CN101332868A - 液压驱动波动鳍仿生水下推进器 - Google Patents

Abstract

一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器，它包括支架、两个以上单节摆动装置、两根以上鳍条、柔性鳍面以及液压控制单元，所述两个以上单节摆动装置固定于支架上，柔性鳍面铺设于鳍条上，所述单节摆动装置包括摆动缸体、内摆杆以及内摆杆转轴，所述内摆杆装设于摆动缸体内并将摆动缸体内分隔成左油腔和右油腔，内摆杆通过内摆杆转轴与摆动缸体外的鳍条相连，用来与液压控制单元相连的右油孔接头和左油孔接头开设于摆动缸体上，右油孔接头和左油孔接头分别与右油腔和左油腔连通，柔性鳍面铺设于鳍条上。本发明结构简单紧凑、原理简单、可模拟水下生物柔性长鳍的波动运动，产生平行于支架长轴方向的推进力，并可根据负载情况随时调整控制参数。

Description

液压驱动波动鳍仿生水下推进器

技术领域

本发明主要涉及到仿生水下推动器的设计领域，特指一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器。

背景技术

目前，国内外一些科研机构展开关于水下生物，如“尼罗河魔鬼”等鱼的柔性长鳍波动运动的研究，并且研制出模拟该波动运动的试验装置，进行了此类装置的水下推进试验，证实波动运动具有明显的低扰动特性。但这些试验装置存在一些缺陷，如虽为模拟柔性运动，其实很多地方采用了刚性机构，比如相邻两节之间相位固定，基线无法更改形状，驱动能力有限、结构复杂等，很难走出实验室进入实际工程应用。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、原理简单、可模拟水下生物柔性长鳍的波动运动、并可根据负载情况随时调整控制参数的液压驱动波动鳍仿生水下推进器。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：它包括支架、两个以上单节摆动装置、两根以上鳍条、柔性鳍面以及液压控制单元，所述两个以上单节摆动装置固定于支架上，柔性鳍面铺设于鳍条上，所述单节摆动装置包括摆动缸体、内摆杆以及内摆杆转轴，所述内摆杆装设于摆动缸体内并将摆动缸体内分隔成左油腔和右油腔，内摆杆通过内摆杆转轴与摆动缸体外的鳍条相连，用来与液压控制单元相连的右油孔接头和左油孔接头开设于摆动缸体上，右油孔接头和左油孔接头分别与右油腔和左油腔连通，柔性鳍面铺设于鳍条上。

所述液压控制单元为电磁控制阀、液压源以及液压源伺服电机，液压源通过液压源伺服电机、电磁控制阀以及液压管路与右油孔接头和左油孔接头相连。

所述液压控制单元为旋转式流体分配阀，旋转式流体分配阀包括阀体、旋转式阀芯、驱动电机、封闭端盖和开口端盖，所述封闭端盖和开口端盖分别连接于阀体的两端形成封闭空腔，装设于封闭空腔内的旋转式阀芯一端与驱动电机相连，所述封闭空腔中封闭端盖与旋转式阀芯、阀体之间形成高压油腔，开口端盖与旋转式阀芯、阀体之间形成低压油腔，高压油腔和低压油腔之间不连通；所述阀体的外周侧开设有若干个用来连接执压油腔，高压油腔和低压油腔之间不连通；所述阀体的外周侧开设有若干个用来连接执行部件油路的阀体油孔，旋转式阀芯的外周侧开设有若干个阀芯油孔，阀体油孔通过阀芯油孔与封闭空腔连通。

所述阀体油孔的数目为n，其中n为偶数，每两个位于阀体直径方向上的阀体油孔构成一组。

所述阀芯油孔的数目为n，其中n为偶数，每两个位于旋转式阀芯直径方向上的阀芯油孔构成一组。

所述封闭端盖上开设有与高压油供给设备相连的进油孔，所述进油孔与高压油腔连通，所述开口端盖上开设有与低压油腔连通的出油孔。

所述旋转式阀芯的两个端面上分别开设有弧形槽。

所述旋转式阀芯上相邻阀芯油孔之间开设有浅槽。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：(1)本发明研制了一种可以模拟水下生物柔性长鳍的波动运动的装置，该装置可以为水下航行器提供推进力或操控力矩，该装置结构紧凑、控制简单、具有很强的移植性。(2)本发明只需配备一个液压源可以采用工业上较为成熟的伺服电机驱动齿轮泵装置，具有体积小、噪音低、流体压力高等特点。(3)在其它控制参数不变的情况下，通过简单地控制液压控制单元中液压源伺服电机的转速，即可调节液压回路中流体的流速和压力，从而可以改变整个装置负载能力和波动幅度。(4)本发明进一步通过控制旋转式流体分配阀中伺服电机的转速，即可调整整个装置波动运动的频率以及每个单节摆动装置中摆杆的摆动幅度。(5)通过合理地布置摆动装置的位置，即可实现基线为曲线的波动运动效果。

附图说明

图1是本发明液压驱动柔性波动鳍装置的结构示意图；

图2是本发明装置中单节摆动装置结构示意图；

图3是本发明中旋转式流体分配阀立体结构示意图；

图4是本发明中旋转式流体分配阀的主视剖视示意图；

图5是本发明中旋转式流体分配阀的分解结构示意图；

图6是旋转式流体分配阀中旋转式阀芯的结构示意图。

图例说明

1、旋转式流体分配阀  2、伺服电机

3、回油管接头        4、输油软管

5、进油管接头        6、支撑块

7、鳍条              8、柔性鳍面

9、单节摆动装置      10、支架

11、内摆杆传动轴     12、右油孔接头

13、右油腔           14、内摆杆

15、左油腔           16、摆动缸体

17、左油孔接头

101、第一深沟球轴承  102、封闭端盖

103、第一螺钉        104、阀体

105、开口端盖        106、第二螺钉

107、第二深沟球轴承  108、平键

109、电机支架        110、驱动电机

111、联轴器          112、旋转式阀芯

113、O型密封圈       114、阀体油孔

115、阀芯油孔        116、浅槽

117、弧形槽          118、封闭空腔

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，它包括支架10、两个以上单节摆动装置9、两根以上鳍条7、柔性鳍面8以及液压控制单元，所述两个以上单节摆动装置9固定于支架10上，柔性鳍面8铺设于鳍条7上，所述单节摆动装置9包括摆动缸体16、内摆杆14、内摆杆转轴11、右油孔接头12以及左油孔接头17，所述内摆杆14装设于摆动缸体16内并将摆动缸体16内分隔成左油腔15和右油腔13，内摆杆14通过内摆杆转轴11与摆动缸体16外的鳍条7相连，用来与液压控制单元相连的右油孔接头12和左油孔接头17开设于摆动缸体16上，右油孔接头12和左油孔接头17分别与右油腔13和左油腔15连通。根据试验及结构设计的需要，设计支架10形状，如弯曲、直线等。整体支架10可以根据柔性长鳍基线的形状进行设置，从而使得n套单节摆动装置9的摆动中心连线(以后称此线为基线)即可形成一条直线或者曲线。这里为了便于叙述，在不影响描述结构性质的前提下，将支架10设计为直线形状。两条支架10和两个支撑块6通过螺钉连接成一个整体，作为单节摆动装置9的安装平台。根据试验及结构设计的需要，将n＝1，2，3，，，，，，套单节摆动装置9按照相同的安装方式等间距也可以根据需要使相邻两套单节摆动装置9之间的间距为不同的值地安装在支架10上，将柔性鳍面8安装在排列好的n套单节摆动装置9上的n根鳍条7上，从而完成柔性波动鳍装置主体的安装。由于n套单节摆动装置9没有安装液压驱动回路，因此在柔性鳍面8自身的弹性作用下，n根鳍条7呈现一个平面形状。如图2所示，单节摆动装置9中的内摆杆14将摆动缸体16分成两个容积可以变化的独立右腔体13和左腔体15，两个腔体容积之和为定值。每个腔体有一个油孔接头与液压回路相连，当与液压回路中的流体通过油孔接头向与之相通的腔体内注入流体时，该腔体容积增大，另一腔体的容积减小且其中的流体通过油孔接头流回液压回路中，从而通过内摆杆传动轴11带动鳍条7摆动。当液压回路通过油孔接头12注入液压油时，则鳍条7的摆动方向正好相反。当旋转式流体分配阀1按照一定频率交替地向单节摆动装置9中的油孔接头中注入流体时，即可使得鳍条7以相同频率实现摆动运动。柔性鳍面8是一面具有弹性和韧性的材料，将其固定在n套单节摆动装置9的鳍条7上。当n套单节摆动装置9在液压控制单元的驱动下呈现有序的摆动时，鳍面8即可保持一定的波形，当鳍条7之间的间距越密时，则呈现的波形越光滑。

液压控制单元为电磁控制阀、液压源以及液压源伺服电机，液压源通过液压源伺服电机、电磁控制阀以及液压管路与右油孔接头12和左油孔接头17相连。

在较佳实施例中，如图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明的旋转式流体分配阀1，它包括阀体104、旋转式阀芯112、驱动电机110、封闭端盖102和开口端盖105，封闭端盖102和开口端盖105分别连接于阀体104的两端形成封闭空腔118，装设于封闭空腔118内的旋转式阀芯112一端与驱动电机110相连，封闭空腔118中封闭端盖102与旋转式阀芯112、阀体104之间形成高压油腔，开口端盖105与旋转式阀芯112、阀体104之间形成低压油腔，高压油腔和低压油腔之间不连通；阀体104的外周侧开设有若干个用来连接执行部件油路的阀体油孔114，旋转式阀芯112的外周侧开设有若干个阀芯油孔115，阀体油孔114通过阀芯油孔115与封闭空腔118连通。

阀体104、旋转式阀芯112封闭端盖102和开口端盖105均采用回转体零件，参见图5和图6所示，阀体104作为整个装置的主体零件，封闭端盖102和开口端盖105分别通过第一螺钉103和第二螺钉106与阀体104紧固连接。旋转式阀芯112通过第一深沟球轴承101和第二深沟球轴承107安装在封闭端盖102和开口端盖105内，且可以绕自身几何轴线旋转。旋转式阀芯112的驱动轴部分和开口端盖105之间通过o型密封圈113进行旋转动密封。驱动电机110通过电机支架109安装在开口端盖105上，且通过联轴器111和平键108将驱动电机110的输出轴与旋转式阀芯112的轴连接。阀体104外周侧的圆柱侧面上开设有n个用来连接执行部件油路的阀体油孔114，其中n为偶数，位于阀体104直径方向上的两个阀体油孔114构成一组。旋转式阀芯112安装在阀体104的内部，且与阀体104之间通过圆柱面配合。当旋转式阀芯112处于不同的回转位置时，阀体104圆柱侧面上不同位置的阀体油孔114将分别与高压油腔或低压油腔导通。

参见图4和图5所示，封闭端盖102的端面与阀体104的端面贴合，且通过第一螺钉103紧固连接。封闭端盖102上设有一个进油管接头5，可以与齿轮泵、蓄能器等高压油供给装置相连，用以输入带有一定压力的液压油，除此之外无其它与外界相连的通道，因此即使其与阀体104、旋转式阀芯112零件组成的高压油腔内部储有高压油时，亦不会对外界造成泄漏。开口端盖105的端面与阀体104的另一侧端面贴合，且通过第二螺钉106紧固连接。开口端盖105的外侧有一个出油管接头3，可以与油箱连接。此外，开口端盖105的回转轴处开有一个圆形孔，用以将旋转式阀芯112的驱动轴伸出。由于开口端盖105、旋转式阀芯112和阀体104组成的油腔为低压油腔，即其内部的油压很低，故开口端盖105和旋转式阀芯112之间的密封可以不用唇形密封圈油封而直接采o型密封圈113密封。

参见图2和图4所示，旋转式阀芯112的圆柱侧面上均匀地开有n个阀芯油孔115，其中n为偶数，每两个位于旋转式阀芯112直径方向上的阀芯油孔115构成一组。当旋转到合适位置时，这些阀芯油孔115可以与阀体104圆柱侧面上的阀体油孔114相通。为了保证每个油孔有更多的导通时间，旋转式阀芯112上相邻阀芯油孔115之间开设有浅槽116。在旋转式阀芯112主体部分的两侧端面上，分别加工有一段弧形槽1117，该弧形槽117将该零件圆柱侧面上的n/2个相邻油孔连通，从而加快进出油速度。

本实施例中，从旋转式流体分配阀1上的2n个支路阀体油孔114中沿直径方向取出2个，用输油软管4将其连接在主体结构已经安装好的第一个单节摆动装置9中的右油孔接头12和左油孔接头17上。用同样的方法按同一方向依次从旋转式流体分配阀1上取出余下的n-1对接头，分别用输油软管4依次连接在余下的n-1套单节摆动装置9中的右油孔接头12和左油孔接头17上，完成驱动支回路的连接。连接过程中需注意，在旋转式流体分配阀1上的相邻n/2个支路阀体油孔114应该与n套单节摆动装置同侧的右油孔接头12和左油孔接头17顺序连接，否则在后面的运动过程中会出现波形紊乱的现象。将旋转式流体分配阀1的进油孔接头5通过油管连接到液压源的高压油孔上，将回油孔接头3通过回油管连接到储油箱中，从而完成主油路的连接。至此，整个装置的液压驱动回路连接完毕。参见图3所示，旋转式流体分配阀1的主体圆柱面上安装有2n个支路阀体油孔114，沿直径方向上的两个支路阀体油孔114为一个通路，共形成n个通路，从而可以连接n套单节摆动装置9。2驱动旋转式流体分配阀1内部结构运动，从而使得某时刻n个相邻的阀体油孔114与高压油腔相通，进而与进油孔接头17或12相通，而另n个相邻的支路油孔接头18则与低压油腔相同，进而与回油管接头3相通；当驱动电机110转动不同角度时，处于不同位置的n个相邻的阀体油孔114将与进油孔接头17或12相通。在较佳实施例中，此系统共有两个电机，液压源电机控制高压油路的压力和波动鳍的波动幅度；旋转式流体分配阀控制各个关节的导通/关闭次序和整个波动鳍的波动频率，频率越高幅度越小，频率越低幅度越大。

工作原理：旋转式分配阀在驱动电机110的驱动下带动，从而使得某一时刻旋转式分配阀周向上总有相邻的n/2个阀体油孔114互通且与进油管接头5相通，余下的n/2个阀体油孔114互通且与回油管接头3相通。随着驱动电机110的转动，相邻且互通的n/2阀体油孔114在旋转式分配阀周向上的位置是变化的，对于每一个阀体油孔114，其与进油管接头导通时间是相同的，与当前驱动电机110的转速有关。

以第一个摆动装置9为例进行说明。当向进油管接头5中输入高压液压油后，驱动电机110的前半个转动周期内，对于一对直径方向上的阀体油孔114，其中与进油管接头5相通的阀体油孔114与第一个单节摆动装置9的摆动装置右油孔接头相通，高压液压油进入摆动装置右油腔13，推动内摆杆14顺时针摆动，通过内摆杆传动轴11带动鳍条7顺时针转动，同时挤压摆动装置左油腔16，使其中的液压油流回到旋转式液压阀的直径方向上另一个阀支路油孔18中，进入流出回油管接头3；驱动电机1102转动的后半个周期内，先前与回油管接头3相通的阀体油孔114开始与进油管接头5相通，从而使得单节摆动装置9中的摆动装置左油孔接头17与进油管接头5相通，高压液压油进入摆动装置左油腔16，推动内摆杆14逆时针转动，通过内摆杆传动轴11带动鳍条7逆时针转动，同时挤压摆动装置右油腔13，是其中的液压油流回到旋转式流体分配阀1中，从回油管接头3流出，从而完成一个周期内摆杆的往复摆动。

其它摆杆摆动原理与此相通，但是由于旋转式流体分配阀1上n/2个相邻的阀支路油孔与进油管5导通的初始时刻不同，使得摆杆初始摆动的角位置不同，从而n/2根鳍条7形成有序的摆动，进而带动鳍条7夹持的柔性鳍面形成波形。

Claims (10)

1、一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：它包括支架(10)、两个以上单节摆动装置(9)、柔性鳍面(8)以及液压控制单元，所述两个以上单节摆动装置(9)固定于支架(10)上，，所述单节摆动装置(9)包括摆动缸体(16)、内摆杆(14)、内摆杆转轴(11)和鳍条(7)，所述内摆杆(14)装设于摆动缸体(16)内并将摆动缸体(16)内分隔成左油腔(15)和右油腔(13)，内摆杆(14)通过内摆杆转轴(11)与摆动缸体(16)外的鳍条(7)相连，用来与液压控制单元相连的右油孔接头(12)和左油孔接头(17)开设于摆动缸体(16)上，右油孔接头(12)和左油孔接头(17)分别与右油腔(13)和左油腔(15)连通，柔性鳍面(8)铺设于鳍条(7)上。

2、根据权利要求1所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述液压控制单元为电磁控制阀、液压源以及液压源伺服电机，液压源通过液压源伺服电机、电磁控制阀以及液压管路与右油孔接头(12)和左油孔接头(17)相连。

3、根据权利要求1所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述液压控制单元为旋转式流体分配阀(1)，旋转式流体分配阀(1)包括阀体(104)、旋转式阀芯(112)、驱动电机(110)、封闭端盖(102)和开口端盖(105)，所述封闭端盖(102)和开口端盖(105)分别连接于阀体(104)的两端形成封闭空腔(118)，装设于封闭空腔(118)内的旋转式阀芯(112)一端与驱动电机(110)相连，所述封闭空腔(118)中封闭端盖(102)与旋转式阀芯(112)、阀体(104)之间形成高压油腔，开口端盖(105)与旋转式阀芯(112)、阀体(104)之间形成低压油腔，高压油腔和低压油腔之间不连通；所述阀体(104)的外周侧开设有若干个用来连接执行部件油路的阀体油孔(114)，旋转式阀芯(112)的外周侧开设有若干个阀芯油孔(115)，阀体油孔(114)通过阀芯油孔(115)与封闭空腔(118)连通。

4、根据权利要求3所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述阀体油孔(114)的数目为n，其中n为偶数，每两个位于阀体(104)直径方向上的阀体油孔(114)构成一组。

5、根据权利要求3所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述阀芯油孔(115)的数目为n，其中n为偶数，每两个位于旋转式阀芯(112)直径方向上的阀芯油孔(115)构成一组。

6、根据权利要求3或4或5所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述封闭端盖(102)上开设有与高压油供给设备相连的进油孔，所述进油孔与高压油腔连通，所述开口端盖(105)上开设有与低压油腔连通的出油孔。

7、根据权利要求3或4或5所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述旋转式阀芯(112)的两个端面上分别开设有弧形槽(117)。

8、根据权利要求6所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述旋转式阀芯(112)的两个端面上分别开设有弧形槽(117)。

9、根据权利要求3或4或5所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述旋转式阀芯(112)上相邻阀芯油孔(115)之间开设有浅槽(116)。

10、根据权利要求8所述的液压驱动波动鳍仿生水下推进器，其特征在于：所述旋转式阀芯(112)上相邻阀芯油孔(115)之间开设有浅槽(116)。

Images