专利名称：水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体压力执行机构，尤其是涉及一种水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置。
背景技术：
海洋水下设备包括水下机器人、水下施工设备与军事潜艇三大类。对于这些水下设备的液压控制系统，在海水的压力变化大、强腐蚀、温度变化大这样的环境中工作，需要解决一些相关的关键问题，以保证液压系统的控制性能。如何解决随着海水压力的变化，液压系统的压力补偿或压力平衡问题，自然就成为水下设备液压系统要解决的关键问题之一。
水下设备液压系统的压力在早期并未采取压力补偿措施，而是把水下的液压控制元件与执行器都分别安装在压力容器中，以防止海水压力对系统的影响，但这种方法大大增加了一些不必要的重量，另外，元件的安装与维护也很困难。再者，早期也有使用皮囊式蓄能器替代压力补偿器完成压力补偿功能的，这也是为了解决海水环境压力补偿的临时措施。
目前，已有专用于水下设备液压系统的压力补偿器，该种补偿器常见于水下机器人与水下施工设备上。通常情况下，主要由补偿器外壳、补偿隔膜、补偿弹簧、标尺等几部分组成。它的基本原理是通过膜片、薄壳体或活塞形式的机械装置的变形或移动，去敏感周围海水环境压力，并把海水环境压力传递到需要补偿的液压系统或部件。
但这种传统的压力补偿器仍然存在不少问题(1)对于具有非对称执行器的液压系统，由于执行器两个工作容腔的容积不同，压力补偿器在工作过程中，对不同的工作容积进行相应的容积补偿，这势必造成其内部的补偿弹簧的变形量变化较大，最终使执行器工作容腔不同而补偿压力不同；另外，在压力补偿器初始工作与缺油需补油时，补偿器内的补偿弹簧变形量变化较大，使补偿压力变化较大。即补偿的压力与海水环境压力的差不能保持恒值，补偿精度不高；(2)对于短期工作在水下的设备，当压力补偿器因泄漏缺油时，可以上浮至水面进行补油。而对于需要在水下潜行长达几个月时间的水下设备，根本无法在工作过程中进行补油。所以这种补偿器不能满足自动补油要求；
(3)现有的压力补偿器没有自动排气装置，在工作之前必须由人工进行预先充油，并排空其中的空气。这样，设备每次入水前都要人工检查并排气，造成不必要的麻烦；(4)从产品的可靠性考虑，由于橡胶产品的老化现象是不可避免的，一旦出现泄漏，海水侵入液压系统，使系统无法正常工作。其可靠性有待提高。
发明内容
为了减少或消除海水环境压力的影响，提高液压系统的控制性能，本发明的目的是提供一种水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置。
对于控制精度要求较高的液压系统，要消除或减少补偿压力与海水环境压力差值的波动；另一方面，对于长期处在海水环境中的设备，由于液压系统难以避免的泄漏，海水压力补偿装置必需具备自动补油功能。在进行压力补偿的同时，为了提高压力补偿器的可靠性，保证水下设备在工作期间安全可靠的运行，需要进行可靠性的设计。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是它包括机械式海水环境压力敏感单元、自动排气单元和自动补油单元，其中1)机械式海水环境压力敏感单元包括壳体、滚动膜片、固定板、牵引架、压板、恒力弹簧、滚轴、活塞、密封圈、压板、控制杆；在下壳体内，滚动膜片的外圈固定在下壳体上，用固定板、牵引架对夹，滚动膜片与牵引架相连，滚动膜片在下壳体内处于浮动状态，牵引架用夹紧装置与恒力弹簧的牵伸端固连，恒力弹簧装在中壳体的左右两个滚轴上，两个滚轴与中壳体形成转动配合，装在上壳体内的活塞上的活塞杆与控制杆为滑动连接；2)自动排气单元包括由小柱塞、第一根弹簧、排气阀阀芯、第二根弹簧组成的排气阀；小柱塞的左端顶在控制杆右侧面的凸轮曲面上，小柱塞的右端压在第一根弹簧上，第一根弹簧压在排气阀阀芯的左端，在排气阀阀芯的右端顶在第二根弹簧上，排气阀的出口通过第一节流孔接出口；3)自动补油单元包括由补油阀阀芯、复位弹簧组成的补油阀，由加压弹簧、补油减压阀阀芯组成的补油减压阀；补油阀阀芯通过复位弹簧向右压在控制杆左侧面的凸轮曲面上，补油阀与补油减压阀之间通过第二节流孔相连。
所说的夹紧装置是用螺母、弹簧垫圈、螺钉、平垫、压板与恒力弹簧的牵伸端固连，本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是通过滚动膜片敏感海水环境压力，由于恒力弹簧的预加压作用，使补偿压力略高于海水环境压力，防止海水侵入液压系统。由于是恒力预加载，能保证较高的压力补偿精度。其特殊的三重密封设计，保证其长期可靠工作。由自动排气单元保证装置内的空气自动排出，通过自动补油单元完成对压力敏感单元的补油任务，用以补偿泄漏。该装置克服了现有压力补偿器的缺陷。本发明主要用于海水下任意深度的水下设备的液压系统中，以补偿海水环境压力对液压系统的影响。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构原理示意图；图2是本发明的具体结构实施图；图3是图2的I放大图；图4是图2的A-A剖视图。
图中1.下壳体，2.滚动膜片，3.固定板，4.牵引架，5.螺母，6.弹簧垫圈，7.螺钉，8.平垫，9.压板，10.恒力弹簧，11.滚轴，12.螺母，13.弹簧垫圈，14.平垫，15.活塞，16.密封圈，17.压板，18.平垫，19.螺母，20.控制杆，21.小柱塞，22.弹簧，23.排气阀阀芯，24弹簧，25.节流孔R3，26.节流孔R1，27.补油阀阀芯，28.复位弹簧，29.节流孔R2，30.加压弹簧，31.补油减压阀阀芯，32.螺栓，33.螺母，34.弹簧垫圈，35.平垫，36.中壳体，37.弹簧架，38.轴套，39.弹性挡圈，40.上壳体，41.螺钉，42.螺母，43.弹簧垫，44.平垫，45.螺栓，46.密封圈，47.弹性挡圈，48.导向套，49.螺母，50.密封圈，51.连接件，52.螺母，53.锁紧螺母，54.密封圈，55.螺塞，56.螺塞，57.阀体，58控制杆，59.螺塞。
具体实施例方式
如图1、图2、图3、图2所示，本发明它包括机械式海水环境压力敏感单元、自动排气单元和自动补油单元，其中1)机械式海水环境压力敏感单元包括下壳体1、滚动膜片2、固定板3、牵引架4、螺母5、弹簧垫圈6、螺钉7、平垫8、压板9、恒力弹簧10、滚轴11、螺母12、弹簧垫圈13、平垫14、活塞15、密封圈16、压板17、平垫18、螺母19、控制杆20、节流孔26、螺栓32、螺母33、弹簧垫圈34、平垫35、中壳体36、弹簧架37、轴套38、弹性挡圈39、下壳体40、螺钉41、螺母42、弹簧垫43、平垫44、螺栓45、密封圈46、弹性挡圈47、导向套48、螺母49、密封圈50、连接件51、螺母52、锁紧螺母53；在下壳体1的小端内，滚动膜片2的外圈固定在下壳体1与中壳体36的法兰上，用固定板3、牵引架4对夹，滚动膜片2与牵引架4相连，滚动膜片2在下壳体1与中壳体36的内腔处于浮动状态，牵引架4用夹紧装置与恒力弹簧10的牵伸端固连，恒力弹簧10装在中壳体36内的左右两个滚轴11上，两个滚轴11与弹簧架37形成转动配合，弹簧架37通过螺钉41与中壳体36相连。活塞杆58与控制杆20为滑动连接，由螺母52、锁紧螺母53把活塞杆58与控制杆20连接起来，通过活塞杆58上的凸台、螺母52与控制杆20上的内孔完成限位。活塞杆58向上移动到内孔底时，向上推动控制杆20，控制杆20向上移动时，通过其上的凸轮曲面控制补油阀阀芯向左移动，打开阀口，进行补油。此时，活塞杆58向下运动，直到活塞杆58上的凸台接触螺母52。继续向下运动的同时，带动控制杆20一起向下运动，控制杆20移动到一定位置，补油阀阀芯在弹簧28的作用下，向右移动，关闭阀口。完成补油任务。在正常压力补偿期间，活塞杆58一直在限定范围内工作。
活塞杆20的导向作用由导向套48完成。导向套48安装于连接件51的内孔中，轴向定位由弹性挡圈47保证。通过螺母49把连接件51与上壳体40连接起来。端面处有密封件50起密封作用。
螺塞59用于当封闭容腔充满油后进行密封。
2)自动排气单元包括由小柱塞21、第一根弹簧22、排气阀阀芯23、第二根弹簧24组成的排气阀；小柱塞21的左端顶在控制杆20右侧面上，小柱塞21的的右端压在第一根弹簧22上，第一根弹簧22压在排气阀阀芯23的左端，在排气阀阀芯23的右端顶在第二根弹簧24上。由控制杆20、弹簧22与弹簧24共同作用控制排气阀阀口的开闭，当在最原始工作位置时，小柱塞21的左端顶在控制杆20的凸轮曲面的最低处，处于最左端的位置，此时排气阀阀芯23在两端弹簧22，24的作用下也处在最左端位置，排气阀阀口打开。当小柱塞21的左端顶在控制杆20的凸轮曲面的最高处时，因为两端弹簧22，24具有相同的弹簧刚度，两弹簧22，24的压缩量相同，都是小柱塞21行程的一半。这样排气阀阀芯的行程同样是小柱塞21行程的一半。当设计的阀口开口量小于该值时，即可并闭阀口。排气阀的出口通过节流孔25接出口；3)自动补油单元包括由补油阀阀芯27、复位弹簧28组成的补油阀，由加压弹簧30、补油减压阀阀芯31组成的补油减压阀；补油阀阀芯27通过复位弹簧28向右压在控制杆20右侧面上，补油阀与补油减压阀之间通过节流孔29相连。补油阀的开闭由控制杆20与复位弹簧28共同控制，通过控制杆20的上下移动，使补油阀阀芯27工作在控制杆20的不同的凸轮曲面位置。在凸轮曲面的最低处时，在复位弹簧28的作用下，补油阀阀芯27处于最右端，阀口关闭。当在凸轮曲面的最高处时，在控制杆20的作用下，克服弹簧力的作用，推动补油阀阀芯27向左移动，使阀口打开。
自动排气单元与自动补油单元安装在阀体57内，阀体57与海水环境压力敏感单元通过连接件51相连。中壳体36与上壳体40通过法兰连接，接合面有密封件46密封。连接件与阀体57通过螺纹连接，连接处有密封件54进行密封。
本发明的工作原理如下1)机械式海水环境压力敏感单元机械式海水环境压力敏感单元由滚动膜片2、弹簧10、密封活塞组件和壳体四主要部分组成。
滚动膜片2是橡胶等纤维织物复合加工而成，既是密封元件又是液体、压力传递的敏感弹性元件。滚动膜片具有在工作过程中处于滚动状态，磨擦阻力小，密封可靠，行程大；而更重要的是具有线性特性，即沿轴向变形时，驱动膜片轴向移动的力为常数，这一特性对敏感周围海水环境压力较有利，产生的干扰较小；另外，滚动膜片移动只需很小的力，响应特性好。
弹簧10的作用是预加一个微小压力到液压油中，保证液压子系统的补偿压力略高于海水环境压力一个定值，以防止海水侵入液压系统，污染液压油。这里所使用的弹簧10为恒力弹簧10，即在一定的工作范围内，弹簧拉力不随弹簧的变形量的变化而变化，其输出保持为恒力输出。这就保证了补偿压力不再受弹簧变形量的影响而保持恒定高于海水环境压力一个定值。
再者。对该机械式海水环境压力敏感单元进行了可靠性设计，既保证对周围海水环境压力的敏感，又确保当其中的滚动膜片2出现故障也能可靠地进行工作。该单元具有滚动膜片2、密闭容腔和活塞组件三重密封效果，第一道密封是滚动膜片2。滚动膜片2把海水与液压油隔离开；第二道密封是密闭容腔。在密封活塞组件与滚动膜片2之间自然形成了一个密闭容腔，它具有一个特殊的用途。即，当机械式海水压力敏感器垂直安装时，在此密闭容腔中液压油几乎是处于静态的，内部压力与敏感器上腔的油压力相同，一旦出现滚动膜片2失效，海水进入该密闭容腔，由于液压油的比重比海水轻而总是浮于海水之上，海水在此密闭的容腔中不可能超出油隔离层而接触活塞，除非此密闭容腔中的油液全部泄漏完毕。根据静压传递原理，从理论上说，密闭容腔中的油是不会完全泄漏出去的。同时，该密闭容腔又具有静压传递的作用，把海水环境压力与弹簧10的预加压力传递给活塞组件；第三道密封是活塞密封。橡胶在长期使用过程中易老化，往复运动易疲劳出现裂纹，致使海水侵入液压油。因此，为了提高机械式海水环境压力敏感单元的可靠性，又应用一个密封活塞组件，该活塞15与上壳体40之间应用聚四氟乙烯作为密封材料，采用弹簧加载的自动补偿的双向密封结构形式。再者，由于滚动膜片2在敏感海水压力变化时，其固有频率很高，需要采取措施增加敏感单元的阻尼，这是在此增加活塞的第二个作用。
2)自动排气单元由原理图1可以看出，通过海水环境压力敏感单元把海水环境压力传递给液压油，经由一个节流孔26到需要进行压力补偿的油腔，由海水压力敏感单元的上腔与需进行压力补偿的油腔一起构成一个封闭容腔。该封闭容腔在初始状态下是充满空气的，要使其处于正常工作状况，需要保证该容腔充满液压油，空气的存在会影响压力传递的精度。因此，在工作之初需要对该封闭容腔充油排气。排气单元由排气阀和节流孔25组成，其排气原理为在最初状态时，由于弹簧22，弹簧24的作用，机械式海水压力敏感单元中的滚动膜片2与活塞组件处于最上端位置，但仍存在一个存有空气的空间。此时，排气单元的阀口受活塞上控制杆20的作用打开，并与油箱相通。当开始充油时，一直处于打开状态，其中的空气通过排气单元的阀口排出，直到液压油充满该容腔。当充满液压油后，由于排气单元中的液压节流孔25的作用，油经节流孔25后产生一个压差，在该容腔就会逐步建立起压力，此压力作用在活塞组件的上端面，迫使活塞组件向下移动，和活塞固连在一起的控制杆随活塞一起向下移动，控制杆58移动到一定位置，拉下控制杆20，由控制杆20上的凸轮曲面推动小柱塞21，由弹簧22推动排气阀芯23关闭阀口，排气过程结束。
3)自动补油单元由于海水压力补偿装置的长期水下工作特性，不可避免地会出现泄漏，导致缺油。补油装置是一个不可或缺的单元。该单元由自动控制出口压力的减压阀、节流孔29和补油阀三部分组成。其基本工作原理为补油单元的进口从系统供油管处引出，由减压阀控制补油的压力。此减压阀的出口压力由系统的补偿压力与加压弹簧30共同控制，加压弹簧30的作用是使减压阀的出口压力略高于压力敏感单元上腔的压力，保证能正常补油。减压阀的出口压力由于反馈压力的作用会自动跟随补偿压力的变化。节流孔29的作用是防止当补油阀突然开启时，造成海水压力敏感单元上腔的压力突然升高，对补偿压力产生冲击。补油阀的开闭由与活塞杆58相连的控制杆20控制，当海水压力敏感单元上腔的液压油泄漏到一定程度时，控制杆20上升，由控制杆20上的左凸轮曲面向左顶开补油阀芯27，补油阀打开，向海水压力敏感单元的上腔补油。补油过程中，控制杆20随活塞组件一起向下移动，直至重新关闭补油阀。实际上，控制杆是一个位置控制机构，由于它的作用，使海水压力敏感单元的活塞组件位置一直处在一定范围内。海水压力敏感单元的活塞组件的上下移动量在恒力弹簧的正常工作范围内，因此，能满足水下液压系统的补偿压力始终高于海水环境压力一个定值，减少了补偿压力的波动量。
权利要求
1.一种水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置，其特征在于它包括机械式海水环境压力敏感单元、自动排气单元和自动补油单元，其中1)机械式海水环境压力敏感单元包括壳体、滚动膜片(2)、固定板(3)、牵引架(4)、压板(9)、恒力弹簧(10)、滚轴(11)、活塞(15)、密封圈(16)、压板(17)、控制杆(20)；在下壳体内，滚动膜片(2)的外圈固定在下壳体上，用固定板(3)、牵引架(4)对夹，滚动膜片(2)与牵引架(4)相连，滚动膜片(2)在下壳体内处于浮动状态，牵引架(4)用夹紧装置与恒力弹簧(10)的牵伸端固连，恒力弹簧(10)装在中壳体的左右两个滚轴(11)上，两个滚轴(11)与中壳体形成转动配合，装在上壳体内的活塞(15)上的活塞杆(58)与控制杆(20)为滑动连接；2)自动排气单元包括由小柱塞(21)、第一根弹簧(22)、排气阀阀芯(23)、第二根弹簧(24)组成的排气阀；小柱塞(21)的左端顶在控制杆(20)右侧面的凸轮曲面上，小柱塞(21)的右端压在第一根弹簧(22)上，第一根弹簧(22)压在排气阀阀芯(23)的左端，在排气阀阀芯(23)的右端顶在第二根弹簧(24)上，排气阀的出口通过第一节流孔(25)接出口；3)自动补油单元包括由补油阀阀芯(27)、复位弹簧(28)组成的补油阀，由加压弹簧(30)、补油减压阀阀芯(31)组成的补油减压阀；补油阀阀芯(27)通过复位弹簧(28)向右压在控制杆(20)左侧面的凸轮曲面上，补油阀与补油减压阀之间通过第二节流孔(29)相连。
2.根据权利要求1所述的一种水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置，其特征在于所说的夹紧装置是用螺母(5)、弹簧垫圈(6)、螺钉(7)、平垫(8)、压板(9)与恒力弹簧(10)的牵伸端固连。
全文摘要
本发明公开了一种水下设备液压系统中的海水环境压力补偿装置。该补偿装置的功能是敏感周围海水环境压力，并把海水环境压力传递到液压系统中，对液压系统的压力进行补偿，以消除或减少海水环境压力对液压系统的影响。它通过滚动膜片敏感海水环境压力，由于恒力弹簧的预加压作用，使补偿压力略高于海水环境压力，防止海水侵入液压系统，其特殊的三重密封设计，保证其长期可靠工作。由自动排气单元保证装置内的空气自动排出，通过自动补油单元完成对压力敏感单元的补油任务。该装置克服了现有压力补偿器的缺陷。本发明主要用于海水下任意深度的水下设备的液压系统中，以补偿海水环境压力对液压系统的影响。
文档编号F15B21/00GK1544820SQ20031010857
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者王庆丰, 李延民 申请人:浙江大学