CN106828844B - 一种浮力调节设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮力调节设备，包括；壳体；浮力转换装置，包括分别安装在所述壳体上且相互连通的双向油缸和油囊，所述双向油缸的活塞的一端面积小于另一端的面积，且面积小的一端与海水接触；油路控制装置，控制所述双向油缸和所述油囊之间的油路通断；动力装置，通过油路控制装置使双向油缸和油囊之间的油进行流动；压力监控装置，用于监控浮力转换装置的压力和位移变化，并触发动力装置工作。本发明的双向油缸的活塞利用两端之间的面积差，可以使设备内部压力从海水压力处得到补偿，使双向油泵两端的压力差大大减小，无需选用高压油泵，对油泵与内部元件的要求大大降低，成本降低，而且可在功耗降低的情况下提高续航能力。

Description

一种浮力调节设备

技术领域

本发明涉及一种水中浮载平台，特别涉及一种结构简单且可利用外界压力调整浮力大小的浮力调节设备。

背景技术

随着陆地资源的逐渐减少，世界各国把目光投向了海洋，而水下运载器作为探索海洋特别是深海的重要工具，其技术日益向长航程、多功能、大潜深以及智能化等多元方向发展。在复杂的深海环境中，浮力调节系统可以代替垂向推进器，在水下运载器进行无动力升沉、定深控制等方面起到至关重要的作用。与长时间工作的垂向推进器不同，浮力调节系统只需要在较短的时间内通过定量充排水就能使潜水器实现连续的升沉运动，开展浮力调节系统及定量充排水控制技术研究，对于深潜器在使用过程中降低能耗、时间和成本以及提高工作效率等方面，具有极其重要的作用。

目前主要采用的浮力调节系统有三种方式，分别为抛载式、海水泵式和油泵式。抛载式浮力调节系统对于深潜器的浮力调节是一次性不可反复使用的，多是作为辅助或应急使用；海水泵式对设备要求高，成本高技术难度大；而油泵式则对载体的依赖性强，通用性差。

发明内容

本发明的目的是要提供一种结构简单且可利用外界压力调整浮力大小的浮力调节设备。

特别地，本发明提供一种浮力调节设备，包括；

壳体，用于提供安装空间；

浮力转换装置，包括分别安装在所述壳体上且相互连通的双向油缸和油囊，所述双向油缸的活塞的一端面积小于另一端的面积，且面积小的一端与海水接触；所述双向油缸包括储油腔、活塞腔和活塞，所述储油腔的直径大于所述活塞腔的直径，所述活塞腔包括两个相对设置的外部推板和内部推板，外部推板位于活塞腔内，内部推板位于所述储油腔内，且外部推板面积小于内部推板的面积

油路控制装置，控制所述双向油缸和所述油囊之间的油路通断；

动力装置，通过油路控制装置使所述双向油缸和所述油囊之间的油进行流动；

压力监控装置，用于监控所述浮力转换装置的压力和位移变化，并在预定触发点被触发时，激活所述动力装置工作。

在本发明的一个实施方式中，所述动力装置包括与所述油路控制装置连通的泵，以及为泵提供动力的驱动电机。

在本发明的一个实施方式中，所述泵与驱动电机之间通过齿轮组连接。

在本发明的一个实施方式中，在所述泵上连接有减压阀。

在本发明的一个实施方式中，所述油路控制装置包括三位四通电磁阀，所述三位四通电磁阀包括四个相互之间可形成开闭关系的油口。

在本发明的一个实施方式中，所述三位四通电磁阀其中的两个油口分别与所述双向油缸和所述油囊连通，另两个油口分别与所述泵的进出口连通。

在本发明的一个实施方式中，在所述双向油缸与所述三位四通电磁阀之间的管路上安装有两位两通电磁阀和单向节流器。

在本发明的一个实施方式中，在所述油囊和所述三位四通电磁阀之间的管路上安装有两位两通电磁阀。

在本发明的一个实施方式中，所述压力监控装置包括分别安装在所述双向油缸、所述油囊和所述泵处的压力传感器，和监测所述双向油缸的活塞移动距离的位移传感器。

本发明的双向油缸的活塞利用两端之间的面积差，可以使设备内部压力从海水压力处得到补偿，使双向油泵两端的压力差大大减小，无需选用高压油泵，对油泵与内部元件的要求大大降低，成本降低，而且可在功耗降低的情况下提高续航能力。整个浮力调节设备结构简单紧凑，可形成独立的模块，能够与不同的航行器和其他系统配合使用，通用性强。

附图说明

图1是本发明一个实施例的浮力调节设备结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的双向油缸结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的动力装置结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的浮力调节设备的液压回路示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施方式的浮力调节设备100一般性地包括用于提供安装空间的壳体10，和安装在壳体10上的浮力转换装置20，以及安装在壳体10内的油路控制装置40、压力监控装置50和动力装置30。

该壳体10采用密封结构，且形状为可减少水中阻力的鱼雷型。

该浮力转换装置20用于根据自身容器体积大小调节浮力大小，以使浮力调节设备100能够停留在海水的指定高度，包括分别安装在壳体10上且相互连通的双向油缸21和油囊22，双向油缸21包括一个可以在缸体211内往复移动的活塞212，和一个储油腔213，活塞212包括两个相对设置的外部推板214和内部推板215，且外部推板214的面积小于内部推板215的面积，外部推板214与海水接触，内部推板215与储油腔213接触。活塞212可以在储油腔213或外部海水的压力下在缸体211内往复移动。油囊22采用柔性材料制作，用于储存油，本身在内部油量体积的作用下，可以改变体积。浮力转换装置20通过双向油缸21与油囊22之间的油量转移，可以实现浮力调节设备100的浮力大小调节。

油路控制装置40用于控制双向油缸21和油囊22之间的油路通断，使双向油缸21和油囊22之间可以实现油的流动，或保持在当前油量状态下。

而压力监控装置50则用于了解双向油缸21的压力变化和位移变化，和油囊22的压力变化，以提供高度调节时的数据支持。并在预定触发点被触发时，激活自动运行的动作指令。动作指令可以是一个联动开关，也可以是一个触发信号。

动力装置30为整个浮力调节设备100提供运行动力，包括双向油缸21和油囊22之间油的流动动力。动力装置30在接收到压力监控装置50的动作指令后，通过油路控制装置40使双向油缸21和油囊22之间的油进行流动。

本实施方式中，壳体10采用鱼雷型的结构，双向油缸21可以安装在壳体10的一端；而油囊22则安装在壳体10的另一端，同样与海水接触，其它装置密封安装在壳体10内。

一般情况下，浮力调节设备100停留在海水中的浮力，是双向油缸21的储油腔213和油囊22的体积与当前高度的海水压力之间平衡后提供的。如果想让浮力调节设备100改变当前的高度，则需要调控双向油缸21和油囊22之间的油量变化，进而调整油囊22的体积，使之与外部海水压力达到一个预定的平衡点，从而停留在海水中的预定高度处。

在本实施方式中，当油囊22内的油输入至储油腔213时，油囊22的油量减少，体积减小，整个浮力调节设备100的体积减小，浮力降低，可以降低当前高度；当储油腔213内的油输入至油囊22时，油囊22的油量增加，体积增大，整个浮力调节设备100的体积增大，浮力增大，可以升高当前高度。

这是因为双向油缸21将储油腔213的油输出到油囊22时，外部推板214的面积小于内部推板215的面积，同样的行程下，外部推板214处减小的体积小于内部推板215处储油腔213减少的油量体积，而油囊22增大的体积等于储油腔213处减少的油量体积，所以双向油缸21处的体积减小量小于油囊22处的体积增大量。

浮力调节设备100在挂载了相应的航行器之后，会根据预定要求停留在一个指定的高度，储油腔213和油囊22的油量都是根据要求设定好的，油路控制装置40也处于断开状态，以使航行器能够长时间停留在当前高度。一旦当前高度发生了变化，这时压力监控装置50上的数值就会发生变化，该数值的变化一旦达到了某个阀值，则会自动激活动力装置30工作，同时油路控制装置40也处于连通状态，动力装置30会控制储油腔213的油流向油囊22，或控制油囊22的油流向储油腔213，使浮力调节设备100重新回到原来的高度。该过程一旦完成，压力监控装置50则可以再次激活一个动作指令，使动力装置30停止工作，同时油路控制装置40断开双向油缸21和油囊22之间的油路。

本实施方式中的油路控制装置40可以是电磁阀，动力装置30可以是电机、压力泵，压力监测装置50可以是传感器。

本实施方式的双向油缸21的活塞212利用两端之间的面积差，可以使设备内部压力从海水压力处得到补偿，使双向油泵21两端的压力差大大减小，无需选用高压油泵，对油泵与内部元件的要求大大降低，成本降低，而且可在功耗降低的情况下提高续航能力。整个浮力调节设备100结构简单紧凑，可形成独立的模块，能够与不同的航行器和其他系统配合使用，通用性强。

进一步地，在本发明的一个实施方式中，可以在浮力调节设备100中安装相应的控制单元(图中未示出)，该控制单元用于根据预先设定的条件或当前的指令，驱动内部各装置动作，以使浮力调节设备100能够保持在指定高度。控制单元可以采用FPGA或单片机一类处理芯片。

在本发明的一个实施方式中，具体的双向油缸21可以包括位于壳体10内的储油腔213，和连通储油腔213与壳体10外部的活塞腔216，以及用于活动封堵活塞腔216的活塞212。储油腔213的直径大于活塞腔216的直径，活塞212的外部推板214位于活塞腔216内，而内部推板215则位于储油腔213内。

当需要调节油量时，一旦储油腔213内输入油，则内部推板215会带动外部推板214向活塞腔216靠近壳体10外部的一端运动，此时储油腔213内的油量增加，而油囊22的体积相应减小，整个浮力调节设备100的浮力减小。当储油腔213向油囊22输出油时，则外部推板214会在海水压力下推动内部推板215挤压储油腔213，此时，储油腔213中的油流向油囊22，储油腔213体积减小而油囊22体积增大，整个浮力调节设备100的浮力增加。此外，也可以利用动力装置30来克服某端的压力，来实现油的逆向流动。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，在前述实施方式的基础上，具体的动力装置30可以包括与油路控制装置40连通的泵32，以及为泵32提供动力的驱动电机31。

泵32用于克服内部压力强制向油囊22或储油腔213中灌入油，而驱动电机31可以采用直流电机，以驱动泵32。具体的泵32与驱动电机31可以通过齿轮组33连接。在泵32上可以连接相应的减压阀34，以调节输油时的压力。

如图4所示，具体的油路控制装置40可以是一个三位四通电磁阀41，该三位四通电磁阀41包括四个相互之间可形成开闭关系的油口A、B、C、D。通过对不同油口A、B、C、D的关闭和连通，可以在双向油缸21和油囊22之间实现不同的输油效果。其中，三位四通电磁阀41的两个油口D、C分别与双向油缸21和油囊22连通，另两个油口A、B分别与泵32的进出口连通。

此外，可以在双向油缸21与三位四通电磁阀41之间的管路上安装两位两通电磁阀42。在油囊22和三位四通电磁阀41之间的管路上安装两位两通电磁阀43和单向节流器44。

在本发明的一个实施方式中，具体的压力监控装置50可以包括分别安装在双向油缸21、油囊22和泵32处的压力传感器52、53、51，以及监测双向油缸21的活塞212移动距离的位移传感器54。

压力传感器51、52、53可以实时获取储油腔213和油囊22的压力变化，从而确定当前压力是否满足浮力高度的要求。位移传感器54可以获取活塞212的移动距离，从而根据位移的大小，可以直接得到浮力调节设备100的浮力大小，进而决定是否需要泵油，或需要提高那侧的油量。

以下在前述实施方式的基础上，提供一个具体的实施例。

如图4所示，当需要增大浮力时，三位四通电磁阀41处于中位(各油口处于关闭状态)，驱动电机31驱动泵32工作，当压力传感器51检测的压力值达到要求时，三位四通电磁阀41移至左位，两位两通电磁阀42、43移至右位，油路导通，泵32将油从储油腔213泵至油囊22，油囊体积增大，浮力调节设备100体积增大，浮力增加，位移传感器54实时检测活塞212的位置，精确控制油量变化，当满足要求时，两位两通电磁阀42、43移至左位，油路关闭，三位四通电磁阀41移至中位，驱动电机31停机。

当需要减小浮力时，三位四通电磁阀41处于中位，驱动电机31驱动泵32工作，当压力传感器51检测的压力值达到要求时，三位四通电磁阀41移至右位，两位两通电磁阀42、43移至右位，油路导通，，由于储油腔213面积大于活塞腔214面积，而推力等于压力乘以面积，所以储油腔213的低压油就可以推动活塞腔216的高压海水，从而不需要泵32工作，仅通过单向节流阀44控制流速即可实现油液从油囊22到储油腔213的输送。

浮力调节设备100体积减小，浮力减小，位移传感器54实时检测活塞212的位置，精确控制油量变化，当满足要求时，两位两通电磁阀42、43移至左位，油路关闭，三位四通电磁阀41移至中位，驱动电机31停机。其中，压力传感器53与压力传感器52可对油囊22和储油腔213的油压做实时监测。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种浮力调节设备，其特征在于，包括；

壳体，用于提供安装空间；

浮力转换装置，包括分别安装在所述壳体上且相互连通的双向油缸和油囊，所述双向油缸的活塞的一端面积小于另一端的面积，且面积小的一端与海水接触；所述双向油缸包括储油腔、活塞腔和活塞，所述储油腔的直径大于所述活塞腔的直径，所述活塞包括两个相对设置的外部推板和内部推板，外部推板位于活塞腔内，内部推板位于所述储油腔内，且外部推板面积小于内部推板面积；

油路控制装置，控制所述双向油缸和所述油囊之间的油路通断；

动力装置，通过油路控制装置使所述双向油缸和所述油囊之间的油进行流动；

压力监控装置，用于监控所述浮力转换装置的压力和位移变化，并在预定触发点被触发时，激活所述动力装置工作。

2.根据权利要求1所述的浮力调节设备，其特征在于，

所述动力装置包括与所述油路控制装置连通的泵，以及为泵提供动力的驱动电机。

3.根据权利要求2所述的浮力调节设备，其特征在于，

所述泵与驱动电机之间通过齿轮组连接。

4.根据权利要求2所述的浮力调节设备，其特征在于，

在所述泵上连接有减压阀。

5.根据权利要求2所述的浮力调节设备，其特征在于，

所述油路控制装置包括三位四通电磁阀，所述三位四通电磁阀包括四个相互之间可形成开闭关系的油口。

6.根据权利要求5所述的浮力调节设备，其特征在于，

所述三位四通电磁阀其中的两个油口分别与所述双向油缸和所述油囊连通，另两个油口分别与所述泵的进出口连通。

7.根据权利要求6所述的浮力调节设备，其特征在于，

在所述双向油缸与所述三位四通电磁阀之间的管路上安装有两位两通电磁阀和单向节流器。

8.根据权利要求6所述的浮力调节设备，其特征在于，

在所述油囊和所述三位四通电磁阀之间的管路上安装有两位两通电磁阀。

9.根据权利要求6所述的浮力调节设备，其特征在于，

所述压力监控装置包括分别安装在所述双向油缸、所述油囊和所述泵处的压力传感器，和监测所述双向油缸的活塞移动距离的位移传感器。