CN109733568B - 系缆式水下升降平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种系缆式水下升降平台，属于水下观测技术领域，包括平台部件，可沿系缆升降的运动部件，以及可驱动所述运动部件沿系缆升降的驱动部件，所述平台部件与所述运动部件转动连接。本发明具有电池容量周期内行程长、采集数据稳定、升降速度平稳的优点。

Description

系缆式水下升降平台

技术领域

本发明属于水下观探测技术领域，尤其涉及一种系缆式水下升降平台。

背景技术

由于海洋中水体的物理、化学和生物属性随着深度和时间的变化是不同的，这就要求能够开发出一种能够在一定海域内进行长期，连续剖面的测量设备。传统广泛使用的测量设备是阵列式锚系浮标和Argo剖面漂流浮标。阵列式锚系浮标的工作原理为通过在海面布放浮标体，在海底布放锚锭，浮标体与锚锭之间通过连接绳缆阵列式的挂载各类传感器从而长期测量水体的各类型参数，这种阵列式锚系浮标随着水深的增加，搭载的传感器数量也相应增加，导致整个设备的成本极高，且传感器的校准和后期维护成本也非常高，不利于大量布放和推广，并且其测量的为非连续剖面；Argo剖面漂流浮标的工作原理则是通过改变设备油囊体积的大小，从而控制本体浮力的大小实现了升降运动，这种设备由于随着海流的运动而漂流，因此不能对海流等物理要素进行测量，也不能对固定位置的剖面要素进行连续测量，而且其采样数据一般要靠浮出水面后进行卫星通讯传输，不能实时或准实时传输。

继而出现了一种系缆式的垂直剖面升降平台，参见图1所示，主要由平台部件1、骨架8、驱动部件4、浮力球2、控制单元5和运动部件6等组成。其中骨架8、驱动部件4、浮力球2和控制单元5安装在平台部件1的类椭圆形导流罩壳体内，运动部件6安装在类椭圆形导流罩外面，浮力球2可平衡掉整个平台在水下的重力，从而减少驱动部件4的运动负载。驱动部件4带动运动部件6中的主动轮转动，并辅以两个从动轮从另一侧方向压紧系缆使之与主动轮轮槽紧密贴合，可使主动轮沿系缆方向进行爬绳运动，从而带动整个平台升降。骨架8中可根据需要安装有各类型传感器7，通过控制单元5可对采集到的数据进行存储或传输。它可沿浮标与锚锭之间的系缆在水中进行垂直升降运动，并通过搭载的多类型传感器在运动中对海洋进行循环、连续的剖面测量。由于该平台只搭载一个同类型传感器即可测得全剖面的数据，大大减少了传感器的数量，降低了成本，具有较高的经济效益，且由于其具有不可随波逐流的特性，因此可搭载声学海流计，通过欧拉法即可测得海流的运动属性，测得的数据通过电磁感应耦合技术可进行实时或准实时的传输，因此具有较高的应用价值。

经过多年的使用，目前这种水下系缆式垂直升降平台存在着蓄电池容量周期内行程短和采集数据不均匀性等问题。在水平方向的非定常、强海流的作用下，该平台受到的水平拖曳力会非常大，并产生一定大角度和频率的摆动，因CTD温盐深仪和ACM海流计等仪器内集成有罗盘等姿态传感器，导致CTD和ACM在摆动幅度大的情况下会停止采样工作，使得整个采样数据在时间维度和空间维度上出现断续现象，同时平台的倾斜摆动还会导致驱动部件中电机的功耗过高，影响垂直升降总行程。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种系缆式水下升降平台,具有电池容量周期内行程长、采集数据稳定、升降速度平稳的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种系缆式水下升降平台，包括平台部件，可沿系缆升降的运动部件，以及可驱动所述运动部件沿系缆升降的驱动部件，所述平台部件与所述运动部件转动连接。

作为优选，还包括系缆，所述系缆的两端连接有万向转环。

作为优选，所述运动部件包括立板，以及具有内圈、中间圈和外圈的第一轴承，所述立板与所述第一轴承的外圈连接，所述平台部件与所述第一轴承的中间圈连接，以实现所述平台部件与所述运动部件的转动连接。

作为优选，所述运动部件还包括分别密封连接于所述第一轴承中间圈两侧的隔离套和密封壳体，所述密封壳体罩设于所述驱动部件，所述平台部件通过连接所述密封壳体与所述第一轴承的中间圈连接。

作为优选，还包括两个相对设置的展翼，其一所述展翼设置在平台部件外表面，另一所述展翼连接所述隔离套；所述的平台部件的重心和浮心位于所述平台部件相对所述运动部件转动的转动轴上。

作为优选，所述驱动部件分别与所述第一轴承的内圈、所述第一轴承的外圈连接。

作为优选，所述驱动部件通过磁力耦合装置与所述第一轴承的外圈连接，所述磁力耦合装置包括与所述第一轴承外圈连接的套板，与所述套板连接的第一外磁转子，以及设置于所述驱动部件外表面的第一内磁转子。

作为优选，所述运动部件还包括拉簧，与所述驱动部件连接的主动轮，以及用于与所述主动轮配合压住系缆的从动轮，所述从动轮通过摆动杆与所述立板转动连接，所述拉簧两端分别连接所述立板和所述从动轮。

作为优选，所述平台部件为低阻流线外形，所述平台部件的尾部设置有尾翼。

作为优选，所述驱动部件通过滑环与所述平台部件的控制单元连接，以实现所述平台部件转动过程中对驱动部件的控制。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、通过设置平台部件与运动部件的转动连接，可以实现在强海流作用下，平台部件可以转动变换姿势，减小所受海流的拖曳力，避免现有技术中平台部件与运动部件固定连接时，在非定长、强海流作用下平台部件受到大的拖曳力，产生大角度和频率的摆动，从而造成的采样数据断续，以及驱动部件功耗过高影响垂直升降总行程的问题，具有电池容量周期内行程长、采集数据稳定、升降速度平稳的优点。

2、通过设置平台部件与运动部件的转动连接，以及在系缆两端设置万向转环，可以实现平台部件的二维360°转动，在不同方向海流力作用下，平台部件可以自由转动，进一步地减小平台部件所受海流的拖曳力。

3、通过设置运动部件的立板与第一轴承外圈的连接，以及平台部件通过密封壳体与第一轴承中间圈的连接，可以实现平台部件相对运动部件的360°旋转，同时，在第一轴承上与密封壳体相对的一侧设置密封隔离套可以实现驱动部件的密封，保证驱动部件在水下正常及长寿命的工作。

4、将平台部件的重心和浮心设置在运动部件的转动轴上，在平台部件外表面设置展翼，可以尽量使平台部件保持平衡，在迎着海流方向的作用下最大程度的减小海流对平台部件的拖曳力，提高传感器在强流作用下的使用稳定性，减小驱动部件电机的功耗。

5、通过磁力耦合装置将驱动部件与第一轴承的外圈连接，可以隔空约束驱动部件中电机本体的转动，实现驱动部件与运动部件之间运作的互不干扰。

6、通过设置与立板转动连接的从动轮，可以实现从动轮在自由转动的情况下进行悬摆运动，由于海流的三维流动，使得系缆呈柔性悬链状态，通过从动轮的悬摆可以更加适应系缆的摆动，以及通过设置于立板和从动轮连接的拉簧，可以保证从动轮与主动轮将系缆紧密压合，增加主从动轮的摩擦阻力，保证运动部件在升降运动时不会出现打滑现象，同时当系缆上有生物附集时，还可使主、从动轮柔性渡越，增加运动稳定性和可靠性。

7、通过将平台部件设置为低阻流线外形，例如，呈类鱼雷或海豚外形，以及在平台尾部设置尾翼，具有流线型低阻力优点，当海流作用时，在流线型低阻壳体和尾翼的作用下，使平台部件头部始终迎着海流的方向，从而更进一步地减小海流拖曳力。

8、将驱动部件通过滑环与平台部件的控制单元连接，可以实现平台部件在转动过程中对驱动部件的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术系缆式水下升降平台的结构示意图；

图2为本发明所提供系缆式水下升降平台的立体图；

图3为本发明所提供系缆式水下升降平台中运动部件与驱动部件的第一种实施例的结构示意图；

图4为本发明所提供系缆式水下升降平台转动原理图；

图5为图2中A向放大图；

图6为本发明所提供系缆式水下升降平台中运动部件与驱动部件的第二种实施例的结构示意图；

图7为本发明所提供系缆式水下升降平台中运动部件与驱动部件的第三种实施例的结构示意图；

以上各图中：1、平台部件；11、尾翼；12、展翼；2、浮力球；3、系缆；31、万向转环；4、驱动部件；5、控制单元；6、运动部件；61、立板；611、圆柱状凸起；612、圆环凹槽；613、环槽；621、第一轴承；622、第二轴承；

63、隔离套；64、密封壳体；641、凸起；65、主动轮；66、从动轮；67、摆动杆；68、拉簧；69、系缆夹；7、传感器；8、法兰；9、磁力耦合装置；91、套板；92、第一外磁转子；93、第一内磁转子；10、第二内磁转子；20、第二外磁转子；30、滑环；40、水密接插件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明系缆式水下升降平台是在现有技术中平台部件与运动部件固定连接，仅能跟随运动部件沿系缆升降运动的基础上，将平台部件与运动部件改进为转动连接，通过设置平台部件可相对运动部件的转动连接，在海流作用下，平台部件可迎合海流转动，减小平台部件所受的拖曳力,从而解决现有技术在非定长、强海流作用下，平台部件会受到较大的拖曳力，并产生大角度和频率的摆动，从而造成采样数据断续，驱动部件功耗过高影响垂直升降总行程的技术问题。

实施例1

参见图2、图3所示，系缆式水下升降平台包括平台部件1、驱动部件4和运动部件6，其中，驱动部件4与运动部件6连接，用来驱动运动部件6沿系缆3升降运动，平台部件1与运动部件6转动连接。当运动部件6沿系缆在水中升降运动时，可带动平台部件1一起升降，平台部件1上搭载有多类型的传感器7，传感器7在升降运动中对海洋进行循环、连续的剖面测量。

进一步地，系缆式水下升降平台还包括系缆3，系缆3的两端连接有万向转环31，通过设置平台部件1与运动部件6的转动连接，以及在系缆3两端设置万向转环31，可以实现平台部件1的二维360°转动，在不同方向海流力作用下，平台部件1可以自由转动，进一步地减小平台部件1所受海流的拖曳力。

具体地，平台部件1包括浮力球2、控制单元5和传感器7，浮力球2和控制单元5位于平台部件1的外壳体内，传感器7位于平台部件1的外表面。浮力球2由一定体积和数量的玻璃浮球组成，浮力球2可平衡掉整个平台在水中的重力，从而减少驱动部件4的运动负载；控制单元5内集成有锂电池、锂电池管理组件、驱动控制和数据采集电路板等，可以控制驱动部件4的动作；传感器7主要包括CTD温盐深仪、ACM海流计、溶解氧、荧光剂和浊度计等。

继续参见图3所示，驱动部件4包括电机和联轴器，运动部件6包括主动轮65，电机的输出扭矩通过磁力耦合的方式传递给主动轮65，主动轮65旋转从而使平台部件1沿系缆运动，利用电机的正反转，可以改变平台部件1的运动方向。具体地，电机的输出轴端连接第二内磁转子10，主动轮65连接第二外磁转子20，第二内磁转子10和第二外磁转子20由永磁材料加工成，通过磁力耦合，实现电机扭矩的传递。

运动部件6还包括立板61和第一轴承621，立板61为超高分子量聚乙烯板，立板61开设有贯穿孔，第一轴承621套于贯穿孔内。优选第一轴承621为氧化锆陶瓷复合深沟球轴承，第一轴承621具有内圈、中间圈和外圈相对转动的三层，其中，立板61与第一轴承621的外圈连接，平台部件1与第一轴承621的中间圈连接，从而实现平台部件1与立板61的转动连接。

进一步地，继续参见图3所示，运动部件6还包括密封壳体64和隔离套63，密封壳体64位于第一轴承621右侧，隔离套63位于第一轴承621左侧，密封壳体64、隔离套63与第一轴承621中间圈密封连接，第一轴承621的中间圈设置有密封圈，与密封壳体64、隔离套63之间形成密封，密封壳体64、隔离套63与第一轴承621中间圈通过螺钉固定。驱动部件4与法兰8固定连接，法兰8通过螺钉固定安装在第一轴承621的内圈，实现驱动部件4与第一轴承621内圈的连接。密封壳体64罩设于驱动部件4的电机外，使得驱动部件4中电机、密封壳体64、隔离套63和第一轴承621中间圈、内圈形成一个密封舱体，对电机形成密封保护。平台部件1通过密封壳体64实现与第一轴承621中间圈的连接，即平台部件1连接在密封壳体64右端。通过设置运动部件6的立板61与第一轴承621外圈的连接，以及平台部件1通过密封壳体64与第一轴承621中间圈的连接，可以实现平台部件1与运动部件6的360°转动连接，同时，在第一轴承621上与密封壳体64相对的一侧设置密封隔离套63可以实现对驱动部件4的密封保护，保证驱动部件4在水下正常及长寿命的工作。

进一步地，继续参见图3所示，驱动部件4通过磁力耦合装置9与第一轴承621的外圈连接，磁力耦合装置9包括套板91、第一外磁转子92和第一内磁转子93，套板91通过螺钉与第一轴承621外圈连接，套板91的内环安装永磁材料加工成的第一外磁转子92，驱动部件4中电机本体外部安装永磁材料加工成的第一内磁转子93，第一外磁转子92和第一内磁转子93配合，通过磁力耦合静密封的方式，并经过计算、设计该磁力耦合产生的扭矩大于驱动部件4中电机输出轴端磁力耦合产生的扭矩，实现隔空约束电机本体的转动，从而实现电机与密封壳体64间密封且互不干扰的同时，平台部件1可相对运动部件6进行360°转动。

进一步地，继续参见图2、图3所示，平台部件1还包括一对展翼12，其一展翼12安装在平台部件1外表面，隔离套63左端穿过主动轮65，相对另一展翼12与隔离套63左端固定连接，而由上述可知，隔离套63与第一轴承621中间圈连接，所以在与第一轴承621中间圈连接的平台部件1转动时，会带动展翼12一起转动。计算并调节平台部件1的重心和浮心，使其重心和浮心处在运动部件6的轴向转动轴上，且将平台部件1和运动部件6在水下的净重力调节为零。将平台部件1的重心和浮心设置在运动部件6的转动轴上，在平台部件1外表面设置展翼12，可以尽量使平台部件1保持平衡，在迎着海流方向的作用下最大程度的减小海流对平台部件1的拖曳力，提高传感器7在强流作用下的使用稳定性，减小驱动部件4中电机的功耗。

进一步地，参见图2所示，平台部件1的外壳体有类鱼雷或海豚等低阻流线外形的流体低阻力曲面壳体组成，一般为格兰韦尔线型或双参数椭圆方程驱动的曲面形状；平台部件1的尾部还设置有尾翼11。通过将平台部件1设置呈类鱼雷或海豚等低阻流线外形，以及在平台尾部设置尾翼11，具有流线型低阻力优点，当海流作用时，在流线型低阻壳体和尾翼11的导流作用下，使平台部件1头部始终迎着海流的方向，从而更进一步地减小海流拖曳力。

由于海流的运动是一种三维的流动，它可以从立体的各方向对平台部件1进行流体动力作用；参见图4所示，例如当Ψ1方向的海流作用平台部件1，平台部件1处于匀速上升阶段，由上升运动产生的Ψ2方向的相对海流也作用于平台部件1，平台部件1绕Z轴转动，并与X轴形成δ攻角，由水动力学知识可知，在攻角存在的情况下，平台部件1的流线型低阻壳体和展翼可以把部分流体拖曳力转化为升力，从而减小了由于上升运动带来的拖曳力，降低了直流电机的爬绳功耗，增加了升降总行程。

进一步地，参见图5所示，运动部件6还包括从动轮66、系缆夹69和拉簧68。系缆夹69呈马蹄形，位于立板61上下两端，系缆3穿过系缆夹69，可以约束立板61与系缆3水平方向的相对位置。主动轮65、从动轮66分别位于系缆3的两侧，可以压合系缆3。优选地，主动轮65、从动轮66的内环连接有氧化锆陶瓷轴承。

从动轮66通过摆动杆67与立板61转动连接，摆动杆67的一端与立板61转动连接，摆动杆67的另一端与从动轮66转动连接，从动轮66在自由转动的情况下还可绕摆动杆67进行悬摆运动。拉簧68一端连接从动轮66，另一端连接在立板61上，位于主动轮65方向的一侧，从而可以将从动轮66拉紧，使系缆3与主动轮65、从动轮66的凹槽紧密压合，增加主、从动轮的摩擦阻力，保证运动部件6在升降运动时不会出现打滑现象，同时当系缆上有生物附集时，还可使主、从动轮柔性渡越，增加运动稳定性和可靠性。

进一步地，参见图3所示，驱动部件4通过滑环30、接插件40与平台部件1内控制单元5连接。可以实现平台部件1在转动过程中对驱动部件4的控制。

通过对现有产品和本实施例进行仿真计算，在500lb的绷绳拉力和2m/s的水平海流作用下，现有产品拖曳力产生的摆动角度为19.2°，而本发明的摆动角度仅为4°。本发明通过平台部件1相对运动部件6的可转动连接，减小海流对平台的拖曳力，从而大大减小了在强海流作用下平台的摆动，提高了传感器在强海流作用下的使用稳定性，减小了驱动部件4中电机的功耗，使平台升降速度更加平稳，增加了电池容量周期内的总行程。

实施例2

参见图6所示，与实施例1所不同的是，平台部件1与运动部件6之间的转动连接通过第二轴承622实现，第二轴承622具有外圈、内圈两层。具体的，立板61右侧设置有圆柱状凸起611，第二轴承622套设在圆柱状凸起611外。立板61与第二轴承622的外圈固定连接，密封壳体64与第二轴承622的内圈固定连接，从而实现平台部件1与运动部件6之间的转动连接。

具体地，驱动部件4通过法兰8与立板61固定连接，从而实现驱动部件4对主动轮65的驱动、平台部件1相对运动部件6的转动互不干扰。

实施例3

参见图7所示，与实施例2所不同的是，立板61的右侧表面设置有圆环凹槽612，密封壳体64左端插入圆环凹槽612内，密封壳体64上设置有凸起641，立板61上设置有与凸起641配合的环槽613，环槽613与凸起641配合，即可以限制密封壳体64的水平移动，又可以实现平台部件1与运动部件6之间的转动连接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种系缆式水下升降平台，包括平台部件，可沿系缆升降的运动部件，以及可驱动所述运动部件沿系缆升降的驱动部件，其特征在于：所述运动部件包括立板，以及具有内圈、中间圈和外圈的第一轴承，所述立板与所述第一轴承的外圈连接，所述平台部件与所述第一轴承的中间圈连接，以实现所述平台部件与所述运动部件的转动连接。

2.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：还包括系缆，所述系缆的两端连接有万向转环。

3.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述运动部件还包括分别密封连接于所述第一轴承中间圈两侧的隔离套和密封壳体，所述密封壳体罩设于所述驱动部件，所述平台部件通过连接所述密封壳体与所述第一轴承的中间圈连接。

4.根据权利要求3所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：还包括两个相对设置的展翼，其一所述展翼设置在平台部件外表面，另一所述展翼连接所述隔离套；所述的平台部件的重心和浮心位于所述平台部件相对所述运动部件转动的转动轴上。

5.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述驱动部件分别与所述第一轴承的内圈、所述第一轴承的外圈连接。

6.根据权利要求5所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述驱动部件通过磁力耦合装置与所述第一轴承的外圈连接，所述磁力耦合装置包括与所述第一轴承外圈连接的套板，与所述套板连接的第一外磁转子，以及设置于所述驱动部件外表面的第一内磁转子。

7.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述运动部件还包括拉簧，与所述驱动部件连接的主动轮，以及用于与所述主动轮配合压住系缆的从动轮，所述从动轮通过摆动杆与所述立板转动连接，所述拉簧两端分别连接所述立板和所述从动轮。

8.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述平台部件为低阻流线外形，所述平台部件的尾部设置有尾翼。

9.根据权利要求1所述的系缆式水下升降平台，其特征在于：所述驱动部件通过滑环与所述平台部件的控制单元连接，以实现所述平台部件转动过程中对驱动部件的控制。

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