CN108216494B - 一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，当需要上浮到水面工作时，通过继电器控制供电管路给气缸气体发生器内的燃气药柱通电，燃气药柱燃烧产生高压气体进入多级气动缸底部，推动多级可伸缩气动缸快速伸展带动配重远离载体，改变载体的重心位置；延时预设时间后，继电器控制给气囊气体发生器通电，发生器内部的燃气药柱燃烧产生高压缓释气体，给压缩浮力气囊充气，使其快速膨胀，增加载体沾湿面积，产生额外浮力改变浮心位置。在重浮力共同作用下使载体在自身力矩的变化下转动，改变载体姿态，形成“直立状态”迅速上浮至海面。本发明可搭载不同水面载体，具有结构简单，控制方便，工作可靠，体积小，适应面广、工作可靠、使用方便等优点。

Description

一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置

技术领域

本发明涉及一种水下上浮装置，具体为一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置。

背景技术

水面探测装置，尤其是在海洋环境中用于中继通讯和探测的小型化浮标，在有浪涌扰动情况下正常工作时需要具备结构重心调整功能。通过配重结构调整机构整体重心位置，确保探测器始终处于相对水面的“直立”状态，在受到海浪冲击发生倾覆时探测器在自身重力回转力矩作用下可以自动恢复到“直立”状态，减弱浪涌扰动对探测装置使用性能的影响，提高探测装置整体的稳定性和适应性。

目前，海用产品设备主要采用的方法是在产品下部设置结构配重的一体化结构形式满足支撑探测装置在水面工作的应用需求。这种形式主要存在如下弊端：(1)设计结构造成产品体积庞大、结构沉重，产品的包装、下水收放困难；(2)由于结构上的限制，产品的释放仅能通过舰船，不能利用水下航行器等载体，隐蔽性差、效率低、成本高；(3)往往受到装载、运输等外界约束，导致产品结构重心下调范围有限，难以充分满足产品在水面的可靠工作要求；(4)缺少抗浪涌结构，不具备在高海况下的自稳定功能，产品海面环境适应性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是水面探测装置(浮标)不具备大范围的重心调整能力，在海面浪涌扰动下难以保持的基本的“直立”状态，以及不能搭载水下航行器进行释放，隐蔽性差、成本高。

针对该类型装置重心调整范围小，体积大，结构沉重、海面环境适应性差的缺陷，本发明提出了一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，利用直流电延时触发火工品快速燃烧产生高压气体推动多级气动缸快速伸展和气囊快速充气，通过搭载配重伸展调整水下探测器、浮标等的重心位置，通过气囊充气膨胀增加载体浮力、改变浮心位置，最后在重浮心力矩的共同作用下实现载体自由状态时的姿态变换和上浮，进而提高浮标在海面漂浮状态下探测、通讯时保持“直立”状态的能力，削弱浪涌扰动对系统的影响，增强浮标的海洋环境适应性和工作能力。

本发明的技术方案为：

所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：包括多级可伸缩气动缸、气缸气体发生器、气囊气体发生器、浮力气囊、供电管路、燃气药柱和配重；

所述多级可伸缩气动缸在处于收缩状态时，多级气动缸处于同轴嵌套状态；多级可伸缩气动缸中的最外侧气动缸底部与外部载体安装面固定连接，且与气缸气体发生器连通；所述多级可伸缩气动缸在处于展开状态时，气缸气体发生器驱动多级气动缸沿轴向同轴伸展，且相邻两级气动缸通过锥度实现自锁；

所述配重固定在多级可伸缩气动缸中最内侧气动缸的顶端；所述气缸气体发生器和气囊气体发生器安装在多级可伸缩气动缸中最外侧气动缸的末端；所述浮力气囊环绕在气缸气体发生器和气囊气体发生器外侧，且气囊气体发生器与浮力气囊连通；

所述供电管路密封连接外部载体的控制继电器以及气缸气体发生器与气囊气体发生器内的燃气药柱。

进一步的优选方案，所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述多级可伸缩气动缸能够通过气缸气体发生器内燃气药柱燃烧产生的高压气体推动伸展；伸展顺序由内向外依次伸展，前一级气动缸伸展到极限位置时与相邻后一级气动缸通过端部锥度形成自锁和刚性连接。

进一步的优选方案，所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述气缸气体发生器由密封端盖、气体发生器腔体、出气端子和橡胶气门阀组成；橡胶气门阀密封套在出气端子上，且气缸气体发生器内燃气药柱燃烧产生的高压气体能够冲破橡胶气门阀。

进一步的优选方案，所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述供电管路两端有台阶式圆柱凸台，凸台端面有凹槽用于放置O型密封圈，铜管中间穿有活动螺母；供电管路一端与气缸气体发生器或气囊气体发生器的密封盖通过活动螺母连接，O型密封圈端面密封；另一端根据搭载载体设计管路走向与载体壳体通过活动螺母连接，O型密封圈端面密封；供电管路中间穿有通电导线，一端与载体内部控制继电器连接，另一端与燃气药柱通电正负端子连接。

进一步的优选方案，所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述燃气药柱由额定直流电压触发产生高压气体；气缸气体发生器内的燃气药柱燃烧产生的高压气体进入多级气动缸底部推动多级气动缸伸展；气囊气体发生器内的燃气药柱燃烧产生高压缓释气体，经过出气管路给浮力气囊充气，实现气囊膨胀和载体浮力增加。

有益效果

本发明产生的有益效果包括：

(一)在本发明中，重心调整灵活范围大，可以通过调整多级气动缸的数量、尺寸和有效配重，进行综合设计满足各种不同的重心调整需求，减弱探测装置在水面受到浪涌扰动时的纵横摇振幅和频率。

(二)在本发明中，充气结构简单，体积小，产气量大，可以给气囊安全快速充气，使载体上浮。通过增加气囊气体发生器内燃气药柱火工品剂量和气囊容积可以增大浮标露出水面的高度，提高工作性能。

(三)在本发明中，多级气动缸的伸展，可以大范围的改变载体重心位置；气囊的充气，可以增加探测装置的浮力，改变浮心位置，从而在重浮力的共同作用下增大探测装置自身的恢复力矩，提高探测装置自身对浪涌扰动的抗干扰能力以及在高海况条件下的探测装置的工作性能。

(四)在本发明中，燃气药柱燃烧需要直流电压触发，一般的高温、振动、冲击环境不会引起火工品发生化学反应，装置安全可靠，适用性强。

(五)在本发明中，未工作时气囊、气动缸处于收缩状态，整体结构简单、体积小、重量轻，便于产品的包装、运输以及工作过程中的搬运、释放、回收，适用性和便携性强。

附图说明

图1是本发明在初始状态时整体结构组成剖面示意图。

图2是本发明工作后的整体结构组成示意图。

图3是本发明中第一级气动缸的示意图。(a)主视图，(b)剖视图。

图4是本发明中第二级气动缸的示意图。(a)主视图，(b)剖视图。

图5是本发明中第十级气动缸的示意图。(a)主视图，(b)俯视图，(c)仰视图。

图6是本发明中气缸气体发生器的示意图。(a)主视图，(b)橡胶气门阀，(c)俯视图，(d)仰视图。

图7是本发明中气囊气体发生器的示意图。(a)主视图，(b)俯视图。

图8是本发明中浮力气囊的示意图。

图9是本发明中供电管路的示意图。

图10是本发明中燃气药柱的示意图。(a)主视图，(b)剖视图。

图11是本发明中配重的示意图。(a)俯视图，(b)剖视图。

具体实施方式

下文所述实施例仅为本发明具体应用的一种实施方式，可根据不同产品的搭载需求进行变更设计，比如与载体的连接方式、多级伸缩气动缸数、燃气药柱药量、气囊容积、配重等参数。下面结合附图对本发明具体实施例进行介绍。抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，可适用于水面探测装置、通讯中继浮标等在水下的姿态变换、快速上浮和在水面工作时的抗浪涌扰动，具有安全、可靠、结构简单、体积小、使用方便等优点。具体说明包括：(1)整体装配结构说明；(2)工作方式说明。

1、整体装配结构说明

抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置(浮力装置)包括多级可伸缩气动缸1、气缸气体发生器2、气囊气体发生器3、浮力气囊4、供电管路5、燃气药柱6和配重7。当浮标需要上浮到水面工作时，通过继电器控制延时触发气缸气体发生器和气囊气体发生器内的燃气药柱，多级气动缸伸展改变浮标重心位置，浮力气囊充气增加浮力、改变浮心位置，浮标上浮，同时在自身力矩作用下浮标调整姿态，变成“直立状态”。

未工作状态下，浮力装置如图1所示，通过第十级气动缸1-10底部法兰盘上的通孔1-10B与载体安装面用均布的螺钉固连；气缸气体发生器2通过通孔2-2A与第十级气动缸的螺纹孔1-10C用螺钉固连；气囊气体发生器3通过通孔3-2B与第十级气动缸的螺纹孔1-10A用螺钉固连；气缸气体发生器底部出气端子2-3套有橡胶气门阀2-4插进第十级气动缸法兰盘上的通孔1-10D。

浮力装置工作完成后，多级气动缸1完全伸展、浮力气囊4充气膨胀，如图2所示。

多级可伸缩气动缸1采用钛合金材料，共由十级气动缸组成。第一级气动缸1-1见图3所示，中空，一端封闭，封闭端加工有圆形凸台1-1A与第二级气动缸配合起到收缩限位的作用，顶部中心加工有螺纹孔1-1B通过螺钉与配重7固连，开口端1-1C呈外扩锥形。第二级气动缸1-2见图4，中空，两端开口，上端1-2B内部孔径收缩呈锥面，与第一级气动缸底部1-1C过盈配合，实现自锁固连；下端1-2A呈外扩锥形，与第三级气动缸1-3顶端内部过盈配合，实现自锁固连，多级气动缸之间都是通过此结构实现自锁固定，从而由多级杆伸展变为刚性固定杆。第十级气动缸1-10底部的中心孔1-10E为高压气体进入多级气动缸的入口，孔径小于第一级气动缸的直径。

气缸气体发生器2包括：密封盖2-1、发生器腔体2-2、出气端子2-3、橡胶气门阀2-4和紧固螺钉2-5，见图6。密封盖和发生器腔体采用钛合金材料，紧固螺钉通过密封盖上通孔2-1A与发生器腔体螺纹孔2-2B连接，形成端面密封；密封盖中心有台阶孔2-1B，加工有螺纹，与供电管路5螺纹连接。出气端子与发生器腔体底部通孔2-2D焊接连通，端子圆柱面上开孔2-3A，作为高压气体出气口，其上套有橡胶气门阀，用于防止水通过多级气动缸间隙渗入气动缸气体发生器腔体内部。由于燃气药柱燃烧产生的高压气体瞬间冲击压力大，能够冲破橡胶气门阀，所以不会影响高压气体的释放和多级气动缸的伸展。燃气药柱6放置于发生器腔体内部，腔体限制燃气药柱5的法向运动，密封盖和腔体底部环形凸台2-2C配合限制燃气药柱的周向运动。

气囊气体发生器3包括：密封盖3-1、发生器腔体3-2、出气管路3-3和紧固螺钉3-4，见图7。密封盖和发生器腔体采用钛合金材料，密封盖设计、与发生器腔体连接方式与气缸气体发生器相同。燃气药柱6放置于发生器腔体内部，腔体限制燃气药柱的法向运动，密封盖和腔体底部凸台3-2C配合限制燃气药柱的周向运动。发生器腔体壁面上开有三个出气孔，其中一个孔3-2A为台阶螺纹孔，端面上有环形凹槽；其他两个出气孔分别与出气管路焊接。出气管路采用铜管弯制成型，另一端有加工有圆形凸台3-3B，端面有环形凹槽3-3C，管路上穿有活动六方螺母3-3A，加工有内螺纹。

浮力气囊4采用柔性高强度橡胶织物复合材料制成，并有三个铜质进气端子4-1，加工有外螺纹，见图8。一个进气端子与气囊气体发生器腔体上的台阶螺纹孔3-2A连接，其他两个进气端子与气囊气体发生器的出气管路通过管路上的活动六方螺母螺纹连接，三个接触端面上的凹槽放置O型密封圈压缩密封，防止高压气体泄漏。浮力气囊4未工作时为压缩状态，当通电后气囊气体发生器腔体内的燃气药柱产生高压缓释气体经过出气管路给气囊快速充气，气囊开始膨胀至额定容量，增加浮力，改变浮心位置。

供电管路5采用铜管弯制成型，两端有台阶式凸台5-1、5-2，凸台端面处有环形凹槽5-1B。管路中间穿有活动六方螺母5-1A，加工有外螺纹，见图9。供电管路一端插进气缸气体发生器的密封盖中心孔2-1B，通过六方活动螺母与密封盖中心孔处的螺纹孔连接，接触端面的环形凹槽放置有O型密封圈压缩密封。供电管路另一端与载体壳体密封连接，通过O型密封圈密封，供电导线通过铜管连接燃气药柱和载体电源继电器。供电管路与气囊气体发生器连接方式同上。

燃气药柱6呈圆柱状，头部加工有环形凸台6-1，凸台端面加工有环形凹槽6-1A，中心处有两个正负接线柱6-2；底部有均布的6个气体出气孔6-3。燃气药柱置于气体发生器腔体内，环形凸台与气体发生器密封盖紧密接触，接触端面凹槽内放置O型密封圈压缩密封，防止燃气药柱在产气过程中，高压气体泄漏从供电管路5进入载体壳体内部。气缸气体发生器内的燃气药柱燃烧产生的高压气体进入多级气动缸底部推动多级气动缸伸展，实现多级气动缸的全部伸展和自锁固定；气囊气体发生器内的燃气药柱燃烧产生高压缓释气体，经过出气管路给浮力气囊充气，实现气囊膨胀和载体浮力增加。

配重7为圆柱状，中心加工有台阶螺纹孔，底部7-2与第一级气动缸1-1A轴孔配合，螺钉通过7-1与第一级气动缸的螺纹孔1-1B连接固连。当多级气动缸伸展时，将带动配重移动，远离浮标载体，从而达到调整浮标重心位置的目的，在自身重浮心力矩的作用下快速改变载体姿态，实现“直立”。在海面漂浮时，重心在下，浮心在上，重浮心力矩的增加，可以大幅减弱浪涌扰动。

2、工作方式说明

当需要浮力装置工作时，继电器控制首先给气缸气体发生器腔体内的燃气药柱通电，产生的高压气体冲破橡胶气门阀，进入多级气动缸底部，推动第一级气动缸沿轴向运动；当运动到限位时，与二级气动缸1-2过盈配合实现锥度自锁，接着带动二级气动缸继续沿轴向运动，如此，多级气动缸依次伸展，自锁，形成设计长度的刚性连接杆，带动多级气动缸末端的配重远离载体，改变载体重心位置和水下姿态。然后继电器延时控制给气囊气体发生器腔内的燃气药柱通电，产生高压缓释气体，经过出气管路给压缩气囊充气，气囊膨胀，浮力增加，载体上浮。上浮至水面后，由于载体重浮心的变化，当在受到浪涌扰动时，载体保持“直立”状态的能力大大增强，可以显著减小载体的摇摆振幅和频率，提高搭载的水面探测装置、中继通讯浮标等的工作性能和在高海况下的适用性。

多级气动缸的设计参数、燃气药柱的药量、浮力气囊的容积和配重重量可以根据使用需求进行调整，实现重浮心相对位置和浮力大小的灵活调整，从而大范围改变载体的重浮心力矩，增加载体在受到浪涌扰动时的恢复力矩，降低载体的摇摆振幅和频率。

Claims (4)

1.一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：包括多级可伸缩气动缸、气缸气体发生器、气囊气体发生器、浮力气囊、供电管路、燃气药柱和配重；

所述多级可伸缩气动缸在处于收缩状态时，多级气动缸处于同轴嵌套状态；多级可伸缩气动缸中的最外侧气动缸底部与外部载体安装面固定连接，且与气缸气体发生器连通；

所述配重固定在多级可伸缩气动缸中最内侧气动缸的顶端；所述气缸气体发生器和气囊气体发生器安装在多级可伸缩气动缸中最外侧气动缸的末端；所述浮力气囊环绕在气缸气体发生器和气囊气体发生器外侧，且气囊气体发生器与浮力气囊连通；

所述供电管路密封连接外部载体的控制继电器以及气缸气体发生器与气囊气体发生器内的燃气药柱；

当燃气式水下姿态变换上浮装置工作时，控制继电器首先控制气缸气体发生器内燃气药柱燃烧产生的高压气体推动所述多级可伸缩气动缸沿轴向同轴伸展，伸展顺序由内向外依次伸展，前一级气动缸伸展到极限位置时与相邻后一级气动缸通过端部锥度实现自锁和刚性连接，形成设计长度的刚性连接杆，带动最内侧气动缸顶端的配重远离载体；控制继电器然后延时控制气囊气体发生器给浮力气囊充气，使安装在最外侧气动缸底部的载体上浮。

2.根据权利要求1所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述气缸气体发生器由密封端盖、气体发生器腔体、出气端子和橡胶气门阀组成；橡胶气门阀密封套在出气端子上，且气缸气体发生器内燃气药柱燃烧产生的高压气体能够冲破橡胶气门阀。

3.根据权利要求2所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述供电管路两端有台阶式圆柱凸台，凸台端面有凹槽用于放置O型密封圈，铜管中间穿有活动螺母；供电管路一端与气缸气体发生器或气囊气体发生器的密封盖通过活动螺母连接，O型密封圈端面密封；另一端根据搭载载体设计管路走向与载体壳体通过活动螺母连接，O型密封圈端面密封；供电管路中间穿有通电导线，一端与载体内部控制继电器连接，另一端与燃气药柱通电正负端子连接。

4.根据权利要求3所述一种抗浪涌扰动的燃气式水下姿态变换上浮装置，其特征在于：所述燃气药柱由额定直流电压触发产生高压气体；气缸气体发生器内的燃气药柱燃烧产生的高压气体进入多级气动缸底部推动多级气动缸伸展；气囊气体发生器内的燃气药柱燃烧产生高压缓释气体，经过出气管路给浮力气囊充气，实现气囊膨胀和载体浮力增加。

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