具有全海深自平衡式高压密封装置的机械腿臂关节的制作方法

本发明属于深海密封技术领域，特别涉及一种具有全海深高压密封装置的机械腿臂关节。

背景技术：

深海蕴藏有丰富的海底资源，潜水器是实现深海开发利用的重要海洋工程装备。为实现精确稳定的海底勘探和采样作业等，需要潜水器配备机械腿或机械手去近距离精确获取。由于潜水器水下爬行姿态调整、机械手水下作业等都需要通过机械腿臂关节的运动来实现，因此保证机械腿臂关节在深海高压环境下可靠的密封性能是潜水器正常工作的基础。

目前，对机械腿臂关节的密封分为静密封和动密封。静密封技术相对成熟且较为容易解决，关键在于解决动密封。常用的动密封方式有承压型动密封和压力补偿型动密封。在大深度海水环境下，机械腿臂关节需要承受很高的外压，这就要求机械腿臂关节的输出轴与关节壳体之间的连接处有可靠的动密封。采用承压型动密封会大大增加基体的重量，且不能保证完全不泄露。而压力补偿型动密封是通过压力补偿来实现内外均压，虽能减轻基体的重量，但由于在需要动密封的位置必然存在有间隙以保证相对运动，而间隙的存在也一定会降低密封的可靠性。此外，这两种动密封方式也难以解决潜水器机械腿臂关节的防腐、防污问题，从而导致机械腿臂关节的维护保养成本较高，并在工作过程中存在有因关节“卡滞”而导致水下作业任务失败的风险。

技术实现要素：

本发明的目的是：为克服现有动密封技术在不同海深的高压环境下使用存在的不足，提供一种具有全海深自平衡式高压密封装置的机械腿臂关节。

本发明的技术方案是：一种具有全海深自平衡式高压密封装置的机械腿臂关节，它包括：机械腿臂关节以及全海深自平衡式高压密封装置；

机械腿臂关节由铰接的上肢与下肢组成；

全海深自平衡式高压密封装置包括：上转接碗、弹性皮囊管以及下转接碗；

上转接碗设有排气阀口；

弹性皮囊管包括：上端面法兰、可伸缩覆皮、弹簧骨架以及下端面法兰；可伸缩覆皮是截面为波纹状结构的弹性元件，其两端分别与上端面法兰、下端面法兰硫化成一整体；弹簧骨架内嵌在可伸缩覆皮的内表面起径向支撑的作用，其在初始状态呈自然伸长状态；

下转接碗设有充油阀口；

弹性皮囊管通过其上端面法兰、下端面法兰上设置的端面静密封结构分别连接上转接碗、下转接碗；上转接碗与上肢之间通过端面静密封结构进行连接，下转接碗与下肢之间通过端面静密封结构进行连接；上转接碗、弹性皮囊管以及下转接碗三者之间组合后形成一个空腔，空腔通过充油阀口注入变压器油，通过排气阀口排出内部空气。

工作过程为：空腔内部预先充满具有一定压力大小的变压器油，当外界海水压力因水深变化而发生改变，使得外部海水压力大于空腔内部的变压器油的油压时，可伸缩覆皮发生弹性变形，将外部压力传递给内部变压器油，从而使可伸缩覆皮的内部压力与外部海水压力保持平衡；当海水深度继续发生变化时，通过可伸缩覆皮的弹性变形来自动平衡外部海水的压力作用，保证可伸缩覆皮的内外压差始终为0或略高于外部海水压力，从而实现全海深自平衡式高压密封。

有益效果：(1)本发明能够将所述机械腿臂关节的旋转动密封转化为端面静密封，从而可以实现“零泄露”或绝对密封，并可利用可伸缩覆皮的弹性变形来自动平衡外部海水压力作用，从而适应全海深高压密封的要求。

(2)本发明能够保证机械腿臂关节不受海水腐蚀和污染，关节输出轴与关节壳体之间的活动表面状态不会被破坏，始终能够正常工作，维护保养成本低、可靠性高。

(3)本发明的变形量大，不仅可以径向弹性变形以自动平衡外部海水压力作用，而且还可以轴向大伸缩变形以自适应机械腿臂关节的工作运动范围。

(4)本发明的变形阻力小，内嵌安装的弹簧骨架不仅可以保证可伸缩覆皮在机械腿臂关节运动过程中不会嵌入到活动部位而导致损坏，而且其自然伸长的初始态和低弯曲刚度保证了机械腿臂关节在运动过程中附加的变形阻力很小，以降低关节力矩损耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3为本发明中机械腿臂关节的结构示意图；

图4为本发明中全海深自平衡式高压密封装置的结构示意图；

图5为本发明中上转接碗的结构示意图；

图6为本发明中下转接碗的结构示意图；

图7为本发明中弹性皮囊管的结构示意图；

图8为本发明弯曲状态时的结构示意图；

图9为图8的局部剖视图。

其中：100-机械腿臂关节、101-上肢、102-下肢、200-空腔、300-变压器油、400-全海深自平衡式高压密封装置、1-上转接碗、11-小口径法兰a、12-碗体a、13-排气阀口、14-大口径法兰a、2-弹性皮囊管、21-上端面法兰、22-可伸缩覆皮、23-弹簧骨架、24-下端面法兰、22a-伸长状态、22b-收缩状态、3-下转接碗、31-小口径法兰b、32-碗体b、33-充油阀口、34-大口径法兰b、j1-第一端面静密封、j2-第二端面静密封、j3-第三端面静密封、j4-第四端面静密封。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见附图1、2，一种具有全海深自平衡式高压密封装置的机械腿臂关节，它包括：机械腿臂关节100以及全海深自平衡式高压密封装置400；

参见附图3，机械腿臂关节100由铰接的上肢101与下肢102组成；

参见附图4，全海深自平衡式高压密封装置400包括：上转接碗1、弹性皮囊管2以及下转接碗3；

参见附图5，上转接碗1包括：依次连接的小口径法兰a11、碗体a12、大口径法兰a14；排气阀口13设置在碗体a12上，小口径法兰a11与大口径法兰a14上均设有一道端面密封结构。

参见附图6，下转接碗3包括：下转接碗3包括：依次连接的小口径法兰b31、碗体b32、大口径法兰b34；充油阀口33设置在碗体b32上，小口径法兰b31和大口径法兰b34上均设有一道端面密封结构。

参见附图7，弹性皮囊管2包括：上端面法兰21、可伸缩覆皮22、弹簧骨架23、下端面法兰24，并且上端面法兰21和下端面法兰24上均设置有一道端面静密封结构；可伸缩覆皮22为按波纹状结构特殊设计的弹性元件，在受到弯曲时具有伸长22a和收缩22b两种自适应变形状态，其两端分别与上端面法兰21、下端面法兰24硫化成一整体；弹簧骨架23的初始状态呈自然伸长状态，其内嵌在可伸缩覆皮的内表面以起到径向支撑的作用，并且其弯曲刚度很小，能够自适应弯曲载荷作用而不产生较大的反作用力。

参见附图8、9，具有全海深自平衡式高压密封装置的机械腿臂关节的整体连接关系为：弹性皮囊管2的上端面法兰21与上转接碗1的大口径法兰a14之间通过第二端面静密封j2进行连接，弹性皮囊管2的下端面法兰24与下转接碗3的大口径法兰b34之间通过第三端面静密封j3进行连接，上转接碗1、弹性皮囊管2、下转接碗3三者之间组合后形成一个可包覆机械腿臂关节100的空腔200，通过下转接碗3的充油阀口33可向空腔200的内部充变压器油300，并可通过上转接碗1的排气阀口13排空空腔200的内部空气。上转接碗1的小口径法兰a11与机械腿臂关节100的上肢101之间通过第一端面静密封j1进行连接，下转接碗3的小口径法兰b31与机械腿臂关节100的下肢102之间通过端面静密封j4进行连接。

本发明的工作过程为：空腔200内部预先充满具有一定压力大小的变压器油300，当外界海水压力因水深变化而发生改变，使得外部海水压力大于空腔200内部变压器油300的油压时，可伸缩覆皮22发生弹性变形，将外部压力传递给内部变压器油300，从而使可伸缩覆皮22的内部压力与外部海水压力保持平衡；当海水深度继续发生变化时，通过可伸缩覆皮22的弹性变形来自动平衡外部海水的压力作用，保证可伸缩覆皮22的内外压差始终为0或略高于外部海水压力，从而实现全海深自平衡式高压密封。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。