CN112896476A - 一种大深度水下滑翔机浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种大深度水下滑翔机浮力调节装置，属于水下航行器领域；包括液压控制模块、油囊、活塞式油箱和耐压壳体，通过液压控制模块连通油囊与活塞式油箱；液压控制模块的高压柱塞泵、液压阀和插装滤器均安装于液压阀块上；液压阀包括二位二通阀，三位四通阀，溢流阀和单向阀；液压阀块的一侧壁安装于水密端盖内壁上，其阀块体内开有多个相互连通的油道孔，实现各部件的连通，构成油道回路；液压阀块上一个油口与水密端盖的油口密封连接，另一个油口与活塞式油箱密封连接；电机安装于高压柱塞泵上。通过液压阀块上各液压阀的开闭，控制液压油从油箱流向油囊或从油囊流向油箱内，实现油囊的体积改变，从而使水下航行器所受的浮力大小随之改变。

Description

一种大深度水下滑翔机浮力调节装置

技术领域

本发明属于水下航行器领域，具体涉及一种大深度水下滑翔机浮力调节装置。

背景技术

水下航行器是一种探测水下世界的利器，它可以通过调节自身浮力来完成下潜和上浮，再加上其他的动力装置，可以实现在水下高机动性航行与探测，在海洋环境监测和海底资源勘探方面有着广泛的应用场景。

随着海洋探索的深入，对水下航行器的要求越来越高，要求更高的续航能力和更深的下潜深度。浮力调节系统是航行器实现上浮和下潜的主要动力部件，能耗比例较高，合理降低浮力调节系统的能耗可以提高续航能力。

目前，已有多种依靠液压方式实现改变航行器自身重浮力的系统，例如专利：一种外油囊式水下滑翔机浮力调节装置[P].CN110667811A,2020-01-10.该专利中给出了一种外油囊式的浮力调节装置，这种装置采用一个齿轮泵串联柱塞泵的双泵组合，但这种模式在大深度下回油会使齿轮泵的进口处承受的压力较大，装置的噪声变大，甚至会使装置无法在大深度水域正常工作；由于油路中缺乏控制液压油流速的设计，因此无法精确控制外油囊中的液压油体积，因而无法实现滑翔机上浮与下潜速度的精确控制；由于装置全部依靠泵的工作实现航行器的重浮力，没能充分利用海水的压力能，因此能耗较高；由于这种装置中的活塞式油箱中活塞与活塞缸之间的摩擦力较大，加上装置内部的气压变化，当装置从内油箱向外油囊排油时，活塞运动会出现卡顿，导致系统中会出现较大的压力波动。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大深度水下滑翔机浮力调节装置，可以使水下航行器实现3000m大深度下潜，并且能够精确控制水下航行器上浮与下潜的速度。另外可以通过利用水压回油、内部结构优化实现节能的目的。

本发明的技术方案是：一种大深度水下滑翔机浮力调节装置，其特征在于：包括液压控制模块15、油囊1、活塞式油箱8和耐压壳体16，所述液压控制模块15和活塞式油箱8设置于耐压壳体16内，油囊1设置于耐压壳体16外，通过液压控制模块15连通油囊1与活塞式油箱8；

所述耐压壳体16包括回转式缸体与水密端盖14，所述回转式缸体的开口端通过水密端盖14封闭；所述水密端盖14上开有油口，用于油囊1与液压控制模块15的连通；

所述液压控制模块15包括液压阀块24、液压阀、高压柱塞泵5、电机11、插装滤器7，其中高压柱塞泵5、液压阀和插装滤器7均安装于液压阀块24上；所述液压阀包括二位二通阀2、9、10、12，三位四通阀3，溢流阀6和单向阀4；液压阀块24的一侧壁安装于水密端盖14内壁上，其阀块体内开有多个相互连通的油道孔，实现各部件的连通，构成油道回路；液压阀块24上开有两个油口，一个与水密端盖14的油口密封连接，另一个与活塞式油箱8密封连接；所述电机11安装于高压柱塞泵5上；

所述活塞式油箱8包括活塞缸19、活塞18、弹簧20、油箱端盖17、红外测距仪21；所述活塞缸19为两端开口的圆筒油箱，同轴安装于回转式缸体内，其底部同轴密封安装有油箱端盖17；油箱端盖17的外壁面与液压阀块24固定，其壁面上开有油口，用于与液压阀块24上的油口连通；活塞18密封安装于活塞缸19内，能够沿轴向位移；所述弹簧20的一端与活塞18固定，另一端与回转式缸体内底面固定；所述红外测距仪21安装于活塞18外端面，用于测量活塞18位置，从而计算获得油箱内液压油体积；

通过液压阀块24上各液压阀的开闭，控制液压油从油箱流向油囊1或从油囊1流向油箱内，实现油囊1的体积改变，从而使水下航行器所受的浮力大小随之改变。

本发明的进一步技术方案是：所述油囊1由耐压橡胶制备，其油口固定于水密端盖14上，并于水密端盖14上的油口密封连接。

本发明的进一步技术方案是：所述液压阀块24上各部件连接关系分别为：二位二通阀2与节流阀13并联后，一端与液压阀块24的出油口连接，另一端与二位二通阀12的一端连接；二位二通阀12另一端与三位四通阀3的A口相连，三位四通阀3的B口与二位二通阀9的一端相连，二维二通阀9的另一端通过插装滤器7后与活塞式油箱8相连通；三位四通阀3的P口与单向阀4的一端连通，单向阀4的另一端与高压柱塞泵5的出油口相连，高压柱塞泵10的出油口与一个和溢流阀6并联的二位二通阀10相连，二位二通阀10通过插装滤器7后与活塞式油箱8相连；三位四通阀3的T口直接与高压柱塞泵5的进油口相连通。

本发明的进一步技术方案是：所述油箱端盖17上有两个通孔，分别是注油孔22与排气孔23，系统工作时两个孔由堵头堵住；当航行器被打捞上岸检修或初次注油使用时，同时打开两个孔，便于排气与补油。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.由于齿轮泵扬程较低，在压力大的情况下无法正常工作的问题，且齿轮泵入口压力大时，会出现噪声大，甚至无法正常工作的问题，因此本发明采用扬程更高的高压柱塞泵，通过阀控实现吸排油：当三位四通阀处于右位，二位二通阀10处于左位，二位二通阀处于右位，二位二通阀12处于右位时，系统在柱塞泵的作用下从活塞式油箱8向外油囊1中排油；当三位四通阀3处于左位，二位二通阀9处于左位，二位二通阀10处于右位，二位二通阀12处于右位时，系统在柱塞泵的作用下从油囊1向外活塞式油箱8中排油，当三位三通阀处于中位，二位二通阀10、二位二通阀9处于右位，二位二通阀处于左位时，系统停止工作，保持外油囊的体积不变。本发明用单个柱塞泵和阀控的方式代替了背景技术中双泵，解决了大深度下系统无法正常的问题，实现了水下航行器实现3000m的大深度安全下潜。

2.在高压柱塞泵的吸口处加装溢流阀，当外部压力过大时，溢流阀开始工作泄压，避免在大水深上浮的工况时柱塞泵吸口处压力过大的问题，保护柱塞泵，进一步保证系统在3000m的深水正常工作。

3.系统中利用节流阀和二位二通阀并联的方式来实现油量粗调和微调：通过节流阀精确控制流速，在需要大流量时，打开与节流阀并联的二位二通阀，可以实现快速吸排油；在需要微调时，关闭与节流阀并联的二位二通阀，仅通过节流阀调节。以此方法，解决了背景技术中无法精确控制下潜速度的问题，实现了精确地吸排油量的控制，进而控制水下航行器的上浮或下潜速度。

4.在水下航行器深度足够大时，可以利用水压将油囊里的液压油压回油箱：当三位四通阀3处于中位，二位二通阀9处于左位，二位二通阀10处于右位，二位二通阀12处于右位时，系统可利用水将液压油从外油囊1中排向活塞式油箱8中，此时泵停止工作，解决了背景技术能耗较高的问题，以达到节能的目的。

5.另外，在活塞处加装弹簧，来克服从油箱到油囊排油时活塞受到的摩擦力，避免出现油泵吸口处出现较大的压力脉动，弹簧弹力最小时，约等于活塞所受摩擦力。

附图说明

图1为本发明水下航行器浮力调节装置总体液压油路图；

图2为本发明水下航行器浮力调节装置结构示意图；

图3为本发明液压控制模块结构示意图；

图4为本发明中电机与高压柱塞泵连接示意图；

图5为本发明活塞式油箱结构示意图；

附图标记说明：1.油囊；2.二位二通阀；3.三位四通阀；4.单向阀；5.高压柱塞泵；6.溢流阀；7.插装滤器；8.活塞式油箱；9.二位二通阀；10.二位二通阀；11.电机；12.二位二通阀；13.节流阀；14.水密端盖；15.液压控制模块；16.耐压壳体；17.油箱端盖；18.活塞；19.活塞缸；20.弹簧；21.红外测距仪；22.注油孔；23.排气孔；24.液压阀块。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

如图1所示，一种水下航行器浮力调节装置，包括液压控制模块15、油囊1、活塞式油箱9、耐压壳体16，通过液压控制模块15，控制液压油流入或流出油囊1，达到控制油囊1排水体积的作用，实现水下航行器的浮力调节。

所述的液压控制模块15包括液压阀块24、液压阀、高压柱塞泵5、电机11以及插装滤器7，所述耐压壳体16与水密端盖14一起组成水密舱段，所述水密端盖14上安装有液压阀块，所述的液压阀包括二位二通阀2、二位二通阀9、二位二通阀10、二位二通阀12、三位四通阀3、单向阀4和溢流阀6，上述液压阀与插装滤器7都安装在液压阀块24上，通过液压阀块24中的油道相互连通，具体连通方式如图1所示。液压阀块24上另外还开有两个油口，一个与活塞式油箱8相连，另一个通过水密端盖14与油囊1相连。

所述的油囊1由特种橡胶所制，可耐高压，安装于水密舱体外，与通过水密舱端盖14与水密舱内的液压阀块24相连，通过改变油囊1体积的大小即可调节整个水下航行器的排水体积，实现改变其浮力的目的，配合安装在水密端盖14上的深度计，可以使航行器快速准确的到达指定深度。

所述的活塞式油箱8至少由活塞缸19、活塞18、弹簧20、油箱端盖17、红外测距仪21组成。所述的活塞缸即为油箱，在其缸体上有两个孔，系统工作时两个孔由堵头堵住；当系统内液压油不足时，同时打开两个孔，便于排气与补油。所述的活塞会随着油箱内液压油体积的变化而在活塞缸内移动，活塞外安装弹簧，帮助吸油时克服摩擦力，起到节能作用。所述的红外测距仪安装于弹簧侧，用于测量活塞位置，从而推测出油箱内液压油体积，所述油箱端盖与液压控制模块中的液压阀块相连。

工作过程：

航行器上浮的情况下，在电控系统的控制下控制液压系统液压阀的启闭，使液压油从活塞式油箱流向油囊，活塞向靠近油箱前端盖的方向移动，油囊的体积变大，排水体积便增加，航行器所受的浮力便增大，便实现航行器上浮；上浮时液压回路，二位二通电磁阀10处于开启状态，二位二通阀2处于开启状态，三位四通阀3处于右位，二位三通阀12处于开启状态，液压油从活塞式油箱8，通过主体阀块的内部油路前后流经插装滤器7、二位二通阀10、高压柱塞泵5、单向阀4、三位四通阀3、二位二通阀12后，经节二位二通阀2后最终流到油囊1；外油囊体积变大，航行器所受浮力随之变大，便实现上浮功能。在活塞向靠近油箱端盖的方向移动时，可能会出现压力小于摩擦力的情况，进而使泵吸口处的油压出现脉动，压力脉动可能会对泵造成损害，为避免此类情况，在活塞不接触液压油的一侧加装弹簧，用弹簧的弹力抵消摩擦力，避免液压出现脉动，也可提高泵吸口压力，使吸油更容易，达到节能的目的。若需要对油囊中油量进行微调，可将二位二通阀2置于关闭状态，利用节流阀13以小流量的方式对油囊中的油量进行更精细的微调，以免出现过大的超调量。

航行器下沉工况下，使内油箱进油，油囊出油，液压油从油囊流向活塞式油箱，活塞向远离油箱前端盖的方向移动，油囊体积减小，排水体积便减少，航行器所受浮力便减小，便实现航行器下沉；航行器下沉可分为主动和被动两种工况。主动下沉工况的液压回路，二位二通阀10关闭状态，二位二通阀9处于开启状态，三位四通阀3处于左位，二位二通阀2、二位二通阀12处于开启状态，油囊1中的液压油先后流经二位二通阀2、二位二通阀12、三位四通阀3、二位二通阀9、插装滤器7，最终流到活塞式油箱8。当水深较深时，油囊1中液压油所具有的压力较大，会导致高压柱塞泵5吸口处的吸入压力过大，进而会损坏高压柱塞泵5，为避免这种情况，在柱塞泵5吸口处加装有溢流阀6，可以保证泵吸口处的压力不会过大，以免对柱塞泵5造成损坏。若需要对油囊中油量进行微调，可将二位二通阀2置于关闭状态，利用节流阀13以小流量的方式对油囊中的油量进行更精细的微调，以免出现过大的超调量。

在水深较深，水压较大的情况下，可以使用被动下沉工况使航行器下沉，被动下沉工况的液压回路二位二通阀10处于关闭状态，三位四通阀4处于中位，二位二通阀2、二位二通阀9、二位二通阀12处于开启状态，此时外界水压较大，因此油囊1中的压力大于活塞式油箱9中的压力，液压油便会从油囊1中流出，先后流经二位二通阀2、二位二通阀12、三位四通阀3、二位二通阀9、插装滤器7，最终流至活塞式油箱8。

当浮力调节系统到达指定浮力，需要保持浮力不变时，需使二位二通阀12处于关闭状态，将油囊1中的液压油锁住，保持航行器的浮力不变。

航行器下沉和上浮的速度取决于外油囊的排水体积，外油囊体积越大，航行器所受浮力就越大，若要改变航行器下沉或上浮的速度，便只需要控制液压系统，改变液压油的流向，外油囊内液压油的量便能改变。通过上述过程，便实现了航行器的下沉和上浮控制，以及下沉和上浮的速度控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种大深度水下滑翔机浮力调节装置，其特征在于：包括液压控制模块(15)、油囊(1)、活塞式油箱(8)和耐压壳体(16)，所述液压控制模块(15)和活塞式油箱(8)设置于耐压壳体(16)内，油囊(1)设置于耐压壳体(16)外，通过液压控制模块(15)连通油囊(1)与活塞式油箱(8)；

所述耐压壳体(16)包括回转式缸体与水密端盖(14)，所述回转式缸体的开口端通过水密端盖(14)封闭；所述水密端盖(14)上开有油口，用于油囊(1)与液压控制模块(15)的连通；

所述液压控制模块(15)包括液压阀块(24)、液压阀、高压柱塞泵(5)、电机(11)、插装滤器(7)，其中高压柱塞泵(5)、液压阀和插装滤器(7)均安装于液压阀块(24)上；所述液压阀包括二位二通阀(2)、(9)、(10)、(12)，三位四通阀(3)，溢流阀(6)和单向阀(4)；液压阀块(24)的一侧壁安装于水密端盖(14)内壁上，其阀块体内开有多个相互连通的油道孔，实现各部件的连通，构成油道回路；液压阀块(24)上开有两个油口，一个与水密端盖(14)的油口密封连接，另一个与活塞式油箱(8)密封连接；所述电机(11)安装于高压柱塞泵(5)上；

所述活塞式油箱(8)包括活塞缸(19)、活塞(18)、弹簧(20)、油箱端盖(17)、红外测距仪(21)；所述活塞缸(19)为两端开口的圆筒油箱，同轴安装于回转式缸体内，其底部同轴密封安装有油箱端盖(17)；油箱端盖(17)的外壁面与液压阀块(24)固定，其壁面上开有油口，用于与液压阀块(24)上的油口连通；活塞(18)密封安装于活塞缸(19)内，能够沿轴向位移；所述弹簧(20)的一端与活塞(18)固定，另一端与回转式缸体内底面固定；所述红外测距仪(21)安装于活塞(18)外端面，用于测量活塞(18)位置，从而计算获得油箱内液压油体积；

通过液压阀块(24)上各液压阀的开闭，控制液压油从油箱流向油囊(1)或从油囊(1)流向油箱内，实现油囊(1)的体积改变，从而使水下航行器所受的浮力大小随之改变。

2.根据权利要求1所述大深度水下滑翔机浮力调节装置，其特征在于：所述油囊(1)由耐压橡胶制备，其油口固定于水密端盖(14)上，并于水密端盖(14)上的油口密封连接。

3.根据权利要求1所述大深度水下滑翔机浮力调节装置，其特征在于：所述液压阀块(24)上各部件连接关系分别为：二位二通阀(2)与节流阀(13)并联后，一端与液压阀块(24)的出油口连接，另一端与二位二通阀(12)的一端连接；二位二通阀(12)另一端与三位四通阀(3)的A口相连，三位四通阀(3)的B口与二位二通阀(9)的一端相连，二维二通阀(9)的另一端通过插装滤器(7)后与活塞式油箱(8)相连通；三位四通阀(3)的P口与单向阀(4)的一端连通，单向阀(4)的另一端与高压柱塞泵(5)的出油口相连，高压柱塞泵(10)的出油口与一个和溢流阀(6)并联的二位二通阀(10)相连，二位二通阀(10)通过插装滤器(7)后与活塞式油箱(8)相连；三位四通阀(3)的T口直接与高压柱塞泵(5)的进油口相连通。

4.根据权利要求1所述大深度水下滑翔机浮力调节装置，其特征在于：所述油箱端盖(17)上有两个通孔，分别是注油孔(22)与排气孔(23)，系统工作时两个孔由堵头堵住；当航行器被打捞上岸检修或初次注油使用时，同时打开两个孔，便于排气与补油。

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