CN110494656A - 带有电动液压式调节驱动器的、在水下使用的电动液压系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用在水下的电动液压系统（7），带有电动液压式调节驱动器和容器（9），该容器具有内部空间（10），该内部空间设置用于形成相对周边环境封闭的并且用来容纳液压压力流体的体积，其中，在容器（9）的内部空间（10）中存在液压缸（21），该液压缸的内部通过活塞（25）划分成第一缸腔（29）和第二缸腔（30），第一活塞杆（26）和第二活塞杆（27）活塞连接，其中，活塞（25）的两个作用面（25.1、25.2）一样大或接近一样大。此外还建议了一种装置，用该装置能使用电动液压系统（7）。
Description
技术领域
本发明涉及一种在水下、特别是在很大水深下使用的电动液压系统，其带有电动液压式调节驱动器。电动液压式调节驱动器尤其用于操纵水下执行机构。所述系统包括容器，容器具有内部空间，内部空间设置用于形成相对周边环境封闭的并且用来容纳液压压力流体的体积。所述系统还包括布置在容器的内部空间中的液压缸。
背景技术
这种电动液压系统可以用于在水深至几千米的水下与输送石油和天然气、采矿、科考或基建项目相关地使元件运动。因此例如在海上石油或天然气输送设备中，能用来调节或截止有待输送的介质的体积流量的工艺阀处在很大的深度下。
电动液压系统可以包括液压缸，该液压缸的缸壳体安放在工艺阀的壳体上并且该液压缸包括活塞和在单侧离开活塞伸出的活塞杆，工艺阀的工艺滑块能通过该活塞杆运动，活塞将缸壳体的内部分成在远离活塞杆侧的缸空间和活塞杆侧的缸空间。在活塞杆侧的缸空间中安装着机械的弹簧装置、例如螺旋压力弹簧，其按照关闭工艺阀的意义来加载活塞。在这种差动缸移入和移出时，通常挤出或需要相应于缸杆的体积（杆面积乘以移动行程）的油。这种装置的缺点在于，在每一次缸运动时（无论是向内还是向外）均要进行液压体积的切换。此外有干扰的是，每个机器周期也参照压力补偿器的膜片形成了应力周期，这在常年在水下的应用中极大地影响使用寿命。
发明内容
基于此，本发明的任务是，创造一种电动液压系统和一种装置，它们减小了或甚至避免了所述缺点。尤其应当以设计上简单的方式在调节驱动器的容器中产生尽可能少的摆动体积（Pendelvolumen）。此外还应当大幅提高使用寿命。
该任务用按照独立权利要求所述的电动液压系统和装置解决。本发明的其它的设计方案在从属权利要求中说明。要指出的是，说明书特别是结合附图阐述了本发明的能与来自权利要求的特征组合的其它细节和扩展设计方案。
为此，对此作出贡献的是一种在水下使用的电动液压系统，其带有电动液压式调节驱动器和容器，所述容器具有内部空间，该内部空间设置用于形成相对周边环境封闭的并且用来容纳液压压力流体的体积。在容器的内部空间中存在液压缸，液压缸的内部通过活塞划分成了第一缸腔和第二缸腔，活塞与第一活塞杆和第二活塞杆连接，其中，活塞的两个作用面（近似或正好）一样大。
在此处建议的电动液压系统具有特别的优点，即，当（液压的或机械的）缸运动出来或被拉回时，双重作用的液压缸（同步缸）最小化在缸壳体中的流体体积（摆动体积）。内部的流体可以是液压的流体、机械的油脂类的物质或变压器油。此外避免了到压力补偿器的膜片上的不期望的应力或应力交变。
优选为了均衡有待操纵的液压缸的体积流量而存在用真空或负压加载的附加的缸腔。缸腔可以加装有开关装置和/或管路和/或连接于其上，这能在缸腔中调整真空/负压。附加的缸腔尤其加装有相应的管路接头。
有利地将附加的缸腔配设给第二活塞杆。这意味着，附加的缸腔至少部分由第二活塞杆形成或限定边界。附加的缸腔的体积尤其可以借助第二活塞杆发生改变。
附加的缸腔相宜地是真空衬套或真空套筒。可以将附加的缸腔实施成单独的构件。
优选将止回阀配设给附加的缸腔。
第二活塞杆优选至少尽量保持地布置在液压缸的液压缸壳体中。这尤其意味着，在第二活塞杆的计划的或所设置的运动中，这个第二活塞杆主要或甚至完全被液压缸的液压缸壳体包封或容纳。
有利地为活塞配设至少一个位置传感器。位置传感器尤其设置用于获知活塞的构件的当前的位置。
还优选的是，附加的液压缸壳体布置在液压缸和工艺阀壳体之间，其中，压力活塞将液压缸壳体的内部分成了第一缸腔和第二缸腔。压力活塞有利地滑动地支承在第一活塞杆上。优选在第二壳体腔内在第一活塞杆上固定着携动元件，例如止挡、凸肩、环形法兰或类似物，所述携动元件实现了与压力活塞的形状配合的嵌接。在第一活塞杆和压力活塞之间的嵌接也可以传力地实施。压力弹簧相宜地在第一壳体腔中一方面支撑在压力活塞上并且另一方面支撑在第一缸腔上或工艺阀壳体上。
进一步优选的是存在压力补偿器，以便使液压压力流体在内部空间中至少近似设置在环绕的海水区域中存在的压力下。压力补偿器有利地是膜片存储器或气泡存储器。
相宜地在附加的缸腔中安装止回阀。
优选地，带有电磁体和弹簧的2/2换向座阀嵌入到液压机和第二缸腔之间的连接结构中。
按照另一个方面，建议了一种装置，其用于布置在水下的并且用于控制气态的或液态的介质的能输送的体积流量，带有：工艺阀、工艺阀壳体、能用来控制体积流量的工艺阀滑块、和配设给工艺阀壳体的并且能随工艺阀滑块一起运动的液压缸，其特征在于带有电动液压式调节驱动器的电动液压系统，其中，第一活塞杆与工艺阀滑块连接。电动液压式调节驱动器操纵水下执行机构。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明和所述技术领域。在此，相同的构件用相同的附图标记标注。附图是示意性的并且不设置用于阐明尺寸比例。参照附图的各个细节所作的阐释是能引用的并且能与来自其它附图或前述说明书的事实情况自由组合，除非技术人员强制性地得出了其它组合或在此明确否认了这种组合。图中：
图1示意性示出了在关闭的工艺阀中所述装置的侧视图；
图1a示意性示出了活塞的第一作用面的俯视图；
图1b示意性示出了活塞的第二作用面的俯视图；
图2示意性地缩小地示出了来自图1的装置的片段，但带有附加的真空腔；
图3示意性示出了来自图1的装置的片段，但带有附加的缸壳体，缸壳体具有压力活塞和压力弹簧；并且
图3a在剖面中示意性地放大地示出了压力活塞并且示意性地示出了按图3的第一活塞杆。
具体实施方式
按本发明的电动液压系统的在附图中示出的实施例具有带工艺阀壳体2的工艺阀1，工艺阀通道3穿行通过该工艺阀壳体，工艺阀通道在其通入口上用未示出的管延续并且气态的或液态的介质在该工艺阀通道中从海洋底部流向钻井塔的伸出海洋的那一部分或流向钻井船。流动方向用箭头4说明。
在按图1的工艺阀壳体2中构造一空腔，该空腔横贯所述工艺阀通道3并且在该空腔中，工艺阀滑块5和穿透开口6能横向于工艺阀通道3的纵向运动。在按图1的状态中，工艺阀通道3和穿透开口6在工艺阀滑块5中没有重叠。工艺阀因此是关闭的。在（未示出的）状态中，穿透开口6和工艺阀通道3尽可能重叠。工艺阀几乎完全是打开的。
所示类型的和所述应用的工艺阀一方面应当能受控制地操纵并且另一方面也以如下方式有助于安全性，即，在故障时能快速和可靠地占据一相应于安全状态的位置。在当前，这个安全的状态是关闭的工艺阀。
工艺阀1被一种紧凑的电动液压系统7操纵，该电动液压系统在水下直接布置在工艺阀1上。从电动液压系统7起仅将一个电缆8引导到海洋表面上或处在水下的上级电控制装置上就足够了。
作为实施例示出的电动液压系统7具有容器9，所述容器固定在工艺阀壳体2上的打开的侧面上，因而存在相对周边环境封闭的内部空间10，该内部空间用作为工作介质的液压压力流体填充。为了固定在工艺阀壳体2上，容器9在其打开的侧面上具有内部法兰，容器用该内部法兰拧接在工艺阀壳体2上。在螺旋连接的径向外部，在容器9的内部法兰和工艺阀壳体2之间布置着环绕的密封结构，该密封结构嵌入到工艺阀壳体2的环绕的槽中。
容器9相对在水下的周边环境压力（海水区域66）被压力补偿。为此，在压力补偿器67中，利用法兰14将盖15固定在包围了容器壁中的开口12的法兰边缘13上，并且膜片16密封地夹紧在法兰边缘13和盖15之间。孔17处在盖15中，因而在膜片16和盖15之间的空间是周边环境的一部分并且用海水填充。通过膜片16将内部空间10与周边环境隔离。膜片16在其朝向内部空间10的第一面上被在内部空间10中的压力加载并且在其朝向盖15的大致和第一面一样大的第二面上被在周边环境中的压力加载，并且总是试图占据一位置和形状，在该位置和形状中，所有作用到膜片上的力的和为零。为了使在内部空间10中的压力略高于周边环境压力，膜片16克服内部压力地附加地被周边环境压力还有被弹簧18加载，所述弹簧张紧在形状稳定的中央的膜片盘19和盖15之间。弹簧18的力在考虑到膜片16的经压力加载的面的尺寸的情况下被这样选择，使得在内部空间中的压力例如在0.5bar至2bar之间高于周边环境压力。杆20固定在膜片盘19上上，杆在盖15中引导，杆配设有材料标准并且是检测膜片16的中心位置的传感器的一部分。设置有材料标准的杆也可以从膜片盘19伸入到内部空间10中，以便在那里与位移传感器配合作用。然后避免了与海水的接触并且安全性变高。
在容器9的内部空间10中除了电功率能量源和上级的电控制信号源外还安装着所有机械的、电的和液压的部件，所述部件是控制工艺阀1所需的或对此有利的。
因为首先是一种液压缸21，其带有：缸壳体22，该缸壳体在端侧被缸底部23和缸盖24封闭；能在缸壳体22中沿缸壳体22的纵向移动的活塞25；和与该活塞25牢固地连接的并且在一侧离开活塞25伸出的第一活塞杆26，该第一活塞杆被密封地并且以未详细示出的方式引导地穿过缸盖24。在活塞杆26和缸盖24之间的间隙通过两个在缸盖24中彼此有轴向间距地布置的密封结构28密封。在活塞杆26的自由的端部上固定着工艺阀滑块5。此外，存在与活塞25牢固地连接的并且朝着另一侧离开活塞25伸出的第二活塞杆27，该第二活塞杆被密封地引导并且穿过缸底部23。通过活塞25将缸壳体22的内部划分成缸盖侧的第一缸腔29和底部侧的第二缸腔30，它们的体积与活塞25的位置有关。
在图1a中以穿过第一活塞杆26的横截面示出了活塞25在第一缸腔29的侧面上的第一作用面25.1。图1b则以第二活塞杆27的横截面示出了活塞25的在第二缸腔30的侧面上的第二作用面25.2。两个基本上圆环形的作用面25.1和25.2在实施例中一样大。
在第一缸腔29中安装有螺旋压力弹簧31，该螺旋压力弹簧包围活塞杆26并且张紧在缸盖24和活塞25之间，因此沿一方向加载活塞25，活塞杆26沿该方向移入并且工艺阀滑块5为了关闭工艺阀1而运动。
在容器9的内部空间10中也存在静液压的液压机32和电机33，该静液压的液压机既能作为泵运行也能作为液压马达运行，该电机则与液压机32为了共同转动的运动而机械地耦联并且既能作为电动马达运行也能作为发电机运行。液压机32具有压力接头34和抽吸接头35，抽吸接头朝着内部空间10打开。液压机32能从正的行程体积经由行程体积为零的零位调整到负的行程体积，因而液压机能沿这个转动方向并且用相同的压力接头既能作为泵运行也能作为液压马达运行。正的行程体积在此与作为泵的运行相关联。电机33在其转速上能调节并且为此与电控制单元36连接，电控制单元同样安装在内部空间10中并且通过密封地从容器10引导出来的线缆8与在海面上的电能量源或布置在水下的上级电控制装置连接。液压机和电机的转速由转速传感器37检测并且由控制单元36处理。
由液压机32可以将在用作泵的运行中从内部空间10抽吸出来的压力流体通过压力接头34输送给缸腔30。反之，来自缸腔30的压力流体则经由液压机32挤出到容器9的内部空间10中。从这个意义上而言，在本实施例中，缸腔30是第二缸腔。处在内部空间中的2/2换向座阀38嵌入到在液压机32和缸腔30之间的连接结构中，所述2/2换向座阀在静止位置中是打开的并且在开关位置中防止了压力介质流从缸腔30出来，所述2/2换向座阀在弹簧39的作用下占据所述静止位置，所述2/2换向座阀能通过电磁体40带到所述开关位置中。所述2/2换向座阀38是一种对安全重要的阀并且被这样布置，即，在电磁体40的电流故障时，所述阀通过弹簧39打开并且液压缸21的第二缸腔30被排空，因而液压缸21的螺旋压力弹簧31可以返回这个液压缸。
此外，2/2换向座阀41处在内部空间10中，该2/2换向座阀用一个接头连接在第一缸腔29上并且用另一个接头朝着内部空间10打开。阀41在弹簧42的作用下占据静止位置并且可以通过电磁体43被带到开关位置中，在静止位置中，缸腔29阻止了压力介质流出到内部空间10中，在开关位置中，在缸腔29和内部空间10之间存在打开的连接。
液压存储器44也处在所述内部空间10中，该液压存储器带有：柱形的存储壳体45，该柱形的存储壳体在一个端侧上朝着内部空间10打开并且在另一个端侧上用底部46封闭；能沿存储壳体45的轴向运动的存储活塞47；和压力弹簧48，该压力弹簧张紧在存储活塞47与在存储壳体45的打开的侧面上的止挡之间。在底部46和存储活塞47之间形成了压力流体室49，该压力流体室的体积与存储活塞47的位置有关。因此朝着压力流体室49的体积变大的方向并且朝着由在内部空间10中的压力产生的力和压力弹簧48的力的反方向，用由在压力流体室49中的压力产生的力加载这个压力流体室。
由液压机32能在作为泵的运行中将压力介质通过处在内部空间10中的阀50输送给压力流体室49。
在从压力流体室49到液压机32的方向上，阀50不允许任何压力介质进入。否则若压力室被截止，那么存储活塞47在此按照压力室变大的意义运动，其中，压力弹簧48被较为强烈地张紧，压力弹簧的力增加并且在压力室中的存储压力因此通过在内部空间10中的压力上升。因为压力弹簧48的特征线是公知的，所以存储活塞47的每个位置都相应于在压力流体室49中的特定压力。存储活塞47的最终位置并且因此期望的最大的存储压力能由位置传感器51检测。当达到最大的存储压力时，阀50被截止，如从位置传感器51通往阀50的虚线示出那样。也可以使用机电的压力传感器来检测存储压力。
液压存储器44的压力流体室49可以通过处在内部空间10中的2/2换向座阀52与第一缸腔29流体连接并且相对缸腔29被截止。阀50在弹簧53的作用下占据静止位置并且可以通过电磁体54带到开关位置中，在静止位置中存在缸腔29和压力流体室39之间的打开的连接，在开关位置中缸腔29则被截止以防止压力介质从压力流体室49流入。
阀38、41和52可以加装有用于位置监控的传感器，以便能通过电控制装置立即识别错误的功能。
压力流体室49通过管路55与在缸盖24上的区域连接，该区域沿轴向处在两个密封结构28之间。因此在经装载的液压存储器44中，在外部的密封结构28上的压差，即在工艺阀1中的所输送的介质的（在外部的密封结构28的一个侧面上产生的）压力和在这个密封结构的另一个侧面上的压力之间的差，小于在所输送的介质的压力和内部空间10中的压力之间的差，因而也减少了泄漏。
在内部空间10中还存在限压阀56作为其它的阀，该限压阀连接在液压机32的压力接头34上，并且补吸阀57以旁路的形式布置，该旁路是在抽吸接头35和压力接头34之间布置的并且从抽吸接头35朝着压力接头34打开的止回阀的旁路。当液压机作为马达运行并且缸腔完全被排空或阀38关闭时，通过该补吸阀57防止了在液压机32上的空穴。
除了迄今为止已经提到的传感器外，在所示的实施例中还存在三个位置传感器58，用所述位置传感器能检测活塞25的和因此活塞杆26、27的特定位置。也可以仅存在一个传感器，该传感器连续地检测活塞25和活塞杆26或27的位置。
按本发明的电动液压系统7相比所示的实施例的修改方案也是可能的。
电控制装置以最为简单的形式包括直流马达、带有相应的模拟的和数字的输入接口和输出接口的电控制器以及合适的电源。
在电控制装置中能执行对电动液压系统7的状态监控（Condition Monitoring），在所述电动液压系统中，所有的传感器信号均用相应的算法转换成软件形式进行评估。在故障情况下，控制装置可以将液压缸21自主地带到安全的静止位置中并且通知上级的控制装置。为此可以将预防性的和应对性的保养措施传达给上级的控制装置。
图2缩小地示出了按图1的装置的片段，但带有用真空或负压加载的附加的缸腔29。缸腔29被配设给第二活塞杆27。缸腔59用于平衡有待操纵的调节驱动器的操纵体积。当移入的活塞杆的面积例如通过真空衬套或真空套筒得到补偿的话，最后不产生均衡需求。
图3示出了按图1的装置的片段，没有螺旋压力弹簧31，但有附加的缸壳体61，所述缸壳体布置在液压缸21的第一缸腔29和工艺阀壳体2之间。压力活塞62将封闭的缸壳体61的内部划分成第一壳体腔61.1和第二壳体腔61.2。压力活塞62滑动地支承在第一活塞杆26上，第一活塞杆密封地贯穿缸壳体61（参看图3a）。第一活塞杆26因此同样贯穿压力活塞62。压力弹簧63在第一壳体腔61.1中用其一个端部支撑在压力活塞62上并且用其另一个端部支撑在第一壳体腔61.1的内壁上或工艺阀壳体2的外壁上。
在第二壳体腔61.2上存在用于流入和流出液压流体的工作接头64，工作接头例如与（未示出的）液压泵进行连接。经由通过工作接头64的流入，首先建立起了在第二壳体腔61.2中的压力。压力活塞62因此在图3中向右移动并且压力弹簧63被张紧。压力活塞62的移动在贯穿这个压力活塞的第一活塞杆26上滑动地完成；存在一种“流动的”压力活塞62。当在液压缸21的第一缸腔29中的压力没有高到足以使活塞25在图3中向左返回运动时，在第二壳体腔61.2中的压力由于压力流体通过工作接头64例如流出到料箱中而降低。由此使压力弹簧63松弛，因而压力活塞62在图3中向左移动。在第二壳体腔61.2内在第一活塞杆26上并且与这个第一活塞杆刚性地连接和固定着一携动元件65，例如止挡、凸肩、环形法兰，压力活塞62能与该携动元件嵌接并且压力活塞将压力施加到该携动元件上。由此使第一活塞杆26同时在图3中向左移动。以这种方式在第一缸腔29中的液压的压力减小时机械地实现了活塞25的回程运动。
在工作接头64中，在（未示出的）液压泵和第二壳体腔61.2之间如在图1的位置38、39和40中那样嵌入了一安全阀。在电磁体40发生电流故障时，所述阀通过弹簧40打开。第二壳体腔61.2通过压力弹簧63的力克服压力活塞62地被排空并且工艺阀1被关闭。
将止回阀60配设给附加的缸腔59。倘若在缸腔59的密封结构中可能存在泄漏并且液压流体、例如油侵入到真空腔中，那么液压流体通过活塞25的下一个回程运动被压出并且由此使缸腔59没有油。止回阀60因此随着压力下降而能够使在缸腔59（真空腔）的内部空间中聚集的漏油在孔塞25运动时被再次排空，这就是说，在每个工作循环中又建立起了低压。
附图标记列表
1 工艺阀
2 工艺阀壳体
3 工艺阀通道
4 箭头
5 工艺阀滑块
6 穿透开口
7 电动液压系统
8 线缆
9 容器
10 9的内部空间
11 密封结构
12 9中的开口
13 法兰边缘
14 法兰
15 盖
16 膜片
17 15中的孔
18 弹簧
19 膜片盘
20 杆
21 液压缸
22 缸壳体
23 缸底部
24 缸盖
25 活塞
25.1 25的第一作用面
25.2 25的第二作用面
26 第一活塞杆
27 第二活塞杆
28 密封结构
29 第一缸腔
30 第二缸腔
31 螺旋压力弹簧
32 液压机
33 电机
34 压力接头
35 抽吸接头
36 电控制单元
37 转速传感器
38 2/2换向座阀
39 弹簧
40 电磁体
41 2/2换向座阀
42 弹簧
43 电磁体
44 液压存储器
45 存储器壳体
46 底部
47 存储器活塞
48 压力弹簧
49 压力流体室
50 阀
51 位置传感器
52 2/2换向座阀
53 弹簧
54 电磁体
55 管路
56 限压阀
57 补吸阀
58 位置传感器
59 附加的缸腔
60 止回阀
61 附加的缸壳体
61.1 第一壳体腔
61.2 第二壳体腔
62 压力活塞
63 压力弹簧
64 工作接头
65 携动元件
66 海水区域
67 压力补偿器。
Claims (12)
1.在水下使用的电动液压系统（7），带有电动液压式调节驱动器和容器（9），该容器具有内部空间（10），该内部空间设置用于形成相对周边环境封闭的并且用来容纳液压压力流体的体积，其中，在所述容器（9）的内部空间（10）中存在液压缸（21），该液压缸的内部通过活塞（25）划分成第一缸腔（29）和第二缸腔（30），第一活塞杆（26）和第二活塞杆（27）与所述活塞连接，其中，所述活塞（25）的两个作用面（25.1、25.2）一样大。
2.按照权利要求1所述的电动液压系统，其中，为了均衡有待操纵的所述液压缸（21）的体积流量，存在用真空或负压加载的附加的缸腔（59）。
3.按照权利要求1或2所述的电动液压系统，其中，所述附加的缸腔（59）配设给所述第二活塞杆（27）。
4.按照权利要求2或3所述的电动液压系统，其中，所述附加的缸腔（59）是真空衬套或真空套筒。
5.按照前述权利要求中任一项所述的电动液压系统，其中，存在附加的缸壳体（61），其中，压力活塞（62）将该缸壳体（61）的内部划分成第一壳体腔（61.1）和第二壳体腔（6.2）。
6.按照权利要求5所述的电动液压系统，其中，所述压力活塞（62）滑动地支承在所述第一活塞杆（26）上。
7.按照权利要求5或6所述的电动液压系统，其中，在所述第二壳体腔（61.1）内在所述第一活塞杆（26）上固定着携动元件（65）。
8.按照权利要求5至7中任一项所述的电动液压系统，其中，压力弹簧（63）在所述第一壳体腔（61.1）中用一个端部支撑在所述压力活塞（62）上并且用另一个端部支撑在所述第一壳体腔（61.1）上或工艺阀壳体（2）上。
9.按照前述权利要求中任一项所述的电动液压系统，其中，存在压力补偿器（67），以便使在所述内部空间（10）中的液压压力流体至少近似设置在环绕的海水区域（66）中存在的压力下。
10.按照前述权利要求中任一项所述的电动液压系统，其中，为所述附加的缸腔（59）配设止回阀（60）。
11.按照前述权利要求中任一项所述的电动液压系统，其中，带有电磁体（40）和弹簧（39）的2/2换向座阀（38）嵌入到液压机（32）和第二缸腔（30）之间的连接结构中。
12.用于布置在水下的并且用于控制气态的或液态的介质的能输送的体积流量的装置，带有：工艺阀（1）、工艺阀壳体（2）、能用来控制体积流量的工艺阀滑块（5）、和配设给所述工艺阀壳体（2）的并且能随所述工艺阀滑块（5）一起运动的液压缸（21），其特征在于带有电动液压式调节驱动器的电动液压系统（7），其中，第一活塞杆（26）与所述工艺阀滑块（5）连接。
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