CN116336031B - 适用于超重力离心环境的液压缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力容器领域，特别是一种适用于超重力离心环境的液压缸。包括液压缸筒和位于液压缸筒内的活塞，还包括位于液压缸筒内部的液压格栅网，包括环形设置的网状体和三维结构体，网状体为纵横交错的网状结构，网状体的交点处设有三维结构体，活塞的两侧与对应的液压缸筒的端部之间分别通过液压格栅网连接；环形限位装置，固定于液压缸筒内表面的两侧端部。其解决液压缸在超重力离心模拟试验中出现压力数值失效和活塞杆动作作用时间较长的难点。

Description

适用于超重力离心环境的液压缸

技术领域

本发明涉及压力容器领域，特别是一种适用于超重力离心环境的液压缸。

背景技术

随着超重力离心模拟与实验装置(CHI EF)项目的不断推进，大量的机载装置正在被研发，机载装置为了模拟出相应的效果需要巨大的推力，通常这些巨大的推力由液压系统产生。

液压缸作为将液压能转变成机械能的核心装置同时可以做机械往复运动的液压执行元件，常见的液压缸种类有单杆液压缸，双杆作用伸缩液压缸等。在常重力下液压缸的工作情况是以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来推动活塞的运动，进而带动液压杆件的伸出和收缩。上述液压缸在常重力环境下可以稳定的提供所需的压力和动作顺序。

在超重力离心环境下，液压缸密封容器内部的油液不但受到密封容积体积变化的影响，而且同时受到了强大的离心力的作用，进而导致部分油液分子的力撞击液压缸缸壁，冲击后沿着缸壁内部环向运动，形成了液压油缸内部油液产生湍流运动的现象；同时由于密封问题还会混入少量空气，最终会导致液压缸作用在受体上的压力小于实际设置的压力，这一部分只能通过活塞杆头部测力传感器反馈出来，而不能通过油压表的数值反馈出来。同时会导致液压缸活塞杆的伸出时间与设置时间产生较大差别，这种情况会影响试验的效果，特别在造浪及造啸的机载装置环境下会造成通过液压装置造出的浪的高度和频率会低于实际设计数值，最终会造成试验数据产生较大偏差。另外，液压杆件伸出的速递低于设计速度的情况发生同时会有漏油的现象发生。

作为超重力离心模拟试验中的难点问题，因此如何发明一种适用于超重力离心模拟环境下的液压缸成为本试验技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种适用于超重力离心模拟环境下的液压缸，其解决液压缸在超重力离心模拟试验中出现压力数值失效和活塞杆动作作用时间较长的难点。

本发明的技术方案是：一种适用于超重力离心环境的液压缸，包括液压缸筒和位于液压缸筒内的活塞，其中，还包括

位于液压缸筒内部的液压格栅网，包括环形设置的网状体和三维结构体，网状体为纵横交错的网状结构，网状体的交点处设有三维结构体，活塞的两侧与对应的液压缸筒的端部之间分别通过液压格栅网连接；

环形限位装置，固定于液压缸筒内表面的两侧端部。

本发明中，所述网状体上的网格为四边形或三角形，网状体由尼龙或钢绞线制成。网状体与液压缸筒之间可以呈同轴设置。

所述三维结构体的形状为球体、多面体或正方体，三维结构体由五模超材料或者聚二甲基硅氧烷制成。

所述活塞的一侧与活塞推杆固定连接，活塞推杆上设有集成压点式压力传感器，对应的活塞另一侧通过位移传感器连杆与活塞推杆位移传感器连接。

所述活塞的两侧分别与活塞推杆固定连接，活塞推杆上设有集成压点式压力传感器。

所述液压格栅网的两侧端部分别通过固定卡扣与液压缸筒的端部和活塞的侧面固定连接。

设D₁为液压格栅网格在液压缸内部围成圆环的直径，D为液压缸的外部直径尺寸，D₀为液压缸的内部直径尺寸，D₁尺寸通过以下公式确定：

D₁＝k₁×(D-D₀)

其中，K₁为格栅圈直径经验调节系数，K₁的取值范围为8.2-7.35；

液压格栅网格的横、纵向宽度L₂通过以下公式确定：

其中，n为超重力液压缸设计使用环境下的高g值的最高倍数；v为液压缸内部填充液体在超重力离心环境下的流速；ρ为液压缸内部填充液体的密度；μ为液压缸内部填充液体的粘性系数；K₃为格栅网格的横纵向宽度调节系数，K₃的取值范围为0.01-2.56。

当液压格栅网格交点处的三维结构体采用球体时，球体的直径D₃通过以下公式确定：

D₃＝K₃*D₀

其中K₃为球体结构的调节系数，K₃的取值范围为0.47-0.59。当液压格栅网格交点处的三维结构体采用正十二面体时，正十二面体的棱长D₄通过以下公式确定：

D₄＝D₃/1.40126。

所述液压格栅网格交点处的三维结构体采用正方体时，正方体的边长通过以下公式确定：

L＝k₂×(D-D₀)

其中，K₂为三维结构体调节系数，K₂的取值范围为0.65-0.96。

本发明的有益效果是：

该液压缸可以在超重力离心模拟与实验装置项目中的多个机载装置中进行应用：

(1)造波、造啸及重力流实验装置：是指在离心机机载装置中通过模拟破浪和海啸，尽最大可能在超重力环境下模拟流场的环境，深地深海资源开发，该装置广泛应用在国内外水利科学研究、海洋研究及流固耦合的环境中，在这套装置中会使用多个双杆活塞液压缸做高速往返直线运动来推动造浪板的高速大推力的运动。

(2)盾构掘进实验装置：是指在离心机的机载装置中聚焦以还原真实的岩体、土体、地质体中深地应力场，该装置会使用单杆大行程的活塞液压缸做低速直线运动来模拟盾构机在深地区域真实的破岩情况。

(3)传感器轴向压力标定装置：是指在超重力离心模拟环境下聚焦传感器的标定工作，打造一批符合超重力离心环境下的传感器，会使用低行程、大推力、高速往返运动的单杆液压缸，用于模拟传感器在极限状态下的轴力和冲击荷载的受力情况，经过这种标定装置标定后的传感器，可以用在航空航天以及军工领域中，可以监测到传感器在超重力极限环境下的真实力-电信号响应，弥补了传感器在超重力环境下规范使用的空白。

(4)深海高压温控实验装置：会使用大推力的单杆液压缸，用于模拟深海环境下极端高压环境下的试验环境。

综上所述，本申请解决了液压缸在超重力离心模拟试验中出现压力数值失效和活塞杆动作作用时间较长的难点。

附图说明

图1是实施例1中单杆超重力离心液压缸的主视剖面示意图；

图2是实施例1中单杆超重力离心液压缸的左视剖面示意图；

图3是20g值离心环境普通液压缸和超重力离心液压缸的压力测试对比图；

图4是实施例2中双杆超重力离心液压缸的主视剖面示意图；

图5是实施例3中液压格栅网的结构示意图；

图6是实施例4中液压格栅网的结构示意图；

图7是实施例5中液压格栅网的结构示意图；

图8是实施例6中液压格栅网的结构示意图。

图中：1环形限位装置；2活塞；3液压缸筒；4进出油口；5活塞推杆；6集成压点式压力传感器；7活塞推杆位移传感器；8液压格栅网；9液压格栅网固定卡扣；10位移传感器连杆；11网状体；12三维结构体。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中的适用于超重力离心环境的液压缸为单杆超重力离心液压缸。该液压缸包括液压缸筒3、活塞2和活塞推杆5，活塞2位于液压缸筒3内，活塞2的一侧与活塞推杆5固定连接，活塞推杆5上设有集成压点式压力传感器6，通过集成压点式压力传感器监测在超重力离心环境下液压缸向目标作用的真实推力的数值大小，有效的监测液压缸在超重力环境下是否失效的情况。对应的活塞2的另一侧通过位移传感器连杆10与活塞推杆位移传感器7连接，活塞推杆位移传感器7位于液压缸筒3的外部，通过活塞推杆位移传感器监测活塞在运行过程中的位移，以真实的数值大小进行有效的反馈，避免其在使用过程中出现数值失效的情况。活塞2将液压缸筒3的内腔分为两个腔室，在与两个腔室对应的液压缸筒3上分别设有进出油口4，通过进出油口4，实现液压缸筒3内两个腔室内液压油的流动，并推动活塞2在液压缸体3内往复移动。

液压缸筒3内的两个腔室中均设有液压格栅网8。液压格栅网8呈环状，其沿液压缸筒的内表面环形设置，液压格栅网8与液压缸筒3之间可以呈同轴设置。液压格栅网8的一端通过固定卡扣9与液压缸筒的一侧端部固定连接，对应的液压格栅网8的另一端通过固定卡扣9与活塞2的一侧侧面固定连接。

液压格栅网8包括网状体和三维结构体，网状体呈纵横交错的网状结构，网状体上的网格为四边形或三角形，从而便于实现对网状体的压缩。网状体的节点上设有三维结构体，三维结构体可以为球体、多面体或者正方体，试验过程中，需要根据不同的高g值对三维结构体的形状进行选取。本申请中，网状体可以由尼龙或钢绞线等高韧性材料制成。三维结构体由五超模材料或者聚二甲基硅氧烷制成。其中，聚二甲基硅氧烷在高压油浸的环境下可以保持柔软的状态，受压后材料可以恢复原状，多次受压后不会改变材料的基本性能。五超模材料在其离心环境下会使其相对的表面受到剪力，这种剪力会使得材料的体积迅速压缩，且当剪力消失的时候,其体积会迅速复原。

液压缸筒内表面的两侧端部分别设有环形限位装置1，本实施例中的环形限位装置1采用环形限位环，该环形限位环固定设置在液压缸筒体的内表面。活塞2在液压缸筒内运动时，活塞2两侧的液压格栅网被压缩或者拉伸，由于液压格栅网韧性较好，因此不会损毁。当液压缸伸出或缩进至极限状态时，活塞2与环形限位装置1接触，此时环形限位装置1限制活塞2继续运动，进而在活塞2的端部与液压缸筒的端部之间产生一个空间，该空间用于存放被压缩的液压格栅网。

本实施例中的液压格栅网除了适用于本实施例中的单杆活塞液压缸外，还适用于双杆活塞液压缸、齿条活塞液压缸、双作用伸缩液压缸等。

油液在缸筒内部的离心运动会受到液压格栅网的阻碍，进而会有效的遏制油液因受到离心力而冲击缸筒内壁的现象，进而有效的保证了液压缸在超重力离心模拟环境下的工作压力、动作位移及动作速度情况。如图3所示，在20g值超重力离心环境中，与普通的液压缸相比，本申请提出的液压缸的实际输出压力更接近于液压缸的输入油压。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中的液压缸为双杆超重力离心液压缸。如图4所示，活塞2的两侧侧面分别固定连接有活塞推杆5，两活塞推杆5上均设有集成压点式压力传感器6。

其他同实施例1。

实施例3

如图5所示，本实施例中网状体11上的网格为正方形，网状体11的节点处安装的三维结构体12为球体，此时设有该液压格栅网的液压缸适用于不超过65g的离心环境下使用。本实施例中的三维结构体12由聚二甲基硅氧烷制成。

在该液压缸中，通过以下方式确定液压格栅网格的尺寸。设D为液压缸的外部直径尺寸，D₀为液压缸的内部直径尺寸，D₁为液压格栅网格在液压缸内部围成圆环的直径。D₁尺寸可以通过以下公式确定：

D₁＝k₁×(D-D₀)

其中，K₁为格栅圈直径经验调节系数，常取值范围在8.2-7.35之间范围内。

液压格栅网格的横、纵向宽度L₂可以通过以下公式确定：

其中，n为超重力液压缸设计使用环境下的高g值的最高倍数，本实施例中的n＝65；v为液压缸内部填充液体在超重力离心环境下的流速；ρ为液压油缸内部填充液体的密度；μ为液压缸内部填充液体的粘性系数，在液体内存在相对运动时表征液体反抗形变的能力；K₃为格栅网格的横纵向宽度调节系数，常取值范围在0.01-2.56之间范围内。

液压格栅网格交点处的球体三维结构体的直径通过以下公式确定：

D₃＝k₃×D₀

其中K₃为球体结构的调节系数，K₃的取值范围为宜在0.47-0.59之间。

其他同实施例1。

实施例4

如图6所示，本实施例中网格体11上的网格为正方形，网格体11的节点处安装的三维结构体12为正十二面体，此时设有该液压格栅网的液压缸适用于不超过96g的离心环境下使用。本实施例中的正十二面体12可以由聚二甲基硅氧烷或五模超材料制成。

在该液压缸中，通过以下方式确定液压格栅网格的尺寸。设D为液压缸的外部直径尺寸，D₀为液压缸的内部直径尺寸，D₁为液压格栅网格在液压缸内部围成圆环的直径。D₁尺寸可以通过以下公式确定：

D₁＝k₁×(D-D₀)

其中，K₁为格栅圈直径经验调节系数，常取值范围在8.2-7.35之间范围内。

液压格栅网格的横、纵向宽度L₂可以通过以下公式确定：

其中，n为超重力液压缸设计使用环境下的高g值的最高倍数，本实施例中的n＝96。

液压格栅网格交点处的正十二面体的棱长D₄通过以下公式确定：

D₄＝D₃/1.40126

其他同实施例3。

实施例5

如图7所示，本实施例中网格体11上的网格为正方形，网格体11的节点处安装的三维结构体12为正方体，此时设有该液压格栅网的液压缸适用于不超过200g的离心环境下使用。本实施例中的三维结构体12由聚二甲基硅氧烷制成。

在该液压缸中，通过以下方式确定液压格栅网格的尺寸。设D为液压缸的外部直径尺寸，D₀为液压缸的内部直径尺寸，D₁为液压格栅网格在液压缸内部围成圆环的直径。D₁尺寸可以通过以下公式确定：

D₁＝k₁×(D-D₀)

其中，K₁为格栅圈直径经验调节系数，常取值范围在8.2-7.35之间范围内。

液压格栅网格的横、纵向宽度L₂可以通过以下公式确定：

其中，n为超重力液压缸设计使用环境下的高g值的最高倍数，本实施例中的n＝200。

液压格栅网格交点处的四面体状的三维结构体的单边边长L通过以下公式确定：

L＝k₂×(D-D₀)

其中，K₂为三维结构体调节系数，K₂的取值范围在0.65-0.96之间。

其他同实施例1。

实施例6

如图8所示，本实施例中网格体11上的网格为等边三角形，网格体11的节点处安装的三维结构体12为正方体，此时设有该液压格栅网的液压缸适用于不超过200g的离心环境下使用。本实施例中的三维结构体12由聚二甲基硅氧烷制成。

其他同实施例5。

以上对本发明所提供的适用于超重力离心环境的液压缸进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种适用于超重力离心环境的液压缸，包括液压缸筒和位于液压缸筒内的活塞，其特征在于，还包括

位于液压缸筒内部的液压格栅网，包括环形设置的网状体和三维结构体，网状体为纵横交错的网状结构，网状体的交点处设有三维结构体，活塞的两侧与对应的液压缸筒的端部之间分别通过液压格栅网连接；

环形限位装置，固定于液压缸筒内表面的两侧端部；

设D₁为液压格栅网在液压缸内部围成圆形的直径，D为液压缸的外部直径尺寸，D₀为液压缸的内部直径尺寸，D₁尺寸通过以下公式确定：

D₁＝k₁×(D-D₀)

其中，k₁为格栅圈直径经验调节系数，k₁的取值范围为8.2-7.35；

液压格栅网的网状体的网格的横、纵向宽度L₂通过以下公式确定：

其中，n为超重力液压缸设计使用环境下的高g值的最高倍数；v为液压缸内部填充液体在超重力离心环境下的流速；ρ为液压油缸内部填充液体的密度；μ为液压缸内部填充液体的粘性系数；k₃为液压格栅网的网状体的网格的横纵向宽度调节系数，k₃的取值范围为0.01-2.56。

2.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

所述网状体上的网格为四边形或三角形，网状体由尼龙或钢绞线制成，网状体与液压缸筒之间呈同轴设置。

3.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，所述三维结构体的形状为球体、多面体或正方体，三维结构体由五模超材料或者聚二甲基硅氧烷制成。

4.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

所述活塞的一侧与活塞推杆固定连接，活塞推杆上设有集成压点式压力传感器，对应的活塞另一侧通过位移传感器连杆与活塞推杆位移传感器连接。

5.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

所述活塞的两侧分别与活塞推杆固定连接，活塞推杆上设有集成压点式压力传感器。

6.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

所述液压格栅网的两侧端部分别通过固定卡扣与液压缸筒的端部和活塞的侧面固定连接。

7.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

当液压格栅网的网状体的网格的交点处的三维结构体采用球体时，球体的直径通过以下公式确定：

D₃＝K₃×D₀

其中K₃为球体结构的调节系数，K₃的取值范围为0.47-0.59。

8.根据权利要求7所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

当液压格栅网的网状体的网格的交点处的三维结构体采用正十二面体时，正十二面体的棱长D₄通过以下公式确定：

D₄＝D₃/1.40126。

9.根据权利要求1所述的适用于超重力离心环境的液压缸，其特征在于，

所述液压格栅网的网状体的网格的交点处的三维结构体采用正方体时，正方体的边长通过以下公式确定：

L＝k₂×(D-D₀)

其中，k₂为三维结构体调节系数，k₂的取值范围为0.65-0.96。