CN201579740U - 一种水压扭矩扳手 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水压扭矩扳手，包括控制阀组件、海水或淡水液压缸、传动机构、运动机构和反力板；控制阀组件连接液压缸，液压缸的活 塞杆通过传动机构连接运动机构，运动机构外接扳手套筒，反力板的一端与液压缸远离传动机构的一端铰接，反力板的另一端与传动机构和运动机构的相接端铰接；换向阀设计为三位四通结构，其换向阀阀芯与阀座接触形式采用浮动结构，在弹簧压力的作用下，两者间始终接触可靠，磨损后的间隙可以自动补偿，大大提高了密封的可靠性和寿命。本实用新型直接以海水或淡水作为工作介质，完成水下较大规格或锈死螺纹紧固件的装拆作业，具有密封效果好、重量轻、体积小、操作方便、效率高、环境相容性好的优点。

Description

一种水压扭矩扳手

技术领域

本实用新型涉及一种水下作业工具，尤其涉及一种水压扭矩扳手。

技术背景

液压扭矩扳手在水下作业中具有广泛的应用，可实现对较大规格或锈死螺纹紧固件的安装与拆卸，主要用于水下下打捞，资源开采以及海洋建筑等领域。目前用于水下作业的液压扭矩扳手均是由陆用油压驱动工具改装而成，虽然油压工具的工作压力高，功率密度大，然而，由于液压油自身理化特性，决定了由改装后的油压扭矩扳手用于海下时存在如下问题：

1)液压油和水不相容，当液压油泄漏到水中，会造成环境污染，用于国防军事领域时，外泄漏还有可能造成军事活动的暴露，当水渗入到油压系统，会引起元件的腐蚀和功能失效，从而降低工具的可靠性；

2)油压扭矩扳手及动力源必须设计成闭式系统，需要进回油管，用于大深度作业时，必须增加压力补偿装置，增加了设备的体积、重量以及复杂程度，降低了系统的可靠性与可维修性；

3)液压油的粘度大，且其粘温、粘压系数大，随着作业深度和范围的扩大，系统进油和回油管的沿程压力损失显著增大，工具效率明显降低；同时进回油管道易受风浪及海流的影响，增加了潜水员操作时的负担。

4)不能够在水下更换作业工具，或者进行简单的维修，工具的适应性较差。

以上的缺点并不局限于油压扭矩扳手，其它油压工具用于水下作业时也同样会存在这些缺点，为此，逐渐有人提出了以水代替液压油为工作介质来驱动作业工具的解决方案。上世纪60年代，美国率先进行了海水液压水下作业工具的研究，随后，英国、日本，芬兰等国也相继展开这方面的研究，而我国起步较晚，直到90年代，以华中科技大学液压气动技术中心为代表的科研院所才相继开展了水压技术的研究。研究中发现，水压技术虽与油压技术有很多相似之处，但由于水介质与液压油在理化特性方面存在较大区别，使得如果将油压扭矩扳手直接改用水介质代替液压油进行驱动将存在如下技术问题：

1)泄漏问题，由于水的粘度只有油的1/40左右，因此，在同等压力下，通过相同密封缝隙的泄漏流量比油要大得多，约为20倍左右。

2)腐蚀问题，水特别是海水的腐蚀性强，由于海水中包含了大量的有机物、微生物、金属和非金属离子，而且海水中含盐率3.2～3.75，氯离子量大，海水是天然的电解质，因而它具有极强的腐蚀作用。

3)气蚀问题，由于水的汽化压力高(20℃时约为0.0023MPa，50℃时约为0.012MPa)，这比普通液压油高数千万倍，特别容易产生气蚀。气蚀造成元件表面金属剥落、粗糙，元件的工作寿命下降。

4)磨损问题，由于水介质的润滑性能很差，磨擦副对偶面难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，因此很容易造成干磨擦，加剧液压元件的磨损速度，引发失效。

由此可见，水压扭矩扳手不是简单地将油压扭矩扳手的油介质换成水介质，实现工作介质的改变，需要克服很多技术难题。此外，针对水下的工况，还需要提高工具本身在水下使用的方便性与适用性。如现有的油压扭矩扳手均不带方向控制阀，而由设置在动力源的控制阀来控制，进行水下作业时，需要潜水员与动力源的操作者配合才能完成作业任务，因此在水下使用时极不方便，还存在安全问题，水下工作的适用性较差。。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水压扭矩扳手，直接以海水或淡水作为工作介质，完成水下较大规格或锈死螺纹紧固件的装拆作业，具有密封效果好、重量轻、体积小、操作方便、效率高、环境相容性好的优点。

一种水压扭矩扳手，包括控制阀组件、海水或淡水液压缸、传动机构、运动机构和反力板；控制阀组件连接海水或淡水液压缸，海水或淡水液压缸的活塞杆通过传动机构连接运动机构，运动机构外接扳手套筒，反力板的一端与海水或淡水液压缸远离传动机构的一端铰接，反力板的另一端与传动机构和运动机构的相接端铰接；其特征在于，

所述控制阀组件包括阀座12、阀芯21、阀体13、换向套19和换向手柄14，阀体13内安装有阀芯21，阀芯21的一端伸出阀体13并套有换向套19，换向套19上安装有换向手柄14；阀体13远离换向手柄(14)的一端固定在阀座12上；阀座12内设有四个流道，第一和第二流道分别与海水或淡水液压缸相连通，第三和第四流道分别为进水流道和出水流道；阀芯21内设有三个通道，通过转动阀芯21使得阀座12的流道与阀芯21的通道能够选择组合连通；在阀座12的四个流道内分别设有浮动密封组件，浮动密封组件由密封弹簧23和内部开有通孔的密封块22组成，密封块22位于密封弹簧23的上端，密封块22在密封弹簧23的压力作用上保持与阀芯21的紧密接触。

本实用新型的技术效果体现在：

1)工作介质为海水或淡水，具有五个优点：a、绿色、环保，对环境没有污染，b、不会因水进入系统而降低工作可靠性；c、水的粘度只有液压油的四十分之一，因此管路压力损失小很多，作业效率高；d、本实用新型的动力源设计成开式系统，直接从水中吸水，加压做功后，再直接排回海中，因而无需携带水箱，不用冷却器，不但简化了系统，减少了体积，降低了重量，并且系统不需要压力补偿装置，作业工具的工作水深不受限制；本实用新型将水直接排入水中，因此无需回水管，水下作业时受潮流干扰小，提高水下操作的稳定性；f、因为水的环保性，可在水下直接更换作业工具，或者进行简单的维修，提高了工具的适应性；

2)控制阀为三位四通换向转阀，为克服水的粘度低、泄漏量大、气蚀严重等技术问题，该阀阀芯与阀座的密封形式与油压转阀常采用的间隙密封形式不同。油压转阀的密封结构中阀芯和阀套之间总是存在间隙，而且该间隙随着阀芯和阀套的磨损而加大，从而引起泄漏量的增加，本实用新型在阀座内设有浮动密封组件，阀座通过密封组件与阀芯密封，密封组件与阀芯之间采用了抗气蚀性强的端面密封形式，在弹簧力作用下阀芯和密封组件间密封可靠，可实现零泄漏。

3)三位四通换向阀阀芯与阀口接触形式采用浮动结构，在弹簧压力的作用下，两者间的阀芯与阀座始终接触可靠，磨损后的间隙可以自动补偿，从而大大提高了密封的可靠性和寿命；

4)与原油压扭矩扳手相比，控制阀与液压扭矩扳手采用整体式结构，进行集成化设计，液压缸的伸出与缩回由潜水员自行控制，提高了潜水员与动力源操作者之间独立性，由一个人即可完成操作任务，从而提高了作业效率以及海下作业的安全性与适用性；

5)本实用新型在海水环境中使用海水液压缸，淡水环境中使用淡水液压缸，广泛应用于海洋、水库大坝，湖泊、河道工程的水下作业以及陆地作业。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图。

图2是实施例的控制阀组件结构示意图。

图3是实施例的控制阀组件的功能符号图。

图4是实施例的控制阀阀座端面视图。

图5是实施例的控制阀阀芯端面视图。

图6是实施例的传动轴换向结构原理图。

图7为阀芯内三通道成形示意图。

图8为流道成形示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1给出了海水液压扭矩扳手的整体结构示意图，海水液压扭矩扳手包括控制阀组件2、海水液压缸、传动机构、运动机构和反力板11。控制阀组件与海水液压缸相连接，控制海水液压缸伸缩；海水液压缸的活塞杆通过传动机构连接运动机构，带动运动机构旋转；运动机构外接扳手套筒，运动机构旋转带动扳手套筒对螺纹紧固件进行装配和拆卸；为了防止扳手绕螺纹紧固件旋转，增设了反力板11，其一端与海水液压缸的尾端铰接，另一端与传动机构和运动机构的相连端铰接。

图2为控制阀组件结构示意图，控制阀所实现的功能参考图3。控制阀组件包括阀座12、阀芯21、阀体13、换向套19和换向手柄14。阀体13内安装有阀芯21，阀体13固定在阀座12上，阀座12正好位于阀芯21下方，阀芯21上端伸出阀体13并套有换向套19，换向套19上安装有换向手柄14。

阀座12内设四个流道，参考图4，第一，二流道A，B从阀座12的下端面通向上端面，第三，四流道P，T截面呈“L”型，从阀座12的侧面通向上端面，第三流道P在阀座12侧面的端口为进水口，第四流道T在阀座12侧面的端口为回水口。工作时，进水口通过图1中的快换接头1与动力源相连，第一，二流道A，B分别与液压缸相连通，出水口无回水管，回水直接排入大海。

阀芯21内设有三个通道，三个通道截面成

形如图7所示，通道的端口均位于阀芯21的下端面，该下端面的示意图如图5所示。A1，A2为第一通道的两个端口，B1，B2为第二通道的两个端口，C1，C2为第三通道的两个端口。

用户转动换向手柄14，由于换向手柄14与换向套19通过螺纹连接固定，换向套19与阀芯21之间通过平键18进行传动，因此阀芯21随换向手柄14一起转动。为了限定阀芯的最大转动角，增设了限位销20，限位销20的上端固定于换向套19内，下端位于阀体13的弧形限位槽内。最大转动角度由弧形限位槽的弧度决定，本实施例中换向手柄转向角度即阀芯转动角度为-45度～45度。

依据阀芯转动区域可将阀芯位置分为左位(-45度)、中位(0度)和右位(45度)。位于右位时，第一通道的A1端口与第三流道P相连通，第一通道的A2端口与第二流道B相连通，则第三流道P与第二流道B连通；同时，第三通道的C1端口与第一流道A相连通，第三通道的C2端口与第四流道T相连通，则第一流道A与第四流道T连通，高压海水从进水口进入，依次经过第三流道P、第一通道A1-A2、第二流道B进入海水液压缸的无杆腔，驱动液压缸前伸，海水再从海水液压缸流出，依次经过第一流道A、第三通道C1-C2、第四流道T，从回水口排出。位于中位时，第二通道的B1端口与第三流道P相连通，第二通道的B2端口与第四通道T相连通，则第三流道P与第四流道T相连通，海水不经过海水液压缸，实现卸荷；位于左位时，第三通道的C1端口与第三流道P相连通，第三通道的C2端口与第一流道A相连通，则第一流道A与第三流道P连通；同时，第一通道的A1端口与第二流道B相连通，第一通道的A2端口与第四流道T相连通，则第二流道B与第四流道连通，高压海水从进水口进入，依次经过第三流道P、第三通道C1-C2、第一流道A进入液压缸的有杆腔，驱动海水液压缸后缩，海水再从液压缸流出，依次经过第二流道B、第一通道A1-A2、第四流道T，从回水口排出。

在海下操作时，操作员主要靠手感感知换向手柄工作位置，因此在转向时需给出手可感知的到位提示。实施例在换向套19和阀体13的接触面处安放有限位机构，限位机构包括限位弹簧17、限位钢球16和圆锥孔，限位弹簧17位于换向套19内靠近其与阀体13的接触面处，在限位弹簧17下端安放有限位钢球16，阀体13与换向套19的接触面处加工有三个直径略小于限位钢球16的圆锥孔，三个圆锥孔分别对应阀芯的左位、中位和右位。转动换向手柄14，当到达左或中或右位时，限位钢球16在限位弹簧17的弹力作用下落入对应的圆锥孔，此时操作者会有明显振动感，由此判断转向已经到位。

由于海水需经过阀座12的流道和阀芯21的通道进入液压缸，因此，流道和通道之间的水密封非常重要，一旦出现泄漏，流量将减小，效率除低，严重时，高压海水的压力将降低，从而不能驱动液压缸正常工作。阀座与阀芯21间采用磨损能自动补偿的浮动结构，即本实施例在阀座的流道内增设了浮动密封组件，浮动密封组件安放于流道内的上部分位置处，其由密封弹簧23和密封块22组成，密封块22在密封弹簧23的压力作用上始终保持与阀芯21的紧密接触，实现高压水的可靠密封。为了固定密封弹簧23，实施例将流道设计为截面呈形如图8所示。密封块2.11的内部开有通孔，用于阀芯通道和阀座流道之间的连通。

阀芯21与阀体13之间安装有推力轴承15，使阀芯21与密封块22之间以较大的压力接触，以保证两者间的密封可靠，而换向手柄14操作仍然轻松灵活。

海水液压缸包含有一缸体3，缸体3的头端安装有缸体端盖4，缸体3内设有活塞杆10，参考图1。缸体3的尾端与活塞杆10的空腔为无杆腔，缸体3的头端与活塞杆10的空腔为有杆腔，无杆腔与阀座12的第一流道B相连通，有杆腔与阀座12的第二流道A相连通。活塞杆10的一端伸出缸体端盖4连接传动机构。

传动机构包括叉头5和传力板6，叉头5一端连接活塞杆10，另一端铰接传力板6，传力板6连接运动机构。传力板6和运动机构的相接端与反力板11的一端铰接，反力板11的另一端与液压缸的缸体3尾端铰接。在液压力的作用下，活塞杆10可以前伸与后缩运动，推动传力板6旋转。

运动机构包括棘爪7、棘轮9和传动轴29。棘爪7安装于传力板6的方形槽中，棘爪7与槽壁间设有棘爪弹簧8。靠近棘爪7的斜齿处安装有相配合的棘轮9，传动轴29的动力端套在棘轮9内，动力端的外表面与棘轮9的内表面花键连接。工作时，将扳手套筒套在传动轴29的工作端方轴上。当活塞杆10前伸，棘爪7在棘爪弹簧8的压力作用下插入棘轮9的齿槽中，使棘轮9跟随棘爪7旋转一定角度。棘轮9再带动传动轴29一起旋转，而传动轴29与扳手套筒采用方轴与方型内孔的连接形式，故扳手套筒将跟随传动轴29旋转，从而将紧固件拧紧或松卸；当活塞杆10后缩，棘爪7将沿着棘轮9的齿背滑过，棘爪7旋转而棘轮9静止，不驱动螺纹紧固件旋转。

传动轴29只在活塞杆10前伸时才能转动，为实现对螺纹紧固件的左旋或右旋操作，则需要改变传动轴29的方头朝向。图6给出了海水液压扭矩扳手传动轴换向的结构原理图，在传动轴29的动力端设有换向机构，包括定位按钮24，定位套25，自锁钢球26，定位弹簧27，轴用弹性挡圈28。定位套25为管状结构，在定位套25的侧壁上沿圆周方向加工三个均匀分布的小孔，小孔内放有直径略大于小孔直径的自锁钢球26。定位按钮24为阶梯圆柱形结构，它的一端为限位端，另一端为操作端，固定端的表面开有环形槽，中间部分的表面开有限位槽，中间部分还套有定位弹簧27。定位按钮24和定位弹簧27安放在定位套25内，并且定位按钮24的限位端伸出定位套25，在该限位端的环形槽上安装有轴用弹性挡圈28。传动轴29的动力端与定位套25的接触面上开有限位槽。工作时，定位按钮24在定位弹簧27的压力作用下向外运动，定位按钮24的限位槽与自锁钢球26错位，此时自锁钢球26正好压于传动轴29的限位槽中，传动轴29被轴向定位；换向时，克服定位弹簧27的压力按下定位按钮24，定位按钮24向里运动，定位按钮24的限位槽与自锁钢球26位置相对应，此时将传动轴29从棘轮9中向外抽，自锁钢球26从传动轴29的限位槽中滑出，并进入定位按钮24的限位槽中，传动轴29被拔出，同时换向机构与传动机构脱离。最后将传动轴29反向插入棘轮9，重新将换向机构安装在传动轴的动力端，传动轴再次被轴向定位。该结构实现了传动轴29的快速换向，实现对螺纹连接件的安装与拆卸任务。

在材料选择方面，考虑海水腐蚀性强的特点，同时兼顾工具的重量要求，阀体13、阀座12、换向套19、换向手柄14、反力板11、缸体3等工具壳体采用铝合金(如LD5、LD31等)加工，最后并进行硬质阳极氧化处理，以提高耐蚀性能。此外，为克服海水的润滑性差，摩擦副间的磨损量大，阀芯21与密封块22分别采用双相不锈钢(如F225)及特种高性能工程塑料(如PEEK)，以提高工具的耐蚀性以摩擦副之间的摩擦性能。

Claims (7)

1.一种水压扭矩扳手，包括控制阀组件、海水或淡水液压缸、传动机构、运动机构和反力板；控制阀组件连接海水或淡水液压缸，海水或淡水液压缸的活塞杆通过传动机构连接运动机构，运动机构外接扳手套筒，反力板的一端与海水或淡水液压缸远离传动机构的一端铰接，反力板的另一端与传动机构和运动机构的相接端铰接；其特征在于，

所述控制阀组件包括阀座(12)、阀芯(21)、阀体(13)、换向套(19)和换向手柄(14)，阀体(13)内安装有阀芯(21)，阀芯(21)的一端伸出阀体(13)并套有换向套(19)，换向套(19)上安装有换向手柄(14)；阀体(13)远离换向手柄(14)的一端固定在阀座(12)上；阀座(12)内设有四个流道，第一和第二流道分别与海水或淡水液压缸相连通，第三和第四流道分别为进水流道和出水流道；阀芯(21)内设有三个通道，通过转动阀芯(21)使得阀座(12)的流道与阀芯(21)的通道能够选择组合连通；在阀座(12)的四个流道内分别设有浮动密封组件，浮动密封组件由密封弹簧(23)和内部开有通孔的密封块(22)组成，密封块(22)位于密封弹簧(23)的上端，密封块(22)在密封弹簧(23)的压力作用上保持与阀芯(21)的紧密接触。

2.根据权利要求1所述的水压扭矩扳手，其特征在于，在换向套(19)和阀体(13)的接触面处安放有限位机构，限位机构包括限位弹簧(17)、限位钢球16和圆锥孔，限位弹簧(17)位于换向套(19)内靠近其与阀体(13)的接触面处，在限位弹簧(17)下端安放有限位钢球(16)，阀体(13)与换向套(19)的接触面处加工有直径略小于限位钢球(16)的圆锥孔，圆锥孔的位置对应阀芯的预定工位。

3.根据权利要求1或2所述的水压扭矩扳手，其特征在于，所述阀芯(21)与阀体(13)之间安装有推力轴承(15)。

4.根据权利要求1或2所述的水压扭矩扳手，其特征在于，所述运动机构包括传动轴(29)，在传动轴(29)内的动力端处设有换向机构；换向机构包括定位按钮(24)，定位套(25)，自锁钢球(26)，定位弹簧(27)和轴用弹性挡圈(28)；定位套(25)为管状结构，在定位套(25)的侧壁上沿圆周方向开有三个均匀分布的小孔，小孔内安有直径略大于小孔直径的自锁钢球(26)；定位套(25)内安放有定位按钮(24)，定位按钮(24)为阶梯圆柱形结构，它的一端为限位端，另一端为操作端，中间部分的表面开有限位槽，中间部分还套有定位弹簧(27)，限位端的表面开有环形槽，限位端伸出定位套(25)，在其环形槽上安装有轴用弹性挡圈(28)；传动轴(29)的动力端与定位套(25)的接触面上开有限位槽。

5.根据权利要求3所述的水压扭矩扳手，其特征在于，所述运动机构包括传动轴(29)，在传动轴(29)内的动力端处设有换向机构；换向机构包括定位按钮(24)，定位套(25)，自锁钢球(26)，定位弹簧(27)和轴用弹性挡圈(28)；定位套(25)为管状结构，在定位套(25)的侧壁上沿圆周方向开有三个均匀分布的小孔，小孔内安有直径略大于小孔直径的自锁钢球(26)；定位套(25)内安放有定位按钮(24)，定位按钮(24)为阶梯圆柱形结构，它的一端为限位端，另一端为操作端，中间部分的表面开有限位槽，中间部分还套有定位弹簧(27)，限位端的表面开有环形槽，限位端伸出定位套(25)，在其环形槽上安装有轴用弹性挡圈(28)；传动轴(29)的动力端与定位套(25)的接触面上开有限位槽。

6.根据权利要求1或2所述的水压扭矩扳手，其特征在于，所述阀芯(21)采用双向不锈钢，密封块(22)采用聚醚醚酮PEEK。

7.根据权利要求1或2所述的水压扭矩扳手，其特征在于，所述阀座(12)、阀体(13)、换向套(19)、换向手柄(14)、反力板和液压钢的缸体采用硬质阳极氧化处理后的铝合金。

Images