CN110778542B - 一种油量高精度检测的闭式调压油箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种油量高精度检测的闭式调压油箱，包括油箱主体单元与气压调节单元；所述油箱主体单元包括油箱前端盖、油箱筒壁、密封活塞体、油箱后端盖和行程位移传感器；所述气压调节单元包括：压力传感器、气泵、气路单向阀和气路电磁阀；油箱前端盖、油箱筒壁和油箱后端盖构成油箱的封闭内腔，并采用拉紧杆将油箱主体单元拉紧固定；油箱前端盖上开有进排油孔；油箱后端盖上开有油箱进排气孔；进排油孔能够连接至液压系统，进排气孔连接至气压调节单元；密封活塞体设置于封闭内腔内并将封闭内腔分为油液侧和气体侧；压力传感器安装在油箱后端盖的螺纹孔内；气泵与气路电磁阀通过螺钉固定在油箱后端盖外侧。本发明结构紧凑、集成度高、质量轻。

Description

一种油量高精度检测的闭式调压油箱

技术领域

本发明属于无人航行器集成液压系统领域，具体涉及一种油量高精度检测的闭式调压油箱。

背景技术

无人航行器通常指在空中、水下航行的无人移动平台。相比载人航行器，无人航行器具有更强的机动能力，可执行如翻滚、横斜转弯、俯仰调节等高难度机动动作。为保证无人航行器在执行高难度机动动作时，其集成液压系统可获取连续的油液供给，闭式油箱，即油箱内部的油液与外界环境大气隔离方案成为无人航行器集成液压系统的可用方案之一。

当前，闭式油箱中油液与外界环境大气的隔离方式包括金属折叠波纹管、橡胶皮囊等。在油液体积变化过程中，折叠波纹与橡胶皮囊形变不均匀、呈现强非线性规律，采用上述隔离方式的油箱增加了油液体积精确检测的难度，无法通过直接、间接手段精确获取测量油液体积变化，仅能对油液体积进行粗略估计。部分学者提出了利用活塞隔离油液与环境大体，同时使用拉线式位移传感器检测活塞在缸筒内位移，以测量油液体积的技术方案。但当前方案在结构设计、检测原理、制造工艺诸多方面存在重大缺陷，如未考虑油箱活塞与缸筒内壁的摩擦阻力问题，导致此方案闭式油箱无法向液压系统主动提供出油压力，并且油液返回油箱时需要做功以推动活塞移动；拉线式位移传感器采用的线绳长度测量方式并非严格线性化，油液体积测量仍存在明显误差；油箱的缸筒重量过大，无法满足无人航行器对负载质量极为苛刻的要求。

因此发明一种结构紧凑、简单、轻量化，可对油液体积实现高精度检测，具备调节排油与进油压力的新式闭式油箱十分必要。对提高无人航行器集成液压系统的性能水平具有重要作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种油量高精度检测的闭式调压油箱；本发明可集成在空中、水下中小型无人航行器的液压系统中，实现在倾斜、翻转等姿态下为无人航行器连续供油。本发明采用筒壁与活塞的间隙配合结构、高精度行程位移传感器实现油箱油液体积变化的精确检测。本发明通过改变油箱气压方式实现进油与排油阶段油箱压力的调节。本发明采用冷拔珩磨工艺实现了油箱筒壁的轻量化成型制造。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种油量高精度检测的闭式调压油箱，包括油箱主体单元与气压调节单元；所述油箱主体单元包括油箱前端盖、油箱筒壁、密封活塞体、油箱后端盖和行程位移传感器；所述气压调节单元包括：压力传感器、气泵、气路单向阀和气路电磁阀；

所述油箱前端盖、油箱筒壁和油箱后端盖构成油箱的封闭内腔，并采用拉紧杆将油箱主体单元拉紧固定；油箱前端盖上开有进排油孔；油箱后端盖上开有油箱进排气孔；进排油孔能够连接至液压系统，进排气孔连接至气压调节单元；所述密封活塞体设置于封闭内腔内并将封闭内腔分为油液侧和气体侧；密封活塞体能够在封闭内腔内沿油箱筒壁的轴线移动；所述油箱后端盖中部通过安装孔与所述行程位移传感器连接，行程位移传感器内设有伸入所述封闭内腔的伸缩杆，伸缩杆的末端与密封活塞体中心连接；

所述压力传感器安装在油箱后端盖的螺纹孔内；气泵与气路电磁阀通过螺钉固定在油箱后端盖外侧；所述压力传感器用于检测油箱内部压力；所述气泵用于在排油阶段增加油箱气体侧压力；所述气路单向阀安装于气泵与气路电磁阀之间；所述气路单向阀用于防止油箱内气体经气路电磁阀第二端口反向流动；所述气路电磁阀为两位三通电磁阀，其第一端口与油箱后端盖上的进排气孔相连，第二端口与单向阀相连，第三端口直接与外界环境接通。在油箱排油阶段用于导通气泵与油箱气体侧管路，在油箱进油阶段用于连通外界环境与油箱气体侧。

进一步的，所述密封活塞体上设有与所述油箱筒壁间隙配合的侧壁，所述侧壁与油箱筒壁的接触面上设有三个沟槽，中部沟槽内装有双作用聚酯表面预加载密封圈；两侧沟槽内分别装有第一导向环和第二导向环；第一导向环、第二导向环实现密封活塞体沿轴向在油箱筒壁内低阻滑动。

进一步的，所述双作用聚酯表面预加载密封圈实现油箱筒壁与密封活塞体之间的双向动密封。

进一步的，所述密封活塞体上开有排气孔；所述排气孔中安装有排气阀；开启排气阀能够排除油箱油液侧的残留气体。

进一步的，所述行程位移传感器安装端面设有凹槽，凹槽内装有O型圈并与油箱后端盖中心处的安装孔形成端面密封；所述行程位移传感器由螺钉固定在油箱后端盖中心安装孔处；通过检测行程位移传感器伸缩杆位移量L能够获取出密封活塞的移动位移与油箱油液体积变化量。

进一步的，所述行程位移传感器的线性误差为±0.25％，测量分辨率小于0.1μm。

进一步的，油箱处于排油工作阶段时，气泵上电启动，气路电磁阀处于第一端口与第二端口导通，第三端口截止状态，气泵与油箱气体侧管路导通，气体经气泵增压后通过气路单向阀、气路电磁阀进入油箱气体侧，油箱压力增大；在油箱气体侧压力作用下，密封活塞体克服与油箱筒壁之间的摩擦力沿油箱筒壁轴线向油箱前端盖移动，油液经油箱进排油孔进入液压系统；固连在密封活塞体上的行程位移传感器伸缩杆逐渐伸长，行程位移传感器伸缩杆位移伸长量L₁与油箱筒壁内径横截面积S的乘积即为油箱油液减少体积V₁；

油箱处于进油工作阶段时，气路电磁阀上电，气路电磁阀第一端口与第三端口导通，第二端口截止，油箱气体侧与外界环境大气导通，油箱压力与环境气压相等；来自液压系统的油液经油箱进排油孔进入油箱油液侧，油液同时推动密封活塞体沿油箱筒壁轴线逐渐向油箱后端盖移动；固连在密封活塞体上的行程位移传感器伸缩杆同时逐渐收缩，行程位移传感器伸缩杆位移缩减量L₂与箱筒壁内径横截面积S的乘积即为向油箱油液增加体积V₂。

进一步的，所述油箱筒壁采用冷拔珩磨工艺制成；油箱筒壁的内壁尺寸精度高于IT9级、内表面粗糙度Ra小于0.4μm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明由油箱前端盖、油箱筒壁、油箱后端盖、密封活塞体构成了油箱封闭内腔，形成闭式油箱，油箱油液侧中的液压油不与外界环境气体接触。本发明的闭式油箱可集成至空中、水下的无人航行器液压系统中，本发明在无人航行器处于倾斜、翻转姿态下均可为液压系统供油，避免了开式油箱在倾斜、翻转姿态下油液界面晃动，油液与空气混合，无法持续供油的问题。

2.本发明采用气压调节单元调节油箱在进油与排油阶段的油箱压力。在排油阶段，通过增加油箱气体侧压力的方式提升油箱排油压力，保证对无人航行器液压系统的供油压力；在进油阶段，通过保持油箱气体侧压力与外界环境压力平衡的方式，实现油箱低负荷进油。

3.本发明采用油箱筒壁与密封活塞体的间隙配合结构、高精度行程位移传感器实现闭式油箱油量的精确检测。本发明使用的行程位移传感器线性误差可控制在±0.25％，测量分辨率小于0.1μm，几乎无温度漂移现象。密封活塞体与油箱筒壁为间隙配合，密封活塞体回转轴线与位移方向重合度高。油箱油液体积改变量为活塞体位移与油箱筒壁内径截面积的乘积。油液体积检测误差可控制在±0.25％，测量分辨率小于S×10^-7ml(S为油箱筒壁内径截面积，单位cm²)。

4.本发明中的油箱筒壁采用冷拔珩磨工艺制成。与车削加工方式相比，采用冷拔珩磨工艺成型的油箱筒壁内径尺寸精度高，达到IT9级；筒壁内表面光滑，粗糙度Ra小于0.4μm；筒壁内表面硬度高，抗磨性强。采用冷拔珩磨工艺可显著降低密封活塞体与油箱筒壁之间的滑动摩擦力，实现密封活塞体在油箱筒壁内低阻顺畅运动，同时提升双作用聚酯表面预加载密封圈与油箱筒壁之间的密封效果，可有效防止油液侧与气体侧介质的泄漏混合。此外，冷拔珩磨制成的油箱筒壁厚度小，油箱筒壁长径比小，实现了轻量化成型制造，并适于批量化生产，加工成本低。

5.密封活塞体与油箱筒壁之间采用双作用聚酯表面预加载密封圈实现动密封。双作用聚酯表面预加载密封圈具有密封接触压力均匀、密封压力高、容许较大的径向偏摆及沟槽尺寸误差等特点。所述动密封结构可具备可靠的双向动密封效果，避免了常规O形圈动密封因不均匀磨损与劣化损伤造成的微量泄露问题。

6.本发明结构简单、可靠性高、工作寿命长、制造成本低，液压与气路阀件均为成熟型号产品。

7.本发明设计紧凑、集成度高、质量轻，适于在百公斤级中小型无人航行器中集成使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作原理图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本发明提出了一种油量高精度检测的闭式调压油箱。主要包括油箱主体单元与气压调节单元。如图1所示。油箱主体单元包括：油箱前端盖1，油舱进排油孔2，O形圈3，油箱筒壁4，拉紧杆5，密封活塞体6，排气孔7，排气阀8，第一导向环9，第二导向环10，双作用聚酯表面预加载密封圈11，油箱后端盖12，O形圈13，油箱进排气孔14，行程位移传感器15，密封O形圈16。气压调节单元包括压力传感器17，气泵18，气路单向阀19，气路电磁阀20。

油箱前端盖1、油箱筒壁4、油箱后端盖12构成油箱封闭内腔，采用拉紧杆5拉紧固定油箱前端盖1、油箱筒壁4、油箱后端盖12。油箱前端盖1上开有进排油孔2。油箱后端盖12上开有油箱进排气孔14。进排油孔2连接至液压系统，进排气孔14连接至气压调节单元。

油箱筒壁4采用冷拔珩磨工艺制成。与车削加工方式相比，采用冷拔珩磨工艺成型的油箱筒壁4内径尺寸精度高，达到IT9级；筒壁4内表面光滑，粗糙度Ra小于0.4μm；筒壁4内表面硬度高，抗磨性强。采用冷拔珩磨工艺可显著降低密封活塞体6与油箱筒壁4之间的滑动摩擦力，同时提升双作用聚酯表面预加载密封圈11与油箱筒壁4间的密封效果。此外，冷拔珩磨制成的油箱筒壁厚度小，油箱筒壁长径比小，实现了轻量化成型制造，并适于批量化生产，加工成本低。

油箱采用密封活塞体6隔离油箱油液侧和气体侧。密封活塞体6两侧沟槽内装有第一导向环9、第二导向环10，中间沟槽装有双作用聚酯表面预加载密封圈。密封活塞体6与油箱筒壁4为间隙配合，第一导向环9、第二导向环10实现密封活塞沿轴向在油箱筒壁内低阻滑动。双作用聚酯表面预加载密封圈11实现油箱筒壁4与密封活塞体6之间的动密封。双作用聚酯表面预加载密封圈11具有摩擦系数小、密封接触压力均匀、密封压力高、容许较大的径向偏摆及沟槽尺寸误差等特点。

密封活塞体6上开有排气孔7。排气阀8安装在密封活塞体6对应的排气孔7位置。开启排气阀可用于排除油箱油液侧的残留气体。

行程位移传感器15安装端面留有沟槽，沟槽内装有O型圈16并与油箱后端盖12中心处的安装孔形成端面密封。行程位移传感器15由螺钉固定在油箱后端盖12中心安装孔处。行程位移传感器15的伸缩杆末端留有外螺纹，伸缩杆末端固连在密封活塞体6中心的螺纹孔处。密封活塞体6沿油箱筒壁轴线移动过程中同时带动行程位移传感器15的伸缩杆运动。通过检测行程位移传感器15的伸缩杆位移量L可获取出密封活塞体6的移动位移与油箱油液体积变化量。

行程位移传感器15具有分辨率高、重复性能好、无滑动触点、使用寿命长等优点。线性误差可控制在±0.25％，测量分辨率小于0.1μm，几乎无温度漂移现象。可实现油箱油液体积的高精度检测。

气压传感器17安装在油箱后端盖12的螺纹孔内。气泵18与气路电磁阀20通过螺钉固定在油箱后端盖外侧。气压传感器17用于检测油箱内部气压。气泵18用于在排油阶段，增加油箱气体侧压力。气路单向阀19用于防止油箱内气体经气路电磁阀20第二端口B反向流动。气路电磁阀20为两位三通电磁阀，在油箱排油阶段，气路电磁阀20第一端口A与第二端口B连通用于导通气泵18与油箱气体侧管路，气路电磁阀20第三端口C截断；在油箱进油阶段，气路电磁阀20第一端口A与第三端口C导通，用于导通外界环境与油箱气体侧，气路电磁阀20第二端口B截断。

气泵18出口经单向阀19与气路电磁阀20第二端口B相连。气路电磁阀20的第一端口A与油箱后端盖上的进排气孔14相连。气路电磁阀20的第三端口C直接与外界环境接通。

本发明的安装过程如下：

1.密封活塞体6两侧沟槽内分别装入第一导向环9、第二导向环10，中间沟槽内装入双作用聚酯表面预加载密封圈11。排气阀8安装在密封活塞体6的排气孔7螺纹处。

2.油箱前端盖1沟槽内装入O形圈3，安装油箱前端盖1于油箱筒壁4端口处。

3.保持油箱筒壁回转轴线垂直，油箱前端盖1向下的安放位置。将定量液压油通过进排油孔2注入至油箱油液侧内。密封活塞体6从另外一侧的油箱筒壁端口装入油箱筒壁4内。施加外力将活塞体6缓慢平稳向油箱前端盖1方向推动。油液侧残留空气从排气阀8排出。当出现微量液压油从排气阀8中流出时，拧紧关闭排气阀8。此时油箱油液侧完成排气并密封。

4.在行程位移传感器15安装端面的沟槽内装入O形圈16并与油箱后端盖12中心处的安装孔形成端面密封，行程位移传感器15用螺钉与油箱后端盖11固定。行程位移传感器15的伸缩杆末端固连在密封活塞体6中心的螺纹安装孔内。

5.油箱后端盖12沟槽内装入O形圈13，安装至油箱筒壁4端口处。调整油箱前端盖1和油箱后端盖12的安装相位，使端盖的外缘径向孔对齐。拉紧杆5穿过油箱前端盖1和油箱后端盖12外缘的径向孔，拉紧杆5两端使用螺母旋紧固定。

6.气压传感器17安装在油箱后端盖12处螺纹孔内，气泵18与气路电磁阀20通过螺钉固定于油箱后端盖12外侧。气路电磁阀20第一端口A通过刚性气管与油箱后端盖12上的油箱进排气孔14连接；第二端口B与单向阀19、气泵18串联连接；第三端口C直接与外界环境接通。

完成装配的油箱，如图1所示。

本发明的工作过程具体如下：

1.如图2所示，油箱处于排油工作阶段时，气泵18上电启动，气路电磁阀20处于第一端口A与第二端口B导通，第三端口C截止状态，气体经气泵增压后通过气路单向阀19、气路电磁阀20进入油箱气体侧，油箱压力增大。在油箱气体侧压力作用下，密封活塞体6克服与油箱筒壁4之间的摩擦力沿油箱筒壁4轴线向油箱前端盖1方向移动，油液经油箱进排油孔2进入液压系统。固连在密封活塞体上的行程位移传感器15的伸缩杆同时逐渐伸长，行程位移传感器15的伸缩杆位移伸长量L₁与油箱筒壁4内径横截面积S的乘积即为油箱油液减少体积V₁。

2.油箱处于进油工作阶段时，气路电磁阀20上电，气路电磁阀第一端口A与第三端口C导通，第二端口B截止，油箱气体侧与外界环境导通，油箱压力与环境气压相等。来自液压系统的油液经油箱进排油孔2进入油箱油液侧，油液同时推动密封活塞体6沿油箱筒壁4轴线逐渐向油箱后端盖12方向移动。固连在密封活塞体上的行程位移传感器15的伸缩杆同时逐渐收缩，行程位移传感器15的伸缩杆位移缩减量L₂与油箱筒壁4内径横截面积S的乘积即为向油箱油液增加体积V₂。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，包括油箱主体单元与气压调节单元；所述油箱主体单元包括油箱前端盖(1)、油箱筒壁(4)、密封活塞体(6)、油箱后端盖(12)和行程位移传感器(15)；所述气压调节单元包括：压力传感器(17)、气泵(18)、气路单向阀(19)和气路电磁阀(20)；

所述油箱前端盖(1)、油箱筒壁(4)和油箱后端盖(12)构成油箱的封闭内腔，并采用拉紧杆(5)将油箱主体单元拉紧固定；油箱前端盖(1)上开有进排油孔(2)；油箱后端盖(12)上开有油箱进排气孔(14)；进排油孔(2)能够连接至液压系统，进排气孔(14)连接至气压调节单元；所述密封活塞体(6)设置于封闭内腔内并将封闭内腔分为油液侧和气体侧；密封活塞体(6)能够在封闭内腔内沿油箱筒壁(4)的轴线移动；所述油箱后端盖(12)中部通过安装孔与所述行程位移传感器(15)连接，行程位移传感器(15)内设有伸入所述封闭内腔的伸缩杆，伸缩杆的末端与密封活塞体(6)中心连接；

所述压力传感器(17)安装在油箱后端盖(12)的螺纹孔内；气泵(18)与气路电磁阀(20)通过螺钉固定在油箱后端盖(12)外侧；所述压力传感器(17)用于检测油箱内部压力；所述气泵(18)用于油箱增压以及在排油阶段，增加油箱气体侧压力；所述气路单向阀(19)安装于气泵(18)与气路电磁阀(20)之间；所述气路单向阀(19)用于防止油箱内气体经气路电磁阀(20)第二端口反向流动；所述气路电磁阀(20)为两位三通电磁阀，气路电磁阀(20)的第一端口与油箱后端盖上的进排气孔(14)相连，第二端口与单向阀(19)相连，第三端口直接与外界环境接通，在油箱排油阶段用于导通气泵(18)与油箱气体侧管路，在油箱进油阶段用于连通外界环境与油箱气体侧。

2.根据权利要求1所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述密封活塞体(6)上设有与所述油箱筒壁(4)间隙配合的侧壁，所述侧壁与油箱筒壁(4)的接触面上设有三个沟槽，中部沟槽内装有双作用聚酯表面预加载密封圈(11)；两侧沟槽内分别装有第一导向环(9)和第二导向环(10)；第一导向环(9)、第二导向环(10)实现密封活塞体(6)沿轴向在油箱筒壁(4)内低阻滑动。

3.根据权利要求2所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述双作用聚酯表面预加载密封圈(11)实现油箱筒壁(4)与密封活塞体(6)之间的双向动密封。

4.根据权利要求1所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述密封活塞体(6)上开有排气孔(7)；所述排气孔(7)中安装有排气阀(8)；开启排气阀(8)能够排除油箱油液侧的残留气体。

5.根据权利要求1所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述行程位移传感器(15)安装端面设有凹槽，凹槽内装有O型圈(16)并与油箱后端盖(12)中心处的安装孔形成端面密封；所述行程位移传感器(15)由螺钉固定在油箱后端盖(12)中心安装孔处；通过检测行程位移传感器(15)伸缩杆位移量L能够获取出密封活塞体(6)的移动位移与油箱油液体积变化量。

6.根据权利要求1或5所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述行程位移传感器(15)的线性误差为±0.25％，测量分辨率小于0.1μm。

7.根据权利要求1所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，油箱处于排油工作阶段时，气泵(18)上电启动，气路电磁阀(20)处于第一端口与第二端口导通，第三端口截止状态，气泵(18)与油箱气体侧管路导通，气体经气泵(18)增压后通过气路单向阀(19)、气路电磁阀(20)进入油箱气体侧，油箱压力增大；在油箱气体侧压力作用下，密封活塞体(6)克服与油箱筒壁(4)之间的摩擦力沿油箱筒壁轴线向油箱前端盖(1)移动，油液经油箱进排油孔(2)进入液压系统；固连在密封活塞体(6)上的行程位移传感器(15)伸缩杆逐渐伸长，行程位移传感器(15)伸缩杆位移伸长量L₁与油箱筒壁(4)内径横截面积S的乘积即为油箱油液减少体积V₁；

油箱处于进油工作阶段时，气路电磁阀(20)上电，气路电磁阀(20)第一端口与第三端口导通，第二端口截止，油箱气体侧与外界环境大气导通，油箱压力与环境气压相等；来自液压系统的油液经油箱进排油孔(2)进入油箱油液侧，油液同时推动密封活塞体(6)沿油箱筒壁轴线逐渐向油箱后端盖(12)移动；固连在密封活塞体(6)上的行程位移传感器(15)伸缩杆同时逐渐收缩，行程位移传感器(15)伸缩杆位移缩减量L₂与箱筒壁内径横截面积S的乘积即为向油箱油液增加体积V₂。

8.根据权利要求1所述一种油量高精度检测的闭式调压油箱，其特征在于，所述油箱筒壁(4)采用冷拔珩磨工艺制成；油箱筒壁(4)的内壁尺寸精度高于IT9级、内表面粗糙度Ra小于0.4μm。

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