CN107985535A - 一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置。本发明中，驱动控制器和电机泵组件连接；驱动控制器和阀岛组件连接；阀岛组件和油箱组件固定连接，同时油路连通；电机泵组件和阀岛组件通过支架固定连接，同时，阀岛组件和电机泵组件油路连通；阀岛组件和油囊油路连通。本发明可有效解决现存油囊式浮力均衡装置的浮力调节量不足、调节容积控制精度过低等问题。

Description

一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置
技术领域
本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置。
背景技术
随着海洋科学技术的不断发展，水下勘探和施工项目将越来频繁和深入。由于海洋深处的恶劣环境，人类的许多涉海行为必须依靠水下航行器来完成。这类水下航行器在作业过程中对其浮力的均衡控制至关重要，而其浮力又受到诸多因素的影响，如装备特定的设备、海水密度变化、海水温度变化等。当水下航行器的浮力发生改变时，其重力和浮力出现不均衡，重心与浮心产生偏移，会影响水下航行器的正常工作。为了合理利用浮力，许多水下航行器都安装有浮力均衡装置，专门负责设备浮力的控制和调整。因此对于水下航行器来说，浮力均衡装置具有十分重要的作用。
浮力均衡装置可通过改变自身的体积来调节浮力的大小，在重量不变的情况下实现净浮力的调节，并能接受系统指令，实现载体浮力的连续可控。目前，现有的水下航行器用浮力均衡装置大多采用油囊—油箱式结构，通过机械或液压装置在其内部直接填充和抽取液压油实现整个航行器在水下的浮力变化。对于调节体积没有直接的测量手段，通常是由测量流量的积分或油囊的变化体积换算等方法，只能间接得到调节体积的数值，不能实现浮力的精确控制。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，可有效解决现存油囊式浮力均衡装置的浮力调节量不足、调节容积控制精度过低等问题。
本发明采用的技术方案：
一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，包括驱动控制器、电机泵组件、油箱组件、油囊、阀岛组件；驱动控制器和电机泵组件连接；驱动控制器和阀岛组件连接；阀岛组件和油箱组件固定连接，同时油路连通；电机泵组件和阀岛组件通过支架固定连接，同时，阀岛组件和电机泵组件油路连通；阀岛组件和油囊油路连通。
所述阀岛组件的内部设置有安全阀A、安全阀B、阻尼、减压阀、单向阀A、过滤器B、过滤器A、单向阀B、电磁开关阀。
所述安全阀A、安全阀B并联电机泵组件与油箱组件之间；电机泵组件上面的油口通过两条油路与油囊连接，其中一条油路上依次设有减压阀、单向阀A、过滤器A、电磁开关阀，另一条油路上依次设有阻尼、过滤器B、单向阀B、电磁开关阀。
所述油箱组件包括后端盖、油箱壳体、活塞、前端盖、位移传感器、中心杆、缸筒；油箱壳体的两侧分别安装有后端盖、前端盖；中心杆位于油箱壳体内部的中心线上，中心杆的两端分别插入后端盖、前端盖的中心沉孔中，位移传感器安装于中心杆的内孔中；缸筒与后端盖固定连接，缸筒与若干个套筒一层一层装配成一体，最后一个套筒和活塞固定连接。
所述电机泵组件包括伺服电机、双向液压泵，伺服电机上安装有旋转变压器。
所述驱动控制器可采集电机泵组件、位移传感器、电磁开关阀的信号，根据上位机指令完成浮力调节。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，油箱采用套筒式多级液压缸的结构，在油箱的安装空间限定的条件下能够有效增加活塞的行程，实现调节容积量的最大化
(2)本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，控制程序根据上位机的指令和位移传感器反馈信号进行准确计算，驱动控制器可精确控制活塞的位置，实现浮力精准调节；
(3)本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，将通过阻尼之前的流量引入一部分至多级液压缸套筒内腔，用于克服活塞移动过程中的摩擦力，实现油箱自增压；
(4)本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，设置三处加注活门，在系统完全不加电的情况下即可完成抽真空加注工作。
附图说明
图1为本发明液压原理图；
图2为本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置正视图；
图3为本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置俯视图；
图4为本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置右视图；
图5为油箱组件的内部结构剖面图(活塞在最右侧)；
图6为图5A处放大图；
图7为油箱组件的内部结构剖面图(活塞在最左侧)；
图中：1-驱动控制器、2-电机泵组件、3-油箱组件、4-安全阀A、5-安全阀B、6-阻尼、7-减压阀、8-单向阀A、9-过滤器B、10-过滤器A、11-单向阀B、12-电磁开关阀、13-油囊、14-加注活门A、15-加注活门B、16-加注活门C、17-阀岛组件、18-阀岛-油囊连接油管、19-阀岛-油箱连接油管、20-阀岛-电机泵连接油管A、21-阀岛-电机泵连接油管B、22-阀岛-加注活门A连接油管、23-阀岛-加注活门B连接油管、24-阀岛-加注活门C连接油管、25-驱动控制器-电机泵供电电缆、26-驱动控制器-旋转变压器连接电缆、27-驱动控制器-位移传感器连接电缆、28-支架、29-后端盖、30-油箱壳体、31-活塞、32-前端盖、33-位移传感器、34-中心杆、35-缸筒、36-第一级套筒、37-第二级套筒、38-第三级套筒、39-第四级套筒、40-第五级套筒、41-轴用Y形密封圈、42-磁环、43-孔用钢丝挡圈、44-轴用导向环、45-孔用导向环、46-孔用Y形密封圈、47-油箱增压腔、48-油箱贮油腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置作进一步详细说明。
如图1所示，本发明液压原理图，驱动控制器1与电机泵组件2连接，电机泵组件2的上下两个油口分别与油箱组件3的上下两端连接，电机泵组件2与油箱组件3之间并联有安全阀A4、安全阀B5，安全阀B5与油箱组件3连接的两个管路上分别设置有加注活门B15、加注活门C16；电机泵组件2上面的油口通过两条油路与油囊13连接，其中一条油路上依次设有减压阀7、单向阀A8、过滤器A10、电磁开关阀12，另一条油路上依次设有阻尼6、过滤器B9、单向阀B11、电磁开关阀12；油囊13的出油口设有加注活门A14；油箱组件3上安装控制插座。
本发明具体结构如图2、图3和图4所示，发明提供的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，包括驱动控制器1、电机泵组件2、油箱组件3、油囊13、阀岛组件17；
驱动控制器1和电机泵组件2通过驱动控制器-电机泵供电电缆25、驱动控制器-旋转变压器连接电缆26连接；驱动控制器1和阀岛组件17通过驱动控制器-位移传感器连接电缆27连接；
阀岛组件17和油箱组件3固定连接，并通过阀岛-油箱连接油管19连通；
电机泵组件2和阀岛组件17通过支架28固定连接，支架28的上面是电机泵组件2，支架28的下面是阀岛组件17，阀岛组件17和电机泵组件2通过阀岛-电机泵连接油管A20、阀岛-电机泵连接油管B21连通；
阀岛组件17和油囊13通过阀岛-油囊连接油管18连通；
驱动控制器1固定在船舱侧壁；电机泵组件2、油箱组件3、阀岛组件17构成一个整体，安装在船舱底部；油囊13安装在船舱尾部。
阀岛组件17包括加注活门A14、加注活门B15、加注活门C16、阀岛-加注活门A连接油管22、阀岛-加注活门B连接油管23、阀岛-加注活门C连接油管24；
阀岛组件17的内部设置有安全阀A4、安全阀B5、阻尼6、减压阀7、单向阀A8、过滤器B9、过滤器A10、单向阀B11、电磁开关阀12。
如图5所示，油箱组件3包括后端盖29、油箱壳体30、活塞31、前端盖32、位移传感器33、中心杆34、缸筒35、第一级套筒36、第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39、第五级套筒40、轴用Y形密封圈41、带磁环的螺母42、孔用钢丝挡圈43、轴用导向环44、孔用导向环45、孔用Y形密封圈46；
油箱壳体30的两侧分别安装有后端盖29、前端盖32；中心杆34位于油箱壳体30内部的中心线上，中心杆34的两端分别插入后端盖29、前端盖32的中心沉孔中，位移传感器33安装于中心杆34的内孔中；缸筒35与后端盖29固定连接，缸筒35、第一级套筒36、第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39、第五级套筒40依次一层一层装配成一体，第五级套筒40插入第四级套筒39的内孔，第四级套筒39插入第三级套筒38的内孔，依次类推；第五级套筒40和活塞31通过带磁环的螺母42固定连接，活塞31与油箱壳体30内壁接触处设有轴用Y形密封圈41；如图6所示，两个相邻的套筒或缸筒之间安装有两处孔用Y形密封圈46、一处轴用导向环44、一处孔用导向环45；第一级套筒36、第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39的内孔右侧安装有孔用钢丝挡圈43。
当活塞31位于最右侧时，缸筒35、第一级套筒36之间形成油箱增压腔47；如图7所示，当活塞31位于最左侧时，活塞31右侧形成油箱贮油腔48。
电机泵组件2包括伺服电机、双向液压泵。伺服电机上安装有旋转变压器。
驱动控制器1可采集电机泵组件2、位移传感器33、电磁开关阀12的信号，根据上位机指令完成浮力调节。
本发明的工作过程如下：
一、增大浮力的调节过程
阀岛组件17内部的电磁换向阀12处于通电打开，由驱动控制器1启动电机泵组件2，电机顺时针转动(正对电机输出轴看)，双向液压泵从油箱贮油腔48吸油。液压油经过阀岛-电机泵连接油管A20经过双向液压泵，再通过阀岛-电机泵连接油管B21进入阀岛组件17。然后液压油分成两路，一路经过阻尼6、过滤器B9、单向阀B11、电磁开关阀12、阀岛-油囊连接油管18，通往油囊13；另一路进入多级套筒内侧的油箱增压腔47。由于阻尼6具有节流作用，经过阻尼6之前的液压油具有较高的压力，这部分高压油进入油箱增压腔47，作用在第一级套筒36、第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39、第五级套筒40的左端面上。如果此时活塞31在最左侧的位置(见图6)，第一级套筒36、第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39、第五级套筒40会在高压油的作用下同时向右移动，从而带动活塞31向右移动。随后第一级套筒36到达机械限位(见图5)，停止向右移动，第二级套筒37、第三级套筒38、第四级套筒39、第五级套筒40则继续带动活塞31往右移动，随后第二级套筒37到达机械限位。依次类推，套筒一级一级伸出，直到最后第五级套筒40到达机械限位。此过程中高压油能克服各级套筒和活塞31移动中的摩擦力，实现油箱组件3自增压功能。
油箱组件3中心安装有位移传感器33，活塞31内孔安装有磁环42，位移传感器33向驱动控制器1连续输出活塞31位置的电压信号，当位移传感器33反馈的电压信号与上位机发出的位置指令匹配时，驱动控制器1将电机泵组件2断电，同时电磁开关阀12处于断电闭合状态。增大浮力的调节过程就完成了。
在增大浮力的调节过程中，如果出现电磁开关阀12异常关闭的故障，当电机泵组件2出口的压力达到一定值，安全阀B5就会开启，保证管路及结构件不损坏。
二、增大浮力的调节过程
(1)、下潜深度较浅时
阀岛组件17内部的电磁换向阀12处于通电打开，由驱动控制器1启动电机泵组件2，电机逆时针转动(正对电机输出轴看)，双向液压泵从油囊13的内腔吸油。液压油经过阀岛-油囊连接油管18、过滤器A10、单向阀A8、减压阀7、阀岛-电机泵连接油管B21、电机泵组件2、阀岛-电机泵连接油管A20达到油箱贮油腔48，液压油有一定的压力，会推动活塞31向左移动。如果此时活塞31在最右侧的位置(见图5)，由于活塞31与第五级套筒40已经固定成一体，活塞31带动第五级套筒40向左移动，当第五级套筒40与第四级套筒39上的孔用钢丝挡圈43接触上，活塞31、第五级套筒40开始带动第四级套筒39同时向左移动。依次类推，套筒一级一级缩回，最后活塞31、第五级套筒40、第四级套筒39、第三级套筒38、第二级套筒37、第一级套筒36同时向左移动，直到活塞31与缸筒35接触上(见图6)。
由于油囊13内腔的液压油压力较低，未达到减压阀7的设定值，减压阀7处于最大开口状态，此时不产生减压作用。
当位移传感器33反馈的电压信号与上位机发出的位置指令匹配时，驱动控制器1将电机泵组件2断电，同时电磁开关阀12处于断电闭合状态。减小浮力的调节过程就完成了。
(2)、下潜深度较深时
液压油的流动方向同上。当油囊13内腔的液压油压力达到减压阀7的设定值，减压阀7产生减压作用，减压阀7会根据进入液压油的压力高低自动调整阀口的开度，对于不同下潜深度也能够将出口压力维持在一个稳定值。这样就保证了电机泵组件2的进口压力始终不会过高，满足使用要求。
(3)、在减小浮力的调节过程中，如果出现活塞31卡死的故障，当油箱贮油腔48的压力达到一定值，安全阀A4就会开启，保证管路及结构件不损坏。
三、保持浮力不变
电磁换向阀12处于断电闭合状态，电机泵组件2处于断电状态，油囊13的内腔与油箱贮油腔48处于隔断状态，此时浮力均衡状态的体积不变，保持浮力不变。
四)抽真空加注过程
阀岛组件17内部的电磁换向阀12处于断电闭合状态，电机泵组件2处于断电状态。首先，将抽真空加注设备同时与加注活门B15、加注活门C16连接，与加注活门A14断开，待油箱贮油腔48的压力降低到设定值，停止抽真空后，开始加注液压油，当活塞31达到油箱最左端后，停止加注。然后，将抽真空加注设备与加注活门B15、加注活门C16断开，与加注活门A14连接，待油囊13的内腔压力降低到设定值，停止抽真空后，开始加注液压油，当累计加注液压油的体积达到设定值，停止加注。抽真空加注过程完成。

Claims (6)

1.一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：包括驱动控制器(1)、电机泵组件(2)、油箱组件(3)、油囊(13)、阀岛组件(17)；驱动控制器(1)和电机泵组件(2)连接；驱动控制器(1)和阀岛组件(17)连接；阀岛组件(17)和油箱组件(3)固定连接，同时油路连通；电机泵组件(2)和阀岛组件(17)通过支架(28)固定连接，同时，阀岛组件(17)和电机泵组件(2)油路连通；阀岛组件(17)和油囊(13)油路连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：所述阀岛组件(17)的内部设置有安全阀A(4)、安全阀B(5)、阻尼(6)、减压阀(7)、单向阀A(8)、过滤器B(9)、过滤器A(10)、单向阀B(11)、电磁开关阀(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：所述安全阀A(4)、安全阀B(5)并联电机泵组件(2)与油箱组件(3)之间；电机泵组件(2)上面的油口通过两条油路与油囊(13)连接，其中一条油路上依次设有减压阀(7)、单向阀A(8)、过滤器A(10)、电磁开关阀(12)，另一条油路上依次设有阻尼(6)、过滤器B(9)、单向阀B(11)、电磁开关阀(12)。
4.根据权利要求1所述的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：所述油箱组件(3)包括后端盖(29)、油箱壳体(30)、活塞(31)、前端盖(32)、位移传感器(33)、中心杆(34)、缸筒(35)；油箱壳体(30)的两侧分别安装有后端盖(29)、前端盖(32)；中心杆(34)位于油箱壳体(30)内部的中心线上，中心杆(34)的两端分别插入后端盖(29)、前端盖(32)的中心沉孔中，位移传感器(33)安装于中心杆(34)的内孔中；缸筒(35)与后端盖(29)固定连接，缸筒(35)与若干个套筒一层一层装配成一体，最后一个套筒和活塞(31)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：所述电机泵组件(2)包括伺服电机、双向液压泵，伺服电机上安装有旋转变压器。
6.根据权利要求1所述的一种基于套筒式多级液压缸的高精度浮力均衡装置，其特征在于：所述驱动控制器(1)可采集电机泵组件(2)、位移传感器(33)、电磁开关阀(12)的信号，根据上位机指令完成浮力调节。
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