CN109578347B - 一种深海浮标液压系统 - Google Patents
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Abstract
一种深海浮标液压系统，包括：内油囊，所述内油囊的出油口与双向齿轮泵相连，所述双向齿轮泵通过增压单元分别与油箱和外油囊进油口连接，所述外油囊的出油口与双向齿轮泵相连形成闭合的液压油路，将双向齿轮泵与增压单元配合使用，不仅解决了因柱塞泵带来的自吸能力不足的问题，低压双向齿轮泵与增压单元减小了能耗，增长了水下工作时间；采用双作用增压泵，其内部采用机械结构的方式实现增压，其上浮下潜的灵活性高，避免了因气泵以及安装驱动气泵等辅助结构所带来的空间占用过大、载重过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋检测技术领域，尤其涉及一种深海浮标液压系统。
背景技术
海洋剖面浮标又称“Argo”浮标，主要用于剖面参数检测、数据采样及数据传输，并在检测的过程中能够自主完成上浮下潜运动。
目前，我国的海洋剖面浮标大多为2000米级剖面浮标，其研发和生产已处于成熟阶段，对于4000米级和6000米级的剖面浮标的研究仍处于理论和试验阶段，尤其是对于深海域的剖面浮标的液压系统的研究还处于初级阶段。而美国Teledyne Webb公司已研制出4000米级APEX型剖面浮标、Scripps海洋研究所已成功研制出6000米级Deep SOLO型浮标，并且已经投入观测中，对于以上的剖面浮标其液压系统，无论是我国研制的COPEX型剖面浮标，还会美国研制的APEX型浮标，其液压系统大多采用以高压柱塞泵为动力的浮力液压调节系统来调节内外油囊之间的油液体积从而控制剖面浮标的上浮下潜，例如“CN2014106186201”的发明专利公布了“一种深海浮力调节系统”，其采用一种70-100MPa的容积式高压柱塞泵，此种产品依靠进口，价格十分昂贵。另外，剖面浮标在不同深度有着不同的压力，压力随海洋深度增大而增大，深度越大，外部海水压力对外油囊的作用力越大，所以液压泵驱动内油囊的油液进入外油囊中的驱动力就越大。可由于柱塞泵泵自身结构特性，往往存在自吸能力不足的问题，为了解决这种问题，现有技术通常将高压柱塞泵与气泵配合来提高进油口的压力，保证泵能稳定工作，但这种方式不仅增加了浮标内部的空间利用，而且由于系统重量的增加降低了浮标的搭载能力，不利于浮标的上浮；同时，由于采用高压柱塞泵而增大了能量消耗，减少了剖面浮标的水下工作时间。
需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。
发明内容
本发明提供了一种深海浮标液压系统，它不仅解决了因柱塞泵带来的自吸力不足的问题，而且具有能耗小、延长了水下工作时间，双作用增压泵重量轻、体积小，上浮下潜灵活性高，避免了因安装气泵及驱动气泵的电机等辅助结构带来的空间占用过大的情况，解决了现有技术中的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种深海浮标液压系统，包括内油囊，所述内油囊的出油口与双向齿轮泵相连，所述双向齿轮泵由伺服电机驱动，所述双向齿轮泵通过所述增压单元分别与油箱和外油囊进油口连接，所述外油囊的出油口与双向齿轮泵相连形成闭合液压油路，设置不仅能够解决柱塞泵带来的自吸力不足的问题，而且双向齿轮泵有助于简化液压系统，使得能够用较少的电磁换向阀来实现换向。
所述增压单元包括分别与双向齿轮泵相连的换向单元和双作用增压缸，所述换向单元与双作用增压缸相连，所述双作用增压缸的出油口与外油囊的进油口相连。
所述换向单元为换向滑阀，换向滑阀进油口与双向齿轮泵相连，出油口与双作用增压缸相连。
所述双作用增压缸由一端至另一端依次间隔设有第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔，所述第二液压腔的截面积大于第一液压腔和第三液压腔的截面积，且第一液压腔的结构和截面积与第三液压腔的结构和截面积相同，所述第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔内活动安装有十字滑块，所述十字滑块贯穿在第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔之间使其具有两个方向的运动；
所述第二液压腔由十字滑块分隔成第四液压腔和第五液压腔，所述第四液压腔和第五液压腔同与换向滑阀连接，换向滑阀的进油口与双向齿轮泵相连，回油口经过油管上的单向阀与油箱相连；
所述第一液压腔分别通过两个第一单向阀与双向齿轮泵和外油囊连接，第三液压腔分别通过两个第二单向阀与双向齿轮泵和外油囊连接。
所述外油囊的出油口与内油囊的进油口之间设有溢流阀。
所述电磁开关与双向齿轮泵的出油口之间还设有阻尼孔。
所述外油囊的出油口与双向齿轮泵之间设有电磁阀或压力开关。
所述内油囊的出油口还与控制装置相连，控制装置与伺服电机相连。
所述控制装置包括与内油囊出油口相连的放大器，所述放大器通过编码器还与伺服电机相连。
所述第一液压腔和第三液压腔内分别设有磁致伸缩位移传感器，所述磁致伸缩位移传感器与放大器相连，放大器控制换向滑阀动作。
本发明采用上述技术方案具有重量轻、寿命长的优点，为了解决柱塞泵带来的自吸力不足的问题，本申请采用低压双向齿轮泵与双作用增压缸配合解决了因柱塞泵带来的自吸力不足的问题；并且采用双向齿轮泵能够简化液压系统，使得能够采用更少的电磁换向阀实现换向，降低了能耗和整个液压系统的重量。同时，双作用增压缸内部利用“截面大、流速小、压力小；截面小、流速大、压力大”的原理，通过机械结构将低压双向齿轮泵的低压油增压至至少1:6比例的高压油，降低了能量消耗，延长了该剖面浮标的水下工作时间；另外，在该申请中减少了气泵的安装，由此减少了为气泵提供动力的电机及输气管等辅助装置，因此，该双作用增压缸相比气泵的气泵辅助增压装置具有重量轻、体积小的特点，减小了剖面浮标载重和空间较小上浮阻力，提高上浮下潜的灵活性；为了保护整个系统防止承压过载，在系统中设置溢流阀可以保护油路；设置阻尼孔可以在下潜过程中控制油路油量，防止瞬间冲击，对液压元件损坏。
附图说明
图1为本发明的液压系统原理图；
图2为本发明中双作用增压缸的结构示意图；
图3为液压系统调节剖面浮标上浮的逻辑控制图；
图4为液压系统调节剖面浮标下潜的逻辑控制图。
图中，1、内有囊，2、双向齿轮泵，3、伺服电机，4、放大器，5、编码器，6、换向滑阀，7、双作用增压缸，8、第二单向阀，9、第一单向阀，10、电磁阀，11、外油囊，12、阻尼孔，13、溢流阀，14、直线位移传感器，15、十字滑块，16、第一液压腔，17、第四液压腔，18、第五液压腔，19、第三液压腔，20、单向阀，21、磁致伸缩位移传感器。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。
如图1-4所示，一种深海浮标液压系统，包括：内油囊1，所述内油囊1的出油口与双向齿轮泵2相连，在本实施例中采用工作压力为7-15MPa、排量为0.75ml/r的低压双向齿轮泵2，柱塞泵一般价格比双向齿轮泵2高，在相同的工作压力下，完成相同的工作油量，低压双向齿轮泵2的能耗为高压柱塞泵的1/5，大大降低了能耗，并且利用该双向齿轮泵2能够缩短工作时间提高了系统工作效率。该双向齿轮泵2由伺服电机3带动，所述双向齿轮泵2通过增压单元分别与油箱和外油囊11进油口连接，该增压单元与低压双向齿轮泵配合，解决了柱塞泵自吸力不足的问题，在外油囊11的出油口与双向齿轮泵2的出油口之间设有电磁阀10或压力开关相连形成闭合的液压油路。
进一步的，上述增压单元包括与双向齿轮泵2相连的换向单元和与双向齿轮泵2相连的双作用增压缸7，该换向单元采用换向滑阀6实现换向功能，双作用增压缸7的增压比至少为6:1，且高压腔的工作压力工作压力至少可达到60MPa，该换向滑阀6与双作用增压缸7相连，双向齿轮泵2内的液压油经换向滑阀6进入双作用增压缸7驱动双作用增压缸7换向并对内部液压油加压，经过加压的液压油从双作用增压缸7的出油口进入到外油囊11中，对驱动双作用增压缸7实现换向的液压油再次经过换向滑阀6和油管上的单向阀20进入到油箱中，通过该增压单元与双向齿轮泵2配合有效解决了在深海域高压柱塞泵自吸力不足的问题，同时增压单元通过机械结构的方式增大进入到外油囊内的液压油的压力，代替传统的气泵增大液压油的压力，减少气泵从而减小了为气泵提供动力的电机以及输气管等所需要的辅助装置，因此减小了整个剖面浮标的内部载重和内部空间，相比气泵，该增压单元体积小、重量轻，较小上浮阻力，提高了上浮下潜的灵活性。
进一步的，根据附图2所示的，双作用增压缸7由左往右依次间隔设有第一液压腔16、第二液压腔和第三液压腔19，所述第二液压腔的截面积大于第一液压腔16和第三液压腔19的截面积，通过截面面积的变化实现对液压油的增压，且第一液压腔16的结构和截面积与第三液压腔19的结构和截面积相同，在第一液压腔16、第二液压腔和第三液压腔19内活动安装有十字滑块15，所述十字滑块15贯穿在第一液压腔16、第二液压腔和第三液压腔19之间使其具有两个方向的运动，第一液压腔16和第三液压腔19的截面面积相同使其能够在双作用增压缸7两端形成压力一样的液压油，十字滑块15在第一液压腔16和第三液压腔19之间左右移动对内部液压油交替加压，持续不断的对外油囊11输入高压油。
第一液压腔16上分别通过两个第一单向阀9与双向齿轮泵2和外油囊11连接，第三液压腔19分别通过两个第二单向阀8与双向齿轮泵2和外油囊11连接；当十字滑块15由第一液压腔16向第三液压腔19移动时，十字滑块15对第三液压腔19内的液压油加压并通过第二单向阀8将液压油压入外油囊11中；此时，第一液压腔16内形成负压，第一单向阀9能够将双向齿轮泵2内的液压油进入到第一液压腔16内，对第一液压腔16进行补油；当十字滑块15由第三液压腔19向第一液压腔16移动时，十字滑块15对第一液压腔16内的液压油加压并通过第一单向阀9将液压油压入外油囊11中；此时，第三液压腔19内形成负压，第二单向阀8能够将双向齿轮泵2内的液压油进入到第三液压腔19内，对第三液压腔19进行补油。
第二液压腔经十字滑块15将其分隔成第四液压腔17和第五液压腔18，所述第四液压腔17和第五液压腔18同与换向滑阀6连接，换向滑阀6的进油口与双向齿轮泵2相连，回油口经油管上的单向阀20与油箱相连。将双向齿轮泵2输出的液压油进入换向滑阀6，换向滑阀6的液压油进入到第四液压腔17，驱动十字滑块15向第五液压腔18移动，第五液压腔18内体积减小将其内的液压油压入换向滑阀6，经换向滑阀6和油管上的单向阀20压入到油箱中。换向滑阀6换向后，双向齿轮泵2输出的液压油进入换向滑阀6，换向滑阀6的液压油进入到第五液压腔18，驱动十字滑块15向第四液压腔17移动，第四液压腔17内体积减小将其内的液压油压入换向滑阀6，经换向滑阀6和油管上的单向阀20压入到油箱中。
进一步的，在外油囊11的出油口与内油囊1的进油口之间还设有溢流阀13，该溢流阀13的工作压力为60MPa，对整个油路保护，防止油路压力过大导致液压元件的损坏。
进一步的，在电磁阀10与双向齿轮泵2的出油口之间还设有阻尼孔12，阻尼孔12设置在下潜回路中是用于系统的流量，防止瞬间冲击，引发液压元件的损坏。
进一步的，将内油囊1的出油口与控制装置相连，该控制装置包括与内油囊1出油口相连的放大器4，该放大器4通过编码器5与伺服电机3相连，该编码器5能够检测伺服电机3的转速并将信号发送给放大器4，放大器4控制伺服电机3转速控制油路调节速度，进而控制剖面浮标上浮下潜速度。
进一步的，上述换向滑阀6的换向动作的控制是由控制装置控制，通过在第一液压腔16和第三液压腔19内分别设有磁致伸缩位移传感器21或超声波位移传感器，本实施例中采用磁致伸缩位移传感器21，将磁致伸缩位移传感器21安装在第一液压腔16和第三液压腔19内，放大器4接收磁致伸缩位移传感器21的信号并控制换向滑阀6换向。
进一步的，在内油囊1外部还设有检测内油囊1油液体积的直线位移传感器14，内油囊1为波纹管状，直线位移传感器14能够通过检测内油囊1波纹管的长度来检测内油囊1的油液体积，直线位移传感器14与放大器4相连，处理并接收内油囊1的体积信号，控制伺服电机3转速调节内油囊1与外油囊11之间的体积，实现浮力变化，进而控制剖面浮标上浮下潜。
本液压系统工作阶段主要分为三个阶段，上浮阶段，悬停阶段，下潜阶段。
如图4所示，处于上浮阶段时，伺服电机3正转，驱动双向齿轮泵2转动，内油囊1的油液进入双向齿轮泵2，经过双向齿轮泵2进入到换向滑阀6内，经换向滑阀6进入到第四液压腔17，第四液压腔17内油液压力增大驱动十字滑块15向第五液压腔18移动，第五液压腔18体积减小，压力增大，将液压油经换向滑阀6和油路上的单向阀20进入到油箱内。在十字滑块15向第五液压腔18移动的过程中，第一液压腔16内形成负压，同时第三液压腔19内压力增大，双向齿轮泵2输出的液压油经过第一单向阀9进入第一液压腔16内，第三液压腔19内的液压油经过第二单向阀8被压入外油囊11中，当十字滑块15在第三液压腔19内移动到最右端时，位于第三液压腔内19的磁致伸缩位移传感器21发出信号给放大器4，放大器4接收并处理，控制换向滑阀6换向，使得从双向齿轮泵2输出的液压油进入换向滑阀6，进而进入第五液压腔18，第五液压腔18压力增大，驱动十字滑阀15向第四液压腔17移动，第四液压腔17体积减小，压力增大，将液压油通过第一单向阀9压入外油囊11中，以此循环，持续不断将内油囊1液压油经双向齿轮泵2输出的低压液压油进行增压，增压到低压油压力的6倍输入到外油囊11中，外油囊11油液体积增大，浮力增大，剖面浮标实现上浮，由此可以容易地将低压油压入外油囊11中，有效解决柱塞泵自吸力不足的问题。
如图4所示，处于下潜阶段，伺服电机3反转，驱动双向齿轮泵2转动，电磁阀10打开，外油囊11内的液压油经过电磁阀10和阻尼孔12进入到双向齿轮泵2内，再经双向齿轮泵2进入到内油囊1中，内油囊1油液体积增大，外油囊11体积减小，浮力减小，剖面浮标开始下潜。
悬停阶段，在下潜之前，控制装置内预设悬停深度，由控制装置计算出所在悬停深度时对应的内油囊1的体积量，在下潜过程中，直线位移传感器14实时检测内油囊1的体积，在达到预设体积时，直线位移传感器14将信号发送给放大器4，放大器4控制伺服电机3断电，电磁阀10断电，剖面浮标在此深度悬停。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种深海浮标液压系统，其特征在于：包括内油囊，所述内油囊的出油口与双向齿轮泵相连，所述双向齿轮泵由伺服电机驱动，所述双向齿轮泵通过增压单元分别与油箱和外油囊进油口连接，所述外油囊的出油口与双向齿轮泵相连形成闭合液压油路；所述增压单元包括分别与双向齿轮泵相连的换向单元和双作用增压缸，所述换向单元与双作用增压缸相连，所述双作用增压缸的出油口与外油囊的进油口相连；所述双作用增压缸由一端至另一端依次间隔设有第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔，所述第二液压腔的截面积大于第一液压腔和第三液压腔的截面积，且第一液压腔的结构和截面积与第三液压腔的结构和截面积相同，所述第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔内活动安装有十字滑块，所述十字滑块贯穿在第一液压腔、第二液压腔和第三液压腔之间使其具有两个方向的运动；所述第二液压腔由十字滑块分隔成第四液压腔和第五液压腔，所述第四液压腔和第五液压腔同与换向滑阀连接，换向滑阀的进油口与双向齿轮泵相连，回油口经过油管上的单向阀与油箱相连；所述第一液压腔分别通过两个第一单向阀与双向齿轮泵和外油囊连接，第三液压腔分别通过两个第二单向阀与双向齿轮泵和外油囊连接；所述外油囊的出油口与内油囊的进油口之间设有溢流阀；控制装置包括与内油囊出油口相连的放大器，所述放大器通过编码器还与伺服电机相连；所述外油囊的出油口与双向齿轮泵之间设有电磁阀；所述第一液压腔和第三液压腔内分别设有磁致伸缩位移传感器，所述磁致伸缩位移传感器与放大器相连，放大器控制换向滑阀动作；
在内油囊外部还设有检测内油囊油液体积的直线位移传感器，内油囊为波纹管状，直线位移传感器能够通过检测内油囊波纹管的长度来检测内油囊的油液体积，直线位移传感器与放大器相连，处理并接收内油囊的体积信号，控制伺服电机转速调节内油囊与外油囊之间的体积，实现浮力变化，进而控制剖面浮标上浮下潜；
悬停阶段，在下潜之前，控制装置内预设悬停深度，由控制装置计算出所在悬停深度时对应的内油囊的体积量，在下潜过程中，直线位移传感器实时检测内油囊的体积，在达到预设体积时，直线位移传感器将信号发送给放大器，放大器控制伺服电机断电，电磁阀断电，剖面浮标在此深度悬停。
2.根据权利要求1所述的一种深海浮标液压系统，其特征在于：所述换向单元为换向滑阀，换向滑阀进油口与双向齿轮泵相连，出油口与双作用增压缸相连。
3.根据权利要求1所述的一种深海浮标液压系统，其特征在于：电磁开关与双向齿轮泵的出油口之间还设有阻尼孔。
4.根据权利要求1所述的一种深海浮标液压系统，其特征在于：所述内油囊的出油口还与控制装置相连，控制装置与伺服电机相连。
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