CN111473005B - 一种夹层腔式液压囊及有该囊的蓄能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种夹层腔式液压囊及有该囊的蓄能器，包括囊体、囊管、夹层腔、中心腔、封连器，囊管是管壁中有纤维编织增强层的弹性橡胶软管，夹层腔是由内囊管和外囊管之间夹层围成的横断面为环形的柱状腔体；中心腔是内囊管围成的空腔，位于囊体的中心并被夹层腔所包围，封连器锁紧密封囊管端部的开口。夹层腔式液压囊可对置于其中心腔内的物体产生径向向内的压缩力，在环形面上360°均匀分布，使用该液压囊的蓄能器可明显减轻壳体等受压件的承压负担，提高其可靠性和耐用性。以夹层腔式液压囊为主体的柔性体蓄能器，可作为柔性拉力弹簧，替代金属拉簧、弹力绳索应用在机械装置中，其拉力和长度伸缩范围可通过液压、气压进行在线调节。

Description

一种夹层腔式液压囊及有该囊的蓄能器
技术领域
本发明涉及一种液压囊及有该囊的蓄能器，具体为一种夹层腔式液压囊及有该囊的蓄能器，属于流体压力能应用技术领域。
背景技术
液压囊是一种具有柔性腔体结构的液压器件，围成腔体的囊壁通常采用弹性橡胶材料复合纤维增强层制作，以使囊体既有较大的胀缩形变量，同时又能承受住内部流体产生的内外压差，通常其容积变比在两倍以上，最小***压力不小于10MPa。它与用来输送介质和传导压力的液压软管有所不同，液压囊在液压***中主要是被用作执行元件，通过囊体的胀缩形变实现压力能和机械能的转换，因此液压囊比液压软管容许有更大的体积形变量。在一些特定的应用场合，柔性的液压囊可用来替代刚性的液压缸，能发挥出其体积小、重量轻、使用灵活等优势。
现有技术下的各种液压囊，按其产生机械力的作用形式可分为两类：一类是胀力囊，即通过囊体径向膨胀产生向外的推力，如油压或水压驱动的各种内压胀型机、胀裂器、封孔器等；另一类是拉力囊，即通过管状囊体胀粗时囊壁中网状纤维层轴向收缩产生向内的拉力，如液压人工肌肉。
申请号为201320517862.2，授权公告号为CN 203725576U的中国专利文献中，公开了一种液压胀形模具机，其表述为“本方案采用弹性的膨胀囊体作为下模的模芯与液压胀形技术相结合，具有结构简单，工艺难度低，可在现有的油压机上完成液压胀形功能。”
申请号为2019109323364，申请公开号为CN110566533A的中国专利文献中，公开了一种管状液压囊及压力发生装置，说明书中记载:“液压管路经囊咀向囊体内注入压力液，使囊体径向膨胀,由柔软的扁带管状向刚度增加的圆柱状变化，从而对外机械做功。”
申请号为2013103086118，申请公开号为CN103395072A的中国专利文献中，公开了一种人工肌肉，说明书中记载:“工作时，在水压的作用下，弹性橡胶管和高强度纤维编织网发生变形，使水压人工肌肉直径增大，长度减小，进而对封闭端接头的螺纹盲孔连接的驱动对象产生拉力作用。”
上述两类液压囊至少存在两方面的问题：一是只能对外产生胀力或拉力，单独一只液压囊无法直接产生对外部物体的压缩力，这是由其单腔结构决定的；二是当囊内流体压强很大时，囊管端部径向膨胀产生的巨大张力会将锁紧囊口的金属套筒边沿部撑大，使之发生喇叭口状的塑性变形。以上两个问题均可通过突破传统的单腔囊体结构得到解决，如采用夹层腔囊体结构，而此种技术方案目前尚未见被公开。
能将流体压力直接转换成压缩力的液压囊有多种可能的实际应用，如可将其用于对材料径向压缩塑型，或对物料压滤榨取以实现固液分离等，其一种应用就是可用于改进囊式蓄能器。按中国现行国家标准文件GB/T20663-2017中表述，“蓄能器是指利用气体的可压缩性，由气腔内气体压力给液端液体施压的容器。”“囊式蓄能器主要由壳体和胶囊组成，液体和气体通过柔性胶囊隔开。”本领域的一般技术人员均熟知，在常规的囊式蓄能器中，液体被蓄存在壳体内气腔胶囊之外的空间里，液体压力直接作用于壳体及其它受压器件上，当液压回路中经常出现峰值较高的压力波动时，会加速受压器件的疲劳，使其减寿甚至直接失效。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种夹层腔式液压囊及有该囊的蓄能器。
本发明是通过以下技术方案来实现上述目的：一种夹层腔式液压囊，包括囊体，所述囊体包括囊管、夹层腔、中心腔、封连器；所述囊管是管壁中有弹性橡胶层的柔性管状物，两段囊管内外相套设置，分别为内囊管和外囊管，其中至少一段的管壁中有网管状编织的纤维增强层；
所述囊体中有一个由内囊管和外囊管间夹层所围成的夹层腔，所述夹层腔的形状是横断面为环形的柱状空间，容纳被注入的液体压力介质；在囊体中轴线处的空腔是由内囊管围成的中心腔，它被夹层腔所包围，内囊管在其间将它们隔开；
所述封连器是一组刚性的装配件，包括芯体和套体，所述套体中心有可将芯体套入的安装孔，所述套体和芯体通过装配锁紧密封囊管端部的开口；所述封连器内部设有供液体压力介质进出夹层腔的孔道，外部设有安装卡槽或螺纹；
所述夹层腔内流体的压强或注入量主动改变时，会通过所述囊管的胀缩形变和管壁张力的变化，对所述中心腔内及囊体外部的物体同时产生压缩、推顶、牵引、拉伸等作用力，反之，通过从外部或所述中心腔内对囊体施加外力也会相应改变所述夹层腔内流体的压强或体积。
作为本发明再进一步的方案：所述囊管弹性橡胶层的基材是聚氨酯弹性体、天然橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶和三元乙丙橡胶中的一种或多种的组合。
作为本发明再进一步的方案：所述囊管纤维增强层的纤维中主要是高强高模纤维,即芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维中的任何一种或多种组合，高强高模纤维在纤维总重量中占比≧60％。
作为本发明再进一步的方案：夹层腔式液压囊按其囊体结构的不同，可分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型的夹层腔式液压囊。在Ⅰ型夹层腔式液压囊中，围成夹层腔的内囊管和外囊管是由同一根连续的囊管分段内外翻套折叠而成的，囊体的至少一端为内外囊管的过渡部形成的环形盲端，封连器安装在囊体的另一端或囊体中段，盲端的环形中心即是所述中心腔的开口部；在Ⅱ型夹层腔式液压囊中，围成所述夹层腔的内囊管、外囊管分属两只独立的囊管，两只所述封连器分别装配在囊体的两端，其中至少一只封连器的芯体中设有轴向通孔，轴向通孔与所述中心腔连通。
一种有夹层腔式液压囊的蓄能器，包括囊式蓄能器和Ⅰ型夹层腔式液压囊，所述囊式蓄能器包括壳体、气囊、液端阀座和充气阀。液压囊的夹层腔囊体置于蓄能器的壳体内，蓄能器的压缩气囊从液压囊盲端中心的开口处置入到中心腔内，被内囊管所围裹；所述封连器安装于蓄能器的液端阀座中，其中供液体进出夹层腔的孔道与液阀的端口相连通。
一种有夹层腔式液压囊的蓄能器，所述储能器包括充气阀和Ⅱ型夹层腔式液压囊。所述充气阀安装于囊体一端封连器芯体内的轴向通孔中，囊体内的中心腔即是贮存压缩气体的气腔。这种蓄能器一方面是不依赖金属壳体的柔性体液压蓄能器，可安装于液压回路中，通过中心腔内压缩气体与夹层腔内液体的压力交换实现对所连回路中液压波动的吸收和补偿，尤其适用于安装空间受限或有设备减重需求的特定场合；另一方面，囊体可作为柔性拉力弹簧，替代金属拉簧、弹力绳索安装在机械装置中，可实现拉紧、弹射、减震、拦阻缓冲等功能，其最突出的优势是拉力和长度伸缩范围可通过液压、气压进行动态调节。
本发明的有益效果是：
1、夹层腔式液压囊可对置于其中心腔内的物体产生径向向内的压缩力，可在环形面上360°均匀分布，这是一项普通液压囊所不具备的有实用功能；
2、通过加装夹层腔式液压囊改进的囊式蓄能器，可明显减轻壳体等受压件的承压负担，提高其可靠性和耐用性；
3、以夹层腔式液压囊为主体的柔性体蓄能器，可摆脱传统蓄能器对金属壳体的依赖，使用上更加轻便灵活；
4、以夹层腔式液压囊为主体的柔性体蓄能器，可作为柔性拉力弹簧，替代金属拉簧、弹力绳索应用在机械装置中，其拉力和长度伸缩范围可通过液压、气压进行在线调节。
本发明的技术效果除上述列举外，在说明书中仍有其它直接或间接的描述。
附图说明
图1为本发明夹层腔式液压囊的纵剖面结构示意图，其中a、b分别为加压前和加压后的状态；
图2为本发明夹层腔式液压囊的横断面结构示意图；
图3本发明夹层腔式液压囊结构Ⅰ的纵剖面结构示意图；
图4为本发明夹层腔式液压囊结构Ⅱ的纵剖面结构示意图；
图5为本发明改进型囊式蓄能器的结构示意图；
图6为本发明软囊式非金属蓄能器的结构示意图，其中a、b分别为加压前和加压后的状态。
图中：1、囊体，2、囊管，21、内囊管，22、外囊管，23、盲端，3、夹层腔，4、中心腔，5、封连器，51、芯体，52、套体，53、通油孔道，54、轴向通孔，61、蓄能器壳体，62、气囊，63、液端阀座，64、充气阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至4所示，本发明所提供的夹层腔式液压囊的囊体1包括:囊管2、夹层腔3、中心腔4、封连器5；其中，囊管2是管壁中有弹性橡胶层的柔性体，形状为两端或单端开口的薄壁管筒状，其橡胶基材选用拉断伸长率大于300％,硬度介于邵尔A45-65之间的合成橡胶或热塑弹性体材料，基材的渗水率和耐油性根据实用中液体介质的性质选择。囊体1中的囊管2分为内外相互套叠设置的内囊管21和外囊管22，同一囊体中的内、外囊管可以是由同一只囊管内外翻套折叠出的，也可以是内外相套叠置的两段，囊管(至少是外囊管)的管壁中有网管状编织的纤维增强层。纤维网管可套覆在囊管外表也可复合在管壁中，纤维增强层中的纤维以芳族聚酰胺(1314对位芳纶、PBO)纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维或碳纤维等高强高模纤维材料为主。目前，国内外已有很多厂家用机织工艺制造这类纤维编织管，产品的编织直径从几毫米到几百毫米均可覆盖，并且与橡胶复合一次成型的在线编织工艺也日益成熟。囊体1中有一个由内囊管21和外囊管22间夹层所围成的夹层腔3，夹层腔3的形状是横断面为环形的柱状腔室，容纳被注入的液体压力介质；在囊体1中轴线处的空腔是中心腔4，它并被夹层腔3所包围，内囊管21在其间将它们隔开。封连器5是一组刚性的装配件，包括芯体51和套体52，它们通常是用金属材料加工而成，套体52中心有可将芯体套入的安装孔，套体52和芯体51通过装配锁紧密封囊管2端部的开口，封连器5内部设有供液体压力介质进出夹层腔的孔道53，外部设有安装卡槽或螺纹(螺纹在图中未画出)。
在本发明提供的夹层腔式液压囊Ⅰ型结构的实施例中，如图1、图3所示，夹层腔式液压囊的内囊管21和外囊管22是由同一根连续的囊管内外翻套折叠形成的，翻折处也是内外囊管管壁连接的过渡部，它构成了夹层腔3的一个环形盲端23，盲端23中心同时也是中心腔4的开口，这种Ⅰ型结构的囊体只需要一只封连器5锁紧密封囊管2两端的开口，封连器5可如图1所示安装在囊体的一端，另一端即为盲端23，还可以如图3所示，将封连器设置在囊体的中间段，即同一囊管上有两个内外套折形成的盲端23，这样就将封连器整体包围在了夹层腔4和一段内囊管21中。在实际应用中，可将要被压缩或箍紧的物体预先置于中心腔内，当夹层腔3内被增压注入液体介质时，夹层腔3内的环形空间变厚容积增大，外囊管径向膨胀轴向收缩，内囊管在被轴向拉伸径向缩紧的同时，还将夹层腔内液体介质的压力传递到中心腔内的物体上，使其被径向压缩。这种巨大的压缩力，一方面可用来实现工件压合塑形、物料压榨固液分离等多种功能；另一方面，还可对被夹层腔4和内囊管21包围住的封连器起到保护作用，即套体52外周所受的径向压缩力可将被锁囊管膨胀对其产生的扩张力大部分地抵消，从而就化解了其压口部发生“喇叭口”塑性形变的风险。
在本发明提供的用Ⅰ型结构夹层腔式液压囊改进的蓄能器实施例中，如图5所示，蓄能器是有壳体61、气囊62、液端阀座63和充气阀64的囊式蓄能器，装配时，将未充气的气囊62从囊体盲端23中心的开口处置入到中心腔4内，除充气咀外的整体被内囊管21包裹住，一起从壳体的液端开口置入壳体61内，封连器5通过螺纹或卡槽安装在液端阀座63上，气囊62的气咀与充气阀64在壳体气端装配结合。所用Ⅰ型结构夹层腔式液压囊的囊管2按壳体61膛内空间尺寸设置其直径和长度，设置的基本依据是：装配前，自由状态下的夹层腔液压囊在注入压力与蓄能器所在回路公称压力相等时，其膨胀状态下的外径、长度与壳体61的膛内空间相匹配。在实际应用中，当蓄能器液压空载气囊被充满压缩氮气时，内外囊管一同径向膨胀并贴紧，中心腔4容积被扩充至最大而夹层腔3容积被压至最小；当蓄能器接入并连通液压回路时，带压液体注入夹层腔3内，压力使内囊管21径向收缩，外囊管22径向膨胀，夹层腔3的容积增大，外囊管22外面贴近壳体61内面，内囊管21径向压缩气囊62及内部氮气使之体积缩小压力增高，直至气压增至与液压达到平衡状态；当回路中液压出现波动时，内囊管21和气囊62的直径会及时响应两侧压差变化而发生改变，通过两侧气液压力能的交换达成新平衡，从而起到吸收和补偿压力波动的作用。整个过程中，液体介质始终不会与壳体61直接接触，并且在液压发生波动时，外囊管22始终处于接近最大膨胀直径的张紧状态，由于纤维增强层主要是弹性伸长率极小的高强高模纤维，因此张力随内压波动的变化反映在囊体1外径的变化上是很小的幅度，也就使壳体61应力受内压波动的影响显著降低，从而增大蓄能器的压力适应范围，延长其使用寿命。
在本发明提供的夹层腔式液压囊Ⅱ型结构的实施例中，如图4所示，围成夹层腔4的内囊管21和外囊管22分属两只独立的囊管，有两只封连器5分别装配在囊体的两端，其中至少一只封连器5的芯体51中设有轴向通孔54，这一只封连器5同时锁紧密封了内囊管和外囊管的端口，轴向通孔54与内囊管21内的中心腔4连通。
在本发明提供的一种软囊式非金属蓄能器的实施例中，如图6所示，包括Ⅱ型结构夹层腔式液压囊和充气阀64，充气阀64安装于囊体一端封连器芯体51内的轴向通孔中，整体封闭于囊体内的中心腔4即是气腔，可通过充气阀充入压缩气体，包于气腔***的夹层腔3即是液腔，可通过封连器中的通油孔道54进出压力液。这是一种不依赖厚重金属壳体的柔性体蓄能器，在实际应用中，一方面可作为液压蓄能器安装于液压回路中，通过其中心腔4内的压缩气体与夹层腔3内液体的压力交换，实现对所连回路中压力波动的吸收和补偿。它可通过延长囊管的长度来增大容积，可通过囊体的弯折盘曲减小占用空间，必要时还可用硬质塑料或薄壁金属的壳体对囊体进行保护，因此，它尤其适用于安装空间受限或有设备减重需求的特定场合；另一方面，它也是一种机械弹性势能蓄能器，实际应用中，囊体可作为柔性拉力弹簧，替代金属拉簧、弹力绳索安装在机械装置中，可实现如拉紧、弹射、减震、拦阻缓冲等功能，其拉紧力和长度伸缩范围可通过液压、气压进行在线调节。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种夹层腔式液压囊，包括囊体(1)；其特征在于：所述囊体(1)包括囊管(2)、夹层腔(3)、中心腔(4)和封连器(5)；所述囊管(2)为管壁中有弹性橡胶层的柔性管状物，两段囊管(2)内外相套设置，所述囊管(2)处于内层的内囊管(21)和处于外层的外囊管(22)中至少一段的管壁中有网管状编织的纤维增强层；
所述夹层腔(3)是由内囊管(21)和外囊管(22)之间夹层围成的横断面为环形的柱状腔体；所述中心腔(4)是内囊管(21)围成的空腔，位于囊体(1)的中心，且被夹层腔(3)所包围；
围成所述夹层腔(3)的内囊管(21)和外囊管(22)是由同一根连续的囊管(2)分段内外翻套折叠而成的，所述囊体(1)的至少一端为内外囊管的过渡部形成的环形盲端(23)，所述封连器(5)安装在囊体(1)的另一端或囊体(1)中段，所述盲端(23)的环形中心是所述中心腔(4)的开口部；
所述封连器(5)为刚性的装配件，所述封连器(5)包括芯体(51)和套体(52)，所述套体(52)中心设有可置入所述芯体(51)的安装孔，通过装配锁紧密封所述囊管(2)端部的开口；所述封连器(5)外部设有安装卡槽或螺纹，内部设有供压力流体进出所述夹层腔(3)的孔道(53)；
所述夹层腔(3)内流体的压强或注入量主动改变时，会通过所述囊管(2)的胀缩形变和管壁张力的变化，对所述中心腔(4)内及囊体外部的物体同时产生压缩、推顶、牵引、拉伸作用力；反之，通过从外部或所述中心腔(4)内对囊体(1)施加外力也会相应改变所述夹层腔(3) 内流体的压强或体积。
2.根据权利要求1所述的一种夹层腔式液压囊，其特征在于：所述囊管(2)弹性橡胶层的基材是聚氨酯弹性体、天然橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶和三元乙丙橡胶中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种夹层腔式液压囊，其特征在于：所述囊管(2)纤维增强层的纤维中主要是高强高模纤维,即芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维中的任何一种或多种组合，高强高模纤维在纤维总重量中占比≧60％。
4.根据权利要求1所述的一种夹层腔式液压囊，其特征在于：围成所述夹层腔(3)的内囊管(21)、外囊管(22)分属两只独立的囊管(2)，两只所述封连器(5)分别装配在囊体(1)的两端，其中至少一只封连器的芯体(51)中设有轴向通孔(54)，轴向通孔(54)与所述中心腔(4)连通。
5.一种基于权利要求1所述的一种夹层腔式液压囊的蓄能器，其特征在于：包括囊式蓄能器和一种夹层腔式液压囊，所述囊式蓄能器包括壳体(61)、气囊(62)、液端阀座(63)和充气阀(64)；夹层腔式液压囊的所述囊管(2)置于壳体内，所述气囊(62)置于所述中心腔(4)内，被所述内囊管(21)所围裹；所述封连器(5)安装于蓄能器的液端阀座(63)中。
6.一种基于权利要求5所述的一种夹层腔式液压囊的蓄能器，其特征在于：所述蓄能器包括充气阀(64)和一种夹层腔式液压囊，所述充气阀(64)安装于囊体其中一端所述封连器芯体(51)的轴向通孔(54)处。
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