CN110667808A - 一种浮力调节装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浮力调节装置及浮力调节方法，属于浮力调节技术领域，包括：水密耐压舱、设置在所述水密耐压舱内的浮力转换装置、以及动力控制系统，所述浮力转换装置包括上下分隔开的外油囊和内油囊，所述外油囊内设有外活塞，所述内油囊内设有内活塞，所述外活塞和内活塞通过活塞杆连接以实现同步移动，所述外油囊和内油囊分别通过管路与动力控制系统连通以调节外油囊和内油囊的液压油体积分配比例。本发明的外油囊和内油囊均为刚性结构，液压油在外油囊和内油囊中的移动与分配始终在刚性结构的约束下变化，其形状的变化近似规则形状的刚性体线性关系变化，因此本发明的浮力调节装置的质心变化是规则的、可预知、可控的。

Description

一种浮力调节装置及调节方法

技术领域

本发明属于浮力调节技术领域，具体涉及一种水下运作设备的浮力调节装置及调节方法。

背景技术

浮力调节装置可以在深海环境中实现自身或载体的连续升沉、悬浮控制。目前的浮力调节装置主要分为抛载式、海水泵式和油泵软油囊式，抛载式浮力调节系统对于深潜器的浮力调节是一次性不可反复使用的，多是作为辅助或应急使用；海水泵式对设备要求高，成本高技术难度大；而油泵软油囊式则对载体的依赖性强，通用性差。

基于上述问题，现有技术(CN206644970U)提供一种浮力调节设备，包括；壳体；浮力转换装置，包括分别安装在所述壳体上且相互连通的双向油缸油囊，所述双向油缸的活塞的一端面积小于另一端的面积，且面积小的一端与海水接触；油路控制装置，控制所述双向油缸和所述油囊之间的油路通断；动力装置，通过油路控制装置使双向油缸和油囊之间的油进行流动；压力监控装置，用于监控浮力转换装置的压力和位移变化，并触发动力装置工作。该现有技术利用双向油缸的活塞利用两端之间的面积差，可以使设备内部压力从海水压力处得到补偿，使双向油泵两端的压力差大大减小，无需选用高压油泵，对油泵与内部元件的要求大大降低，成本降低。该现有技术调控双向油缸和油囊之间的油量变化，使油囊体积变化，并利用活塞两端的面积差控制浮力大小，油囊为柔性材质，导致调节过程中稳定性差、质心控制不稳定。

发明内容

基于上述背景问题，本发明旨在提供一种浮力调节装置，通过内外刚性油囊的液压油体积分配比例的变化推动外活塞和内活塞移动，从而调节排水体积以调节浮力，质心变化规则，有利于系统质心状态可预知的控制，解决了现有技术稳定性差、质心控制不稳定的缺陷；本发明的另一目的是提供使用上述浮力调节装置的浮力调节方法。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种浮力调节装置，包括：水密耐压舱、设置在所述水密耐压舱内的浮力转换装置、以及动力控制系统，所述浮力转换装置包括上下分隔开的外油囊和内油囊，所述外油囊内设有外活塞，所述内油囊内设有内活塞，所述外活塞和内活塞通过活塞杆连接以实现同步移动，所述外油囊和内油囊分别通过管路与动力控制系统连通以调节外油囊和内油囊的液压油分配比例。

在一个实施例中，所述水密耐压舱内水平设有隔板，所述隔板和外活塞合围形成所述外油囊，所述隔板与内活塞合围形成所述内油囊，所述活塞杆穿过所述隔板将外活塞和内活塞连接。

优选地，所述活塞杆与外活塞和内活塞均刚性连接。

其中，所述外油囊通过外油管与动力控制系统连通，所述内油囊通过内油管与动力控制系统连通。

优选地，所述外油管与外油囊连通的一端紧贴所述隔板设置，所述内油管与内油囊连通的一端紧贴所述隔板设置。

在一个实施例中，所述水密耐压舱内、内油囊的下方设有空腔，所述动力控制系统设置在所述空腔内。

优选地，所述浮力调节装置还包括用于实时监测内活塞位移的位移传感器，所述位移传感器设置在所述空腔内。

更优选地，所述位移传感器为激光位移传感器。

为了实现上述目的，本发明还提供一种浮力调节方法，使用上述浮力调节装置，通过动力控制系统调节外油囊和内油囊的液压油体积分配比例，进而调节浮力调节装置的排水体积以调节浮力。

其中，所述浮力调节方法包括以下步骤：

S1、当需要浮力增大时，动力控制系统将内油囊内的液压油从管路吸出并排入外油囊内，外油囊压力增大、内油囊压力减小、从而推动内外活塞同步上移，浮力调节装置的排水体积增大进而浮力增大；

S2、当需要浮力减小时，动力控制系统将外油囊内的液压油从管路吸出并排入内油囊内，外油囊压力减小、内油囊压力增大，内外活塞同步下移，浮力调节装置的排水体积减小进而浮力减小。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、本发明的外油囊和内油囊均为刚性结构，液压油在外油囊和内油囊中的移动与分配始终在刚性结构的约束下变化，其形状的变化近似规则形状的刚性体线性关系变化，相比现有技术中油囊由柔性材质制成导致液压油的移动质心不稳定，本发明的浮力调节装置的质心变化是规则的、可预知、可控的。

2、本发明的水密耐压舱底部设有位移传感器，可以实时测量内活塞的位移，从而通过计算可以得到实时浮力调节体积变化的真值。

3、本发明采用激光位移传感器，相关测量基准确定，一次标定长期有效，不存在累积误差、不需要每次上电标定，从而系统重复精度高，不受系统断电影响。

4、本发明的外活塞和内活塞通过活塞杆刚性连接，进而可以监测外活塞的位移值，外活塞的位移值不会因外油囊液压油受工作环境压力压缩变化而失真，该测量值始终反映的是真实的外部排水体积真实值，从而做到高精度控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例中浮力调节装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出超出本系统工作原理的创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于说明书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。

为了解决现有技术中油囊为柔性结构存在的调节过程中稳定性差、质心控制不稳定的缺陷，本发明提供一种浮力调节装置，如图1所示，包括：水密耐压舱1、设置在所述水密耐压舱1内的浮力转换装置、以及动力控制系统5，所述浮力转换装置包括上下分隔开的外油囊2和内油囊3，所述外油囊2内设有外活塞201，所述内油囊3内设有内活塞301，所述外活塞201和内活塞301通过活塞杆4连接以实现同步移动，所述外油囊2和内油囊3分别通过管路与动力控制系统5连通以调节外油囊2和内油囊3的液压油分配比例，从而实现浮力调节。本发明的外油囊2和内油囊3均为刚性结构，液压油在外油囊2和内油囊3中的移动与分配始终在刚性结构的约束下变化，其形状的变化近似规则形状的刚性体线性关系变化，因此本发明的浮力调节装置的质心变化是规则的、可预知、可控的。

在本实施例中，如图1所示，所述水密耐压舱1通过两端均开口的筒体以及固定在筒体底端的底板形成，具体的，底板通过螺栓与筒体连接且通过密封件密封。

在本实施例中，如图1所示，所述水密耐压舱1内水平设有隔板101，隔板101为水密耐压隔板，所述隔板101、外活塞201、以及水密耐压舱1内壁合围形成所述外油囊2，外活塞201外缘通过密封件与水密耐压舱1的内壁贴和；所述隔板101、内活塞301、水密耐压舱1内壁合围形成所述内油囊3，内活塞301外缘通过密封件与水密耐压舱1的内壁贴和，所述活塞杆4穿过所述隔板101将外活塞201和内活塞301连接。具体的，所述活塞杆4与外活塞201和内活塞301均刚性连接，这样可以通过后述的位移传感器6监测得到的内活塞301的位移值得到外活塞201的位移值。

为了控制液压油在外油囊2和内油囊3之间流通，所述外油囊2通过外油管202与动力控制系统5连通，所述内油囊3通过内油管302与动力控制系统5连通，具体的，所述外油管202与外油囊2连通的一端紧贴所述隔板101设置，所述内油管302与内油囊3连通的一端紧贴所述隔板101设置。本实施例中，所述动力控制系统5为油泵系统，所述水密耐压舱1内、内油囊3的下方设有空腔，所述动力控制系统5设置在所述空腔内，动力控制系统5供电及信号控制通过安装在水密耐压舱1底板上的水密连接器实现外部供电及控制。需要说明的是，本发明的动力控制系统并不局限于本实施例中的油泵系统，其他形式的液压控制系统均可，另需说明的是，所述油泵系统、液压控制系统均为现有技术，本实施例将不再做具体赘述。

为了对内活塞301的位移进行监测以实现浮力的精准调控，所述浮力调节装置还包括位移传感器6，所述位移传感器6通过螺钉设置在所述空腔内，本实施例中的位移传感器6选用激光位移传感器，可精确测量内活塞301的移动，进而通过计算获得实时浮力调节体积变化值，使用激光位移传感器，相关测量基准确定，一次标定长期有效，不存在累积误差、不需要每次上电标定，从而系统重复精度高，不受系统断电影响。具体使用时，可以通过控制面板设置调节值，控制器控制动力控制系统5工作，当位移传感器6监测到的体积变化值达到设定值时将信号传递给控制器，控制器控制动力控制系统5停止运行，从而实现精确调控。

利用上述浮力调节装置的浮力调节方法是：通过动力控制系统5调节外油囊2和内油囊3的压力、实现内外油囊液压油体积的变化分配，进而通过调节浮力调节装置的排水体积以调节浮力。具体的：

当需要浮力增大时，动力控制系统5控制内油囊3内的液压油从内油管302吸出，再通过外油管202排入外油囊2内，由于内油囊3内液压油减少，内油囊3内部压力降低，而外油囊2内液压油增多压力增大，由于外油囊2和内油囊3均为刚性结构，外油囊2压力增大从而推动外活塞201上移，内活塞301在活塞杆4的带动下同步上移，浮力调节装置的排水体积进而增大、浮力增大。

当需要浮力减小时，动力控制系统5控制外油囊2内的液压油从外油管202吸出，再通过内油管302排入内油囊3内，由于外油囊2内液压油减少，外油囊2内部压力降低，而内油囊3内液压油增多压力增大，由于外油囊2和内油囊3均为刚性结构，内油囊3压力增大从而推动内活塞301下移，外活塞201在活塞杆4的带动下同步下移，浮力调节装置的排水体积进而减小、浮力减小。

在浮力调节过程中位移传感器6实时检测内活塞301的位移值，通过计算获得实时浮力调节体积变化值。由于内活塞301、外活塞201、活塞杆4是刚性连接，因此位移传感器6通过读取内活塞301的当前位移值间接获取了外活塞201的当前位移值，外活塞201的位移值不以外油囊2内的液压油受工作环境压力压缩变化而失真，即该测量值始终反映的是真实的外部排水体积真实值，能够做到高精度控制。

本发明中，水密耐压舱1的顶端开口，因此外油囊2与外界工作水体压力一致，相关封闭空间结构只是实现液压油与外部的隔离作用，因此本发明结构在保证必要力学结构强度条件下可以设计的很薄，以减轻系统的自重。本发明采用液压油作为浮力调节工作介质相比直接采用环境水体作为浮力调节介质该系统具有不易受外部环境污染影响，具有工作寿命长、可靠性高、控制精确稳定等优点。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造工作原理构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种浮力调节装置，包括：水密耐压舱、设置在所述水密耐压舱内的浮力转换装置、以及动力控制系统，其特征在于，

所述浮力转换装置包括上下分隔开的外油囊和内油囊，所述外油囊内设有外活塞，所述内油囊内设有内活塞，所述外活塞和内活塞通过活塞杆连接以实现同步移动，所述外油囊和内油囊分别通过管路与动力控制系统连通以调节外油囊和内油囊的液压油分配比例。

2.根据权利要求1所述的浮力调节装置，其特征在于，所述水密耐压舱内水平设有隔板，所述隔板和外活塞合围形成所述外油囊，所述隔板与内活塞合围形成所述内油囊，所述活塞杆穿过所述隔板将外活塞和内活塞连接。

3.根据权利要求2所述的浮力调节装置，其特征在于，所述活塞杆与外活塞和内活塞均刚性连接。

4.根据权利要求3所述的浮力调节装置，其特征在于，所述外油囊通过外油管与动力控制系统连通，所述内油囊通过内油管与动力控制系统连通。

5.根据权利要求4所述的浮力调节装置，其特征在于，所述外油管与外油囊连通的一端紧贴所述隔板设置，所述内油管与内油囊连通的一端紧贴所述隔板设置。

6.根据权利要求2所述的浮力调节装置，其特征在于，所述水密耐压舱内、内油囊的下方设有空腔，所述动力控制系统设置在所述空腔内。

7.根据权利要求6所述的浮力调节装置，其特征在于，所述浮力调节装置还包括用于实时监测内活塞位移的位移传感器，所述位移传感器设置在所述空腔内。

8.根据权利要求7所述的浮力调节装置，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器。

9.一种浮力调节方法，使用权利要求1所述的浮力调节装置，其特征在于，通过动力控制系统调节外油囊和内油囊的液压油体积分配比例，进而调节浮力调节装置的排水体积以调节浮力。

10.根据权利要求9所述的浮力调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、当需要浮力增大时，动力控制系统将内油囊内的液压油从管路吸出并排入外油囊内，外油囊压力增大、内油囊压力减小、从而推动内外活塞同步上移，浮力调节装置的排水体积增大进而浮力增大；

S2、当需要浮力减小时，动力控制系统将外油囊内的液压油从管路吸出并排入内油囊内，内油囊压力增大、外油囊压力减小、内外活塞同步下移，浮力调节装置的排水体积减小进而浮力减小。

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