CN112606946B - 能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，包括光学窗罩、窗罩支撑壳体、弯曲补偿件和窗罩压盖，弯曲补偿件位于窗罩支撑壳体和光学窗罩之间，弯曲补偿件与窗罩支撑壳体之间还设有密封用的O型橡胶密封圈，弯曲补偿件与光学窗罩之间、光学窗罩与窗罩压盖之间以及窗罩支撑壳体与窗罩压盖之间均设有密封用的平面橡胶垫，弯曲补偿件与窗罩支撑壳体之间以及光学窗罩与窗罩支撑壳体之间还设有隔离窗罩支撑壳体受压变形用的平面橡胶垫。本发明结构轻巧，使用性能高，可靠性高，大大提高了光学窗罩的耐压性和密封性，同时大幅提升了使用的安全性和稳定性。

Description

能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构

技术领域

本发明涉及机械结构技术领域，尤其是涉及一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构。

背景技术

深潜设备和深水作业设备的下潜深度可达几百米甚至数千米，其耐压壳体在深潜状态中需要承受几兆帕或几十兆帕的（海）水压力。在深潜设备和深水作业设备上的光电探测设备都设置有光学窗罩，其直接面临外部（海）水的压力，随着下潜深度的增加，压力随之增大，而其支撑壳体的材料通常为高强度的钛合金或不锈钢材料。由于尺寸和重量限制，支撑壳体的刚度有限，在高压下均会弯曲变形，而随着压力的增加，支撑壳体的光学窗罩支撑平面的弯曲变形量会逐渐增加，一般在几兆帕的压力下就能达到0.2mm以上。现有的光学窗罩材料一般为光学玻璃或光学晶体，均为脆性材料，在外部水压作用下的弯曲变形量很小，对于长度尺寸300 mm左右的平面光学窗罩弯曲变形量一般不会超过0.1mm，否则光学窗罩就会破裂。随着下潜深度的增加即光学窗承受压力的增加，支撑壳体的光学窗罩支撑面的弯曲量不断增加，而光学窗罩的弯曲量增加较少，现有的耐压水密光学窗结构就会造成光学窗罩应力集中，局部应力超过光学窗罩耐压强度极限会导致光学窗罩破裂。通过试验证实如果支撑壳体的刚度足够，即光学窗罩支撑面的变形量很小，光学窗罩的耐压能力会比支撑面弯曲量大时成倍增加。

因此，现有的耐压水密光学窗结构的不足主要表现在：1）光学窗支撑壳体材料为常用的高强度钛合金或不锈钢材料，当壳体的厚度尺寸受到一定限制时，在大潜深高水压下窗罩支撑壳体的支撑面有较大的弯曲变形量，将造成光学窗罩局部应力集中，光学窗罩在较低的水压下就会发生破裂；2）为了减少支撑壳体支撑窗罩平面的受压弯曲变形量只有大幅度增加支撑壳体的厚度，大大增加了深潜设备的体积和重量，不利于深潜设备的使用和操作。

中国专利文献CN 110217343 A 记载了一种增强密封的大深度海洋光学装置，包括玻璃窗口、预紧法兰、耐压壳体和封头端盖，该装置相对复杂。中国专利文献CN111751948 A 记载了一种压力自平衡式深海仪器光学镜头封装结构，通过改变光学窗口压板与光学窗口之间的密封结构，在光学窗口压板与光学窗口端面接触部位留有空隙，但是该装置无法解决密封性的问题，且压力并不能完全被平衡，使用存在缺陷，因此需要改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，解决现有的耐压水密光学窗结构的支撑壳体和光学窗罩壁厚较厚，光学窗尺寸大，重量大，光学窗使用存在安全隐患的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，包括光学窗罩、窗罩支撑壳体、弯曲补偿件和窗罩压盖，弯曲补偿件位于窗罩支撑壳体和光学窗罩之间，弯曲补偿件与窗罩支撑壳体之间设有密封用的O型橡胶密封圈，弯曲补偿件与光学窗罩之间设有密封用的第二平面橡胶垫，光学窗罩与窗罩压盖之间设有密封用的第四平面橡胶垫，窗罩支撑壳体与窗罩压盖之间设有密封用的第五平面橡胶垫，弯曲补偿件与窗罩支撑壳体之间设有隔离窗罩支撑壳体受压变形用的第一平面橡胶垫，光学窗罩与窗罩支撑壳体之间设有隔离窗罩支撑壳体受压变形用的第三平面橡胶垫。

优选方案中，所述窗罩支撑壳体设有阶台，阶台包括位于中间位置的第二平面以及位于第二平面两侧对称设置的第一平面，第二平面与第一平面平行，第二平面高于第一平面，第二平面和第一平面平面之间设有连接面，连接面向第一平面一侧倾斜，阶台上设有安装槽，安装槽内设有O型橡胶密封圈。

优选方案中，所述窗罩支撑壳体上设有螺纹孔，窗罩压盖上设有沉孔，沉孔和螺纹孔相匹配，窗罩支撑壳体和窗罩压盖通过螺钉连接。

优选方案中，所述弯曲补偿件是由抗弯强度极高的硬质合金材料钨钢制作而成平面垫圈，钨钢垫圈靠近光学窗罩的一侧端面用强力橡胶粘接剂粘接第二平面橡胶垫，钨钢垫圈外形尺寸和光学窗罩外形尺寸相匹配，钨钢垫圈的内孔尺寸与光学窗罩有效通光口径相匹配。

优选方案中，所述第一平面的长度为阶台整体长度的1/7，第二平面的长度为阶台整体长度的2/7。

优选方案中，所述光学窗罩的材料至少包括钢化玻璃、硅单晶、蓝宝石中的一种，窗罩支撑壳体的材料为钛合金或不锈钢。

本发明一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构带来的有益效果：

1）耐压强度高：能补偿支撑壳体受压弯曲，使脆性材料的光学窗罩在深水高压下得到有效支撑，成倍提高光学窗罩耐压能力；

2）结构巧妙：特别适合耐水压强度十兆帕以下的小型化、轻量化光学窗结构，能够在保证耐压强度的条件下大幅度减小光学窗罩壁厚和窗罩支撑壳体的壁厚；

3）安全性高：本结构具有双层密封结构，在高水压下更加安全可靠，满足光学窗在深水下的耐压密封要求，显著提高有光学窗的深潜设备的安全性，适用于深潜器、潜航器、潜艇光电桅杆和潜用光电探测设备等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体示意图；

图2是本发明A-A剖面示意图；

图3是本发明I处局部放大示意图；

图4是本发明窗罩支撑壳体正视剖面示意图；

图5是本发明窗罩支撑壳体B-B剖面示意图。

图中：光学窗罩1；窗罩支撑壳体2；弯曲补偿件3；窗罩压盖4；O型橡胶密封圈5；第一平面橡胶垫6；第二平面橡胶垫7；、第三平面橡胶垫8；第四平面橡胶垫9；第五平面橡胶垫10；螺钉11；安装槽12；阶台13；第一平面1301；第二平面1302；连接面1303。

具体实施方式

实施例1

如图1~5所示，一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，包括光学窗罩1、窗罩支撑壳体2、弯曲补偿件3和窗罩压盖4，弯曲补偿件3位于窗罩支撑壳体2和光学窗罩1之间，弯曲补偿件3与窗罩支撑壳体2之间设有密封用的O型橡胶密封圈5，弯曲补偿件3与光学窗罩1之间设有密封用的第二平面橡胶垫7，光学窗罩1与窗罩压盖4之间设有密封用的第四平面橡胶垫9，窗罩支撑壳体2与窗罩压盖4之间设有密封用的第五平面橡胶垫10，弯曲补偿件3与窗罩支撑壳体2之间设有隔离窗罩支撑壳体2受压变形用的第一平面橡胶垫6，光学窗罩1与窗罩支撑壳体2之间设有隔离窗罩支撑壳体2受压变形用的第三平面橡胶垫8。由此结构，窗罩支撑壳体2与弯曲补偿件3之间通过O型橡胶密封圈5密封，弯曲补偿件3与光学窗罩1之间通过第二平面橡胶垫7密封，这组成了本结构的第二层耐压密封；光学窗罩1与窗罩压盖4之间通过第四平面橡胶垫9密封，窗罩压盖4与窗罩支撑壳体2之间通过第五平面橡胶垫10密封，这组成了本结构的第一层耐压密封。第一层耐压密封失效后，第二层耐压密封仍能可靠起作用，除非光学窗罩破裂，双层密封结构使光学窗的耐压密封更可靠。

优选方案中，所述窗罩支撑壳体2设有阶台13，阶台13包括位于中间位置的第二平面1302以及位于第二平面1302两侧对称设置的第一平面1301，第二平面1302与第一平面1301平行，第二平面1302高于第一平面1301，第二平面1302和第一平面1301之间设有连接面1303，连接面1303向第一平面1301一侧倾斜，阶台13上设有安装槽12，安装槽12内设有O型橡胶密封圈5。由此结构，保证了整体的密封效果，在高水压下窗罩支撑壳体2的支撑面反而随水压升高而变平整，即支撑弯曲补偿件3的台阶面反而随压力增加变平，因此在高水压下弯曲补偿件3靠近光学窗罩1的支撑面的弯曲量反而减小，减小了光学窗罩1的应力集中，成倍增加了光学窗罩1的耐压能力。

优选方案中，所述窗罩支撑壳体2上设有螺纹孔，窗罩压盖4上设有沉孔，沉孔和螺纹孔相匹配，窗罩支撑壳体2和窗罩压盖4通过螺钉11连接。由此结构，以使得控制螺钉11的扭紧力和端面密封用平面橡胶垫的压缩量，即可实现光学窗罩在高水压下的可靠密封。

优选方案中，所述弯曲补偿件3是由抗弯强度极高的硬质合金材料钨钢制作而成平面垫圈，钨钢垫圈靠近光学窗罩1的一侧端面用强力橡胶粘接剂粘接第二平面橡胶垫7，钨钢垫圈外形尺寸和光学窗罩1外形尺寸相匹配，钨钢垫圈的内孔尺寸与光学窗罩1有效通光口径相匹配。由此结构，弯曲补偿件3不易受压变形，使光学窗罩1得到较好的平面支撑，不易破裂。

优选方案中，所述第一平面1301的长度为阶台13整体长度的1/7，第二平面1302的长度为阶台13整体长度的2/7。由此结构，以使得整体效果最佳，保证了在高水压下窗罩支撑壳体2的支撑面反而随水压升高而变平整，在高水压下弯曲补偿件3靠近光学窗罩1的支撑面的弯曲量反而减小，减小了光学窗罩1的应力集中，成倍增加了光学窗罩1的耐压能力。

优选方案中，所述光学窗罩1的材料至少包括钢化玻璃、硅单晶、蓝宝石中的一种，窗罩支撑壳体2的材料为钛合金或不锈钢。由此结构，增加了整体的耐压能力，同时保证了结构的小型化、轻量化。

实施例2

操作方法：窗罩支撑壳体2采用高强度的钛合金或不锈钢材料，在高水压下也容易弯曲变形，在窗口位置壁厚较厚，窗口四周加工有弯曲补偿件3和光学窗罩1的支撑面阶台13，在窗口长尺寸方向两端1/7长度的两个第一平面1301为等高平面，中部2/7长度的第二平面1302与两端第一平面1301平行，第二平面1302和第一平面1301之间的高度差为δ，δ的范围为0.15～0.3mm，推荐尺寸最佳适合耐水压强度2～10MPa范围，经过适当尺寸修改可适应更宽的耐水压强度范围，此时δ值需要根据计算机仿真分析和/或试验得出的窗罩支撑壳体支撑面的最大弯曲量确定，阶台13上设有安装槽12，安装槽12内用于安装O型橡胶密封圈5，O型橡胶密封圈5的截面直径变化范围为2.5～5.5mm，此时，将弯曲补偿件3装入到窗罩支撑壳体2的阶台13上，弯曲补偿件3厚度尺寸根据耐压强度大小一般控制在15～30mm之间，采用抗弯强度极高的硬质合金钨钢材料制作而成，其侧面四周用橡胶粘接剂粘接0.5mm左右厚的第一平面橡胶垫6，其上端面用强力橡胶粘接剂粘接1.5mm左右厚的第二平面橡胶垫7；然后将光学窗罩1装入弯曲补偿件3粘接的第二平面橡胶垫7上，其侧面四周用橡胶粘接剂粘接1mm左右厚的第三平面橡胶垫8；窗罩压盖4的压住光学窗罩1的端面上用橡胶粘接剂粘接2mm左右厚的第四平面橡胶垫9，窗罩支撑壳体2的支撑窗罩压盖4的端面上用橡胶粘接剂粘接2～3mm厚的第五平面橡胶垫10，窗罩压盖4套入光学窗罩1上端面，用螺钉11将窗罩压盖4、窗罩支撑壳体2和光学窗罩1压紧，控制螺钉11的扭紧力和端面密封用平面橡胶垫的压缩量，即可实现光学窗罩在高水压下的可靠密封。

实施例3

工作原理：深潜设备在深潜工作时，外部水的压力直接作用在光学窗罩1和窗罩支撑壳体2上，光学窗罩1将压力依次传递给第二平面橡胶垫7、弯曲补偿件3、窗罩支撑壳体2。窗罩支撑壳体2的支撑面在受压下发生弯曲，在其长尺寸方向的两端变形量较小，中部变形量较大，由于窗罩支撑壳体2支撑面的面形是两端低中间高，由此窗罩支撑壳体2支撑面在外部水压作用下两端和中部的高度差随压力增加而变小，即支撑弯曲补偿件3的台阶面反而随压力增加变平，而弯曲补偿件3本身刚度较高不易弯曲，因此弯曲补偿件3有效补偿了窗罩支撑壳体2的受压弯曲变形，对脆性材料光学窗罩1的支撑更加有利。与传统耐压水密光学窗结构相比，本实施例在外部高水压作用下光学窗罩1的应力集中程度大幅度减小，承受外部水压能力成倍提高。O型橡胶密封圈5用于窗罩支撑壳体2与弯曲补偿件3之间的密封，第二平面橡胶垫7用于弯曲补偿件3与光学窗罩1之间的密封，组成了本结构的第二层密封；第四平面橡胶垫9用于窗罩压盖4与光学窗罩1之间的密封，第五平面橡胶垫10用于窗罩压盖4与窗罩支撑壳体2之间的密封，组成了本结构的第一层密封；弯曲补偿件3侧面的第一平面橡胶垫6和光学窗罩1侧面的第三平面橡胶垫8用于窗罩支撑壳体2在受压弯曲时有弹性空间使弯曲补偿件3和光学窗罩1不会受到大的侧面挤压力，第一层耐压密封失效后，第二层耐压密封仍能可靠起作用，除非光学窗罩破裂。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，其特征是：包括光学窗罩（1）、窗罩支撑壳体（2）、弯曲补偿件（3）和窗罩压盖（4），弯曲补偿件（3）位于窗罩支撑壳体（2）和光学窗罩（1）之间，弯曲补偿件（3）与窗罩支撑壳体（2）之间设有密封用的O型橡胶密封圈（5），弯曲补偿件（3）与光学窗罩（1）之间设有密封用的第二平面橡胶垫（7），光学窗罩（1）与窗罩压盖（4）之间设有密封用的第四平面橡胶垫（9），窗罩支撑壳体（2）与窗罩压盖（4）之间设有密封用的第五平面橡胶垫（10），弯曲补偿件（3）与窗罩支撑壳体（2）之间设有隔离窗罩支撑壳体（2）受压变形用的第一平面橡胶垫（6），光学窗罩（1）与窗罩支撑壳体（2）之间设有隔离窗罩支撑壳体（2）受压变形用的第三平面橡胶垫（8）；

所述窗罩支撑壳体（2）设有阶台（13），阶台（13）包括位于中间位置的第二平面（1302）以及位于第二平面（1302）两侧对称设置的第一平面（1301），第二平面（1302）与第一平面（1301）平行，第二平面（1302）高于第一平面（1301），第二平面（1302）和第一平面（1301）平面之间设有连接面（1303），连接面（1303）向第一平面（1301）一侧倾斜，阶台（13）上设有安装槽（12），安装槽（12）内设有O型橡胶密封圈（5）；

所述窗罩支撑壳体（2）上设有螺纹孔，窗罩压盖（4）上设有沉孔，沉孔和螺纹孔相匹配，窗罩支撑壳体（2）和窗罩压盖（4）通过螺钉（11）连接。

2.根据权利要求1所述一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，其特征是：所述弯曲补偿件（3）是由抗弯强度极高的硬质合金材料钨钢制作而成平面垫圈，钨钢垫圈靠近光学窗罩（1）的一侧端面用强力橡胶粘接剂粘接第二平面橡胶垫（7），钨钢垫圈外形尺寸和光学窗罩（1）外形尺寸相匹配，钨钢垫圈的内孔尺寸与光学窗罩（1）有效通光口径相匹配。

3.根据权利要求1所述一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，其特征是：所述第一平面（1301）的长度为阶台（13）整体长度的1/7，第二平面（1302）的长度为阶台（13）整体长度的2/7。

4.根据权利要求1所述一种能补偿支撑壳体受压弯曲的耐高压水密光学窗结构，其特征是：所述光学窗罩（1）的材料至少包括钢化玻璃、硅单晶、蓝宝石中的一种，窗罩支撑壳体（2）的材料为钛合金或不锈钢。

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