CN103979092A - 一种深海浮力调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种深海浮力调节系统，包括动力源、切换阀、第一-第二压载水舱，动力源的入口与切换阀的第一三通球阀相连，动力源的出口连接压力平衡阀，压力平衡阀连接单向阀，单向阀连接切换阀的第二三通球阀，切换阀的第一-第二三通球阀分别通过第一-第二开关阀连接第一-第二压载水舱，切换阀的第一三通球阀和第一开关阀连接的管道与切换阀的第二三通球阀和第二开关阀连接的管道相通，切换阀的第一-第二三通球阀通过第一管路连接过滤器。本发明为更大深度的海水式浮力调节动力源问题提供了一种解决方法。

Description

一种深海浮力调节系统

技术领域

本发明涉及的是一种浮力调节装置。

背景技术

深海环境下可往复提供高精度浮力调节的技术尚未成熟，大深度、长航程的潜水器由于受重量和体积的限制，自身携带的能源极为有限，而通常此类潜水器在水下上浮下潜的距离远远超出水平方向作业的距离，于是，在研制新型能源的同时，越来越多的科研人员也在不断的探索深潜器往复升沉运动过程中的节能技术，而对深海浮力调节系统的研究是其中一个重要方向。

对于海水式浮力调节系统通常都是直接使用海水泵，由于高压海水泵很稀少，即便存在也受浮力调节系统尺寸和重量的限制，难以直接用高压海水泵作为大深度浮力调节系统的动力源。

一般的海水式浮力调节系统中所用的切换阀是用四个两位两通电磁阀即开关电磁阀组成的，通过两两相对通断实现充排海水。目前市场上的电磁阀大部分是单向作用的且大部分是用在陆上低压设备中，不能满足大深度海水式浮力调节系统中高压双向作用的要求，因此研制新型海水切换阀具有重要意义。

如专利号为CN202642072(U)，名称为“深潜器水液压集成系统”和专利号为CN2012101689993，名称为“一种浮力调节装置”中所涉及的浮力调节动力源都是直接使用的液压泵，同时切换阀由电磁阀集成。

发明内容

本发明的目的在于提供由齿轮油泵驱动海水增压泵，切换阀结构是由电动执行器驱动三通球阀组成的一种深海浮力调节系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种深海浮力调节系统，其特征是：包括动力源、切换阀、第一-第二压载水舱，切换阀包括侧壁、左端盖、右端盖、第一-第二电动执行器、第一-第二三通球阀，左端盖和右端盖分别安装在侧壁的左右两侧组成密封舱，第一-第二电动执行器设置在密封舱里，第一-第二三通球阀分别安装在左端盖和右端盖上并分别与第一-第二电动执行器相连，侧壁上设置水密连接器，动力源的入口与第一三通球阀相连，动力源的出口连接压力平衡阀，压力平衡阀连接单向阀，单向阀连接第二三通球阀，第一-第二三通球阀分别通过第一-第二开关阀连接第一-第二压载水舱，第一三通球阀和第一开关阀连接的管道与第二三通球阀和第二开关阀连接的管道相通，第一-第二三通球阀通过第一管路连接过滤器。

本发明还可以包括：

1、所述的动力源包括电机、齿轮油泵、海水增压泵、缓冲器，电机连接齿轮油泵，海水增压泵、齿轮油泵、缓冲器通过第二管路组成回路，动力源的入口和出口设置在海水增压泵上。

2、动力源的出口还连接溢流阀，溢流阀连接第一管路。

3、所述的切换阀采用如下方式进行切换：在充水过程中，海水经由过滤器进入切换阀中的第一三通球阀，通过动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀，再经第一-第二开关阀分别进入第一-第二压载水舱；在排水过程中，海水由第一-第二压载水舱分别通过第一-第二开关阀进入切换阀的第一三通球阀，从动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀、过滤器排向大海。

本发明的优势在于：对于大深度海水浮力调节系统，通过使用齿轮油泵驱动海水增压泵的方式，动力源对压力和流量的要求达到一种平衡，不仅回避了高压海水泵难以购买等问题，使动力源中泵的选择范围变广，难度减低，通过低压油液压系统驱动高压水液压系统，为更大深度的海水式浮力调节动力源问题提供了一种解决方法。此外，切换阀结构紧凑，整体尺寸较小，拆装方便，此外该切换阀结构的耐压密封性较好，可以达到双向耐高压。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的动力源结构图；

图3为本发明的直流电机与齿轮油泵的连接图；

图4a为切换阀原理图a，图4b为切换阀原理图b，图4c为切换阀原理图c，图4d为切换阀原理图d，图4e为切换阀原理图e，图4f为切换阀原理图f；

图5为切换阀结构的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，该海水式系浮力调节系统主要由动力源、压力平衡阀15、溢流阀16、切换阀18、开关阀19和压载水舱20组成。动力源入口与切换阀18左三通球阀端口连接，出口与压力平衡阀15连接，同时动力源出口还连接了起安全作用的溢流阀16；切换阀18的三通球阀上端口分别经过一个开关阀19连接了压载水舱20，切换阀18的三通球阀下端口则连接了过滤器21，最终通向外界环境。在充水过程中，海水经由两级过滤器21→切换阀17中的左三通球阀→海水增压泵3→压力平衡阀15→单向阀17→切换阀17中的右三通球阀→开关阀19→压载水舱20，由于水下运载器的浮力在此调节过程中几乎不变，而重力增加，于是水下运载器就可以下沉，而在排水过程中，海水经由压载水舱20→开关阀19→切换阀17左三通球阀→海水增压泵3→压力平衡阀15→单向阀17→两级过滤器21→排向海水，同理浮力基本不变，而重力减少，于是水下运载器就可以向上浮。

结合图2，本发明中的动力源主要构成包括齿轮油泵2、海水增压泵3、直流无刷电机6以及缓冲器5。缓冲器5、齿轮油泵2以及海水增压泵3自身都使采用了耐腐蚀材料，同时通过缓冲器5的压力补偿作用，都可以直接放置于大深度海水环境中，进而通过液压软管4连接形成液压回路。直流无刷电机被密封于耐压密封舱8内，驱动齿轮油泵2旋转，形成油压回路后，带动海水增压泵3运转，最终实现对高压水路的驱动。油路部分增加了一个由波纹管构成的缓冲器5，还起到补偿压力和储油的作用，无论是海水增压泵3还是齿轮油泵2，运行过程中特别是低速运行或启动过程中，会产生一定的脉动现象，通过缓冲器5可以减小脉动对泵本身以及海水式浮力调节系统的影响。

结合图3，本发明中的动力源部分的电机输出轴通常是用O型密封圈或格莱圈来进行动密封，而本方案中的直流无刷电机6需要进行耐高压海水保护，于是将其放在了耐压密封舱8内，而齿轮油泵自身可以保证高压密封，于是将其直接外置于海水中，直流无刷电机6与齿轮油泵3都固定于耐压舱一侧端盖上，连接的动密封就转换为齿轮油泵3与耐压密封舱8端盖的静密封，通过对端盖的特殊结构设计以及对齿轮油泵3端面的加工，两者之间就可以用O型橡胶密封圈的静密封来达到设计要求。

结合图1和图4，根据海水式浮力调节系统原理，由四个两位两通电磁阀组成的切换阀图4a为四个电磁阀组成切换阀的充水状态，图4b为排水状态可以直接用四个两通开关球阀来取代，也可以用两个三通球阀图4c为两个三通球阀组成切换阀的充水状态，图4d为排水状态或者一个四通球阀图4e为一个四通球阀形成切换阀的充水状态，图4f为排水状态来代替，但是由于球阀的开口通路越多通径越小且最大工作压力也会变小，二通球阀虽然通径及压力都适合但需要由四个组成，使切换阀较为复杂且占据的空间也大，而四通球阀虽然最简单，但是不能满足管路流量的最小通径和系统的压力要求，经过研究分析，设计了用二个三通球阀同步旋转的方式来组成系统的切换阀，不但能满足系统的性能要求而且结构也较为简单。

结合图5，本发明中切换阀结构所使用的高压三通球阀9为T型结构，流体管路切换时阀芯需要旋转90度角切换，最高工作压力达到21.3Mpa，阀体的进出口管路配有标准卡套式管接头，材料为耐海水腐蚀的316不锈钢，可以直接用于海水中。驱动球阀9的电动执行器12通过内部减速机构后输出最大扭矩为18N.m，该执行器为90度角正反旋转动作且带有全开全关信号反馈，90度动作所需时间约为3s。电动执行器12被放置于耐压密封舱10内，三通球阀9和耐压舱端盖过使用一种高压螺纹密封胶被固定为一体，解决了连接的高压密封问题，进而又通过支撑板11在耐压密封舱10内完成了与电动执行器12的连接传动。耐压密封舱10采用了O型密封圈的静密封，并且从舱体上方设计了水密连接器14，用来接线控制该切换阀结构的动作。

本发明的工作原理如下：

本发明中海水式浮力调节系统动力源的要求通常是高压力低流量的，假设其要求的压力为20Mpa、流量为5L/min，为了使泵的压力和流量达到一种相对平衡的状态，选择了意大利Neron公司、型号为HWB400的海水增压泵，其压力比为1.9，流量比为0.4，转换后为压力要求变为10.5Mpa，而流量要求变为12.5L/min，根据此要求参数，就能选择齿轮油泵2，作者选择了意大利Ronzio公司的Z2-08齿轮油泵。由于缓冲器5在液压回路中能提供压力补偿，液压管路4使用了软管，直流无刷电机6被密封于耐压舱8内，该舱一侧端盖用来解决齿轮油泵2和电机6的密封传动，另一侧端盖安装的水密连接器7可以实现对电机6的控制，最终通过直流无刷电机6驱动低压齿轮油泵2，进而带动海水增压泵3形成液压回路，实现驱动高压海水的目的。

本发明中切换阀结构由两个电动执行器12分别驱动两个高压三通球阀9组成,电动执行器12被放置于密封耐压舱10内，而高压三通球阀本身可以耐高压耐腐蚀，因此本切换阀结构可以直接使用于大深度的海水环境中。该结构工作时，通过控制两个电动执行器12同步正反旋转90度角，带动两个三通球阀相应同步旋转90度，完成海水式浮力调节系统中充排海水的切换功能，电动执行器12为开关型，自身带有全开全关反馈信号，可以实时检测该切换阀当前的状态：排水或充水。

通常海水浮力调节系统的设计要求是高压力低流量的，为了避开高压，作者设计了用低压齿轮油泵加海水增压泵的动力源方式，该方式由低压油路经过海水增压泵来驱动高压水路，虽然经过转换减低了系统效率，但动力源的初级变为油泵，同时泵的压力要求减小而流量增加使压力和流量达到一种相对平衡的状态，提高了泵的选择范围，油路中增加了可伸缩补偿器，除了储油外，还可以补偿压力及减小脉动，使动力源更加可靠稳定运行。海水式浮力调节系统对切换阀的基本要求有：1结构紧凑，体积小；2能直接用于海水中，耐高压耐腐蚀；3进出水口没有方向要求，双向耐高压；4驱动机构安全可靠。根据此要求，作者设计了一种由电动执行器同步驱动高压三通球阀的切换阀结构。

本发明中动力源方案主要包括齿轮油泵、海水增压泵、直流无刷电机以及缓冲器，由低压油液压回路来驱动高压水液压回路，两级回路的流体介质是相互独立的。通过缓冲器提供油源，由直流无刷电机驱动低压齿轮油泵，进而带动海水增压泵形成液压回路，实现驱动高压流体的目的。缓冲器可以在液压回路中提供压力补偿，齿轮油泵以及海水增压泵使用时自身内外压力能实现平衡，两者都直接放置于大深度海水环境中，液压管路使用软管。直流无刷电机被密封于耐压舱内，通过耐压密封舱一侧端盖，使得直流无刷电机与齿轮油泵连接传动的动密封转换为齿轮油泵与耐压密封舱端盖的静密封。

本发明中切换阀结构主要包括由两个电动执行器、两个高压三通球阀和一个耐压密封舱组成的，高压三通球阀自身可以耐高压和耐腐蚀，则被固定于耐压密封舱端盖外，而两个电动执行器被同时放置于一个耐压密封舱内。此外，两个三通球阀通过高压螺纹密封胶分别被固定于耐压密封舱端盖上，使得球阀和密封舱端盖连接为一体，球阀和电动执行器的传动连接在密封耐压舱内完成，使得结构可以直接使用于大深度的海水环境中，最终由两个执行器同步旋转驱动两个三通球阀同步动作，进而通过耐压密封舱体上方设计的水密连接器引出接线来控制，实现海水式浮力调节系统中切换阀的功能。

本发明一种深海浮力调节系统，动力源由低压齿轮油泵2驱动海水增压泵3组成；切换阀结构由电动执行器12同步驱动两个三通球阀9，实现海水式浮力调节系统充排水切换的目的。

动力源主要包括齿轮油泵2、海水增压泵3、直流无刷电机1以及缓冲器5。通过缓冲器5提供油源，由直流无刷电机1驱动低压齿轮油泵2，进而带动海水增压泵3形成液压回路，实现驱动高压流体的目的，齿轮油泵2、海水增压泵3以及缓冲器5可以直接放置于大深度海水环境中，而直流无刷电机1被密封于耐压舱内。

缓冲器5可以在液压回路中提供压力补偿，齿轮油泵2以及海水增压泵3运行时自身内外压力可以实现平衡，液压管路也可以使用软管。

通过耐压密封舱8一侧端盖，使得直流无刷电机1与齿轮油泵2连接传动的动密封转换为齿轮油泵1与耐压密封舱8端盖的静密封。

由油液低压回路驱动的另一级高压回路是水液压回路，两级回路的流体介质是相互独立的。

切换阀主要包括两个电动执行器12、两个高压三通球阀9和一个耐压密封舱10，电动执行器12被放置于耐压密封舱10内，而三通球阀9则被固定于耐压密封舱10端盖外，通过两个执行器12同步旋转驱动两个三通球阀9动作，最终实现海水式浮力调节系统中切换阀的功能。

高压三通球阀9自身可以耐高压和耐腐蚀，而两个电动执行器12被放置于同一个耐压密封舱10内，该结构可以直接使用于大深度的海水环境中。

两个三通球阀9通过高压螺纹密封胶分别被固定于耐压密封舱10端盖，使得球阀9和密封舱10端盖连接为一体，球阀9和电动执行器12的传动连接在密封耐压舱10内完成。

接线控制该结构动作的水密连接器14是从耐压密封舱体10上方设计引出的，而不是从端盖。

Claims (5)

1.一种深海浮力调节系统，其特征是：包括动力源、切换阀、第一-第二压载水舱，切换阀包括侧壁、左端盖、右端盖、第一-第二电动执行器、第一-第二三通球阀，左端盖和右端盖分别安装在侧壁的左右两侧组成密封舱，第一-第二电动执行器设置在密封舱里，第一-第二三通球阀分别安装在左端盖和右端盖上并分别与第一-第二电动执行器相连，侧壁上设置水密连接器，动力源的入口与第一三通球阀相连，动力源的出口连接压力平衡阀，压力平衡阀连接单向阀，单向阀连接第二三通球阀，第一-第二三通球阀分别通过第一-第二开关阀连接第一-第二压载水舱，第一三通球阀和第一开关阀连接的管道与第二三通球阀和第二开关阀连接的管道相通，第一-第二三通球阀通过第一管路连接过滤器。

2.根据权利要求1所述的一种深海浮力调节系统，其特征是：所述的动力源包括电机、齿轮油泵、海水增压泵、缓冲器，电机连接齿轮油泵，海水增压泵、齿轮油泵、缓冲器通过第二管路组成回路，动力源的入口和出口设置在海水增压泵上。

3.根据权利要求1或2所述的一种深海浮力调节系统，其特征是：动力源的出口还连接溢流阀，溢流阀连接第一管路。

4.根据权利要求1或2所述的一种深海浮力调节系统，其特征是：所述的切换阀采用如下方式进行切换：在充水过程中，海水经由过滤器进入切换阀中的第一三通球阀，通过动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀，再经第一-第二开关阀分别进入第一-第二压载水舱；在排水过程中，海水由第一-第二压载水舱分别通过第一-第二开关阀进入切换阀的第一三通球阀，从动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀、过滤器排向大海。

5.根据权利要求3所述的一种深海浮力调节系统，其特征是：所述的切换阀采用如下方式进行切换：在充水过程中，海水经由过滤器进入切换阀中的第一三通球阀，通过动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀，再经第一-第二开关阀分别进入第一-第二压载水舱；在排水过程中，海水由第一-第二压载水舱分别通过第一-第二开关阀进入切换阀的第一三通球阀，从动力源的入口进入海水增压泵，从动力源的出口依次进入压力平衡阀、单向阀、第二三通球阀、过滤器排向大海。