CN103963927A - 潜标液压浮力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底潜标观测系统，尤其涉及一种潜标浮力驱动系统。本发明的潜标液压浮力驱动系统，包括壳体、内皮囊、外皮囊、液压缸和传动机构，外皮囊设置在壳体外，内皮囊、液压缸和传动机构皆设置在壳体内，液压缸包括缸体以及设置在缸体内的活塞，内皮囊通过二通阀Ⅱ与缸体连通，外皮囊通过二通阀Ⅰ与缸体连通，传动机构驱动液压缸的活塞往复运动。本发明的潜标液压浮力驱动系统结构简单，满足大排量需求且排量可方便扩充，同时整体系统体积小，重量轻。使用此系统需要外部增加一套液压阀控制系统，外部液压系统可能出故障，可靠性稍有降低。

Description

潜标液压浮力驱动系统

技术领域

本发明涉及一种海底潜标观测系统，尤其涉及一种潜标浮力驱动系统。

背景技术

液压浮力驱动系统是海底热液/冷泉系统观测潜标的核心部分，潜标外皮囊内液压油的体积改变由其提供，潜标在垂直剖面的定深运动也由它完成。它是潜标能否完成任务的关键，其性能优劣关系到监测平台的可靠性。为满足监测平台能在2000m进行定深控制的要求，浮力驱动系统必须要具有较大排量、较高流量、以及最大能在25Mpa压力下做功的能力。基于上述要求，将潜标液压系统的总体参数定为：排量≥500ml；流量≥25ml/min；最大工作压力25Mpa；整体重量≤7kg。

现有技术中通常采用如下几种潜标浮力驱动方式：

单级液压缸方案：使用单级活塞式液压缸，通过电机带动丝杠，活塞往复运动过程中从外皮囊吸排油，潜标整体体积改变。此种方案整体液压系统结构简单，制造成本低。设计方案适于整体质量较小的Argo浮标使用（一般30公斤），但是对于大体积和较重质量的监测平台系统，此浮力驱动方案不易满足大排量的要求；丝杠行程较长，容易失稳；液压系统排量在系统设计后为定值，排量扩大难。对于此种设计方案，设活塞杆直径D＝0.03m，若要达到500ml的排量，则活塞上承受的力为17671N，活塞长度为919.6mm，液压缸重量为3.036kg。按照目前已有丝杠参数计算可知，该设计方案中丝杠已处于失稳状态，不满足设计要求。同时，该方案在大排量和流量上也较难满足本平台提出的要求，液压系统总体长度约为1.4m，不利于监测平台内部布局，故不采用该方案。

多级液压缸方案：主液压缸在低压下使用，可以实现潜标在较浅范围内的升沉运动，由于工作深度较浅，可以使用较大的液压缸内径，完成监测平台大体积的改变。次级液压缸根据工作深度不同也可分级，使用较小内径，实现在深海作业时潜标的小体积改变。整体系统可实现各级液压缸可以分时工作，分级排油，节约能量；同时能够实现较大排量。但是此系统设计复杂，传动系统及动力部件多，造价高且可靠性较差。同时液压系统的最大排量在系统设计完成后为定值，排量扩充难以实现。由于使用多级液压缸，液压缸的总体重量已达到2.94kg，按照一般传动系统估算，其重量约为液压缸重量的2倍计算，则液压系统总重量约为8.82kg，故液压系统总体重量较大。同时该设计方案的液压系统总体长度约为1.2m，不利于监测平台内部布局。

初级齿轮泵和后级的高压柱塞泵组合方案：初级齿轮泵用于对内皮囊的液压油初步增压，满足高压柱塞泵的使用要求，同时能够析出液压油内的空气，提高高压柱塞泵的工作可靠性。液压油经过初级齿轮泵后，经由高压柱塞泵和单向阀流向外皮囊，改变皮囊体积。在初级齿轮泵和高压柱塞泵之间的溢流阀用于大排量齿轮泵的泄流。液压油从外皮囊至内皮囊回流时则通过三位两通电磁阀换位，流经节流阀和溢流阀回到内皮囊。方案设计可实现大的排量，且排量不受设计约束，可以方便扩充。同时本系统使用现有泵、阀搭建，需要自己设计的部件少，方案完成速度快。但是此方案系统较复杂，难以实现潜标定量的体积改变，系统所需元件多，可靠性差，重量大。由于系统比较复杂且重量偏大，完成定量排油较为困难。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种潜标液压浮力驱动系统，其满足大排量需求且排量方便扩充。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括壳体、内皮囊、外皮囊、液压缸和传动机构，外皮囊设置在壳体外，内皮囊、液压缸和传动机构皆设置在壳体内，液压缸包括缸体以及设置在缸体内的活塞，内皮囊通过二通阀Ⅱ与缸体连通，外皮囊通过二通阀Ⅰ与缸体连通，传动机构驱动液压缸的活塞往复运动。

本发明基本工作原理为：外皮囊装在潜标耐压壳体的外部，经油管与液压缸相连。当传动机构将液压缸内的液压油注入外皮囊后会使皮囊体积增大，致使潜标浮力逐渐增大，当浮力大于重力时潜标上升。反之，当传动机构将外皮囊里的液压油抽回液压缸内，外皮囊体积缩小，潜标浮力随之减小，直至重力大于浮力，潜标便开始下沉。液压浮力驱动系统组成结构布置首先要注意布局紧凑，充分利用潜标耐压壳体内的空间，以保证液压系统各种设备装置便于操作，又避免相互干扰和影响，确保安全可靠。其次要留有一部分备用空间，便于需要改装和临时加挂设备仪器，本发明的潜标液压浮力驱动系统体积小、结构紧凑。

传动机构包括电机，电机驱动轴通过减速器与小齿轮固定连接，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与丝杠连接，丝杠与活塞固定连接。本发明的减速器和齿轮可把电机的高速转动降速，以提高转矩。

大齿轮与丝杠之间设有丝杠螺母，丝杠螺母与大齿轮固定连接，丝杠螺母与丝杠之间螺纹连接。

丝杠的末端固定连接丝杠防转件，丝杠防转件的两端连接导向支架，导向支架上设有滑轨，丝杠防转件的两端卡在滑轨之间。

壳体内设有支撑架，内皮囊、液压缸和传动机构皆设置在支撑架上并通过支撑架固定。

采用大排量及较高流量的优点主要有以下几点：（1）大的排量（约为ARGO浮标的2倍）能确保潜标能克服由于壳体压缩率与海水压缩率之间的差别以及穿越温越层而损失的净重力，保证潜标能够下潜到2000m的深度。（2）为2000m定深调节提供了可能性，下降到2000m后仍然有足够的排量来进行定深调节。例如由于ARGO的排量约为250ml，其将全部油液排出后最大下降深度约为2000m，故不能完成在2000m左右的定深调节。（3）大的流量（约为ARGO的3倍）使得潜标具有较好的定深调节精度和调节控制性。

本发明的潜标液压浮力驱动系统结构简单，满足大排量需求且排量可方便扩充，同时整体系统体积小，重量轻。使用此系统需要外部增加一套液压阀控制系统，外部液压系统可能出故障，可靠性稍有降低。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为本发明的传动机构立体结构示意图；

图3为本发明的内部结构示意图。

图中：1.壳体；2.内皮囊；3.外皮囊；4.液压缸；5.二通阀Ⅰ；6.二通阀Ⅱ；7.传动机构；8.支撑架；

41.缸体；42.活塞；

71.电机；72.减速器；73.小齿轮；74.大齿轮；75.丝杠；76.丝杠螺母；77.丝杠防转件；78.导向支架；79.滑轨。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明的潜标液压浮力驱动系统包括壳体1、内皮囊2、外皮囊3、液压缸4和传动机构7，外皮囊3设置在壳体1外，内皮囊2、液压缸4和传动机构7皆设置在壳体1内，液压缸4包括缸体41以及设置在缸体内的活塞42，内皮囊2通过二通阀Ⅱ6与缸体41连通，外皮囊3通过二通阀Ⅰ5与缸体41连通，传动机构7驱动液压缸4的活塞往复运动。

传动机构7包括电机71，电机71驱动轴通过减速器72与小齿轮73固定连接，小齿轮73与大齿轮74啮合，大齿轮74与丝杠75连接，丝杠75与活塞42固定连接。

大齿轮74与丝杠75之间设有丝杠螺母76，丝杠螺母76与大齿轮74固定连接，丝杠螺母76与丝杠75之间螺纹连接。

丝杠75的末端固定连接丝杠防转件77，丝杠防转件77的两端连接导向支架78，导向支架78上设有滑轨79，丝杠防转件77的两端卡在滑轨79之间。壳体1内设有支撑架8，内皮囊2、液压缸4和传动机构7皆设置在支撑架8上并通过支撑架8固定。

排油工作循环分为两个环节：（1）向外皮囊排油：此时电机71带动减速器72和齿轮正向转动，液压缸活塞向下运动，位于外皮囊3与液压缸之间的二通阀Ⅰ5打开，位于内皮囊2与液压缸之间的二通阀Ⅱ6关闭，活塞向下运动过程中把液压缸内液压油排向外皮囊3，至活塞位于液压缸顶端结束；（2）从内皮囊2吸油：此时二通阀Ⅰ5关闭，二通阀Ⅱ6开启，然后电机71带动减速器72和齿轮反向旋转，活塞向上运动，位于内皮囊2的液压油排向液压缸内，至活塞位于液压缸尾端结束。重复以上过程，完成排油。

吸油工作循环同样分为两个环节：（1）从外皮囊3吸油：此时二通阀Ⅰ5开启，二通阀Ⅱ6关闭，电机71带动减速器72和齿轮反向旋转，活塞向上运动，从外皮囊3吸收液压油至液压缸内，直到活塞到达液压缸尾端停止；（2）向内皮囊2排油：此时二通阀Ⅰ5关闭，二通阀Ⅱ6开启，电机71带动减速器72和齿轮正向旋转，活塞向下运动，位于液压缸内的液压油排入内皮囊2，至活塞运动到液压缸顶端结束。重复以上过程，完成吸油任务。

当将海底热液冷泉系统观测潜标被释放到海水中后，位于考察船上的甲板控制单元的上位机控制程序发送给潜标运动控制信号，通过声通信Modem传给水下观测潜标的下位机控制系统，控制电路发出信号给二通阀和电机71，使得电磁换向阀打开到需要位置，同时控制电路驱动电机旋转。电机71的转动经过减速器72减速后，通过大齿轮74传给丝杠螺母76，由于丝杠75与只能沿导向支架作直线运动的丝杠防转件77联结为一体，所以丝杠75将驱动活塞在液压缸内作直线运动，由于外皮囊3经过二通阀Ⅰ5、油管与液压缸相通，进而传递液压油流入或流出外皮囊3。如果需要潜标下沉，则控制信号控制二通阀处于适当的位置，且电机71带动活塞向上运动使得液压油流出外皮囊3，浮标浮力减小，开始下沉。如果需要潜标上浮，则控制信号控制二通阀处于适当的位置，且电机71带动活塞向下运动使得液压油流入外皮囊3，浮标浮力增大，开始上浮。

液压浮力驱动系统还设置有一个充满液压油的内皮囊2在耐压壳体内部，此设置能够解决液压柱塞泵活塞一个行程的排油量有限的问题。当所需要的排油量大于活塞一个行程的排油量时，活塞向下运动到底完成一个行程后，电机71反转活塞上升，此时二通阀变换位置，使得外皮囊3内的液压油不受影响，内皮囊2里的液压油被抽到液压缸里，然后二通阀再变换位置，电机71正转活塞下行，将液压缸内的液压油排到外皮囊3中，此过程将循环直到所需的排油量全部排完。

Claims (5)

1.一种潜标液压浮力驱动系统，其特征在于，包括壳体（1）、内皮囊（2）、外皮囊（3）、液压缸（4）和传动机构（7），外皮囊（3）设置在壳体（1）外，内皮囊（2）、液压缸（4）和传动机构（7）皆设置在壳体（1）内，液压缸（4）包括缸体（41）以及设置在缸体内的活塞（42），内皮囊（2）通过二通阀Ⅱ（6）与缸体（41）连通，外皮囊（3）通过二通阀Ⅰ（5）与缸体（41）连通，传动机构（7）驱动液压缸（4）的活塞往复运动。

2.根据权利要求1所述的潜标液压浮力驱动系统，其特征在于，传动机构（7）包括电机（71），电机（71）驱动轴通过减速器（72）与小齿轮（73）固定连接，小齿轮（73）与大齿轮（74）啮合，大齿轮（74）与丝杠（75）连接，丝杠（75）与活塞（42）固定连接。

3.根据权利要求2所述的潜标液压浮力驱动系统，其特征在于，大齿轮（74）与丝杠（75）之间设有丝杠螺母（76），丝杠螺母（76）与大齿轮（74）固定连接，丝杠螺母（76）与丝杠（75）之间螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的潜标液压浮力驱动系统，其特征在于，丝杠（75）的末端固定连接丝杠防转件（77），丝杠防转件（77）的两端连接导向支架（78），导向支架（78）上设有滑轨（79），丝杠防转件（77）的两端卡在滑轨（79）之间。

5.根据权利要求1所述的潜标液压浮力驱动系统，其特征在于，壳体（1）内设有支撑架（8），内皮囊（2）、液压缸（4）和传动机构（7）皆设置在支撑架（8）上并通过支撑架（8）固定。