CN109356906B - 一种可用于水下作业的集成式电液执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可用于水下作业的集成式电液执行器，涉及电液执行器技术领域，能够耐腐蚀、防海水污染，是一种结构简单紧凑、工作可靠的闭式回路电液执行器；该电液执行器包括密封连接的第一缸体和第二缸体；所述第一缸体内设有活塞装置；所述第二缸体内设有电机、双向油泵和油箱；所述双向油泵、所述第一缸体的有杆腔及无杆腔、所述油箱组成油液循环管路；所述活塞装置的外伸部分的外周设有可伸缩的隔离皮囊。本发明提供的技术方案适用于电液执行器水下作业的过程中。
Description
【技术领域】
本发明涉及电液执行器技术领域，尤其涉及一种可用于水下作业的集成式电液执行器。
【背景技术】
深海工作环境具有低温、高压、易腐蚀、富含微生物的特点，电液执行器***在深海环境工作时，易出现三个问题。一是由于深海较高的环境压力，容易导致密封失效，海水以及微生物进入液压***，污染液压油，造成严重后果；二是由于活塞杆工作时要伸出液压缸，外表面暴露在海水中，容易被腐蚀；三是普通电液执行器***是开式结构，通过液压阀控制油缸动作，由于深海环境下液压油粘度将增大，会显著影响液压阀的动态性能，进而影响电液执行器***性能。
针对第一个问题，目前采取的措施是通过设置压力补偿器，使液压***内部压力等于或略高于深海环境压力，保证海水不会进入液压***，但带有压力补偿器的液压***仍然需要注意***的动态性能，避免液压缸活塞杆回缩太快，压力补偿器来不及响应，有杆腔出现瞬时低压(低于深海环境压力)，导致海水进入液压***。
针对第二个问题，目前解决的思路有两个，一是活塞杆采用耐腐蚀的特种钢材，二是在活塞杆表面涂覆耐磨耐腐蚀的专用涂层(例如陶瓷涂层)。这些思路都会导致液压油缸的成本显著提高。如中国发明专利CN 106351910 A所提到的水密门耐腐蚀油缸，采用Ni-Gr双层镀工艺，阻隔海水对活塞杆的腐蚀；中国发明专利CN 205937292 U所提到的带有防腐蚀结构的海事油缸，采用由环氧树脂与铁丝编织网混凝而成的防腐蚀层，使缸体的金属表面与海水隔离开，防止液压油缸受到海水的腐蚀。
针对第三个问题，中国专利CN102003432A提到了一种电液执行器，采用了阀箱组件，并且控制由控制器实现，外形短粗、结构松散；中国专利CN207246278U提到了一种电机直驱式离合器电液控制机构，由机械组件和电控组件组成，但适用面窄，尤其不适用在单作用油缸的闭式回路控制上。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种可用于水下作业的集成式电液执行器，能够耐腐蚀、防海水污染，是一种结构简单紧凑、工作可靠的闭式回路电液执行器。
一方面，本发明提供一种可用于水下作业的集成式电液执行器，其特征在于，包括密封连接的第一缸体和第二缸体；所述第一缸体内设有活塞装置；所述第二缸体内设有电机、双向油泵和油箱；
所述双向油泵、所述第一缸体的有杆腔及无杆腔、所述油箱组成油液循环管路；
所述活塞装置的外伸部分的外周设有可伸缩且具有弹性的隔离皮囊。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双向油泵包括第一双向定量齿轮油泵和第二双向定量齿轮油泵；所述第一双向定量齿轮油泵的排量V1、所述第二双向定量齿轮油泵的排量V2、所述第一缸体的无杆腔的有效面积A1和所述第一缸体的有杆腔的有效面积A2满足关系式
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述油液循环管路的具体连通方式为：所述双向油泵的第一油口与所述有杆腔连通；所述双向油泵的第二油口与所述油箱连通；所述双向油泵的第三油口与所述无杆腔连通；所述有杆腔与所述油箱连通。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一油口与所述有杆腔连通的具体方式是：第一油道、第一油管和第二油道依次连通；所述第一油道和所述第二油道设置在所述第一缸体缸壁上的，所述第一油管设置在所述第一缸体外部。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述有杆腔与所述油箱连通的具体方式是依次通过设置在所述有杆腔的腔壁上的第三油道、设置在所述第一缸体和所述第二缸体外部的第二油管，以及设置在油箱箱壁上的第四油道进行连通。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述隔离皮囊与所述活塞装置的活塞杆之间充满液压工作介质。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双向油泵设置在所述第二缸体的近所述第一缸体的一端；所述电机与所述双向油泵相邻设置。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述活塞杆的外端穿过设置在所述第一缸体外端的端盖伸出所述第一缸体。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：采用隔离皮囊不仅能够将活塞杆与外界环境隔离，保护活塞杆不受海水腐蚀，还能够起到压力补偿器的作用，省去了单独的压力补偿装置，同时为实现单活塞杆液压缸闭式回路提供了方便；电液执行器由短粗型改为细长型，能够适用于多种环境；采用闭式回路结构，结构紧凑，易于安装，同时避免了深水环境下液压阀对***性能的影响。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的立体结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的***原理图。
其中，图中：
电机-1；双向油泵-2；第一油口-2.1；第二油口-2.2、第三油口-2.3；隔离皮囊-3；活塞杆-4；齿轮-5；第一缸体；6；第二缸体-7；第一油管-8.1；第二油管-8.2；油箱-9；第一油道-10；第二油道-11；第三油道-12；第四油道-13；活塞-14；电机线-15。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
图1是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的立体结构示意图。如图1-2所示，一种适用于深海工作环境的液压油缸，包含两个钢制缸体，第一缸体6和第二缸体7。第一缸体6和第二缸体7密封连接。其中，第一缸体6作为单作用液压缸使用；第二缸体7作为油箱9，同时用作容器放置电机1与一个三口的双向油泵2。第一缸体6的外端部(即远离第二缸体7的一端)设有端盖，端盖与第一缸体6密封连接。第一缸体6的内设有活塞杆4，活塞杆4的一端固定连接活塞14，另一端从设置在端盖中间的过孔伸出第一缸体6。活塞杆4与孔之间采用密封件密封，活塞14周边与第一缸体的内壁也采用密封件密封，保证活塞杆运动过程中不会发生泄漏。
在外伸活塞杆4上包裹一个折叠型易伸缩、具有弹性隔离皮囊3，隔离皮囊3的一端安装在液压缸(即第一缸体)的端盖上，另一端安装在活塞杆4的端部，均为密封安装，以保证海水无法进入隔离皮囊内部。隔离皮囊3材质为改性硅橡胶，具有很好的弹性，且性质稳定，耐海水腐蚀，采用带金属骨架的折叠型结构。当活塞杆4运动时，隔离皮囊能够自由伸缩，始终将活塞杆4的外表面与海水隔离。隔离皮囊3与活塞杆4的外表面之间充满液压工作介质，由于隔离皮囊3具有很好的弹性和伸缩性，且两个油泵排量与油缸两个腔的有效作用面积相匹配，因此能够保证活塞杆运动过程中，隔离皮囊内压力始终大于深海环境压力，且不会产生过高压力破坏隔离皮囊，起到隔离和压力补偿的双重作用。
第二缸体7内部设有电机1和双向油泵2，双向油泵2设置在第二缸体7的近第一缸体的一端，电机1紧邻双向油泵2设置。双向油泵2有三个油口，分别是第一油口2.1、第二油口2.2和第三油口2.3。其中，第一油口2.1和第二油口2.2设置在双向油泵2的上部，第三油口2.3设置在双向油泵2的近第一缸体7的一侧，且第三油口2.3与第一缸体的无杆腔连通。
在缸体外部设有两根油管，分别为第一油管8.1和第二油管8.2。其中，第一油管8.1用于将第一缸体6的有杆腔与三口油泵第一油口2.1接通，第二油管8.2用于将隔离皮囊3与第二缸体7的内部接通。通过这种方式让隔离皮囊充当压力补偿器，来平衡内部油液与外部海水之间的压力。
图3是本发明一个实施例提供的集成式电液执行器的***原理图。如图3所示，三口油泵为两个双向定量齿轮油泵的组合结构，有三个油口，分别为第一油口2.1、第二油口2.2和第三油口2.3，第一油口2.1与单作用液压缸有杆腔连接，第二油口2.2与封闭油缸连接，第三油口2.3与单作用液压缸无杆腔连接。
假设左油泵(即近电机端的油泵)排量为V1、右油泵(即与无杆腔连通的油泵)排量为V2，油缸无杆腔有效面积(即活塞面积)为A1、有杆腔有效面积(即缸筒内壁与活塞杆外壁之间环形腔的截面积)为A2，当电机转速为n时，油缸运动的速度为v，各处密封工作可靠无泄漏，此时油泵第一油口2.1输入/输出流量为n·V2，第三油口输出/输入流量为n·(V1+V2)，油缸无杆腔输入/输出流量为v·A1，有杆腔输出/输入流量为v·A2，当满足关系式(1)和关系式(2)时，则可以不使用液压阀，通过液压油泵与单作用液压缸直连组成闭式回路。
关系式(1)具体为：
n·(V1+V2)＝v·A1 (1)
关系式(2)具体为：
n·V2＝v·A2 (2)
关系式(1)和关系式(2)可以等效为关系式(3)：
因此本申请的两个油泵的排量以及有杆腔、无杆腔的有效面积满足关系式(3)，使得本申请的集成式电液执行器可以不使用液压阀，通过液压油泵与单作用液压缸直连组成闭式回路。
因此本申请的两个油泵的排量以及有杆腔、无杆腔的有效面积设置为满足关系式(3)，使得本申请的集成式电液执行器不设有液压阀。
使用前装配注油时，使隔离皮囊处于膨胀状态，即，内部油液压力略高于大气压力。
活塞杆4伸出时，电机1带动齿轮5正转，第一油口2.1与第二油口2.2为吸油口，第三油口2.3为排油口。此时，第二油口2.2从油箱9中吸油；第一缸体6的有杆腔内部油液依次流经第二油道11、第一油管8.1、第一油道10至第一油口2.1；第三油口2.3排油至无杆腔。随着活塞杆4伸出，隔离皮囊3伸展，且内部的油液依次流经第三油道12、第二油管8.2、第四油道13至油箱9，完成一个封闭的循环。在此过程中，隔离皮囊3完成油箱补液。
活塞杆4回缩时，电机1带动齿轮5反转，第一油口2.1与第二油口2.2为排油口，第三油口2.3为吸油口。此时，第三油口2.3吸入无杆腔内部油液；第二油口2.2排液至油箱9；第一油口2.1排出的油液依次流经第一油道10、第一油管8.1、第二油道11进入有杆腔；随着活塞杆4的回缩，隔离皮囊3折叠，并容纳油箱多余油液。
当此装置在水下环境作业时，隔离皮囊除上述作用外，同时起到压力补偿器作用，并能够将活塞杆与外界环境隔离，保护活塞杆不受腐蚀。
本发明设计的电液执行器整体外形与普通油缸基本相同，结构紧凑，易于安装。
以上对本申请实施例所提供的一种可用于水下作业的集成式电液执行器，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (4)
1.一种可用于水下作业的集成式电液执行器，其特征在于，包括密封连接的第一缸体（6）和第二缸体（7）；所述第一缸体（6）内设有活塞装置；所述第二缸体（7）内设有电机（1）、双向油泵（2）和油箱（9）；所述双向油泵（2）、所述第一缸体（6）的有杆腔及无杆腔、所述油箱（9）组成油液循环管路；所述活塞装置的外伸部分的外周设有可伸缩且具有弹性的隔离皮囊（3）；
所述双向油泵（2）包括第一双向定量齿轮油泵和第二双向定量齿轮油泵；所述第一双向定量齿轮油泵的排量V1、所述第二双向定量齿轮油泵的排量V2、所述第一缸体（6）的无杆腔的有效面积A1和所述第一缸体（6）的有杆腔的有效面积A2满足关系式；
所述油液循环管路的具体连通方式为：所述双向油泵（2）的第一油口（2.1）与所述有杆腔连通；所述双向油泵（2）的第二油口（2.2）与所述油箱（9）连通；所述双向油泵（2）的第三油口（2.3）与所述无杆腔连通；所述有杆腔与所述油箱（9）连通；
所述第一油口（2.1）与所述有杆腔连通的具体方式是：第一油道（10）、第一油管（8.1）和第二油道（11）依次连通；所述第一油道（10）和所述第二油道（11）设置在所述第一缸体（6）缸壁上的，所述第一油管（8.1）设置在所述第一缸体（6）外部；
所述有杆腔与所述油箱（9）连通的具体方式是依次通过设置在所述有杆腔的腔壁上的第三油道（12）、设置在所述第一缸体（6）和所述第二缸体（7）外部的第二油管（8.2），以及设置在所述油箱（9）箱壁上的第四油道（13）进行连通；所述第一油管（8.1）用于将所述第一缸体（6）的有杆腔与所述双向油泵（2）的所述第一油口（2.1）接通，所述第二油管（8.2）用于将所述隔离皮囊（3）与所述第二缸体（7）的内部接通；所述隔离皮囊（3）充当压力补偿器来平衡内部油液与外部海水之间的压力。
2.根据权利要求1所述的可用于水下作业的集成式电液执行器，其特征在于，所述隔离皮囊（3）与所述活塞装置的活塞杆（4）之间充满液压工作介质。
3.根据权利要求1或2任一所述的可用于水下作业的集成式电液执行器，其特征在于，所述双向油泵（2）设置在所述第二缸体（7）的近所述第一缸体（6）的一端；所述电机与所述双向油泵（2）相邻设置。
4.根据权利要求2所述的可用于水下作业的集成式电液执行器，其特征在于，所述活塞杆（4）的外端穿过设置在所述第一缸体（6）外端的端盖伸出所述第一缸体（6）。
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| 深海压力适应型水下机器人压力补偿技术;章艳;罗高生;王峰;顾临怡;;机电工程(第04期);全文 * |
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