阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的缸底之间采用法兰连接，所述阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的缸底和阀块支架为一体，阀块支架远离缸底的一端连接着阀块（ 5） ，所述阀块（ 5） 和阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的外围包裹着压力平衡保护罩（ 2） ，所述压力平衡保护罩（ 2）的一端和缸底焊接，另一端与压力平衡结构（ 4） 焊接，所述活塞杆组合（ 3） 位于液压缸筒（ 1） 和阀块支架及缸底一体结构（ 6） 组成的空腔内，所述位移测量结构（ 8） 设置于活塞杆组合（ 3） 内部靠近阀块（ 5） 的一端；所述液压缸筒（ 1） 还包括横梁（ A102） 、横梁（ B104） 、前侧内置油路（ 106） 和后侧内置油路（ 107） ，所述横梁（ A102） 设置于筒壁（ 103） 远离法兰连接底座（ 105） 的一侧，所述横梁（ B104） 设置于横梁（ A102） 的相对侧，即靠近法兰连接底座（ 105） 的一侧，所述前侧内置油路（ 106） 内嵌于液压缸筒（1） 的实体中，首先穿过阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的缸底，再通过一侧液压缸筒端盖（ 101） ，经过横梁（ A102） 内部，再通过另一侧液压缸筒端盖（ 101） ，再经过横梁（B104） 内部，穿过相对侧液压缸筒端盖（ 101） ，经过阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的缸底，进入液压缸筒（ 1） 、压力平衡保护罩（ 2） 、压力平衡结构（ 4） 及活塞杆组合（ 3） 形成的空腔内，所述后侧内置油路（ 107） 内嵌于液压缸筒（ 1） 的实体中，油路穿过阀块支架及缸底一体结构（ 6） 的缸底，通过一侧液压缸筒端盖（ 101） 内部油路，竖直向下，然后再到液压缸筒（ 1） 、压力平衡保护罩（ 2） 、压力平衡结构（ 4） 及活塞杆组合（ 3） 形成的空腔内；所述压力平衡保护罩（ 2） 包括接口结构（ 201） 和保护罩筒壁（ 202） ，所述保护罩筒壁（ 202） 为空心圆柱，壁厚为5mm，所述接口结构（ 201） 位于保护罩筒壁（ 202）的一侧，其结构包括长方体底座（ 2011） 、进油嘴（ 2012） 、出油嘴（ 2013） 和电气接口（2014） ，所述长方体底座（ 2011） 设置于保护罩筒壁（ 202） 上，上面依次排在分布着电气接口（ 2014） 、出油嘴（ 2013） 和进油嘴（ 2012） ，所述电气接口（ 2014） 连接内部电控电路；所述阀块（ 5） 包括伺服阀（ 501） 、平衡阀（ 502） 、阻尼旁通阀（ 503） 、压力传感器（ 504） 、进油口（ 505） 、出油口（ 506） 、油口一（ 507） 、油口二（ 508） 和温度传感器（ 509） ，所述阀块（ 5） 的正面放置伺服阀（ 501） 和阻尼旁通阀（ 503） ，即阀块（ 5） 与阀块支架及缸底一体结构（ 6） 连接的相对侧，阀块（ 5） 侧面各放置一个平衡阀（ 502）和一个压力传感器（ 504） ，所述平衡阀（ 502） 在下，所述压力传感器（ 504） 在上，所述温度传感器（ 509） 置于底面，数量为两个，阀块（ 5） 顶面设置与液压缸连接的油口一（507） 和油口二（ 508） ，油箱的进油口（ 505） 和出油口（ 506） 分别与阀块（ 5） 的侧面与底面的油口相连，所述油口一（ 507） 通过油管与前侧内置油路（ 106） 连通，所述油口二（ 508） 通过油管与后侧内置油路（ 107） 连接，所述进油口（ 505） 的进油端口连接进油嘴（ 2012） ，所述出油口（ 506） 的出油端口连接出油嘴（ 2013） ；所述活塞杆组合（ 3）包括外活塞杆（ 301） 、中部活塞杆（ 302） 和内活塞杆（ 303） ，所述内活塞杆（ 303） 采用空心设计，一侧长空心，一侧短空心，长空心一侧内部设有位移测量结构（ 8） ，所述外活塞杆（ 301） 一端套到内活塞杆（ 303） 的短空心，所述中部活塞杆（ 302） 一端套在外活塞杆（ 301） 靠近内活塞杆（ 303） 的一端，所述外活塞杆（ 301） 另一端伸出部分为主要受力部分；所述压力平衡结构（ 4） 包括压力平衡端盖（ 401） 、平衡筒壁（ 402） 、平衡结构法兰端盖（ 403） 、波纹管（ 404） 、排气口及排气阀（ 405） 和注油泄油结构（ 406） ，所述压力平衡端盖（ 401） 和平衡筒壁（ 402） 法兰连接，所述平衡筒壁（ 402） 另一端与平衡结构法兰端盖（ 403） 相连接，所述平衡结构法兰端盖（ 403） 上面设有排气口及排气阀（ 405） 和注油泄油结构（ 406） ，所述波纹管（ 404） 安装于平衡筒壁（ 402） 内部，所述平衡结构法兰端盖（ 403） 与压力平衡保护罩（ 2） 连接在一起；所述注油泄油结构（ 406）包括注油泄油保护端盖（ 4061） 、注油嘴接口（ 4062） 和泄油阀（ 4063） ，所述注油嘴接口（ 4062） 和泄油阀（ 4063） 安装于平衡结构法兰端盖（ 403） 上面，并且通到压力平衡保护罩（ 2） 组成的空腔内，所述注油泄油保护端盖（ 4061） 将注油嘴接口（ 4062） 和泄油阀（ 4063） 包裹在内，并且与注油泄油保护端盖（ 4061） 焊接在一起；所述位移测量结构（ 8） 包括磁致伸缩传感器（ 801） 、磁环（ 802） 和磁环支架（ 803） ，所述磁致伸缩传感器（ 801） 的一端嵌套安装在圆形槽中，圆形槽位于阀块（ 5） 与阀块支架及缸底一体结构（ 6） 相对的面上，所述磁环支架（ 803） 固定安装在内活塞杆（ 303） 的长空心开口处，磁环支架（ 803） 上面带腰形孔，四个腰孔均匀圆周分布在磁环支架（ 803） 上，所述磁环支架（ 803） 将磁环（ 802） 固定在内活塞杆（ 303） 的长空心开口处。

Images