CN1185420C - 波纹管型深海水下液压系统不间断液压源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹管型深海水下液压系统不间断液压源，将装在箱体内的波纹管的一端用一块固定板密封连接，另一端用另一块开孔的固定板密封连接，压缩弹簧装在一块固定板和箱体内端面间，另一块固定板上的孔经管道和液压源连通。本发明具有下述特点：1)可随内外压差的变化产生形变并改变其内部容积；2)依靠波纹管变形产生的回弹力可以满足内外压差的要求；3)对于不同深度的水下作业，波纹管均可以产生相同的形变量以平衡液压系统的工作压差，并不受水深的影响。

Description

波纹管型深海水下液压系统不间断液压源

                          技术领域

本发明涉及增压器或液体压力转换器，是一种深海水下液压系统不间断液压源。

                          背景技术

深海水下液压系统一般采用回油压力与外界水压自动平衡的自适应油箱，其输出压力的绝对值等于液压源的输出压差加上外界水压的和。因此，传统液压系统通过单个蓄能器储存能量，提供应急状态下使用的方法受液压源所处水深不确定性的影响严重，几乎无法正常工作。

例如：对于一个输出压差为10MPa的液压系统，选用了一个容积为10升的蓄能器。如果在地面上，可预充5MPa的压力，当液压系统突然失压时，最多可以释放3.9升的液压油。而将该蓄能器用于深海水下液压系统，至少需要预充20MPa的压力，它不仅在水下1000米以内无法工作，在1000以上时可释放的流量也变得非常小，如下表所示(水深单位为米、流量单位为升)：

所处水深	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000	5500	6000	6500	7000
													可释放流量	1.5	1	0.8	0.6	0.5	0.4	0.35	0.3	0.25	0.2	0.2	0.2

因此，目前深海水下液压系统都急需一种储能效率较高的不间断液压能供给装置，以便在其失去动力源、甚至于失去全部供电的情况下仍然可以完成所有必需的液压应急动作。

                          发明内容

本发明的目的是设计一种波纹管深海水下液压系统的不间断液压源。该液压源可以在深海水下液压系统失去动力源、甚至于失去全部供电的情况下为其提供应急液压能，以便液压系统完成所有必需的液压应急动作。

波纹管型深海水下液压系统不间断液压源包括箱体，压缩弹簧，两块固定板，波纹管，装在箱体内的波纹管一端用一块固定板密封连接，波纹管另一端用另一块开孔的固定板密封连接，压缩弹簧装在一块固定板和箱体内端面间，另一块固定板上的孔经管道和液压源连通，箱体上开有与海水连通的孔。

所说的波纹管和压缩弹簧的设计与选用应满足下列准则：

波纹管最大位移W与有效面积F_e：

    F_e·W＝Q

$W=2\mathrm{nw}=\frac{n{(D_H-D_B)}^4}{2^4\·{\mathrm{Eh}}_0^3}(p+\frac{{2P}_n}{\mathrm{\π}\·D_B}+\frac{2p{D}_B}{4})$

式中：n——波纹管波数

      w——波纹管半波允许的最大位移(mm)

      D_B——波纹管内径(mm)

      D_H——波纹管外径(mm)

      p——波纹管承受的内外压差(MPa)

      h₀——波纹管厚度(mm)

      P_n——压缩弹簧最大载荷(N)

      E——波纹管材料的弹性模量(GPa)

      Q——波纹管型深海水下液压系统不间断液压源可吐出的最多液压油量(L)

波纹管最大位移量W即为压缩弹簧3的工作行程，由上式确定的最大工作载荷与工作行程初定弹簧的刚度p′(N/mm)：

$p^{\′}=\frac{P_n}{W}$

弹簧的极限载荷P_j为：

      P_j＝1.25×P_n

弹簧内径D由结构要求预先确定，由P_j与D查取标准弹簧及单圈弹簧刚度P_d′

弹簧有效圈数 $m=\frac{P_d^{\′}}{P^{\′}}$ 并取标准值

总圈数m′＝m+2

波纹管按有效面积与最大允许位移查表。材料可选用1Cr17Ni2等高强度防腐不锈钢。

本发明具有下述特点：

1)可随内外压差的变化产生形变并改变其内部容积；

2)依靠波纹管变形产生的回弹力可以满足内外压差的要求；

3)对于不同深度的水下作业，波纹管均可以产生相同的形变量以平衡液压系统的工作压差，并不受水深的影响。

                          附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是波纹管的危险点示意图。

                        具体实施方式

如图1所示，  波纹管型深海水下液压系统不间断液压源包括箱体1，压缩弹簧3，两块固定板4、6，波纹管5，装在箱体1内的波纹管5一端用一块固定板4密封连接，波纹管5另一端用另一块开孔的固定板6密封连接，压缩弹簧3装在一块固定板4和箱体内端面间，另一块固定板6上的孔经管道和液压源A连通，箱体1上开有与海水连通的孔2。

波纹管与外置式压缩弹簧的设计与选用应满足下列准则：

波纹管最大位移W与有效面积F_e：

    F_e·W＝Q

$W=2\mathrm{nw}=\frac{n{(D_H-D_B)}^4}{2^4\·{\mathrm{Eh}}_0^3}(p+\frac{{2P}_n}{\mathrm{\π}\·D_B}+\frac{2p{D}_B}{4})$

式中：n——波纹管波数

      w——波纹管半波允许的最大位移(mm)

      D_B——波纹管内径(mm)

      D_H——波纹管外径(mm)

      P——波纹管承受的内外压差(MPa)

      h₀——波纹管厚度(mm)

      P_n——压缩弹簧最大载荷(N)

      E——波纹管材料的弹性模量(GPa)

      Q——波纹管型深海水下液压系统不间断液压源可吐出的最多液压油量(L)

波纹管最大位移量W即为压缩弹簧3的工作行程，由上式确定的最大工作载荷与工作行程初定弹簧的刚度p′(N/mm)：

$p^{\′}=\frac{P_n}{W}$

弹簧的极限载荷P_j为：

      P_j＝1.25×P_n

弹簧内径D由结构要求预先确定，由P_j与D按成大先主编《机械设计手册》第四版第三册(后简称《机》4-3)表11-2-19查取标准弹簧及单圈弹簧刚度P_d′

弹簧有效圈数 $m=\frac{P_d^{\′}}{P^{\′}}$ 并按《机》4-3表11-2-10取标准值

总圈数m′＝m+2

波纹管按有效面积与最大允许位移查《机》4-3表11-21-4与《机》4-3表11-21-5选用。材料选用1Cr17Ni2。

波纹管危险截面需要进行应力校核：

如图2所示，波纹管的危险点在谷部处A、B和谷峰处C、D

校核时首先确定三个无量纲参数：波纹管外内径比k、壁厚内径比δ、波纹管内径与内半径比t

$k=\frac{R_H}{R_B},\mathrm{\δ}=\frac{h_0}{R_B},t=\frac{r_B}{R_B}$

式中：R_H——波纹管外半径(mm)

      R_B——波纹管内半径(mm)

      r_B——波纹管波纹内径(mm)

根据κ、δ、t查《机》4-3图11-21-3中找到谷部处(r＝R_B)的( σ_1w)_w和( σ₂₀)_w，同时按图11-21-4找出谷峰处(r＝R_H)的( σ_1w)_w和( σ₂₀)_w，根据公式 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_w=\frac{{\mathrm{\σ}}_w{R}_H^{2}n}{{\mathrm{Eh}}_{0}W}$ 计算径向应力σ_1w和σ₂₀，在谷部点A和点B的应力符号，当W＞0时，按《机》4-3表11-21-3确定。其中：

      r为计算用半径

      ( σ_1w)_w——径向动应力的平均值

      ( σ₂₀)_w——轴向静应力的平均值

       σ_w——动应力的平均值

       σ_w——瞬时动应力

主应力按如下公式计算：

对于A点：

      σ₁＝σ_1w

      σ₁＝σ₂₀+σ_2w

对于B点：

      σ₁＝-σ_1w

      σ₂＝σ₂₀-σ_2w

根据公式求当量应力 ${\mathrm{\σ}}^{A_d}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_1^2+{\mathrm{\σ}}_2^2-{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$

式中：σ_1w——径向动应力

      σ₂₀——轴向静应力

      σ₁ ^B/H——瞬时径向总应力

      σ₂ ^B/H——瞬时轴向总应力

      σ₁₀——径向静应力

      σ_2w——轴向动应力

      σ_Ad——当量应力

当量应力乘以安全系数之后应小于波纹管材料的屈服极限σ_0.2。

因此，只要选择恰当的波纹管型式及材料即可使波纹管在任何深度的海底均能达到最佳工作状态。同时波纹管作为弹性元件可保证液压系统正常工作时供油压力的平稳性和流量的连续性。

由于标准波纹管耐压性能达不到深海水下液压系统工作压力要求，为保证波纹管能获得满足要求的刚度，必须在现有标准波纹管基础上予以改型。为此需要在波纹管上方增加外置式压缩弹簧，弹簧与波纹管固定在箱体内。确保波纹管在承受工作压差下，其位移在允许范围内。改型后的波纹管蓄能器应能承受液压系统的工作压差，同时具有较大的排液流量。

具体实施例子：

对于图1所示的不间断液压源，采用改型后的新型耐高压波纹管，采用U型波纹管的结构，其容积为10升。各部分尺寸如下表：

波纹管	内径DB(mm)	外径DH(mm)	波距t(mm)	波厚a(mm)	波数n	壁厚h0(mm)	总高H(mm)
								150	200	12.0	7.00	35	0.60	436
	弹簧	材料直径d(mm)	弹簧中径D(mm)	有效圈数m	节距t1(mm)	原长H0(mm)
30								160	10.5	50.0	568

波纹管材料选用1Cr17Ni2，σ_0.2＝635MPa，弹簧选用不锈钢丝1Cr18Ni9。

该波纹管在任何水深下可释放的流量均相等。计算表明，该波纹管在任何水深下均可释放约3.78升的液体流量。

Claims (1)

1.波纹管型深海水下液压系统不间断液压源，其特征在于：它包括箱体(1)，压缩弹簧(3)，两块固定板(4)、(6)，波纹管(5)，装在箱体(1)内的波纹管(5)一端用一块固定板(4)密封连接，波纹管(5)另一端用另一块开孔的固定板(6)密封连接，压缩弹簧(3)装在一块固定板(4)和箱体内端面间，另一块固定板(6)上的孔经管道和液压源(E)连通，箱体(1)上开有与海水连通的孔(2)；所说的波纹管(5)和压缩弹簧(3)的设计与选用应满足下列准则：

波纹管最大位移W与有效面积Fe：

F_e·W＝Q

$W=2\mathrm{nw}=\frac{n{(D_H-D_B)}^4}{2^4\·{\mathrm{Eh}}_0^3}(p+\frac{{2P}_n}{\mathrm{\π}\·D_B}+\frac{2p{D}_B}{4})$

式中：n——波纹管波数

      w——波纹管半波允许的最大位移(mm)

      D_B——波纹管内径(mm)

      D_H——波纹管外径(mm)

      p——波纹管承受的内外压差(MPa)

      h₀——波纹管厚度(mm)

      P_n——压缩弹簧最大载荷(N)

      E——波纹管材料的弹性模量(GPa)

      Q——波纹管型深海水下液压系统不间断液压源可吐出的最多液压油量(L)

波纹管最大位移量W即为压缩弹簧(3)的工作行程，由上式确定的最大工作载荷与工作行程初定弹簧的刚度p′(N/mm)：

$p^{\′}=\frac{P_n}{W}$

弹簧的极限载荷P_j为：

P_j＝1.25×P_n

弹簧内径D由结构要求预先确定，由P_j与D查取标准弹簧及单圈弹簧刚度P_d′

弹簧有效圈数 $m=\frac{P_d^{\′}}{P^{\′}}$ 并取标准值

总圈数m′＝m+2

波纹管按有效面积与最大允许位移查表。

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