案例研究:自主水下航行器中的弹簧动力密封

就像无人机和无人驾驶飞机一样,潜艇和水下航行器近年来也取得了类似的进步。

锂电池容量和效率的提高,通过延长无人潜航器的航程和工作时间,提高了它们的实用性。因此,整个车辆的尺寸和重量已大大减少。

通常情况下,全仪表潜水器足够小,可以由一个人抬起和处理。这大大降低了作业成本,不需要大型部署船或下水起重机。

软件和传感器开发的进步也导致在该领域使用的自动驾驶汽车数量增加。

自主水下航行器(AUV)与类似的远程操作船只相比具有明显的优势。

由于具有独立操作的能力,AUV无需任何类型的硬缆绳,也无需与部署船上的飞行员直接通信。这大大扩展了他们的业务范围,降低了运营成本。

由于这些最新的技术进步,AUV在各行各业的应用都有所增长。

商业,石油和天然气工业已经在海底测量中广泛使用了AUV。

适当绘制的区域不仅可以详细说明新的潜在海上钻井地点,还可以帮助确定管道和其他基础设施的有效路线,既降低成本又降低环境影响。现有的管道检查也更频繁地由AUV完成。

科学家们还将AUV用于许多海洋研究功能,从微生物生命调查到海洋温度监测。

AUV还广泛应用于军事领域,如情报/侦察,以及水下残骸定位和回收。

随着AUV服役数量和性能的不断提高,对密封性能的要求也越来越高。

客户的问题

华体会最新地址一家领先的AUV制造商找到Eclipse,希望在飞行器控制鳍上使用更好的密封。

位于飞行器后部靠近推力螺旋桨的地方,两组翼片枢轴控制飞行器的上下和左右方向。它们由电动伺服电机驱动。

鳍片的可重复性和一致性功能对于飞行器的精确控制至关重要。无人机可能被用来调查海底的大部分区域,在那里需要以特定的模式机动。

这是为了完全覆盖感兴趣的地质网格。如果没有精确的转向能力,AUV的用途将受到限制。

该客户希望扩展其现有AUV的深度能力。随着深度的增加,外部压力也会增加,这是密封系统的一个明显问题——更具体地说,压力是如何影响密封摩擦的。

所有的密封件都会在一定程度上受到压力激励,许多常见的密封件都是专门设计来允许外部压力帮助提供密封力和能量的。

虽然增加密封力对于提供无泄漏密封是很好的,但它也带来了界面表面摩擦增加的不利影响。事实上,这正是客户目前的密封配置所经历的情况。

由于水压的增加,在一定深度,控制鳍轴周围的摩擦力大到伺服电机无法转动鳍,AUV实际上就会失去控制。

为了下潜到极深,一些潜水器使用压力平衡系统。这是车辆的内部压力(通常充满油)被制造成与外部水压相似的地方。因此,密封之间的压差非常小。

虽然这是一个有效的解决方案,但也很昂贵。客户不想改变他们的内部组件,所以这不是一个可行的选择。

增加鳍片伺服电机的尺寸或转矩容量也不是一个选择。由于潜水器的电力和空间供应有限,客户无法承担任何额外的电力消耗来增加扭矩以抵消摩擦。

华体会最新地址Eclipse面临的挑战是创造一种无泄漏密封,同时满足客户严格的摩擦和扭矩要求。

操作条件:

  • 压力:400psi
  • 媒体:海水
  • 温度:32°至120°F
  • 轴直径:0.375 "
  • 动力学:慢旋转,振荡
  • 断开扭矩要求:小于4 in-lbs

Ecli华体会最新地址pse解决方案

华体会最新地址Eclipse知道密封材料的选择将是解决的第一个主要领域。当主要考虑摩擦时,基于ptfe的密封材料似乎是一个不错的选择。

华体会最新地址Eclipse从经验中了解到,聚四氟乙烯材料可能无法满足在相对粗糙的轴表面表面密封水的近乎零泄漏要求。

另一方面,更柔软的聚氨酯材料无疑会密封得很好,但摩擦系数会太高。

华体会最新地址Eclipse选择了EH042:热塑性弹性体作为密封材料。

热塑性弹性体(TPE)的摩擦系数介于典型的聚四氟乙烯和橡胶或聚氨酯之间。它继承了较软化合物的高密封性,而不会有太高的摩擦力。

华体会最新地址Eclipse知道这将是一个完美的密封材料选择,可以严格控制水,同时将扭矩要求保持在最低限度。

与许多橡胶化合物不同,EH042还有一个额外的优点,即不容易受到爆炸减压的影响。在水下应用中,即使在紧急浮出水面的情况下,也能保证密封的完整性。

虽然密封材料本身就可以对客户当前的密封进行重大升级,但EH042的性能改进不足以满足非常低的扭矩要求。

华体会最新地址Eclipse转向了封印本身的物理设计。在扭矩非常敏感的旋转情况下,倾斜线圈弹簧激励密封可能是最好的选择。

独特的特性,倾斜线圈弹簧借给自己非常精确的摩擦控制。

不像悬臂弹簧或o形圈激励器表现出很大程度的线性负载与挠度关系,Canted线圈具有在宽挠度范围内接近恒定负载的特性。这意味着当弹簧变得更压缩时,负载也不会增加。

这种独特的特性在密封中非常有用,因为密封可以设计为在恒定的加载范围内工作。

华体会最新地址Eclipse选择Hastelloy®作为其内部制造的倾斜线圈弹簧的弹簧材料。作为标准300系列不锈钢弹簧的升级版,哈氏合金将在盐水环境中提供更好的长期耐腐蚀性。

但是,即使使用EH042材料和螺旋弹簧,标准类型的弹簧动力密封仍然不能满足客户的扭矩要求。

华体会最新地址Eclipse将注意力转向实际的密封几何结构,以寻求进一步改善摩擦载荷,尽管它有相对较大的硬件外壳来适应密封。

华体会最新地址Eclipse选择使用其较小的弹簧系列来限制密封内弹簧腔的大小和深度。

由于作用于更小的面积,外部水的压力能量因此会受到限制。

当然,较小的系列弹簧具有较小的可用挠度范围,但Eclipse通过在其内部加工能力内使用谨慎的公差控制,在此限制范围内工作。华体会最新地址

密封唇形几何形状以及它与轴配合面的相互作用是下一个关注的领域。

通过修改唇的加工角度,Eclipse精确地控制了唇和轴之间的表面接触量。华体会最新地址

这种微妙的调整导致了限制接触面积的完美平衡,因此减少了摩擦,并仍然提供了足够的表面接合,以获得适当的密封性。

表现如何

华体会最新地址Eclipse的EH042螺旋弹簧在测试中表现完美,并成为AUV生产单元的标准密封。

华体会最新地址在测试阶段,Eclipse与客户密切合作,提供了不同水深下的大量密封扭矩估算。

所有的估计都由客户在真实世界的测试中验证。该密封件具有出色的密封性,同时满足了极低的扭矩和摩擦要求。

这使得客户的AUV可以在不修改鳍片驱动电机或求助于压力平衡系统的情况下达到更大的深度。

这使客户相对于其AUV竞争对手具有显著优势。这让他们获得了更大的市场份额,并增加了销售额。更不用说提高AUV的探测深度和收集有价值的研究信息的能力了。

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