CN104912855A - 一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，由双向柱塞缸、自动换向机构、单向阀组成。柱塞缸有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，低压腔端盖安装液动换向阀芯，通过柱塞运动到极限位置触动阀芯，液压驱动换向阀门实现自动换向，进而改变柱塞运动方向。增压器除通过柱塞缸的流量通道，还设有低压旁路流量通道。本发明管路均采用耐外压连接，且能够在低压时通过旁路直接对系统进行流量供给，在高压时则通过增压器的二次增压对系统进行流量供给，实现了液压系统流量的双路供给，提高了工作效率。同时，增压器采用双向作用柱塞自动换向结构，较已有的单向作用柱塞往复运动型增压器具有供给流量连续、脉动低的优点。

Description

一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人，具体地说是水下机器人浮力调节液压系统。

背景技术

伴随着海洋工程的发展，水下机器人得到了广泛的应用。由于人们对水下机器人低能耗的要求，浮力调节装置受到了广泛关注。海水泵式浮力调节系统更适合大潜深作业。液压动力源需要满足低能耗、高压力、高精度的调节要求。市场上的高压海水柱塞泵很普遍，但鉴于其在高压条件下的最低流量要求，在高压环境下不能实现小流量范围调节，且均为陆用产品，因此需要驱动元件提供较大功率。拥有一款低流量、高排压的液压动力源是实现水下机器人浮力精确调节的关键。研制高精度、高排压的海水增压器，对水下机器人浮力调节技术的发展具有重要意义和价值。

“液压与启动”期刊刊登的“自动连续液压增压器研究与设计”文章中研制了一种可连续增压的液压增压器，文献中缸肩直径大于两侧活塞截面积，其自动换向通过链拉动切换阀，文献中增压器以油为介质，意在连续增压，无法应用于深海；丹麦Scanwill公司所生产的增压器，为单柱塞往复型增压器，存在流量空程，流量脉动和压力脉动均较大。

发明内容

本发明的目的在于提供为水下机器人浮力调节系统提供精确浮力调节能力的一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，其特征是：包括切换阀、液动换向阀，切换阀安装在液动换向阀上；切换阀包括切换阀壳体以及安装在切换阀壳体里的切换阀阀芯，切换阀壳体上设置第一出水口、第二出水口以及切换阀低压出口，第一出水口和第二出水口均连通回水口，切换阀低压出口连通切换阀低压口，切换阀阀芯设置第一切换阀出口和第二切换阀出口；液动换向阀包括左缸体、右缸体、左缸体端盖、右缸体端盖、缸肩、柱塞杆、左活塞、右活塞、左液动换向阀芯、右液动换向阀芯，缸肩设置在左缸体和右缸体之间，左缸体缸盖安装在左缸体的端部，右缸体缸盖安装在右缸体的端部，左活塞设置在左缸体里，右活塞设置在右缸体里，柱塞杆穿过缸肩并安装在左活塞和右活塞之间，左缸体缸盖和左活塞之间形成第一低压腔，左活塞和缸肩之间形成第一高压腔，右缸体缸盖和右活塞之间形成第二低压腔，右活塞和缸肩之间形成第二高压腔，左缸体端盖端部安装液动换向阀芯左端盖，左缸体端盖里设置液动换向阀芯左腔，左液动换向阀芯安装在液动换向阀芯左腔里，左缸体端盖上设置左供压口、左腔出口，左供压口连通切换阀低压口，左腔出口通过管路连通第二切换阀出口，液动换向阀芯左端盖上设置左端盖开口，左端盖开口连通回水口，右缸体端盖端部安装液动换向阀芯右端盖，右缸体端盖里设置液动换向阀芯右腔，右液动换向阀芯安装在液动换向阀芯右腔里，右缸体端盖上设置右供压口、右腔出口，右供压口连通切换阀低压口，右腔出口通过管路连通第一切换阀出口，液动换向阀芯右端盖上设置右端盖开口，右端盖开口连通回水口。

本发明还可以包括：

1、左液动换向阀芯一端为圆柱型与左缸体端盖进行径向密封，左液动换向阀芯另一端为具有导向作用的三棱柱，与左端盖开口配合，右液动换向阀芯与左液动换向阀芯结构相同。

2、第一切换阀出口和第二切换阀出口的截面积直径小于切换阀阀芯截面积直径。

本发明的优势在于：

1、耐高外压：本发明专利采用耐外压设计，连接管路采用耐外压硬管，适用于深海高外压环境。

2、耐腐蚀：本发明专利采用不锈钢316L材料，耐海水腐蚀性强。

3、工作效率高：本发明专利能够在低压时通过旁路直接对系统进行流量供给，在高压时则通过增压器的二次增压对系统进行流量供给，实现了液压系统流量的双路供给，提高了工作效率。

4、流量脉动小：本发明专利采用双向作用柱塞自动换向结构，消除柱塞的流量空程，较已有的单向作用柱塞往复运动型增压器具有供给流量连续、脉动小的优点。

5、换向机构可靠：本发明专利的换向机构，在柱塞未走到极限位置时，绝对无法换向，直至柱塞顶到液动换向阀芯，切换阀液动换向后，柱塞反向运动。切换阀换向由液压控制，减少了机械连接造成的冲击，提高使用寿命。

6、无能耗：采用纯机械结构换向，不需要电信号，水下工作更可靠，且无能耗。

附图说明

图1为本发明的液压原理图；

图2为本发明柱塞右行液压示意图；

图3为本发明柱塞左行液压示意图；

图4为本发明结构示意图；

图5为液动换向阀芯三维图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，双向柱塞缸由柱塞PL和缸体组成，柱塞杆25在中间，两端固定活塞18和活塞27，两活塞与柱塞杆25之间分别采用O型密封圈20和O型密封圈24实现端面密封，柱塞杆25两端为螺纹，通过螺母17和螺母28分别固定活塞18和活塞27。缸体通过缸肩47将左缸体16和右缸体40连接。分别通过O型密封圈21和O型密封圈23实现端面密封。缸肩47与柱塞杆25通过O型密封圈22实现轴向动密封，活塞与左、右缸体通过O型密封圈19和O型密封圈26实现轴向动密封。左、右缸体有流体通道开口，多余开口分别用锥螺纹堵头6和锥螺纹堵头37堵死，锥螺纹堵头缠生料带。缸体端盖8和缸体端盖36分别开有液动换向阀芯腔13和液动换向阀芯腔31，分别与液动换向阀芯10和液动换向阀芯34通过O型密封圈14和O型密封圈30实现轴向动密封。阀芯触头分别伸入低压腔L1和低压腔L2内。缸体端盖8和缸体端盖36分别通过O型密封圈15和O型密封圈29实现端面密封。

自动换向机构，由液动换向阀芯10或液动换向阀芯34的动作控制切换阀阀芯2滑动，切换阀阀芯2与阀套46采用组合密封圈44实现径向密封，阀套46与切换阀壳体48采用O型密封圈45实现径向密封，阀套46和切换阀阀芯2的轴向位置由切换阀左端盖3和切换阀右端盖42固定，分别采用内六角螺钉1和内六角螺钉41固定。切换阀阀芯2与切换阀左端盖3和右端盖42间分别通过组合密封圈4和组合密封圈43实现径向密封。切换阀壳体48与左缸体16和右缸体40分别用O型密封圈5和O型密封圈38进行端面密封。自动换向机构出水口T1和T2与回水口T连通。切换阀S2口与左侧液动换向阀芯腔相通，切换阀S1口与右侧液动换向阀芯腔相通，分别用钛合金管7和钛合金管39连接。液动换向阀芯10和液动换向阀芯34分别装有压簧11和压簧33，液动换向阀芯端盖9和液动换向阀芯端盖35分别固定液动控制阀芯10和液动换向阀芯34，并分别与左、右缸体端盖通过O型密封圈12和O型密封圈32实现端面密封。液动换向阀芯端盖开口与回水口T连通。左、右缸体端盖的供压口分别与切换阀低压口P连通。

如本发明液压原理图所示，它由双向柱塞缸、自动换向机构、单向阀组成。双向柱塞缸有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，柱塞PL两端为两个低压腔，分别是低压腔L1和低压腔L2，中间为两个高压腔，分别是高压腔H1和高压腔H2。两个高压腔分别拥有一组单向阀，每组单向阀有两个，单向阀CV6进口与高压腔H1相通，单向阀CV3进口与高压腔H2相通，单向阀CV6和单向阀CV3出口共同与高压口HP相通，单向阀CV5出口与高压腔H1相通，单向阀CV2出口与高压腔H2相通，单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV7进口与低压腔L1相通，单向阀CV8进口与低压腔L2相通，单向阀CV7出口和单向阀CV8出口与单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV1出口和单向阀CV4出口与高压口HP相通，单向阀CV1进口与低压腔L1相通，单向阀CV4进口与低压腔L2相通。切换阀PCV出水口和回水口分别连通低压腔L1和低压腔L2。液压源出水口接增压器低压口P，液压源吸入口接回水口T，高压口HP连通液压执行机构。管路连接采用耐外压硬管。

当原液压源输出压力能够满足系统要求时，液体可直接通过P口，依次经单向阀CV1(或CV4)、CV7(或CV8)、CV5、CV6、CV2、CV3，最后流向高压口HP，在低压环境下提高了工作效率。

当原液压源输出压力不能满足系统要求时，柱塞右行液压液压示意如图2所示，过程如下：当柱塞PL达到左极限位置时，PVC阀切换至右位，海水经P口流入低压腔L1，并通过单向阀CV7、CV2进入高压腔H2，随着柱塞PL向右运动，高压腔H1中海水经单向阀CV6进入高压口HP，同时低压腔L2海水经T口流回液压源吸入口，直至柱塞PL到达右极限位置完成一次柱塞右行运动。

柱塞左行液压液压示意如图3所示，过程如下：当柱塞PL达到右极限位置时，PVC阀切换至左位，海水经P口流入低压腔L2，并通过单向阀CV8、CV5进入高压腔H1，随着柱塞PL向左运动，高压腔H2中海水经单向阀CV3进入高压口HP，同时低压腔L1海水经T口流回液压源吸入口，直至柱塞PL到达右极限位置完成一次柱塞左行运动。下一时刻继续进行柱塞右行运动。柱塞PL通过以上方式进行往复运动，实现增压器自动换向。

自动换向机构结构如图4所示。工作过程如下：当柱塞PL未运动到左右极限时，切换阀S1口和S2口均与源液压源的吸入口T(增压器的回水口)连通，由于切换阀阀芯2左右压力平衡，阀芯不动作；直至柱塞PL运动到位置极限，假设为右极限，液动换向阀芯34被顶开，切换阀S1口与原液压源的出水口P(增压器低压口)连通，同时断开与T口的连通，由于在工作过程中P口压力大于T口压力，切换阀阀芯2左右受力不平衡，阀芯向左侧移动，直到切换到下一个状态，此时液体驱动柱塞PL向左运动，液动换向阀芯34被释放，切换阀S1口和S2口又同时与T口连通，切换阀阀芯2再次达到平衡状态；当柱塞PL移动到左极限位置时，液动换向阀芯10被顶开，切换阀S2口与P口连通，同时断开与T口的连通，切换阀阀芯2向右侧移动，水的流动方向再次被切换，柱塞PL向右侧移动，液动换向阀芯10被释放，切换阀S1口和S2口同时与T口连通，阀芯2达到平衡状态。周而复始，实现自动往复运动。

本发明一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，它由双向柱塞缸、自动换向机构、单向阀组成。双向柱塞缸有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，柱塞PL两端为两个低压腔，中间为两个高压腔。两个高压腔分别拥有一组单向阀，每组单向阀有两个，单向阀CV6进口与高压腔H1相通，单向阀CV3进口与高压腔H2相通，单向阀CV6和单向阀CV3出口共同与高压口HP相通，单向阀CV5出口与高压腔H1相通，单向阀CV2出口与高压腔H2相通，单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV7进口与低压腔L1相通，单向阀CV8进口与低压腔L2相通，单向阀CV7出口和单向阀CV8出口与单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV1出口和单向阀CV4出口与高压口HP相通，单向阀CV1进口与低压腔L1相通，单向阀CV4进口与低压腔L2相通。切换阀出水口和回水口分别连通低压腔L1和低压腔L2。液压源出水口接增压器低压口P，回水口T接通液压源吸入口，高压口HP连通液压执行机构。管路连接采用耐外压硬管。

双向柱塞缸由柱塞PL和缸体组成，柱塞杆在中间，两端固定活塞，活塞与柱塞杆之间采用O型密封圈实现端面密封，柱塞杆两端为螺纹，通过螺母固定活塞。缸体通过缸肩将左缸体和右缸体连接。分别通过O型密封圈实现端面密封。缸肩与柱塞杆通过O型密封圈实现轴向动密封，活塞与左、右缸体通过O型密封圈实现轴向动密封。左、右缸体有流体通道开口，多余开口用锥螺纹堵头堵死，锥螺纹堵头缠生料带。缸体端盖开有液动换向阀芯腔，与液动换向阀芯通过O型密封圈实现轴向动密封。阀芯触头伸入低压腔内。缸体端盖通过O型密封圈实现端面密封。

自动换向机构，由液动换向阀芯的动作控制切换阀阀芯滑动，切换阀阀芯与阀套采用组合密封圈实现径向密封，阀套与切换阀壳体采用O型密封圈实现径向密封，阀套和切换阀阀芯的轴向位置由切换阀左端盖和切换阀右端盖固定，采用内六角螺钉固定。切换阀阀芯与切换阀左端盖和右端盖间通过组合密封圈实现径向密封。切换阀壳体与左缸体和右缸体分别用O型密封圈进行端面密封。自动换向机构出水口T1和T2与回水口T连通。切换阀S2口与左侧液动换向阀芯腔相通，切换阀S1口与右侧液动换向阀芯腔相通，分别用钛合金管连接。液动换向阀芯分别装有压簧，液动换向阀芯端盖固定液动控制阀芯，并分别与左、右缸体端盖通过O型密封圈实现端面密封。液动换向阀芯端盖开口与回水口T连通。左、右缸体端盖的供压口分别与切换阀低压口P连通。

单向阀CV1、CV2、CV3、CV4、CV5、CV6、CV7、CV8，选用耐外压结构，采用不锈钢316L材料。

液动换向阀芯一端为圆柱型与缸体端盖进行径向密封，在阀芯动作时，实现轴向动密封。液动换向阀芯另一端为三棱柱，与液动换向阀芯端盖开口配合，具有导向作用，且保证液体流通。阀芯主体段两端为圆锥面，分别与液动换向阀芯端盖和缸体端盖形成圆锥密封。

压簧材料为不锈钢316L。

切换阀芯切换阀S2口和切换阀S1口相通的密封截面积直径小于阀芯换向主体密封截面积直径，降低驱动换向所需的流量。

本发明一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，它由双向柱塞缸、自动换向机构、单向阀组成。双向柱塞缸有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，柱塞PL两端为两个低压腔，中间为两个高压腔。两个高压腔分别拥有一组单向阀，每组单向阀有两个，单向阀CV6进口与高压腔H1相通，单向阀CV3进口与高压腔H2相通，单向阀CV6和单向阀CV3出口共同与高压口HP相通，单向阀CV5出口与高压腔H1相通，单向阀CV2出口与高压腔H2相通，单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV7进口与低压腔L1相通，单向阀CV8进口与低压腔L2相通，单向阀CV7出口和单向阀CV8出口与单向阀CV5进口和单向阀CV2进口互相连通。单向阀CV1出口和单向阀CV4出口与高压口HP相通，单向阀CV1进口与低压腔L1相通，单向阀CV4进口与低压腔L2相通。切换阀出水口和回水口分别连通低压腔L1和低压腔L2。液压源出水口接增压器低压口P，回水口T接通液压源吸入口，高压口HP连通液压执行机构。管路连接采用耐外压硬管。

双向柱塞缸由柱塞PL和缸体组成，柱塞杆在中间，两端固定活塞，活塞与柱塞杆之间采用O型密封圈实现端面密封，柱塞杆两端为螺纹，通过螺母固定活塞。缸体通过缸肩将左缸体和右缸体连接。分别通过O型密封圈实现端面密封。缸肩与柱塞杆通过O型密封圈实现轴向动密封，活塞与左、右缸体通过O型密封圈实现轴向动密封。左、右缸体有流体通道开口，多余开口用锥螺纹堵头堵死，锥螺纹堵头缠生料带。缸体端盖开有液动换向阀芯腔，与液动换向阀芯通过O型密封圈实现轴向动密封。阀芯触头伸入低压腔内。缸体端盖通过O型密封圈实现端面密封。

自动换向机构由液动换向阀芯的动作控制切换阀阀芯滑动，切换阀阀芯与阀套采用组合密封圈实现径向密封，阀套与切换阀壳体采用O型密封圈实现径向密封，阀套和切换阀阀芯的轴向位置由切换阀左端盖和切换阀右端盖固定，采用内六角螺钉固定。切换阀阀芯与切换阀左端盖和右端盖间通过组合密封圈实现径向密封。切换阀壳体与左缸体和右缸体分别用O型密封圈进行端面密封。自动换向机构出水口T1和T2与回水口T连通。切换阀S2口与左侧液动换向阀芯腔相通，切换阀S1口与右侧液动换向阀芯腔相通，分别用钛合金管连接。液动换向阀芯分别装有压簧，液动换向阀芯端盖固定液动控制阀芯，并分别与左、右缸体端盖通过O型密封圈实现端面密封。液动换向阀芯端盖开口与回水口T连通。左、右缸体端盖的供压口分别与切换阀低压口P连通。

单向阀CV1、CV2、CV3、CV4、CV5、CV6、CV7、CV8，选用耐外压结构，采用不锈钢316L材料。

液动换向阀芯一端为圆柱型与缸体端盖进行径向密封，在阀芯动作时，实现轴向动密封。液动换向阀芯另一端为三棱柱，与液动换向阀芯端盖开口配合，具有导向作用，且保证液体流通。阀芯主体段两端为圆锥面，分别与液动换向阀芯端盖和缸体端盖形成圆锥密封。

压簧材料为不锈钢316L。

切换阀芯与切换阀S2口和切换阀S1口相通的密封截面积直径小于阀芯换向主体密封截面积直径，降低驱动换向所需的流量。

Claims (3)

1.一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，其特征是：包括切换阀、液动换向阀，切换阀安装在液动换向阀上；切换阀包括切换阀壳体以及安装在切换阀壳体里的切换阀阀芯，切换阀壳体上设置第一出水口、第二出水口以及切换阀低压出口，第一出水口和第二出水口均连通回水口，切换阀低压出口连通切换阀低压口，切换阀阀芯设置第一切换阀出口和第二切换阀出口；液动换向阀包括左缸体、右缸体、左缸体端盖、右缸体端盖、缸肩、柱塞杆、左活塞、右活塞、左液动换向阀芯、右液动换向阀芯，缸肩设置在左缸体和右缸体之间，左缸体缸盖安装在左缸体的端部，右缸体缸盖安装在右缸体的端部，左活塞设置在左缸体里，右活塞设置在右缸体里，柱塞杆穿过缸肩并安装在左活塞和右活塞之间，左缸体缸盖和左活塞之间形成第一低压腔，左活塞和缸肩之间形成第一高压腔，右缸体缸盖和右活塞之间形成第二低压腔，右活塞和缸肩之间形成第二高压腔，左缸体端盖端部安装液动换向阀芯左端盖，左缸体端盖里设置液动换向阀芯左腔，左液动换向阀芯安装在液动换向阀芯左腔里，左缸体端盖上设置左供压口、左腔出口，左供压口连通切换阀低压口，左腔出口通过管路连通第二切换阀出口，液动换向阀芯左端盖上设置左端盖开口，左端盖开口连通回水口，右缸体端盖端部安装液动换向阀芯右端盖，右缸体端盖里设置液动换向阀芯右腔，右液动换向阀芯安装在液动换向阀芯右腔里，右缸体端盖上设置右供压口、右腔出口，右供压口连通切换阀低压口，右腔出口通过管路连通第一切换阀出口，液动换向阀芯右端盖上设置右端盖开口，右端盖开口连通回水口。

2.根据权利要求1所述的一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，其特征是：左液动换向阀芯一端为圆柱型与左缸体端盖进行径向密封，左液动换向阀芯另一端为具有导向作用的三棱柱，与左端盖开口配合，右液动换向阀芯与左液动换向阀芯结构相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种可应用于深海环境的自动换向海水增压器，其特征是：第一切换阀出口和第二切换阀出口的截面积直径小于切换阀阀芯截面积直径。