CN109211340A - 一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构及方法,主要包括公共盖板等,公共盖板和外壳采用一体化橡胶热硫化密封的硫化工艺,公共盖板表面硫化一层辐射面硫化橡胶层作为相控阵的辐射面,公共盖板一侧表面连接若干换能器振子,公共盖板通过支撑柱连接穿线板,穿线板上安装插塞,插塞固定在固定板上,后端盖安装水密电子仓和橡皮压力补偿器,后端盖通过橡胶减震器连接安装法兰,基阵腔体内充满绝缘油。本发明适合应用于大尺寸大深度海洋环境条件下水声换能器基阵的设计和制造;能够满足水下6000米的水声换能器基阵设计、制造和使用要求;对于提高水声换能器基阵的工作性能和扩展应用工作领域具有重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及深水换能器基阵的领域,具体涉及一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构及方法。
背景技术
声学多普勒剖面流速仪(ADCP)是目前世界上最先进的流量测验技术之一,随着科学技术的进步,ADCP向深海低频大功率方向发展,其中相控式深海低频换能器基阵技术是ADCP的发展的关键技术之一。
相控式换能器基阵是由数百个换能器振子组成的圆面阵,通过相控原理形成空间具有一定对称倾斜角度的四个波束。换能器基阵是一个密封性结构,随着ADCP工作水深的增大,换能器基阵必须满足大深度的耐压水密性能要求。另外,随着ADCP测量精度的不断提高,要求形成波束的一致性和对称性不断提高,由此对相控式换能器基阵的制造精度提出了更高的要求。因此,相控式换能器基阵的耐压水密技术和换能器振子的安装定位技术成为了相控式换能器基阵的设计制造过程中的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的:这种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,主要包括公共盖板、辐射面硫化橡胶层、外壳、支撑柱、穿线板、注油孔、插塞、固定板、安装法兰、水密接插件、水密电子仓、绝缘油、橡皮压力补偿器、橡胶减震器、后端盖、换能器振子,公共盖板和外壳采用一体化橡胶热硫化密封的硫化工艺,外壳上设计注油孔,公共盖板表面硫化一层辐射面硫化橡胶层作为相控阵的辐射面,公共盖板一侧表面连接若干换能器振子,公共盖板通过支撑柱连接穿线板,穿线板上安装插塞,插塞固定在固定板上,后端盖安装水密电子仓和橡皮压力补偿器,水密电子仓内部设计有水密接插件用于安装驱动换能器工作的电子设备,后端盖通过橡胶减震器连接安装法兰,基阵腔体内充满绝缘油。
所述公共盖板和外壳的硫化工艺采用大尺寸的橡胶硫化模具和大尺寸的平板硫化机,橡胶硫化模具包括底模、模体、上模组成,底模安装固定在平板硫化机的底板上,上模安装固定在平板硫化机的顶板上,模体固定在上模上,公共盖板和外壳安装固定在底模上,上模和模体通过螺钉连接固定钩。
所述换能器振子的金属前辐射面分割为两部分结构,一部分与有源元件和后盖板装配在一起成为一个换能器振子,所有换能器振子前盖板另一部分合成为一块公共盖板,公共盖板通过高精度数控设备加工数百个高精度定位结构来安装定位换能器振子。
所述换能器振子前盖板与换能器的负极电路联通,换能器振子的前盖板安装固定在公共盖板上,所有换能器振子的负极与公共盖板是电路联通的。
所述外壳与后端盖采用机械密封方式进行密封,保证基阵在深水条件下水密性能。
所述换能器基阵腔体内充满绝缘油实现腔体内外压力平衡。
所述公共盖板的另一面按照布阵设计要求加工去耦隔离槽,精确定位出每个换能器振子的安装位置。
这种大尺寸深水换能器基阵设计制造方法,主要包括以下步骤:
第一:根据换能器基阵的布阵设计要求,进行公共盖板设计加工,公共盖板是一面是平板,另一面通过高精度机床加工切割出的去耦槽,加工换能器振子的安装定位孔。公共盖板与外壳整体一体化硫化,公共盖板平板面硫化透声橡胶,作为相控阵的辐射面,在换能器基阵的外壳上加工标识明显的直角坐标标志线,通过定位结构保证标志线与公共盖板的相控阵的直角坐标重合,将橡胶硫化模具各部分结构安装完成后,公共盖板与外壳直接的结合面填剪裁好的胶料,胶料预先剪裁成圆片,平铺在公共盖板上,上模点动加压、排气数次、合模,硫化完成后,点动升起上模,如有缺陷进行修补,再取出模体,通过专用工装取出底模,橡胶硫化模具在硫化过程需要预先加热,而基阵硫化结构件在室温状态下喷砂涂胶,两者的配合要求必须恰到好处。
第二:换能器振子制作完成后,安装定位公共盖板上,焊接数百个换能器振子的正负极引线,每个换能器振子正极引线焊线完成后,必须及时检查换能器的通断和绝缘电阻。
第三:换能器振子引出线焊接完成后,安装环氧垫板、安装后端盖,在后端盖上安装橡皮压力补偿器和水密连接器,基阵内腔充绝缘油,基阵内腔充绝缘油首先将绝缘油抽真空,灌注在基阵内腔内,将基阵放入真空箱内,再抽真空,确保基阵内部没有空气,再注油再抽真空,反复多次直到基阵内部全部充满油为止,将注油孔用密封塞密封,基阵的后端盖安装水密电子仓、橡胶减震器和安装法兰,通过安装法兰将基阵安装固定在船体上。
本发明的有益效果为:
1、本发明适合应用于大尺寸大深度海洋环境条件下水声换能器基阵的设计和制造;具有设计新颖、思路明确、操作方便等特点,能够满足水下6000米的水声换能器基阵设计、制造和使用要求;对于提高水声换能器基阵的工作性能和扩展应用工作领域具有重要的作用。
2、本发明采用公共盖板和基阵外壳一体化橡胶热硫化密封技术、高精度数控加工技术和装配制造简化设计,并利用液体介质在很高的压力下密度和体积变化极其微小的特点,实现换能器基阵在大深度海洋环境条件下腔体内外压力平衡和换能器振子高精度定位,以满足大尺寸深水换能器基阵的设计和制造。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的换能器基阵外壳硫化安装图。
图3为图2中的B处局部放大图。
图4为本发明的公共盖板结构示意图。
图5为图4中的A-A图。
附图标记说明:上模1、模体2、底模3、固定钩4、螺钉5、公共盖板6、辐射面硫化橡胶层7、外壳8、支撑柱11、穿线板12、注油孔13、插塞14、固定板15、安装法兰16、水密接插件17、水密电子仓18、绝缘油19、橡皮压力补偿器20、橡胶减震器21、后端盖22、换能器振子23。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:
实施例:如附图所示,这种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,主要包括公共盖板6、辐射面硫化橡胶层7、外壳8、支撑柱11、穿线板12、注油孔13、插塞14、固定板15、安装法兰16、水密接插件17、水密电子仓18、绝缘油19、橡皮压力补偿器20、橡胶减震器21、后端盖22、换能器振子23,公共盖板6和外壳8采用一体化橡胶热硫化密封的硫化工艺,满足换能器基阵的耐压水密可靠性要求,外壳8上设计注油孔13,并且公共盖板6表面硫化一层辐射面硫化橡胶层7,作为相控阵的辐射面,公共盖板6一侧表面连接若干换能器振子23,公共盖板6通过支撑柱11连接穿线板12,穿线板12上安装插塞14,插塞14固定在固定板15上,后端盖22安装水密电子仓18和橡皮压力补偿器20,水密电子仓18内部设计有水密接插件17用于安装驱动换能器工作的电子设备,后端盖22通过橡胶减震器21连接安装法兰16,基阵腔体内充满绝缘油19,保证基阵在深海条件下,内外压力平衡,满足换能器基阵深水条件下耐压水密使用要求。
所述公共盖板6和外壳8的硫化工艺采用大尺寸的橡胶硫化模具和大尺寸的平板硫化机,橡胶硫化模具包括底模3、模体2、上模1组成,底模3安装固定在平板硫化机的底板上,上模1安装固定在平板硫化机的顶板上,模体2固定在上模1上,公共盖板6和外壳8安装固定在底模3上,上模1和模体2通过螺钉5连接固定钩4,橡胶硫化模具与公共盖板6和外壳8配合是影响硫化质量的关键因素,硫化工艺中橡胶硫化模具的安装、胶料的裁剪、填胶方式、硫化温度的控制、合模、放气、卸模等都是影响硫化成败的重要因素。
所述圆面阵的换能器振子23的金属前辐射面分割为两部分结构,一部分与有源元件和后盖板装配在一起成为一个换能器振子23,所有换能器振子23前盖板另一部分合成为一块公共盖板6,利用金属材料结构强度、加工精度高的特点,公共盖板6通过高精度数控设备加工数百个高精度定位结构安装定位换能器振子23,达到换能器振子23高精度安装定位的要求。
所述换能器振子23前盖板与换能器的负极电路联通,换能器振子23的前盖板安装固定在公共盖板6上,所有换能器振子23的负极与公共盖板6是电路联通的,这样从公共盖板6上连接接线端子,减少焊接数百个换能器振子23负极引线的工作量,整个基阵的焊接点减少近一半,这样减少基阵装配制造的工作量,提高了工作效率,同时基阵引出线简化设计,有利于提高基阵制造的工作效率和基阵的可靠性。
所述外壳8与后盖板采用机械密封方式进行密封,保证基阵在深水条件下水密性能。
所述换能器基阵腔体内充满绝缘油19,利用液体介质在很高的压力下密度和体积变化极其微小的特点,以及橡胶材料优异的弹性伸缩性能,实现换能器基阵在大深度海洋环境条件下腔体内外压力平衡。
所述公共盖板6的另一面按照布阵设计要求加工去耦隔离槽,精确定位出每个换能器振子23的安装位置。
这种大尺寸深水换能器基阵设计制造方法,主要包括以下步骤:
第一:根据换能器基阵的布阵设计要求,进行公共盖板6设计加工,公共盖板6是一面是平板,另一面通过高精度机床加工切割出的去耦槽,加工换能器振子23的安装定位孔。公共盖板6与外壳8整体一体化硫化,公共盖板6平板面硫化透声橡胶,作为相控阵的辐射面。在换能器基阵的外壳8上加工标识明显的直角坐标标志线,通过定位结构保证标志线与公共盖板6的相控阵的直角坐标重合。该换能器基阵硫化部件和橡胶硫化模具体积大、重量重,相应的硫化机必须满足工作台面大于1500mm×1500mm、压力大于40Mpa、上下工作台面温度均匀一致性好。将橡胶硫化模具各部分结构安装完成后,公共盖板6与外壳8直接的结合面填剪裁好的胶料,胶料预先剪裁成圆片,平铺在公共盖板6上,上模1点动加压、排气数次、合模。硫化完成后,点动升起上模1,如有缺陷进行修补,再取出模体2,通过专用工装取出底模3。橡胶硫化模具在硫化过程需要预先加热,而基阵硫化结构件在室温状态下喷砂涂胶,两者的配合要求必须恰到好处,配合偏紧,装模就会非常困难也可能损伤结构件,起模时可能会损伤硫化面;配合偏松,在加热状态下硫化橡胶会从缝隙跑出,造成辐射面不均匀,甚至是缺胶。另外,胶料预成形状、填胶方法、胶量控制、装模时间等等都是影响硫化成败的重要因素。
第二:换能器振子23制作完成后,安装定位公共盖板6上,焊接数百个换能器振子23的正负极引线。每个换能器振子23正极引线焊线完成后,必须及时检查换能器的通断和绝缘电阻,防止出现短路或开路问题,发现问题及时纠正。如果整个基阵换能器振子全部引线焊接完成后,再进行检查,发现问题纠正难度非常大。
第三:换能器振子23引出线焊接完成后,安装环氧垫板、安装后端盖22,在后端盖22上安装橡皮压力补偿器20和水密连接器17,基阵内腔充绝缘油19。基阵内腔充绝缘油19也是一个重要工序点。首先将绝缘油19抽真空,灌注在基阵内腔内,将基阵放入真空箱内,再抽真空,确保基阵内部没有空气,再注油再抽真空,反复多次直到基阵内部全部充满油为止,将注油,13用密封塞密封。基阵的后端盖22安装水密电子仓18、橡胶减震器21和安装法兰16,通过安装法兰16将基阵安装固定在船体上。
按照上述方法设计和制造一台大尺寸深水相控式多普勒测流仪换能器基阵,基阵的最大外径为970mm,高度为350mm,重量468kg。基阵装配完成后,进行换能器基阵声学性能测试和6MPa静水压试验,换能器基阵的各项性能满足要求,四个波束的对称性和一致性非常好。
本发明换能器基阵性能参数:
可以理解的是,对本领域技术人员来说,对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:主要包括公共盖板(6)、辐射面硫化橡胶层(7)、外壳(8)、支撑柱(11)、穿线板(12)、注油孔(13)、插塞(14)、固定板(15)、安装法兰(16)、水密接插件(17)、水密电子仓(18)、绝缘油(19)、橡皮压力补偿器(20)、橡胶减震器(21)、后端盖(22)、换能器振子(23),公共盖板(6)和外壳(8)采用一体化橡胶热硫化密封的硫化工艺,外壳(8)上设计注油孔(13),公共盖板(6)表面硫化一层辐射面硫化橡胶层(7)作为相控阵的辐射面,公共盖板(6)一侧表面连接若干换能器振子(23),公共盖板(6)通过支撑柱(11)连接穿线板(12),穿线板(12)上安装插塞(14),插塞(14)固定在固定板(15)上,后端盖(22)安装水密电子仓(18)和橡皮压力补偿器(20),水密电子仓(18)内部设计有水密接插件(17)用于安装驱动换能器工作的电子设备,后端盖(22)通过橡胶减震器(21)连接安装法兰(16),基阵腔体内充满绝缘油(19)。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述公共盖板(6)和外壳(8)的硫化工艺采用大尺寸的橡胶硫化模具和大尺寸的平板硫化机,橡胶硫化模具包括底模(3)、模体(2)、上模(1)组成,底模(3)安装固定在平板硫化机的底板上,上模(1)安装固定在平板硫化机的顶板上,模体(2)固定在上模(1)上,公共盖板(6)和外壳(8)安装固定在底模(3)上,上模(1)和模体(2)通过螺钉(5)连接固定钩(4)。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述换能器振子(23)的金属前辐射面分割为两部分结构,一部分与有源元件和后盖板装配在一起成为一个换能器振子(23),所有换能器振子(23)前盖板另一部分合成为一块公共盖板(6),公共盖板(6)通过高精度数控设备加工数百个高精度定位结构来安装定位换能器振子(23)。
4.根据权利要求1或3所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述换能器振子(23)前盖板与换能器的负极电路联通,换能器振子(23)的前盖板安装固定在公共盖板(6)上,所有换能器振子(23)的负极与公共盖板(6)是电路联通的。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述外壳(8)与后端盖(22)采用机械密封方式进行密封,保证基阵在深水条件下水密性能。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述换能器基阵腔体内充满绝缘油(19)实现腔体内外压力平衡。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸深水换能器基阵设计制造结构,其特征在于:所述公共盖板(6)的另一面按照布阵设计要求加工去耦隔离槽,精确定位出每个换能器振子(23)的安装位置。
8.一种大尺寸深水换能器基阵设计制造方法,其特征在于:主要包括以下步骤:
第一:根据换能器基阵的布阵设计要求,进行公共盖板(6)设计加工,公共盖板(6)是一面是平板,另一面通过高精度机床加工切割出的去耦槽,加工换能器振子(23)的安装定位孔,公共盖板(6)与外壳(8)整体一体化硫化,公共盖板(6)平板面硫化透声橡胶,作为相控阵的辐射面,在换能器基阵的外壳(8)上加工标识明显的直角坐标标志线,通过定位结构保证标志线与公共盖板(6)的相控阵的直角坐标重合,将橡胶硫化模具各部分结构安装完成后,公共盖板(6)与外壳(8)直接的结合面填剪裁好的胶料,胶料预先剪裁成圆片,平铺在公共盖板(6)上,上模(1)点动加压、排气数次、合模,硫化完成后,点动升起上模(1),如有缺陷进行修补,再取出模体(2),通过专用工装取出底模(3),橡胶硫化模具在硫化过程需要预先加热,而基阵硫化结构件在室温状态下喷砂涂胶,两者的配合要求必须恰到好处;
第二:换能器振子(23)制作完成后,安装定位公共盖板(6)上,焊接数百个换能器振子(23)的正负极引线,每个换能器振子(23)正极引线焊线完成后,必须及时检查换能器的通断和绝缘电阻;
第三:换能器振子(23)引出线焊接完成后,安装环氧垫板、安装后端盖(22),在后端盖(22)上安装橡皮压力补偿器(20)和水密连接器(17),基阵内腔充绝缘油(19),基阵内腔充绝缘油(19)首先将绝缘油(19)抽真空,灌注在基阵内腔内,将基阵放入真空箱内,再抽真空,确保基阵内部没有空气,再注油再抽真空,反复多次直到基阵内部全部充满油为止,将注油孔(13)用密封塞密封,基阵的后端盖(22)安装水密电子仓(18)、橡胶减震器(21)和安装法兰(16),通过安装法兰(16)将基阵安装固定在船体上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190115 |