CN103587665B - 一种深海滑翔机的浮力调节装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海滑翔机的浮力调节装置，包括内部油箱、双向液压泵、第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、直流电机、单向阀、外部油囊、电机控制器、气体压力传感器、温度传感器、控制器、集成阀块、一对同步带轮、同步带、支架和气囊，内部油箱和外部油囊的轴线重合，且分别设置于支架的两端偏下的位置，气囊设置于内部油箱中，第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和单向阀安装在集成阀块上，集成阀块、直流电机和双向液压泵固定安装于支架靠近外部油囊的一端，两个同步带轮分别安装在直流电机的输出轴和双向液压泵的驱动轴上，并通过同步带相连。本发明能够解决现有浮力调节装置质量、体积和功耗偏大、调节能力偏低的技术问题。

Description

一种深海滑翔机的浮力调节装置和方法

技术领域

本发明属于液压技术领域，更具体地，涉及一种深海滑翔机的浮力调节装置和方法。

背景技术

深海滑翔机是一种新型水下自主观测设备，具有低噪声、低功耗、长航期、远航程、高隐蔽性等特点，国外水下滑翔机技术对我国进行封锁，且产品对我国严格禁运。我国滑翔机技术研究刚刚起步，大力发展深海滑翔机技术将有效缩短与国外先进水平之间的差距，填补国内空白，打破国外技术封锁，对提升我国深远海海洋环境监测能力、维护国家海洋安全具有重大意义。

浮力调节装置是深海滑翔机的核心部件之一，然而，目前国内外大多数浮力调节装置的调节能力较低，若想提高调节能力，就必须增大装置的体积，从而增加了装置的功耗。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深海滑翔机的浮力调节装置，其目的在于，解决现有浮力调节装置质量、体积和功耗偏大、调节能力偏低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种深海滑翔机的浮力调节装置，包括内部油箱、双向液压泵、第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、直流电机、单向阀、外部油囊、电机控制器、气体压力传感器、温度传感器、控制器、集成阀块、一对同步带轮、同步带、支架和气囊，内部油箱和外部油囊的轴线重合，且分别设置于支架的两端偏下的位置，气囊设置于内部油箱中，第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和单向阀安装在集成阀块上，集成阀块、直流电机和双向液压泵固定安装于支架靠近外部油囊的一端，两个同步带轮分别安装在直流电机的输出轴和双向液压泵的驱动轴上，并通过同步带相连，气体压力传感器和温度传感器均设置于支架靠近内部油箱的一端，气体压力传感器和温度传感器分别与控制器电连接，控制器用于分别对第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和电机控制器输出控制信号，电机控制器用于根据控制信号控制直流电机驱动双向液压泵，内部油箱分别通过集成阀块连接第一开关阀、以及双向液压泵的一个接口，双向液压泵的另一个接口与第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀连接，第三开关阀依次连接单向阀和外部油囊，第二开关阀直接与外部油囊连接。

优选地，外部油囊和气囊的材质为橡胶。

优选地，电机控制器和控制器设置于内部油箱与气体压力传感器和温度传感器相对的一个端面上。

优选地，电机控制器和控制器与气体压力传感器和温度传感器设置于同一端面上。

优选地，外部油箱为圆柱式，外部油囊为波纹管式。

按照本发明的另一方面，提供了一种深海滑翔机的浮力调节方法，其应用在上述浮力调节装置中，所述方法包括以下过程：

一、外部油囊的充油过程，包括以下步骤：

(1-1)控制器向第一开关阀输出接通信号，向第二开关阀和第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出按充油方向转动的启动信号，直流电机根据启动信号执行卸荷启动；

(1-2)当直流电机达到额定转速后，控制器向第一开关阀输出关闭信号的同时向第三开关阀输出接通信号，开始向外部油囊充油；

(1-3)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V，其中n表示气体的物质的量，R表示气体常量；

(1-4)根据计算出的气囊中气体的体积V得到外部油囊中油的体积；

(1-5)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，充油结束，控制器向第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出停止信号，直流电机根据停止信号停止驱动双向液压泵工作。

二、外部油囊的排油过程，具体包括以下步骤：

(2-1)控制器向第一开关阀输出接通信号，向第二开关阀和第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出按排油方向转动的启动信号，直流电机根据启动信号执行卸荷启动；

(2-2)当直流电机达到额定转速后，控制器向第一开关阀输出关闭信号同时向第二开关阀输出接通信号，外部油囊开始向内部油箱回油；

(2-3)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V；

(2-4)根据计算出的气囊中气体的体积间接得到外部油囊中油的体积；

(2-5)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，排油结束，控制器向第二开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出停止信号，直流电机根据停止信号停止驱动双向液压泵工作。

三、外部油囊的自动排油过程，具体包括以下步骤：

(3-1)控制器向第一开关阀和第二开关阀输出接通信号，向第三开关阀输出关闭信号，外部油囊在外压作用下自动向内部油箱回油；

(3-2)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V；

(3-3)根据计算出的气囊中气体的体积间接得到外部油囊中油的体积；

(3-4)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，自动排油结束，控制器关闭第一开关阀和第二开关阀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明采用模块化设计，除内部油箱和外部油囊需根据要求体积研制外，其他各个部分元件都为小型化和轻量化，且都集成安装在支架上，充分利用内部空间结构，压缩占用体积，从而降低了整个装置的质量与体积；

2.本发明液压元件的连接采用集成阀块的形式，结构紧凑，在一定程度上节省了空间，进一步缩小了装置的体积，同时减少了液压油管的使用，从而提高了连接的可靠性。

3.本发明的油囊和气囊的材质为橡胶，采用波纹管形式，具有线性变形的优点，可适用于较大的浮力调节范围(0.1L至40L)。

4.本发明的方法充分利用外部环境降低自身功耗：在回油过程中，在一定范围内，可利用海水压力将外部油囊中的油压回内部油箱，从而实现降低功耗。

5.本发明的测量方法不受气囊变形是否线性化的影响，可适用于各种体积检测。

6.本发明的内部油箱和外部油囊安装于支架的两端偏下方，这样可使整个装置的质心下移，从而可使滑翔机整体的质心位于其浮心之下，提高了滑翔机航行的稳定性。

附图说明

图1是本发明深海滑翔机的浮力调节装置的工作原理示意图。

图2是本发明深海滑翔机的浮力调节装置的正视图。

图3是本发明深海滑翔机的浮力调节装置的左视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-内部油箱，2-双向液压泵，3-第一开关阀，4-第二开关阀，5-第三开关阀，6-直流电机，7-单向阀，8-外部油囊，9-电机控制器，10-气体压力传感器，11-温度传感器，12-控制器,13-集成阀块,14-同步带轮,15-同步带,16-支架,17-气囊。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的整体思路在于，提供一种通过充排油改变油囊排水体积的浮力调节装置。

如图2所示，本发明深海滑翔机的浮力调节装置包括内部油箱1、双向液压泵2、第一开关阀3、第二开关阀4、第三开关阀5、直流电机6、单向阀7、外部油囊8、电机控制器9、气体压力传感器10、温度传感器11、控制器12、集成阀块13、两个同步带轮14、同步带15、支架16和气囊17。

内部油箱1和外部油囊8分别为圆柱式和波纹管式，二者的轴线重合，且分别设置于支架16的两端偏下的位置。外部油囊8和气囊17的材质为橡胶。通过采用波纹管形式，具有线性变形的优点，可适用于较大的浮力调节范围(0.1L至40L)

气囊17设置于内部油箱1中。

第一开关阀3、第二开关阀4、第三开关阀5和单向阀7安装在集成阀块13上，集成阀块13、直流电机6和双向液压泵2固定安装于支架16靠近外部油囊8的一端。

两个同步带轮14分别安装在直流电机6的输出轴和双向液压泵2的驱动轴上，并通过同步带15相连。

气体压力传感器10和温度传感器11均设置于支架16靠近内部油箱1的一端。气体压力传感器10和温度传感器11分别与控制器12电连接，控制器12分别对第一开关阀3、第二开关阀4、第三开关阀5和电机控制器9输出控制信号，电机控制器9根据控制信号控制直流电机1驱动双向液压泵2。

如图3所示，电机控制器9和控制器12设置于内部油箱1与气体压力传感器10和温度传感器11相对的一个端面上。在另一个实施方式中，电机控制器9和控制器12与气体压力传感器10和温度传感器11设置于同一端面上。

内部油箱1分别通过集成阀块13连接第一开关阀3、以及双向液压泵2的一个接口，双向液压泵2的另一个接口与第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀5连接，第三开关阀5依次连接单向阀7和外部油囊8，第二开关阀4直接与外部油囊8连接。

如图1所示，以下描述本发明的工作原理：

浮力调节装置通过控制外部油囊8的充油和排油过程改变外部油囊8的体积，从而实现浮力调节功能。充油过程外部油囊8体积增加，浮力增大，排油过程外部油囊8体积减小，浮力随之减小。

具体而言，外部油囊8通过双向液压泵2充油工作时，控制器12向第一开关阀3输出接通信号，向第二开关阀4和第三开关阀5输出关闭信号，向电机控制器9输出按充油方向转动的启动信号，直流电机6卸荷启动，达到额定转速后，控制器12控制第一开关阀3关闭同时打开第三开关阀5，系统开始向外部油囊8充油，此时，内部油箱1中油的体积减少，气囊17中气体体积增大，根据气体状态方程pV＝nRT与气体压力传感器10和温度传感器11测得的压力和温度，计算出气囊17中气体的体积，从而间接得到外部油囊8中油的体积。当达到系统要求体积后，充油结束，控制器12向第三开关阀5输出关闭信号，向电机控制器9输出停止信号，直流电机6停止驱动双向液压泵2工作。

外部油囊8通过油泵排油工作时，系统要求排油情况下，通过外部压力检测，当外部压力小于压力设定值时，控制器12向第一开关阀3输出接通信号，向第二开关阀4和第三开关阀5输出关闭信号，并控制按排油方向卸荷启动直流电机6工作，达到额定转速后，关闭第一开关阀3，打开第二开关阀4，外部油囊8开始向内部油箱1回油，同时计算气囊17中气体的体积。当达到系统要求的体积时，回油结束，控制器12向第二开关阀4输出关闭信号，向电机控制器9输出停止信号，直流电机6停止驱动双向液压泵2工作。

外部油囊8通过外压自动排油工作过程：系统要求排油情况下，通过外部压力检测，当外部压力达到或超过压力设定值时，控制器向第一开关阀3和第二开关阀4出接通信号，向第三开关阀5输出关闭信号，外部油囊8在外压作用下自动向内部油箱1回油。回油结束，关闭第一开关阀3和第二开关阀4。此工作过程电机和油泵不用工作，有利于节省电源功耗。

本发明深海滑翔机的浮力调节方法是应用在上述浮力调节装置中，且包括以下过程：

1、外部油囊8的充油过程，包括以下步骤：

(1-1)控制器12向第一开关阀3输出接通信号，向第二开关阀4和第三开关阀5输出关闭信号，向电机控制器9输出按充油方向转动的启动信号，直流电机6根据启动信号执行卸荷启动；

(1-2)当直流电机6达到额定转速后，控制器12向第一开关阀3输出关闭信号的同时向第三开关阀5输出接通信号，开始向外部油囊8充油，从而使外部油囊8体积增大，浮力随之增大；

(1-3)根据气体压力传感器10测得的气囊17中气体压力p(单位Pa)和温度传感器11测得的气囊17中气体温度T(单位K)，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊17中气体的体积V(单位m³)，其中n表示气体的物质的量(单位mol)，R表示气体常量，n与R在此处均为常数；

(1-3)根据计算出的气囊17中气体的体积V间接得到外部油囊8中油的体积；具体而言，因为装置中的总油量是一定的，而且气囊设置于内部油箱中，所以当外部油囊8中油的体积变化时，内部油箱1中油的体积也随之发生变化，进一步使气囊17中气体体积随之发生变化，在这里气囊17中气体体积的变化量等于外部油囊8中油体积的变化量。

(1-5)当外部油囊8中油的体积达到系统要求体积后，充油结束，控制器12向第三开关阀5输出关闭信号，向电机控制器9输出停止信号，直流电机6根据停止信号停止驱动双向液压泵2工作。

2、外部油囊8的排油过程，具体包括以下步骤：

(2-1)控制器12向第一开关阀3输出接通信号，向第二开关阀4和第三开关阀5输出关闭信号，向电机控制器9输出按排油方向转动的启动信号，直流电机6根据启动信号执行卸荷启动；

(2-2)当直流电机6达到额定转速后，控制器12向第一开关阀3输出关闭信号同时向第二开关阀4输出接通信号，外部油囊8开始向内部油箱1回油，从而使外部油囊8体积减小，浮力随之减小；

(2-3)根据气体压力传感器10测得的气囊17中气体压力p和温度传感器11测得的气囊17中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊17中气体的体积V；

(2-4)根据计算出的气囊17中气体的体积间接得到外部油囊8中油的体积；

(2-5)当外部油囊8中油的体积达到系统要求体积后，排油结束，控制器12向第二开关阀4输出关闭信号，向电机控制器9输出停止信号，直流电机6根据停止信号停止驱动双向液压泵2工作。

3、外部油囊8的自动排油过程，具体包括以下步骤：

(3-1)控制器向第一开关阀3和第二开关阀4输出接通信号，向第三开关阀5输出关闭信号，外部油囊8在外压作用下自动向内部油箱1回油；

(3-2)根据气体压力传感器10测得的气囊17中气体压力p和温度传感器11测得的气囊17中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊17中气体的体积V；

(3-3)根据计算出的气囊17中气体的体积间接得到外部油囊8中油的体积；

(3-4)当外部油囊8中油的体积达到系统要求体积后，自动排油结束，控制器12关闭第一开关阀3和第二开关阀4。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种深海滑翔机的浮力调节方法，其应用在一种深海滑翔机的浮力调节装置中，所述深海滑翔机的浮力调节装置包括内部油箱、双向液压泵、第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、直流电机、单向阀、外部油囊、电机控制器、气体压力传感器、温度传感器、控制器、集成阀块、一对同步带轮、同步带、支架和气囊，内部油箱和外部油囊的轴线重合，且分别设置于支架的两端偏下的位置，气囊设置于内部油箱中，第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和单向阀安装在集成阀块上，集成阀块、直流电机和双向液压泵固定安装于支架靠近外部油囊的一端，两个同步带轮分别安装在直流电机的输出轴和双向液压泵的驱动轴上，并通过同步带相连，气体压力传感器和温度传感器均设置于支架靠近内部油箱的一端，气体压力传感器和温度传感器分别与控制器电连接，控制器用于分别对第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和电机控制器输出控制信号，电机控制器用于根据控制信号控制直流电机驱动双向液压泵，内部油箱分别通过集成阀块连接第一开关阀、以及双向液压泵的一个接口，双向液压泵的另一个接口与第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀连接，第三开关阀依次连接单向阀和外部油囊，第二开关阀直接与外部油囊连接，其特征在于，所述方法包括以下过程：

一、外部油囊的充油过程，包括以下步骤：

(1-1)控制器向第一开关阀输出接通信号，向第二开关阀和第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出按充油方向转动的启动信号，直流电机根据启动信号执行卸荷启动；

(1-2)当直流电机达到额定转速后，控制器向第一开关阀输出关闭信号同时向第三开关阀输出接通信号，开始向外部油囊充油；

(1-3)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V，其中n表示气体的物质的量，R表示气体常量；

(1-4)根据计算出的气囊中气体的体积V得到外部油囊中油的体积；

(1-5)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，充油结束，控制器向第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出停止信号，直流电机根据停止信号停止驱动双向液压泵工作；

二、外部油囊的排油过程，具体包括以下步骤：

(2-1)控制器向第一开关阀输出接通信号，向第二开关阀和第三开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出按排油方向转动的启动信号，直流电机根据启动信号执行卸荷启动；

(2-2)当直流电机达到额定转速后，控制器向第一开关阀输出关闭信号同时向第二开关阀输出接通信号，外部油囊开始向内部油箱回油；

(2-3)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V；

(2-4)根据计算出的气囊中气体的体积间接得到外部油囊中油的体积；

(2-5)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，排油结束，控制器向第二开关阀输出关闭信号，向电机控制器输出停止信号，直流电机根据停止信号停止驱动双向液压泵工作；

三、外部油囊的自动排油过程，具体包括以下步骤：

(3-1)控制器向第一开关阀和第二开关阀输出接通信号，向第三开关阀输出关闭信号，外部油囊在外压作用下自动向内部油箱回油；

(3-2)根据气体压力传感器测得的气囊中气体压力p和温度传感器测得的气囊中气体温度T，并利用气体状态方程pV＝nRT计算出气囊中气体的体积V；

(3-3)根据计算出的气囊中气体的体积间接得到外部油囊中油的体积；

(3-4)当外部油囊中油的体积达到系统要求体积后，自动排油结束，控制器关闭第一开关阀和第二开关阀。