CN115026793A

CN115026793A - 一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器

Info

Publication number: CN115026793A
Application number: CN202210564825.0A
Authority: CN
Inventors: 侯交义; 何小康; 宁大勇; 梁港达; 战文; 弓永军; 吴宪辉; 张增猛; 陈圣涛
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-05-23
Also published as: CN115026793B

Abstract

本发明提供一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，包括密闭的壳体，且所述壳体内通过位置保持架安装有加热装置和相变微体单元；所述壳体的一端安装有柔性表皮，且所述柔性表皮为中空状，其一端与所述壳体内部连通，另一端密封；所述柔性表皮和所述壳体内充满导热介质；所述相变微体单元包括弹性管和密封在所述弹性管内的石蜡；所述加热装置通过所述导热介质加热所述石蜡，使所述石蜡相变，体积增大，使所述柔性表皮沿其轴向方向膨胀。本发明基于石蜡相变驱动原理，通过石蜡相变体积变化产生的液压能对外输出做功，原材料易获得且成本较低；驱动方式简单，通过矩形陶瓷加热片加热即可达到直线驱动的效果。

Description

一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器

技术领域

本发明涉及相变材料应用及深海机械驱动技术领域，具体而言是一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器。

背景技术

面向21世纪深海探索的需求，各种深海装备技术逐渐发展。深海机械手是深海资源勘测中必不可少的重要装备，小型化、轻量化是其未来的发展趋势。目前的水下机械手驱动方式以液压驱动为主，但该驱动方式需要配备庞大且复杂的油液管路，直接限制了机械手的小型化发展，高压下的管路密封导致的驱动失效与环境污染也是目前存在的问题。利用电机驱动并在电机内部充油平衡外界压力也是目前深海机械手的一种驱动方式，但泄露无法完全消除使得电机存在失效风险。综上，目前深海机械手驱动方式存在体积、重量大，深海高压环境下工作稳定性低等问题。

CN112171639A中公布了一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器，其利用记忆合金和柔性材料进行驱动器的制备，利用记忆合金的变形特性进行水下装备的驱动，但柔性结构对其在目前水下装备中的安装和使用有一定限制。

CN111251285A中公布了一种压电驱动二自由度深海机械臂及其驱动方法，其利用新型压电材料进行驱动器的制备，具有一定深海环境适应性，但其结构复杂且只能实现二自由度的驱动，降低了其执行深海任务的能力。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，包括密闭的壳体，且壳体内通过位置保持架安装有加热装置和相变微体单元；壳体的一端安装有柔性表皮，且柔性表皮为中空状，其一端与壳体内部连通，另一端密封；柔性表皮和壳体内充满导热介质；柔性表皮外套有径向限位装置，其一端与壳体连接，另一端与柔性表皮的密封一端连接；

相变微体单元包括弹性管和密封在弹性管内的石蜡；

加热装置通过导热介质加热石蜡，使石蜡相变，体积增大，使柔性表皮沿其轴向方向膨胀。

优选地，壳体呈中空的圆柱状，其与柔性表皮连接的一端的中心具有凸台和与凸台螺纹配合的密封旋盖；凸台内和密封旋盖中心具有与壳体内连通的中心通孔；

柔性表皮与壳体连接的一端具有与凸台相适配的圆形密封片，圆形密封片的中心具有与柔性表皮内部连通的通孔；圆形密封片安装在密封旋盖与凸台之间，且圆形密封片的两侧均涂有胶水；柔性表皮穿过了密封旋盖的中心通孔，密封旋盖的中心通孔与柔性表皮的外径相匹配，密封旋盖的内径与圆形密封片的外径相匹配。

优选地，柔性表皮及其圆形密封片通过模具浇筑硅胶一体成型，其材料为硬度为40～50°A的AB硅胶，配比为1：1，柔性表皮与圆形密封片连接处具有圆角。

优选地，径向限位装置为限位纤维，限位纤维缠绕在柔性表皮外表面，并完全包裹柔性表皮，且一端与壳体连接，另一端与柔性表皮的端部连接。

优选地，位置保持架包括圆形平台和安装在圆形平台上的十字挡板，圆形平台上设置有多个圆形格栅结构；十字挡板的每个挡板上均设置有安装加热装置的加热装置安装孔，且加热装置安装孔的一端加工有用于放置加热装置的导线的锲型凹槽；

十字挡板的相邻两个挡板之间放置多个相变微体单元。

优选地，圆形平台的外径为壳体的内径的4/5；十字挡板的高度为相变微体单元的高度的9/10。

优选地，壳体远离柔性表皮的一端具有端盖，且壳体靠近端盖的一端具有法兰凸缘盘结构，端盖的外沿通过螺栓与法兰凸缘盘结构固定连接，法兰凸缘盘结构和端盖的连接面上具有密封圈凹槽和设置在密封圈凹槽内的密封圈；端盖的中心具有沉台，且沉台内具有长方形通孔，加热装置的导线由长方形通孔穿出壳体，且采用硅橡胶密封长方形通孔，且硅橡胶充满沉台。

优选地，加热装置为矩形陶瓷加热片，其粘在加热装置安装孔内，且其导线粘在锲型凹槽处。

优选地，弹性管为耐高温硅胶制成。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用了新型驱动方式，通过石蜡相变产生的液压能对外输出做功，原材料易获得且成本较低；通过矩形陶瓷加热片加热即可获得驱动效果，驱动方式简单。

2、本发明结构紧凑且体积小，深海高压环境下石蜡相变体积变化量能达到17％，本发明能在小体积内产生较大的驱动力与驱动位移，有望代替液压缸结构实现小型机械的驱动，有利于深海机械的小型化、轻量化设计。

3、本发明具有较强的深海耐压能力，圆柱型壳体降低了整体密封的难度，壳体内部充满液体，有效缓解了传统机构中存在空腔不适用于高压环境的情况；同时柔性表皮在深海环境下也具有压力补偿的能力，有一定应用于深海机械的驱动的前景。

基于上述理由本发明可在深海直线式驱动器等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器结构整体图；

图2为本发明具体实施方式中一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器结构爆炸图；

图3为本发明具体实施方式中柔性表皮结构图；

图4为本发明具体实施方式中壳体结构图与剖视图；

图5为本发明具体实施方式中端盖结构图；

图6为本发明具体实施方式中相变微单元体结构图；

图7为本发明具体实施方式中位置保持架结构图；

图8为本发明具体实施方式中相变微单元组装示意图。

图中：1、径向限位装置；2、柔性表皮；2-1、圆形密封片；2-2、圆角；3、密封旋盖；4、壳体；4-1、凸台；4-2、中心通孔；4-3、法兰凸缘盘结构；4-4、密封圈凹槽；5、相变微体单元；5-1、封装胶；5-2、弹性管；5-3、石蜡；6、位置保持架；6-1、圆形格栅结构；6-2、十字挡板；6-3、楔形凹槽；7、端盖；7-1、沉台；7-2、长方形通孔；8、加热装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～8所示，一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，包括密闭的壳体4，且壳体4内通过位置保持架6安装有加热装置8和相变微体单元5；壳体4的一端通过密封旋盖3安装有柔性表皮2，且柔性表皮2为中空状，其一端与壳体4内部连通，另一端密封；柔性表皮2和壳体4内充满导热介质；柔性表皮2外套有径向限位装置1，其一端与壳体4连接，另一端与柔性表皮2的密封一端连接；

如图6所示，相变微体单元5的结构为：相变微体单元5包括弹性管5-2和设置在弹性管5-2内的石蜡5-3，弹性管5-2的两端通过封装胶5-1封装；弹性管5-2为耐高温硅胶制备而成。

如图4所示，壳体4呈中空的圆柱状，其与柔性表皮2连接的一端的中心具有凸台4-1，凸台4-1与密封旋盖3螺纹配合；凸台4-1内和密封旋盖3中心具有与壳体4内连通的中心通孔4-2；中心通孔4-2与柔性表皮2的外径相匹配；壳体4远离柔性表皮2的一端具有端盖7，且壳体4靠近端盖7的一端具有法兰凸缘盘结构4-3，端盖7的外沿通过螺栓与法兰凸缘盘结构4-3固定连接，法兰凸缘盘结构4-3和端盖7的连接面上具有密封圈凹槽4-4和设置在密封圈凹槽4-4内的密封圈；端盖7的中心具有沉台7-1，且沉台7-1内具有长方形通孔7-2(如图5所示)；

如图3所示，柔性表皮2与壳体4连接的一端具有与凸台相适配的圆形密封片2-1，圆形密封片2-1的中心具有与柔性表皮2内部连通的通孔；柔性表皮2及其圆形密封片2-1通过模具浇筑硅胶一体成型，其材料为硬度为40～50°A的AB硅胶，配比为1：1，柔性表皮2与圆形密封片2-1连接处具有圆角2-2。圆形密封片2-1安装在密封旋盖3与凸台4-1之间，且圆形密封片2-1的两侧均涂有胶水；柔性表皮2穿过了密封旋盖3，密封旋盖3的内径与圆形密封片2-1的外径相匹配。

径向限位装置1为限位纤维，限位纤维缠绕在柔性表皮2外表面，并完全包裹柔性表皮2，且一端与壳体4连接，另一端与柔性表皮的端部连接。

加热装置8为矩形陶瓷加热片。

本具体实施方式中具有两个位置保持架6。位置保持架6的结构如图7所示，位置保持架6包括圆形平台和安装在圆形平台上的十字挡板6-2，圆形平台上设置有多个圆形格栅结构6-1；圆形平台的外径为壳体4的内径的4/5；十字挡板6-2的每个挡板上均设置有加热装置安装孔，且加热装置安装孔的一端加工有锲型凹槽6-3；加热装置8粘在加热装置安装孔内，加热装置8的导线粘在楔形凹槽6-3处(如图8)；加热装置8的导线由长方形通孔7-2穿出壳体4，且采用硅橡胶密封长方形通孔7-2，且硅橡胶7-4充满沉台7-1。

如图8所示，十字挡板6-2的相邻两个挡板之间放置四个相变微体单元5。十字挡板6-2的高度为相变微体单元5的高度的9/10。

加热装置8通过导热介质加热石蜡5-3，使石蜡5-3相变，体积增大，使柔性表皮2沿其轴向方向膨胀。

一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器的装配方式如下：

1、制作相变微单元体5，融化石蜡5-3材料，利用滴管吸取液态石蜡5-3灌注进入一端封装好的弹性管5-2，待弹性管5-2内石蜡5-3冷却对弹性管5-2另一端通过封装胶5-1封装，对封装后的弹性管5-1内石蜡5-3进行脱气处理，弹性管5-1材料选择耐高温硅胶，弹性管5-1直径为6mm；

2、选取矩形陶瓷加热片作为加热装置8，侧面涂胶固定到位置保持架十字挡板6-2的加热装置安装孔内，导线粘接在锲型凹槽6-3中，待粘结牢固将相变微单元体5集成进位置保持架6两个挡板与圆形格栅结构6-1限定的空间中，将上述的四个空间内都集成4个相变微单元5构成相变微单元模块(图8)；

3、将柔性表皮2穿过密封旋盖3，柔性表皮2的圆形密封片2-1两面涂胶，将圆形密封片2-1置于壳体4的凸台4-1上，同时凸台4-1外螺纹涂螺纹密封胶后旋紧密封旋盖3；

4、上述过程粘结牢固后将2个相变微单元模块放进壳体4内，加热装置导线穿过端盖7中心的长方形通孔7-2；

5、对导热介质进行脱除气泡处理，向壳体4内灌注导热介质，在壳体4上的密封圈凹槽4-4布置密封圈，将端盖7上有密封圈凹槽4-4一面与壳体4上法兰凸缘盘结构4-3配合，通过螺栓螺母进行紧定密封；

6、调整壳体4内导热介质，脱除内部空气后向端盖7中心的长方形通孔7-2涂抹硅橡胶，待粘结牢固后向端盖7中心的沉台7-1灌注密封胶，使密封胶最终液面与端盖7面平齐；

7、在柔性表皮2周身缠绕限位纤维，限位纤维材料为芳纶纤维，从柔性表皮2底部开始缠绕，其缠绕效果应为：限位纤维完全包裹柔性表皮2。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，包括密闭的壳体，且所述壳体内通过位置保持架安装有加热装置和相变微体单元；所述壳体的一端安装有柔性表皮，且所述柔性表皮为中空状，其一端与所述壳体内部连通，另一端密封；所述柔性表皮和所述壳体内充满导热介质；所述柔性表皮外套有径向限位装置，其一端与壳体连接，另一端与柔性表皮的密封一端连接；

所述相变微体单元包括弹性管和密封在所述弹性管内的石蜡；

所述加热装置通过所述导热介质加热所述石蜡，使所述石蜡相变，体积增大，使所述柔性表皮沿其轴向方向膨胀。

2.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述壳体呈中空的圆柱状，其与所述柔性表皮连接的一端的中心具有凸台和与所述凸台螺纹配合的密封旋盖；所述凸台内和所述密封旋盖中心具有与所述壳体内连通的中心通孔；

所述柔性表皮与所述壳体连接的一端具有与所述凸台相适配的圆形密封片，所述圆形密封片的中心具有与所述柔性表皮内部连通的通孔；所述圆形密封片安装在所述密封旋盖与所述凸台之间，且所述圆形密封片的两侧均涂有胶水；所述柔性表皮穿过了所述密封旋盖的中心通孔，所述密封旋盖的中心通孔与所述柔性表皮的外径相匹配，所述密封旋盖的内径与所述圆形密封片的外径相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述柔性表皮及其圆形密封片通过模具浇筑硅胶一体成型，其材料为硬度为40～50°A的AB硅胶，配比为1：1，所述柔性表皮与所述圆形密封片连接处具有圆角。

4.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述径向限位装置为限位纤维，限位纤维缠绕在所述柔性表皮外表面，并完全包裹所述柔性表皮，且一端与所述壳体连接，另一端与所述柔性表皮的端部连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述位置保持架包括圆形平台和安装在所述圆形平台上的十字挡板，所述圆形平台上设置有多个圆形格栅结构；所述十字挡板的每个挡板上均设置有安装所述加热装置的加热装置安装孔，且所述加热装置安装孔的一端加工有用于放置所述加热装置的导线的锲型凹槽；

所述十字挡板的相邻两个挡板之间放置多个所述相变微体单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述圆形平台的外径为所述壳体的内径的4/5；所述十字挡板的高度为所述相变微体单元的高度的9/10。

7.根据权利要求5所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述壳体远离所述柔性表皮的一端具有端盖，且所述壳体靠近所述端盖的一端具有法兰凸缘盘结构，所述端盖的外沿通过螺栓与所述法兰凸缘盘结构固定连接，所述法兰凸缘盘结构和所述端盖的连接面上具有密封圈凹槽和设置在密封圈凹槽内的密封圈；所述端盖的中心具有沉台，且所述沉台内具有长方形通孔，所述加热装置的导线由所述长方形通孔穿出所述壳体，且采用硅橡胶密封所述长方形通孔，且所述硅橡胶充满所述沉台。

8.根据权利要求5所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述加热装置为矩形陶瓷加热片，其粘在所述加热装置安装孔内，且其导线粘在所述锲型凹槽处。

9.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变的深海直线式驱动器，其特征在于，所述弹性管为耐高温硅胶制成。