CN113455435B - 一种变体积深海蝶形网箱及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变体积深海蝶形网箱，中心柱依次穿设于上蝶形网箱及下蝶形网箱的中部，上蝶形网箱与下蝶形网箱对称设置，两者的相背端分别通过上法兰盘、下法兰盘与中心柱的端部连接，相对端分别与中心柱中部转动连接，外周通过多个销连接，上法兰盘、下法兰盘分别与信号采集器连接，水下发电牵引平台与下法兰盘连接，控制系统安装于水下发电牵引平台上并与其信号连接，上蝶形网箱、下蝶形网箱、信号采集器分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。本发明可以有效地避免由波浪运动的冲击力造成各杆件之间的碰撞引起的破坏，可节省大量劳动力，避免工人恶劣环境中下水工作发生安全事故，面对突变环境，能及时做出反应，避免给网箱造成破坏。

Description

一种变体积深海蝶形网箱及其调控方法

技术领域

本发明涉及深海养殖领域，尤其是涉及一种变体积深海蝶形网箱及其调控方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，海洋水产资源需求不断加大，鲜活的水产品作为一种健康食品已成为大中小城市、饭店及广大市民的首选品种之一。单凭自然捕捞作业方式已经不可能满足市场对海产品的需求，也不能保证海洋渔业的可持续发展。因此，全球各国(特别是海洋资源丰富的近海国家)开始研究并进入深海网箱养殖领域，开辟全新的现代化低碳环保的人工海洋牧场。

我国传统养殖所使用的网箱绝大部分为内湾浅水海域养殖，然而，随着养殖密度不断增高，病害频发、品质下降、成本升高，风险增大等一系列问题相继出现，因此海水网箱养殖不断走向深水海域。随着不断向深海延伸，海洋环境也更加恶劣，网箱受到的冲击和破坏强度也越来越大。深海网箱在对抗海风、海浪和暗流是一个巨大的挑战，很容易造成“网毁鱼逃”的灾难性后果，给渔民造成巨大的经济财产损失。

为解决以上问题，出现了很多发明，例如CN102613118A公开了一种能量自供型多功能深海网箱，把发电装置平行排列在网箱的框架上利用潮流能来发电；CN112273304A公开了一种蜂窝结构的大型深海网箱，将外界载荷均匀转化到整个网箱浮架，将管材的弯曲力转化为管材的压缩力，来提高网箱整体的抗波浪流性能；CN210168761U公开了一种自动升降的半潜式深海网箱，将多个气囊单元之间独立设置，通过改变气囊的充气量实现网箱上浮和下沉；CN207151622U公开了一种拼接升降式海域养殖网箱，使用模块化拼接件，提高安装效率。以上发明解决了深海网箱的各种各样问题，但是模块化拼接中只是实现了模块化，并不能减小体积，增加了运输成本；实现网箱下潜和升降功能，大都是通过改变自重或浮力来调节，这种方式很难做到网箱悬浮在想要的水下深度，只有在浮力恰好等于重力时才能悬浮，这种平衡状态很容易受到各种因素破坏，造成悬浮不稳定；遭受风暴时，大多网箱支架连接都是刚性连接，因风浪的冲击力会加速疲劳破坏。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种变体积深海蝶形网箱，并提供了其调控方法，在保证抗冲击性能的同时，缩小体积、节约成本，保证安全性，实现稳定悬停。

技术方案：一种变体积深海蝶形网箱，包括上蝶形网箱、下蝶形网箱、中心柱、水下发电牵引平台、信号采集器、浮力系统和控制系统，中心柱依次穿设于上蝶形网箱及下蝶形网箱的中部，上蝶形网箱与下蝶形网箱对称设置，两者的相背端分别通过上法兰盘、下法兰盘与中心柱的端部连接，相对端分别与中心柱中部转动连接，外周通过多个销连接，上法兰盘、下法兰盘分别与信号采集器连接，水下发电牵引平台与下法兰盘连接，浮力系统安装于中心柱上，控制系统安装于水下发电牵引平台上并与其信号连接，上蝶形网箱、下蝶形网箱、信号采集器、浮力系统分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。

进一步的，上蝶形网箱包括上螺母、以及围绕上法兰盘周向间隔均布的多个上变形机构，上变形机构包括杆一、杆二、杆三、杆四、杆五、伺服马达一、伺服马达二、网箱上骨架，杆一一端和网箱上骨架一端通过伺服马达一铰接形成一个整体，杆一的另一端与上法兰盘铰接，网箱上骨架另一端通过销与下蝶形网箱连接，杆二一端与杆三一端通过伺服马达二铰接形成一个整体，杆二另一端在靠近伺服马达一处与杆一的外周面铰接，杆三的另一端与上螺母外周面铰接，上螺母与中心柱螺旋连接，杆四与杆五端部固定，杆四的另一端与杆二铰接，杆五的另一端与杆三铰接，四者构成多边形结构，伺服马达一、伺服马达二分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。

进一步的，下蝶形网箱包括下螺母、以及围绕下法兰盘周向间隔均布的多个下变形机构，下变形机构包括杆六、杆七、杆八、杆九、杆十、伺服马达三、伺服马达四、网箱下骨架，杆六一端和网箱下骨架一端通过伺服马达三铰接形成一个整体，杆六的另一端与下法兰盘铰接，网箱下骨架另一端通过销与网箱上骨架连接，杆七一端与杆八一端通过伺服马达四铰接形成一个整体，杆七另一端在靠近伺服马达三处与杆六的外周面铰接，杆八的另一端与下螺母外周面铰接，下螺母与中心柱螺旋连接，下螺母结构与上螺母相同，杆九与杆十端部固定，杆九的另一端与杆七铰接，杆十的另一端与杆八铰接，四者构成多边形结构，伺服马达三、伺服马达四分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。

网箱的外围被网衣包裹，杆一、网箱上骨架、网箱下骨架、杆六四者依次连接构成一个网衣骨架，每相邻两个网衣骨架之间分别安装有网衣。

最佳的，上螺母包括螺母外圈、齿轮圈、轴瓦、行星轮、第一电机、太阳轮、行星架，齿轮圈设置于螺母外圈内并通过轴瓦与螺母外圈转动连接，太阳轮设置于齿轮圈内，两者之间沿周向设有多个行星轮，多个行星轮通过行星架依次连接成一体并分别与齿轮圈和太阳轮啮合，第一电机安装在螺母外圈上，其电机轴与其中一个行星轮的转轴连接，太阳轮与中心柱螺纹连接。

进一步的，中心柱中部的外周面上设有螺纹一段、螺纹二段，螺纹一段与螺纹二段旋转方向相反，上蝶形网箱与螺纹一段连接，下蝶形网箱与螺纹二段连接，中心柱的内部为中空结构。

进一步的，水下发电牵引平台包括底座、中心支撑柱、顶板、发电装置、蓄能器、缆索装置、固定法兰盘，顶板与底座中心对称上下间隔设置并通过中心支撑柱连接，顶板与底座之间安装有多个呈周向间隔均布的发电装置，缆索装置在顶板的上表面呈周向间隔排列设有多个，缆索装置一端与顶板连接，另一端通过固定法兰盘在中心柱下端与下法兰盘连接，蓄能器设在底座上表面中心支撑柱的周向，多个发电装置分别与蓄能器连接，控制系统安装在顶板上，上蝶形网箱、下蝶形网箱、信号采集器、控制系统分别与蓄能器信号连接。

最佳的，发电装置包括发电机、发电机叶片、发电机转轴，发电机安装在顶板底部，其发电机转轴朝下竖直设置，发电机叶片与发电机转轴连接，蓄能器与发电机连接；

缆索装置包括卷筒、锚绞机、钢丝绳，锚绞机安装于顶板的上表面，卷筒与锚绞机连接，钢丝绳缠绕于卷筒上，钢丝绳的自由端与固定法兰盘连接，锚绞机分别与控制系统和蓄能器信号连接。

进一步的，控制系统包括无线信号接收器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动器、信号线，无线信号接收器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动器分别通过信号线依次连接，上蝶形网箱、下蝶形网箱、水下发电牵引平台分别与驱动器信号连接；

信号采集器包括无线信号发射器一、传感器、无线信号发射器二、水深计，传感器安装于上法兰盘底部，无线信号发射器一与传感器连接，水深计安装于下法兰盘顶部，无线信号发射器二与水深计连接，无线信号发射器一、无线信号发射器二分别与无线信号接收器信号连接。

进一步的，浮力系统包括浮箱组件、水泵、进出水口，浮箱组件包括第一浮箱、第二浮箱、第三浮箱、第四浮箱，第一浮箱、第二浮箱分别设置于下法兰盘的下部和上部，两者分别与中心柱连接并与其内部连通，第三浮箱、第四浮箱分别设置于上法兰盘的下部和上部，两者分别与中心柱连接并与其内部连通，中心柱的下端开设有进出水口，水泵与进出水口连接，水下发电牵引平台和控制系统分别与水泵信号连接。

本网箱还包括扶手栏杆、工作平台，上蝶形网箱顶部安装有工作平台，中心柱穿设于工作平台中部，工作平台顶面的周向安装有扶手栏杆。

一种上述的变体积深海蝶形网箱的调控方法，包括以下步骤：

S1：通过传感器采集海水流速信号，并通过无线信号发射器一向外发送海水流速信号；水深计采集网箱下潜深度信号，通过无线信号发射器二向外发射下潜深度信号；

S2：通过无线信号接收器接收海水流速信号和网箱下潜深度信号，经A/D转换器传递给工控机；

S3：工控机提取海水流速信号和下潜深度信号，并计算得出海水流速均值Va和下潜深度指Ha；比较海水流速的均值Va和设定值V0的大小；若海水流速的均值Va小于V0，下潜深度值Ha小于H0，返回第一步S1；否则进入第四步S4；

S4：工控机根据测得的海水流速，计算网箱受到的阻力为F＝KV2ρA1，根据材料的许用应力，计算网箱的下沉深度；

S5：工控机发出指令，经过D/A转换器发出指令给驱动器，驱动器发出信号驱动上蝶形网箱、下蝶形网箱开始工作，上蝶形网箱、下蝶形网箱同步向网箱减小体积方向动作，变形后的网箱浮力减小，开始下沉；

S6：工控机发出指令，经过D/A转换器、驱动器，浮力系统开始工作，水泵向中心柱内充水增加网箱的重力，当网箱的整体重力增加到略微小于浮力时，浮力系统停止工作；

S7：工控机发出指令，经过D/A转换器、驱动器，驱动位于底部的水下发电牵引平台牵引上蝶形网箱、下蝶形网箱下潜；下潜到预定深度值时，工控机接收到来自水深计的预警深度值后，并向水下发电牵引平台发出停止工作指令，网箱停止下潜，并保持悬浮状态；然后等待下一步指令；

S8：当工控机得到海水流速的均值Va小于设定值V0后，发起下一步指令，经过D/A转换器、驱动器，给水下发电牵引平台、浮力系统、上蝶形网箱、下蝶形网箱，浮力系统开始工作，减少重力，网箱开始上浮，所有工作机回到原来的位置或者状态，网箱恢复到工作常态。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明提供的一种变体积深海蝶形网箱，能够实现不同工况下的各种网箱形态。本变形机构在正常工作时，具有双重自锁，多三角形结构增强了网箱整体的结构强度；通过形态变化实现自动浮沉；当网箱体积变小时，网箱的受力面积减小，网箱抵抗冲击破坏的能力会大大增强；在承受风暴时，柔性连接可以有效地避免由波浪运动的冲击力造成各杆件之间的碰撞引起的破坏。

2、本发明提供的一种变体积深海蝶形网箱，克服了目前大型网箱运输和组装的问题，运输时可以在出厂前组装部分构件，出厂前组装的网箱结构能够像雨伞一样收拢在一起，不占用多余空间，便于装载运输。水下发电牵引平台组装后整体运输，其余构件也是组装折叠运输，提高安装效率，节省了现场安装时间。

3、本发明提供的一种变体积深海蝶形网箱，配置了一套全自动控制系统，能够根据环境变化或需要进行自我调控，计算浮沉高度，实现网箱的上浮、下潜和改变体积的一系列动作的完成，可以节省大量劳动力，避免工人恶劣环境中下水工作发生安全事故，面对突变环境，能及时做出反应，避免给网箱造成破坏。

4、本发明提供的一种变体积深海蝶形网箱，克服了通常改变自重或浮力来实现浮沉，难以实现在不同深度下稳定悬浮的问题。本发明把发电平台上的缆索装置与自动浮沉相结合，下潜时，只需要把重力调整到让整个网箱系统的浮力略大于重力时，然后通过缆索的牵引力，把网箱拉到水面以下设定的深度，实现把网箱稳定悬停在想要的深度。

附图说明

图1为本发明的一种变体积深海蝶形网箱的结构示意图；

图2为本发明的稳定工作状态的形态图；

图3为本发明的水下发电牵引平台主视图；

图4为本发明的控制系统结构示意图；

图5为本发明的蝶形网箱上浮状态的形态图；

图6为本发明的蝶形网箱下沉状态的形态图；

图7为本发明的变网箱运输时收拢状态的主视图；

图8为本发明的上螺母结构俯视图；

图9为本发明的调控方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种变体积深海蝶形网箱，如图1～8所示，包括上蝶形网箱5、下蝶形网箱7、中心柱9、水下发电牵引平台26、信号采集器、浮力系统和控制系统27。

上蝶形网箱5与下蝶形网箱7对称设置，中心柱9依次穿设于上蝶形网箱5及下蝶形网箱7的中部。上蝶形网箱5和下蝶形网箱7的相背端分别通过上法兰盘6、下法兰盘25与中心柱9的端部连接，相对端分别与中心柱9中部转动连接。

中心柱9中部的外周面上设有螺纹一段、螺纹二段，螺纹一段与螺纹二段旋转方向相反，如螺纹一段为右旋螺纹，螺纹二段为左旋螺纹，上蝶形网箱5与螺纹一段连接，下蝶形网箱7与螺纹二段连接，中心柱9的内部为中空结构。

上蝶形网箱5包括上螺母16、以及围绕上法兰盘6周向间隔均布的多个上变形机构3，上变形机构3的数量为6～10个，上变形机构3包括杆一3-1、杆二3-2、杆三3-3、杆四3-4、杆五3-5、伺服马达一4、伺服马达二15、网箱上骨架2，杆一3-1一端和网箱上骨架2一端通过伺服马达一4铰接形成一个整体，杆一3-1的另一端与上法兰盘6铰接，网箱上骨架2另一端通过销10与下蝶形网箱7连接，杆二3-2一端与杆三3-3一端通过伺服马达二15铰接形成一个整体，杆二3-2另一端在靠近伺服马达一4处与杆一3-1的外周面铰接，杆三3-3的另一端与上螺母16外周面铰接，上螺母16与中心柱9螺旋连接，杆四3-4与杆五3-5端部固定，杆四3-4的另一端与杆二3-2铰接，杆五3-5的另一端与杆三3-3铰接，四者构成多边形结构，伺服马达一4、伺服马达二15分别与水下发电牵引平台26和控制系统27信号连接。

螺纹一段与上螺母16组成螺旋副连接，上螺母16包括螺母外圈16-1、齿轮圈16-2、轴瓦16-3、行星轮16-4、第一电机16-5、太阳轮16-6、行星架16-7，齿轮圈16-2设置于螺母外圈16-1内并通过轴瓦16-3与螺母外圈16-1转动连接，齿轮圈16-2与螺母外圈16-1通过轴瓦16-3作用下能相对滑动，太阳轮16-6设置于齿轮圈16-2内，两者之间沿周向设有多个行星轮16-4，多个行星轮16-4通过行星架16-7依次连接成一体并分别与齿轮圈16-2和太阳轮16-6啮合，第一电机16-5安装在螺母外圈16-1上，其电机轴通过联轴器与其中一个行星轮16-4的转轴连接，太阳轮16-6内圈有螺纹，并与中心柱9组成螺旋副连接，第一电机16-5工作时，太阳轮16-6绕中心柱9旋转带动整个上螺母16在中心柱9上下移动。

下蝶形网箱7包括下螺母18、以及围绕下法兰盘周向间隔均布的多个下变形机构19，下变形机构19数量与上变形机构3数量相等，下变形机构19包括杆六19-1、杆七19-2、杆八19-3、杆九19-4、杆十19-5、伺服马达三20、伺服马达四21、网箱下骨架1，杆六19-1一端和网箱下骨架1一端通过伺服马达三20铰接形成一个整体，杆六19-1的另一端与下法兰盘25铰接，网箱下骨架1另一端通过销10与对应的网箱上骨架2连接，杆七19-2一端与杆八19-3一端通过伺服马达四21铰接形成一个整体，杆七19-2另一端在靠近伺服马达三20处与杆六19-1的外周面铰接，杆八19-3的另一端与下螺母18外周面铰接，下螺母18与中心柱9螺旋连接，下螺母18结构与上螺母16相同，杆九19-4与杆十19-5端部固定，杆九19-4的另一端与杆七19-2铰接，杆十19-5的另一端与杆八19-3铰接，四者构成多边形结构，伺服马达三20、伺服马达四21分别与水下发电牵引平台26和控制系统27信号连接。

螺纹二段与下螺母18组成螺旋副连接，下螺母18和上螺母16的结构和功能一样，通过第二电机控制其沿着中心柱9上下移动。螺旋副具有自锁功能，当第一电机、第二电机停止工作时，上螺母16和下螺母18可以停止在中心柱9的任意位置。

水下发电牵引平台26与下法兰盘25连接，水下发电牵引平台包括底座26-1、中心支撑柱26-10、顶板26-9、发电装置、蓄能器26-11、缆索装置、固定法兰盘26-6，水下发电牵引平台26为两层结构，顶板26-9与底座26-1中心对称上下间隔设置并通过中心支撑柱26-10连接，下层是正八边形的底座26-1，底座26-1中间立有中心支撑柱26-10，支撑柱26-10用来支撑上层正八边形的顶板26-9，顶板26-9与底座26-1之间安装有多个呈周向间隔均布的发电装置，发电装置数量为6～10个，与上变形机构3数量相等为佳，缆索装置在顶板26-9的上表面呈周向间隔排列设有多个，缆索装置数量与发电装置数量相等为佳，缆索装置一端与顶板26-9连接，另一端通过固定法兰盘26-6在中心柱9下端与下法兰盘25连接，蓄能器26-11设在底座26-1上表面中心支撑柱26-10的周向，用来收集和储存电能，多个发电装置分别与蓄能器26-11连接，控制系统安装在顶板26-9上，上蝶形网箱5、下蝶形网箱7、信号采集器、控制系统27分别与蓄能器26-11信号连接。

发电装置包括发电机26-4、发电机叶片26-2、发电机转轴26-3，发电机26-4安装在顶板26-9底部，其发电机转轴26-3朝下竖直设置，发电机叶片26-2与发电机转轴26-3连接，蓄能器26-11与发电机26-4连接；缆索装置包括卷筒26-7、锚绞机26-8、钢丝绳26-5，锚绞机26-8安装于顶板26-9的上表面，卷筒26-7与锚绞机26-8连接，钢丝绳26-5缠绕于卷筒26-7上，钢丝绳26-5的自由端与固定法兰盘26-6连接，锚绞机26-8分别与控制系统和蓄能器26-11信号连接。

控制系统27安装于水下发电牵引平台26的顶板26-9上并与其信号连接，控制系统27主要用来控制深海蝶形网箱的上浮、下潜和改变体积，包括通过信号线27-6依次连接的无线信号接收器27-1、A/D转换器27-2、工控机27-3、D/A转换器27-4、驱动器27-5，上法兰盘6、下法兰盘25分别与信号采集器连接，信号采集器包括无线信号发射器一13、传感器14、无线信号发射器二23、水深计22，传感器14安装于上法兰盘6底部，无线信号发射器一13与传感器14连接，水深计22安装于下法兰盘25顶部，无线信号发射器二23与水深计22连接，无线信号发射器一13、无线信号发射器二23分别与无线信号接收器27-1信号连接。

传感器14位于上法兰盘6底部，采集海水流速信号，并通过无线信号发射器13向外发送海水流速信号；水深计22位于下法兰盘25顶部，采集网箱下潜深度信号，通过无线信号发射器23向外发射深度信号，无线信号接收器27-1接收海水流速信号和网箱下潜深度信号，无线信号接收器27-1把接收到的信号传递给A/D转换器27-2，A/D转换器27-2把信号进行转化并传递给工控机27-3，工控机27-3发出控制指令经D/A转换器27-4给驱动器27-5，上蝶形网箱5、下蝶形网箱7、水下发电牵引平台26分别与驱动器信号连接，驱动器27-5分别驱动伺服马达一4、伺服马达二15、伺服马达三20、伺服马达四21和锚绞机26-8工作。

浮力系统安装于中心柱9上，浮力系统包括浮箱组件28、水泵29、进出水口24，浮箱组件28包括第一浮箱28-1、第二浮箱28-2、第三浮箱28-3、第四浮箱28-4，第一浮箱28-1、第二浮箱28-2分别设置于下法兰盘25的下部和上部，两者分别与中心柱9连接并与其内部连通，第三浮箱28-3、第四浮箱28-4分别设置于上法兰盘5的下部和上部，两者分别与中心柱9连接并与其内部连通，中心柱9的下端开设有进出水口24，水泵29与进出水口24连接，蓄能器26-11和驱动器27-5分别与水泵29信号连接。考虑到浮箱组件28内的气压因素，在中心柱9的上端开设进出气口11，进出气口11与通过中心柱9与第一浮箱28-1、第二浮箱28-2、第三浮箱28-3、第四浮箱28-4连通，其上安装有电磁阀，电磁阀通过控制系统控制开闭，进出气口11为常闭状态，当需要调节第一浮箱28-1、第二浮箱28-2、第三浮箱28-3、第四浮箱28-4的内部气压时，打开进出气口11进行适量的放气或充气。

本网箱还包括扶手栏杆8、工作平台12，上蝶形网箱5顶部安装有工作平台12，中心柱9穿设于工作平台12中部，工作平台12顶面的周向安装有扶手栏杆8。工作平台12和扶手栏杆8方便网箱检查、维护、投饵和捕捞。

网箱的外围被网衣17包裹，杆一、网箱上骨架、网箱下骨架、杆六四者依次连接构成一个网衣骨架，每相邻两个网衣骨架之间分别安装有网衣。

本发明运输方便，安装高效，出厂前可以进行部分组装，水下发电牵引平台26作为一个整体，组装完成后，可以直接装载运输。蝶形网箱部分箱体出厂前的组装，可以先安装中心柱9、网箱上骨架2、杆一3-1、工作平台12、扶手栏杆8、上法兰盘6、上螺母16、下螺母18和下法兰盘25，其中杆一3-1通过固结在网箱上骨架2上的轴与网箱上骨架2铰接在一起，伺服马达二15固结在杆一3-1上，且伺服马达二15的转轴通过联轴器与网箱上骨架2上的轴相连，伺服马达二15工作时能够驱动网箱上骨架2相对于杆一3-1转动。组装后的蝶形网箱与中心柱9像雨伞一样收拢在一起，既不占地，还便于入水前的吊装。蝶形网箱未被装到主体上的部分中，杆二3-2、杆三3-3和伺服马达一4作为一个整体组装，组装方式为：杆二3-2通过固结在杆三3-3上的轴与杆三3-3铰接在一起，伺服马达一4固结在杆二3-2上，其中伺服马达一4的转轴通过联轴器与杆三3-3上的轴连接，伺服马达一4工作时能驱动杆二3-3相对于杆三3-2转动，下变形机构19也按照同样方式组装，其中伺服马达三20固结在杆七19-2上；网箱下骨架1和与其铰接的杆六19-1、以及伺服马达四21作为一个整体组装，伺服马达四21固结在杆六19-1上，组装方式同杆一3-1、网箱上骨架2和伺服马达二15的组装方式一样；以上组装的部分也都是杆件，不占用空间，也可以装载运输。运输到预定海域后网箱整体采取吊装，把未被装到蝶形网箱主体上的组装件安装到主体上，固定法兰盘26-6固结在中心柱9的正下端，最后把网衣17包裹在网箱框架外。

本发明正常工作时，第一电机、第二电机分别驱动上螺母16和下螺母18分别向上和向下移动，带动杆一～杆五以及杆六～杆十摆动，当杆三3-3与中心柱夹角为50°，杆八19-3与中心柱夹角为50°时，电机停止。伺服马达一4驱动，使杆二3-2与杆三3-3共线，与杆一3-1的夹角为70°时，伺服马达一4停止。伺服马达二15驱动，使杆一3-1与网箱上骨架2共线，与中心柱9的夹角为60°时，伺服马达二15停止。这时杆一3-1、杆二3-2和上螺母16组成摇杆滑块机构，杆二3-2、杆三3-3、杆四3-4和杆五3-5组成一个四杆柔性双稳态机构；杆六19-1、杆七19-2和下螺母18组成摇杆滑块机构，杆七19-2、杆八19-3、杆九19-4和杆十19-5组成一个四杆柔性双稳态机构。此种状态时，上变形机构3和下变形机构19都形成稳定的三角形，且具有自锁性，与丝杠螺母的自锁形成双自锁效应，使得网箱工作稳定可靠。

本发明遭遇风暴时，上螺母16沿着中心柱9向下移动，伺服马达一4和伺服马达二15逆时针转动，下螺母18沿着中心柱9向上移动，伺服马达三20和伺服马达四21顺时针转动，使得杆一3-1与网箱上骨架2的夹角为150°，与中心柱9的夹角为30°，杆三3-3与杆二3-2的夹角为150°。下变形机构19中各杆件关系和上变形机构相同。蝶形网箱形状改变后体积减小为原来的20％，则所受浮力减小，网箱自动下沉，这时网箱外表面积减小，有效接触面积为原来的一半，则网箱受海水水流阻力也为原来的一半，网箱抵抗风浪的破坏能力大大增强。在体积收缩后，杆二3-2与杆三3-3不共线，构成一个柔性连接，可以有效地避免由波浪运动的冲击力，造成各杆件之间的碰撞引起的破坏。

本发明风暴之后，上螺母16沿着中心柱9向上移动，伺服马达一4和伺服马达二15顺时针转动，下螺母18沿着中心柱9向下移动，伺服马达三20和伺服马达四21逆时针转动，使得杆一3-1与网箱上骨架2的夹角为130°，与中心柱9的夹角为90°，杆三3-3与杆二3-2的夹角为160°，杆二3-2与杆一3-1的最小夹角为20°。下变形机构19中各杆件关系和上变形机构相同。这时蝶形网箱改变形状后体积增大到原来的114％，则所受浮力增大，网箱自动上浮。

本发明提供的一种变体积深海蝶形网箱使用范围广泛，根据使用的实际水域情况，当在浅水区域使用时，水下发电牵引平台26的底座26-1上面放入水泥板或者其他重物，使水下发电牵引平台26沉入海底，代替锚的作用来固定网箱；在较深的水域，只需要在水下发电牵引平台26的底座26-1下挂上锚泊装置，就可以起到固定网箱的作用；钢丝绳26-5缠绕在卷筒26-7上，其收紧和放松，由卷筒26-7和锚绞机26-8控制。下潜时，网箱的浮力系统，把整体重力调整到让整个网箱系统的浮力略微大于重力时，浮力系统停止工作，然后卷筒26-7和锚绞机26-8开始工作，收绞钢丝绳26-5，钢丝绳26-5只需要很小的牵引力就能把蝶形网箱拉入水下预定深度，最后锚绞机26-8停止工作，钢丝绳26-5的伸长量保持不变，网箱就能稳定的悬浮在预定深度了。

上述的变体积深海蝶形网箱的调控方法，如图9所示，包括以下步骤：

S1：通过传感器14采集海水流速信号，并通过无线信号发射器13向外发送海水流速信号；水深计22采集网箱下潜深度信号，通过无线信号发射器23向外发射下潜深度信号；

S2：通过无线信号接收器27-1接收海水流速信号和网箱下潜深度信号，经A/D转换器27-2传递给工控机27-3；

S3：工控机27-3提取海水流速信号和下潜深度信号，并计算得出海水流速均值Va和下潜深度指Ha；比较海水流速的均值Va和设定值V0的大小；若海水流速的均值Va小于V0，下潜深度指Ha小于H0，返回第一步S1；否则进入第四步S4；

S4：工控机27-3根据测得的海水流速，计算网箱受到的阻力为F＝KV2ρA1，根据材料的许用应力，计算网箱的下沉深度；

S5：工控机27-3发出指令，经过D/A转换器27-4、驱动器27-5，控制网箱中的伺服马达一4、伺服马达二15、伺服马达三20、伺服马达四21、上螺母16和下螺母18开始工作。控制变形机构向网箱减小体积方向动作。伺服马达一4和伺服马达二15都逆时针旋转30转，伺服马达三20和伺服马达四21都顺时针旋转30转，上螺母16向下移动130mm，下螺母18向上移动130mm。体积变小后的网箱，杆一3-1与网箱上骨架2的夹角为150°，同时与中心柱9的夹角为30°；杆三3-3与杆二3-2的夹角为150°，杆二3-2与杆一3-1的最小夹角为50°；下变形机构19中的杆六19-1与网箱下骨架的夹角为150°，同时与中心柱9的夹角为30°；杆八19-3与杆七19-2的夹角为150°，杆七19-2与杆六19-1的最小夹角为50°。变形后的网箱阻力减小，有助于下潜。

S6：工控机27-3发出指令，经过D/A转换器27-4、驱动器27-5，浮力系统开始工作。水泵29向中心柱9内充水增加网箱的重力，当网箱的整体重力增加到略微大于浮力时，浮力系统停止工作；进入第七步S7；

S7：工控机27-3发出指令，经过D/A转换器27-4、驱动器27-5，控制缆索装置中的锚绞机26-8开始工作，锚绞机26-8带动卷筒26-7收绞钢丝绳26-5，钢丝绳26-5牵引蝶形网箱下潜；下潜到预定深度值时，工控机27-3接收到来自深度计22的预警深度值后，并向锚绞机26-8发出停止工作指令，网箱停止下潜，并保持悬浮状态；然后等待下一步指令；

S8：当工控机27-3得到海水流速的均值Va小于设定值V0后，发起下一步指令，经过D/A转换器27-4、驱动器27-5，给锚绞机26-8、浮力系统和网箱中变形机构上的伺服马达一4、伺服马达二15、伺服马达三20、伺服马达四21、上螺母16和下螺母18动作，浮力系统开始工作，排水减少重力，锚绞机26-8带动卷筒26-7释放钢丝绳26-5，网箱开始上浮，网箱中变形机构上的伺服马达一4和伺服马达二15顺时针转动30转，伺服马达三20和伺服马达四21逆时针转动30转，上螺母16向上移动130mm，下螺母18向下移动130mm。所有工作机回到原来的位置或者状态，网箱恢复到工作常态。然后返回第一步S1。

Claims (9)

1.一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：包括上蝶形网箱、下蝶形网箱、中心柱、水下发电牵引平台、信号采集器、浮力系统和控制系统，中心柱依次穿设于上蝶形网箱及下蝶形网箱的中部，上蝶形网箱与下蝶形网箱对称设置，两者的相背端分别通过上法兰盘、下法兰盘与中心柱的端部连接，相对端分别与中心柱中部转动连接，外周通过多个销连接，上法兰盘、下法兰盘分别与信号采集器连接，水下发电牵引平台与下法兰盘连接，浮力系统安装于中心柱上，控制系统安装于水下发电牵引平台上并与其信号连接，上蝶形网箱、下蝶形网箱、信号采集器、浮力系统分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接；

上蝶形网箱包括上螺母、以及围绕上法兰盘周向间隔均布的多个上变形机构，上变形机构包括杆一、杆二、杆三、杆四、杆五、伺服马达一、伺服马达二、网箱上骨架，杆一一端和网箱上骨架一端通过伺服马达一铰接形成一个整体，杆一的另一端与上法兰盘铰接，网箱上骨架另一端通过销与下蝶形网箱连接，杆二一端与杆三一端通过伺服马达二铰接形成一个整体，杆二另一端在靠近伺服马达一处与杆一的外周面铰接，杆三的另一端与上螺母外周面铰接，上螺母与中心柱螺旋连接，杆四与杆五端部固定，杆四的另一端与杆二铰接，杆五的另一端与杆三铰接，四者构成多边形结构，伺服马达一、伺服马达二分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：下蝶形网箱包括下螺母、以及围绕下法兰盘周向间隔均布的多个下变形机构，下变形机构包括杆六、杆七、杆八、杆九、杆十、伺服马达三、伺服马达四、网箱下骨架，杆六一端和网箱下骨架一端通过伺服马达三铰接形成一个整体，杆六的另一端与下法兰盘铰接，网箱下骨架另一端通过销与网箱上骨架连接，杆七一端与杆八一端通过伺服马达四铰接形成一个整体，杆七另一端在靠近伺服马达三处与杆六的外周面铰接，杆八的另一端与下螺母外周面铰接，下螺母与中心柱螺旋连接，下螺母结构与上螺母相同，杆九与杆十端部固定，杆九的另一端与杆七铰接，杆十的另一端与杆八铰接，四者构成多边形结构，伺服马达三、伺服马达四分别与水下发电牵引平台和控制系统信号连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：上螺母包括螺母外圈、齿轮圈、轴瓦、行星轮、第一电机、太阳轮、行星架，齿轮圈设置于螺母外圈内并通过轴瓦与螺母外圈转动连接，太阳轮设置于齿轮圈内，两者之间沿周向设有多个行星轮，多个行星轮通过行星架依次连接成一体并分别与齿轮圈和太阳轮啮合，第一电机安装在螺母外圈上，其电机轴与其中一个行星轮的转轴连接，太阳轮与中心柱螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：中心柱中部的外周面上设有螺纹一段、螺纹二段，螺纹一段与螺纹二段旋转方向相反，上蝶形网箱与螺纹一段连接，下蝶形网箱与螺纹二段连接，中心柱的内部为中空结构。

5.根据权利要求1所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：水下发电牵引平台包括底座、中心支撑柱、顶板、发电装置、蓄能器、缆索装置、固定法兰盘，顶板与底座中心对称上下间隔设置并通过中心支撑柱连接，顶板与底座之间安装有多个呈周向间隔均布的发电装置，缆索装置在顶板的上表面呈周向间隔排列设有多个，缆索装置一端与顶板连接，另一端通过固定法兰盘在中心柱下端与下法兰盘连接，蓄能器设在底座上表面中心支撑柱的周向，多个发电装置分别与蓄能器连接，控制系统安装在顶板上，上蝶形网箱、下蝶形网箱、信号采集器、控制系统分别与蓄能器信号连接。

6.根据权利要求5所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：发电装置包括发电机、发电机叶片、发电机转轴，发电机安装在顶板底部，其发电机转轴朝下竖直设置，发电机叶片与发电机转轴连接，蓄能器与发电机连接；

缆索装置包括卷筒、锚绞机、钢丝绳，锚绞机安装于顶板的上表面，卷筒与锚绞机连接，钢丝绳缠绕于卷筒上，钢丝绳的自由端与固定法兰盘连接，锚绞机分别与控制系统和蓄能器信号连接。

7.根据权利要求1所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：控制系统包括无线信号接收器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动器、信号线，无线信号接收器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动器分别通过信号线依次连接，上蝶形网箱、下蝶形网箱、水下发电牵引平台分别与驱动器信号连接；

信号采集器包括无线信号发射器一、传感器、无线信号发射器二、水深计，传感器安装于上法兰盘底部，无线信号发射器一与传感器连接，水深计安装于下法兰盘顶部，无线信号发射器二与水深计连接，无线信号发射器一、无线信号发射器二分别与无线信号接收器信号连接。

8.根据权利要求1所述的一种变体积深海蝶形网箱，其特征在于：浮力系统包括浮箱组件、水泵、进出水口，浮箱组件包括第一浮箱、第二浮箱、第三浮箱、第四浮箱，第一浮箱、第二浮箱分别设置于下法兰盘的下部和上部，两者分别与中心柱连接并与其内部连通，第三浮箱、第四浮箱分别设置于上法兰盘的下部和上部，两者分别与中心柱连接并与其内部连通，中心柱的下端开设有进出水口，水泵与进出水口连接，水下发电牵引平台和控制系统分别与水泵信号连接。

9.一种根据权利要求7所述的变体积深海蝶形网箱的调控方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：通过传感器采集海水流速信号，并通过无线信号发射器一向外发送海水流速信号；水深计采集网箱下潜深度信号，通过无线信号发射器二向外发射下潜深度信号；

S2：通过无线信号接收器接收海水流速信号和网箱下潜深度信号，经A/D转换器传递给工控机；

S3：工控机提取海水流速信号和下潜深度信号，并计算得出海水流速均值Va和下潜深度指Ha；比较海水流速的均值Va和设定值V0的大小；若海水流速的均值Va小于V0，下潜深度值Ha小于H0，返回第一步S1；否则进入第四步S4；

S4：工控机根据测得的海水流速，计算网箱受到的阻力为F＝KV²ρA₁，根据材料的许用应力，计算网箱的下沉深度；

S5：工控机发出指令，经过D/A转换器发出指令给驱动器，驱动器发出信号驱动上蝶形网箱、下蝶形网箱开始工作，上蝶形网箱、下蝶形网箱同步向网箱减小体积方向动作，变形后的网箱浮力减小，开始下沉；

S6：工控机发出指令，经过D/A转换器、驱动器，浮力系统开始工作，水泵向中心柱内充水增加网箱的重力，当网箱的整体重力增加到大于其浮力时，浮力系统停止工作；

S7：工控机发出指令，经过D/A转换器、驱动器，驱动位于底部的水下发电牵引平台牵引上蝶形网箱、下蝶形网箱下潜；下潜到预定深度值时，工控机接收到来自水深计的预警深度值后，并向水下发电牵引平台发出停止工作指令，网箱停止下潜，并保持悬浮状态；然后等待下一步指令；

S8：当工控机得到海水流速的均值Va小于设定值V0后，发起下一步指令，经过D/A转换器、驱动器，给水下发电牵引平台、浮力系统、上蝶形网箱、下蝶形网箱，浮力系统开始工作，减少重力，网箱开始上浮，所有工作机回到原来的位置或者状态，网箱恢复到工作常态。

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