专利名称：压力平衡用活塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及密封器件，更具体地说尤其是应用在水下压力平衡结构中密封活塞构件。
背景技术：
随着海洋观测和开发的深入，水下仪器设备，包括水下机器人、水下传感器、水下作业 工具、水下动力源等不断走向海洋，在面对平均水深3800米海洋的大水压力问题时，仅采 用耐压设计，不仅会造成水下仪器设备的体积、重量增大，而且会造成水下力传感器的精度 降低甚至无法工作。压力平衡即压力补偿技术是目前解决这一问题的有效途径。
迄今，国内外所应用的压力平衡主要是利用弹性元件，如补偿膜即膜片、软囊即皮囊、 波纹管等在水压力的作用下发生弹性变形，使得充油的水下仪器设备内部的油压与外部的水 压趋于平衡。但是，随着水下仪器设备的内部油液体积变化的加大，压力平衡弹性体即膜片、 软囊或波纹管的变形加大，水下仪器设备的内外压差也加大，弹性体压力平衡的能力不断变 化、且降低。同时软囊和膜片器件极易受损。
活塞式压力平衡装置利用活塞在水压作用下在缸体中的移动，使得充油的水下仪器设备 内部的油压与外部的水压趋于平衡。该方法不是利用弹性元件的变形，所利用的活塞和缸体 可以不用橡胶材料；水压增大活塞位移随之增大时，内外压差仍可保持较小；在原理上，能 够胜任水下仪器设备在深海环境下的长期工作。但是，活塞在深海下的移动既要保证严格的 密封，又要移动灵活，这是现有活塞密封技术所面临的新问题和新挑战。通常活塞密封圈的 结构形式，在活塞工作液体压力增大时，其与缸体间的接触压力增大，接触宽度增大且较为 明显，导致活塞移动的阻力增大，水下仪器设备的内外压差增大，压力平衡能力降低。
专利03113254.5提出了一种水下机器人用多轴力传感器压力平衡装置，公开了一种集 密封和防尘结构为一体的整体式薄壁管状活塞，但按照其具体实施方式
中所提出的具体形 状，在实际应用中会导致活塞的轴向刚度较大，从而难以较好地达到专利03113254.5的弹 性活塞较小轴向刚度的要求；同时，会导致活塞和缸壁接触的波纹顶部的曲率半径难以较小， 使得在相同的过盈配合下，活塞和缸壁间的接触宽度较大，活塞移动的摩擦阻力较大。此外， 专利为03113254.5中公开的活塞形式在其防尘结构上过于精细，难以加工，同时也增大了 活塞和缸壁之间的接触宽度。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种压力平衡用活塞，利用压 力平衡使得在深海压力下，仍然能获得可靠的密封性能，并能保持活塞灵活的移动。本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明压力平衡用活塞的结构特点是所述活塞为一端封闭的圆柱状管件，在所述圆柱状 管件沿中轴线的纵切面上，其侧壁为"V"型波纹，所述"V"型波纹的外侧璧与内侧壁为 相同的波纹形状，且外侧壁是在内侧壁沿径向的平移位置上。
本发明压力平衡用活塞的结构特点也在于所述"V"型波纹的形状为开口相反的抛物线 段的相接；或"V"型波纹为正弦曲线或余弦曲线；或"V"型波纹的波谷和波底为圆弧段， 前沿和后沿为直线段。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在
1、 本发明在活塞和缸壁接触的波纹顶部和活塞波纹直径尺寸最小的波谷处的法向壁厚 比处于波纹顶部和波谷之间的法向壁厚大，与等壁厚的波纹管相比，本发明的活塞的轴向刚 度进一步减小。
2、 本发明活塞的波纹为"V"型，波纹的曲率随径向尺寸变化而变化，波纹顶部和波谷 的曲率最小，在同样的过盈配合下，活塞波纹顶部和缸壁之间的密封接触处的接触宽度可以 较小。
3、 本发明活塞，当水深压力增大时，活塞波纹顶部和缸壁之间的密封接触处的接触压 力增大，产生随水深压力变化的自适应密封能力。
4、 本发明的活塞，当水深压力增大时，其轴向发生弹性收縮，活塞波纹和缸壁间形成 的密封腔的体积减小，腔内的油压增大，与密封腔外部的水压及油压平衡。又由于油液的体 弹性模量较大，所以在深水压力作用下，活塞波纹顶部和活塞缸壁之间的密封接触处的接触 宽度仍然较小，活塞波纹顶部和活塞缸壁之间的密封接触处的法向作用力较小，活塞移动的 摩擦阻力较小。
图1为本发明设置"V"型波纹为抛物线组合的结构示意图。 图2为本发明设置V"型波纹为正弦或余弦的的结构示意图。 图3为本发明设置"V"型波纹为圆与直线组合的结构示意图。 图4为本发明与缸体配合结构示意图。
图中标号1活塞、11外侧壁、12内侧壁、2波纹顶部、3缸体、4密封腔、5水下仪 器设备外部、6水下仪器设备内部、7活塞内部、8活塞封闭端。 以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明
具体实施方式
参见图1，本实施例活塞为一端封闭的圆柱状管件，在圆柱状管件沿中轴线的纵切面上， 其侧壁为"V"型波纹，"V"型波纹的外侧壁11与内侧壁12为相同的波纹形状，且外侧壁 11是在内侧壁12沿径向的平移位置上。
具体实施中，"V"型波纹的形状可以为
如图1所示的"V"型波纹为开口相反的抛物线段的相接；
如图2所示的"V"型波纹为正弦曲线或余弦曲线；
如图3所示的"V"型波纹的波谷和波底为圆弧段，前沿和后沿为直线段。
具体实施中，活塞l的波纹顶部2和缸体3的内侧壁过盈配合，形成密封腔4，密封腔 4中充满油液。缸体3的内侧壁为圆柱状通孔， 一端和水下仪器设备外部5所处的海水相通， 承受海水压力，另一端和水下仪器设备内部6的油液相通。活塞内部7和水下仪器设备内部 6相通，充满油液。活塞封闭端8把水下仪器设备外部5所处的海水和活塞内部7隔开。
当水下仪器设备所处的水深增大时，外部的水深压力增大，作用在活塞封闭端外侧的作 用力增大，不计活塞波纹顶部和缸壁间的摩擦力，则活塞向水下仪器设备的内都移动，水下 仪器设备内部的油液体积縮小，内部油液的压力随外部的海水压力增大而增大，使得水下仪 器设备内部油压和外部的水压平衡。
由于活塞内部7和水下仪器设备内部6相通，所以活塞内部7的油液随水深压力增大而 增大，导致活塞波纹顶部2与缸体3的内侧壁之间的压力也随着水深压力增大而增大。
在水下仪器设备外部的水压和内部油压的作用下，由于活塞较小的轴向刚度，活塞发生 轴向弹性收縮，使得密封腔4的内部油液压力随外部的海水压力增大而增大，在密封腔4与 密封圈外部的水压以及活塞内部的油压之间获得压力平衡；又由于液体的体弹性模量较大， 所以接触宽度仍然较小；活塞波纹顶部和缸体内侧壁之间的法向作用力较小，活塞移动的摩 擦阻力较小；达到活塞密封可靠、移动灵活的要求。使得水下仪器设备的内外压差较小，保 证压力平衡用活塞在任意水深下的压力平衡能力。
当水下仪器设备工作的水深减小时，不计活塞波纹顶部和缸壁间的摩擦力，则活塞向水 下仪器设备的外部移动，水下仪器设备内部的油液的压力随外部的海水压力减小而减小，使 得水下仪器设备内部的油压和外部的水压平衡。随着外部的水压和内部油压的减小，活塞发 生轴向伸长，活塞波纹和缸壁间形成的密封腔的体积增大，密封腔4内部油液的压力随外部 的海水压力减小而减小，在密封腔4与密封圈外部的水压以及活塞内部的油压之间获得压力 平衡；同样活塞波纹顶部和缸壁间的接触压力随着海水压力减小而减小，但接触宽度仍然保 持较小；活塞波纹顶部和缸壁间的法向作用力较小，活塞移动的摩擦阻力较小；活塞密封可靠、移动灵活。保证压力平衡用活塞在任意水深下的压力平衡能力。
活塞封闭端8可采用较薄的厚度，若考虑活塞波纹顶部和缸壁间的摩擦力，当活塞上所 受的轴向推力小于摩擦力时，活塞不移动，较薄的活塞封闭端8就像膜片一样，发生弹性挠 曲变形，使得水下仪器设备内部的体积发生变化，导致内部油液的压力和外部的水压平衡。
具体实施中，在"V"型波纹所在的纵切面上，可以设置波纹曲线上任意一点的切线与 径线的锐角夹角的最小值不大于20度，使活塞波纹成为小角度"V"型波纹，保证活塞具 有较小的轴向刚度。
权利要求
1、一种压力平衡用活塞，其特征是所述活塞为一端封闭的圆柱状管件，在所述圆柱状管件沿中轴线的纵切面上，其侧壁为“V”型波纹，所述“V”型波纹的外侧壁与内侧壁为相同的波纹形状，且外侧壁是在内侧壁沿径向的平移位置上。
2、 根据权利要求1所述的压力平衡用活塞，其特征是所述"V"型波纹的形状为开口 相反的抛物线段的相接；或"V"型波纹为正弦曲线或余弦曲线；或"V"型波纹的波谷和 波底为圆弧段，前沿和后沿为直线段。
全文摘要
压力平衡用活塞，其特征是所述活塞为一端封闭的圆柱状管件，在圆柱状管件沿中轴线的纵切面上，其侧壁为“V”型波纹，所述“V”型波纹的外侧壁与内侧壁为相同的波纹形状，且外侧壁是在内侧壁沿径向的平移位置上。本发明利用压力平衡使得在深海压力下，仍然能获得可靠的密封性能，并能保持活塞灵活的移动。
文档编号F04B53/14GK101303011SQ20081012320
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者凯 何, 刘正士, 勇 王, 葛运建, 陆益民, 奇 陈, 陈恩伟 申请人:合肥工业大学