CN114455040B - 一种多工况浮力调节装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工况浮力调节装置及调节方法，该浮力调节装置包括舱体、推力组件、腔体组件和橡胶囊组件；腔体组件包括第一腔体和第二腔体；橡胶囊组件包括第一橡胶囊和第二橡胶囊；推力组件包括第一推力组件和第二推力组件；推力组件通过控制油和水的进出来调整浮力调节装置的体积及重力，进而调节浮力调节装置的浮力及位姿。本发明在进行浮力调节时，给出了该浮力调节装置在水中进行位姿变换时，装置重心偏移量的计算公式以及各种工况对应的浮力计算公式和状态判别方法，在进行多工况的浮力调节的同时计算出各种工况时该浮力调节装置重心的位置变化，满足了实际中的各种需要且具有实用性。

Description

一种多工况浮力调节装置及调节方法

技术领域

本发明涉及海洋航行器的浮力调节设备，尤其涉及一种多工况浮力调节装置及调节方法。

背景技术

海洋航行器的浮力调节装置用来实现航行器的下潜、上浮、悬挂、定深航行和姿态的调整，是水下航行器实现自由运动不可或缺的组成部分。专利号为CN102975835A(海水活塞调节式滑翔式潜水器)，其整体结构如图10所示，该潜水器采用了单缸的活塞缸结构，通过图中单侧活塞缸6的吸水和排水达到调节浮力的目的，但是这种结构中活塞缸的轴向尺寸太大，可调节范围太小，同时采用单缸设计结构不利于整体装置的平衡与稳定。

专利号为CN202120973457.6(一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器) 虽然提出在调节浮力时装置的质心会发生改变，但是并没有给出具体确定质心的计算方法和公式。

专利号为CN202020404403.3(一种浮力调节机构及具有该浮力调节机构的水下潜航器)虽然通过双向泵和三通电磁阀能实现内外油囊之间的体积变换来实现浮力调节，但是其只能实现装置的上浮和下潜两种工况，无法满足在海中所需的多种工况要求。

针对上述技术问题，如何提供一种结构可靠，可调节范围大，能够实现多种工况的浮力调节装置，并且计算出各种工况时该浮力调节装置重心的位置变化，成为亟需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多工况浮力调节装置及调节方法，在进行多种工况的浮力调节的同时计算出各种工况时该浮力调节装置重心的位置变化。

技术方案：本发明多工况浮力调节装置包括舱体、推力组件、腔体组件和橡胶囊组件；

腔体组件包括第一腔体和第二腔体；橡胶囊组件包括第一橡胶囊和第二橡胶囊；推力组件包括第一推力组件和第二推力组件；

推力组件通过控制油和水的进出来调整浮力调节装置的体积及重力，进而调节浮力调节装置的浮力及位姿。

第一推力组件和第二推力组件包括电推杆和活塞，活塞在电推杆的作用下移动。

腔体组件和橡胶囊组件之间通过管道连接，腔体组件和橡胶囊组件上设有控制油或水进出的闸阀。

本发明多工况浮力调节装置的调节方法包括以下步骤：

(1)设第一腔体和第二腔体的长度为h，直径为d；第一腔体和第二腔体内装有油，浮力调节装置的重力G_装1大于浮力F_浮1；浮力调节装置水平下沉；

(2)将第一推力组件移动L，使第二腔体中的油进入第二橡胶囊；同时将第二推力组件移动L，打开闸阀，使第一腔体中的油进入第一橡胶囊，浮力调节装置的重力G_装2等于浮力F_浮2，装置水平悬浮；其中

(3)将第一推力组件移动K使第二腔体中的油进入第二橡胶囊；同时将第二推力组件移动K使第一腔体中的油进入第一橡胶囊，装置的重力G_装3等于浮力 F_浮3，装置水平悬浮；其中L<K≤h；

(4)将第一推力组件移动2L使第二腔体中的油进入第一橡胶囊，装置的重心偏移，装置的重力G_装4与浮力F_浮4相等，装置倾斜悬浮；

(5)将第一推力组件移动J使第二腔体中的油进入第一橡胶囊，推动第二推力组件移动J使第一腔体中的油进入第一橡胶囊，装置翻转且重心偏移，装置的重力G_装5小于浮力F_浮5；

(6)在步骤(5)的基础上，通过第一推力组件和第二推力组件向第一腔体和第二腔体吸入海水，装置的重力G_装6大于浮力F_浮6，且装置的重心偏移但在竖直方向上，装置竖直下沉。

步骤(1)中，G_装1＝G_油1+G_舱1   (1)；

G_舱1为舱体所受的重力，G_油1为整个装置中油所受的重力；

V_舱为舱体的体积；H为浮力调节装置的长度，D为浮力调节装置的直径。

步骤(2)中，F_浮2＝ρ_水·g·(V_舱+V_油2)   (6)

其中V_油2为从第一腔体和第二腔体输送至橡胶囊组件中油的体积：

步骤(3)中，F_浮3＝ρ_水·g·(V_舱+V_油3)   (8)

V_油3为从第一腔体和第二腔体中输送至橡胶囊组件中油的体积，

步骤(4)中的F_浮4＝ρ_水·g·(V_舱+V_油4)   (8)

V_油4为从第二腔体输送至第一橡胶囊中油的体积，

设装置中油的重心相对于第一橡胶囊中油的重心的偏移量为p,第二腔体中油的重心相对于第一橡胶囊中油的重心的偏移量为q；装置的重心相对于舱体重心偏移量为s，第一橡胶囊中油的重心相对于舱体重心偏移量为r；其中q，r为已知量，根据平行力系中心的计算公式得装置中油的重心相对于橡胶囊中油的重心偏移量p的表达式如式(10)所示：

其中m_油1为第一腔体中油的质量，m_油2为第一橡胶囊中油的质量，取2L＝h，则表达式如(11)所示：

装置的重心相对于舱体重心偏移量s的表达式如式(12)所示：

其中m_油为整个装置中油的质量，m_舱为舱体的质量；

此时整个装置的重力G_装4等于浮力F_浮4且装置的重心向一侧偏移，装置倾斜悬浮。

步骤(5)中，F_浮5＝ρ_水·g·(V_舱+V_油5)   (13)

其中V_油5为从第一腔体和第二腔体中输送至第一橡胶囊中油的体积；

设装置中油的重心相对于舱体重心的偏移量为n，装置的重心相对于舱体重心的偏移量为m，则m如式(15)所示：

此时装置所受到的重力G_装5小于浮力F_浮5且装置的重心向一侧偏移，所以装置竖直悬浮。

步骤(6)中的浮力F_浮6相对于步骤(5)不变，但重力G_装6增大，如式(16) 所示：

G_装6＝G_油1+G_舱1+G_水＝G_油2+G_舱2+G_水   (16)

其中G_水为吸入装置中的水受到的重力如式(17)所示：

由于G_油2+G_舱2＝F_浮2，将式(6)带入式(16)中得式(18)

此时装置所受浮力F_浮6的表达式如式(19)所示：

设此时装置中油的重心相对于舱体重心的偏移量为y，装置的重心相对于舱体重心偏移量为x，则x如式(20)所示：

其中m_水为装置吸入海水的质量，表达式如式(21)所示：

此时装置的重力G_装6大于浮力F_浮6且装置的重心向一侧偏移，所以装置竖直下沉。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的浮力调节装置采用对称式结构设计，配备两组电推杆以及活塞，并且铺设六组管道以及十二个阀口来控制整个装置中油和水的进出，该结构不仅增大了浮力调节范围，并且有利于装置整体的平衡与稳定。

(2)与传统的浮力调节装置相比，本发明的浮力调节装置实现了包括原始状态下的六种不同工况，实现了装置在海水中多种位姿调整，可以满足实际中的各种需要。

(3)与传统的浮力调节装置相比，本发明给出了装置在海中进行位姿变换时，装置重心偏移量的计算公式以及各种工况对应的浮力计算公式和状态判别方法，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明多工况浮力调节装置示意图；

图2为本发明多工况浮力调节装置水平悬浮示意图；

图3为本发明多工况浮力调节装置水平上浮示意图；

图4为本发明多工况浮力调节装置倾斜悬浮示意图；

图5为本发明多工况浮力调节装置倾斜悬浮简图；

图6为本发明多工况浮力调节装置竖直上浮示意图；

图7为本发明多工况浮力调节装置竖直上浮简图；

图8为本发明多工况浮力调节装置竖直下沉示意图；

图9为本发明多工况浮力调节装置竖直下沉简图；

图10为现有技术中的潜水器整体结构示意图。

具体实施方式

如图1至图9所示，本发明多工况浮力调节装置包括舱体10、推力组件、腔体组件和橡胶囊组件；腔体组件包括第一腔体3和第二腔体26；橡胶囊组件包括第一橡胶囊12和第二橡胶囊17；推力组件包括第一推力组件和第二推力组件；其中第一推力组件包括第一电推杆15和第二活塞27；第二推力组件包括第二电推杆29和第一活塞8。

橡胶囊组件通过卡箍11与舱体10固定，油储藏在第一腔体3和第二腔体 26中。其中左端盖2和右端盖22通过第一螺钉1固定在舱体10上；第一电推杆15和第二电推杆29通过第二螺钉14固定在舱体的基座上；第一橡胶囊12 和第二橡胶囊17采用卡箍11固定于舱体上，并且在连接处开设卡槽起到稳固作用。

第一活塞8和第二活塞27外部套有O型橡胶圈9，O型密封圈9的安装部位紧凑，而且重量轻，运动摩擦阻力小，进而完成活塞与舱体之间的密封。

舱内的两组电推杆推动活塞，并且由六根管道以及十二个闸阀来控制整个装置内油和海水的进出，达到调节整个装置体积以及质量的目的，最终实现整个装置的位姿调节适应各种工况。

本发明多工况浮力调节的具体过程如下：

(1)如图1所示，浮力调节装置外形为圆柱体且其外部连接两个橡胶囊，浮力调节装置的长度为H，直径为D，第一腔体3和第二腔体26长度均为h，直径均为d。此时装置中第一腔体3中的油7未被推入第一橡胶囊12中，第二腔体26中的油7均未被推入第二橡胶囊17中，整个装置水平下沉(原始状态)。整个装置所受的重力G_装1的表达式如式(1)所示：

G_装1＝G_油1+G_舱1   (1)

其中G_舱1为舱体所受的重力，G_油1为整个装置中油所受的重力，其表达式如式(2)所示：

G_油1＝2·ρ_油·g·V_腔   (2)

单个腔体的容积V_腔表达式如式(3)所示：

此时整个装置所受的浮力

其表达式如式(4)所示：

其中V_舱为整个舱体的体积其表达式如式(5)所示：

此时整个装置所受到的重力G_装1大于整个装置所受到的浮力F_浮1，且此时装置的重心并没有发生改变所以装置水平下沉。

(2)如图2所示，启动第一电推杆15，推动第二活塞27向右，即向一侧移动

距离(本实施例的该步骤中取

)，打开5号闸阀19，6 号闸阀21，使第二腔体26中的油7，通过三号管道20进入第二橡胶囊17，同时启动第二电推杆29，推动第一活塞8向左移动L距离，打开11号闸阀32，12 号闸阀34，使第一腔体3中的油7通过六号管道33进入第一橡胶囊12，最终状态如图2所示。其中，第一电推杆与第二电推杆同时启动推动活塞前进，此时装置所受到的重力G_装2没有发生改变但是所受到的浮力增大为F_浮2其表达式如式(6)所示：

F_浮2＝ρ_水·g·(V_舱+V_油2)   (6)

其中V_油2为此工况下装置中从腔体组件中输送至橡胶囊组件中油的体积，其表达式如式(7)所示：

此时整个装置所受到的重力G_装2等于整个装置所受到的浮力F_浮2且此时装置的重心并没有发生改变所以装置水平悬浮。

(3)如图3所示，启动第一电推杆15，推动第二活塞27向右移动K(L< K≤h)距离，打开5号闸阀19，6号闸阀21，使第二腔体26中的油7，通过三号管道20进入第二橡胶囊17，同时启动第二电推杆29，推动第一活塞8向左移动K(L<K≤h)距离，打开11号闸阀32，12号闸阀34，使第一腔体3中的油7通过六号管道33进入第一橡胶囊12。其中，第一电推杆与第二电推杆同时启动推动活塞前进，此时装置所受到的重力G_装3没有发生改变但是所受到的浮力增大为F_浮3其表达式如式(8)所示：

F_浮3＝ρ_水·g·(V_舱+V_油3)   (8)

其中V_油3为此工况下装置中从第一腔体和第二腔体中输送至橡胶囊组件中油的体积，其表达式如式(9)所示：

由于整个装置所受到的重力G_装3＝G_装2，而整个装置所受到的浮力F_浮3> F_浮2且此时装置的重心没有发生改变所以装置水平上浮。

(4)如图4所示，启动第一电推杆15，推动第二活塞27向右，即向右侧移动2L距离，同时打开3号闸阀13，4号闸阀18，使第二腔体26中的油7，通过二号管道16进入第一橡胶囊12，最终状态如图5所示，装置向左倾斜，整个装置的重心37向左偏移，但是此时装置所受重力与浮力相互抵消，装置倾斜悬浮在水中。由于整个装置对称，该步骤中，通过控制另外一端的设备来调节位姿，即启动第二电推杆29，推动第一活塞8向左侧移动2L距离，同时打开9号闸阀 28，10号闸阀31，使第一腔体3中的油7，通过五号管道30进入第二橡胶囊17，装置发生向右倾斜，整个装置的重心37向右发生偏移，但是此时装置所受重力与浮力相互抵消，装置倾斜悬浮在水中。此时装置所受到的重力G_装4并没有发生改变但是所受到的浮力F_浮4其表达式如式(8)所示：

F_浮4＝ρ_水·g·(V_舱+V_油4)   (8)

其中V_油4为此工况下装置中从第二腔体中输送至第一橡胶囊中油的体积，其表达式如式(9)所示：

设此时整个装置中油的重心36相对于橡胶囊中油的重心40的偏移量为p, 腔体中油的重心39相对于橡胶囊中油的重心40的偏移量为q。整个装置的重心 37相对于舱体重心38偏移量为s，橡胶囊中油的重心40相对于舱体重心38移量为r。其中，q，r均为已知量。根据平行力系中心的计算公式得整个装置中油的重心36相对于橡胶囊中油的重心40偏移量p的表达式如式(10)所示：

其中m_油1为第一腔体中油的质量，m_油2为第一橡胶囊中油的质量，此处由于取2L＝h，因此其表达式如(11)所示：

整个装置的重心37相对于舱体重心38偏移量s的表达式如式(12)所示：

其中m_油为整个装置中油的质量，m_舱为整个舱体的质量；

此时整个装置所受到的重力G_装4等于整个装置所受到的浮力F_浮4，且装置的重心发生左偏所以装置倾斜悬浮。

(5)如图6所示，启动第一电推杆15，推动第二活塞27向右移动J(L<J≤h) 距离(此处取J＝h)，打开3号闸阀13，4号闸阀18，使第二腔体26中的油7，通过二号管道16进入第一橡胶囊12，同时启动第二电推杆29，推动第一活塞8 向左移动J距离，打开11号闸阀32，12号闸阀34，使第一腔体3中的油7通过六号管道33进入第一橡胶囊12，最终状态如图7所示。装置发生翻转，整个装置的重心37向左发生偏移，此时装置所受重力小于浮力，装置在水中竖直上浮。此时装置所受到的重力G_装5不变，所受到的浮力F_浮5其表达式如式(13)所示： F_浮5＝ρ_水·g·(V_舱+V_油5)   (13)

其中V_油5为此工况下装置中从第一腔体和第二腔体中输送至第一橡胶囊中油的体积，其表达式如式(14)所示：

设此时整个装置中油的重心36相对于舱体重心38偏移量为n，整个装置的重心37相对于舱体重心38偏移量为m，则m的表达式如式(15)所示：

此时整个装置所受到的重力G_装5小于整个装置所受到的浮力F_浮5且装置的重心发生左偏所以装置竖直悬浮。

(6)如图8所示，在步骤(5)的基础上，关闭所有闸阀与管道，打开1 号闸阀4，2号闸阀6，7号闸阀23，8号闸阀25，启动第一电推杆15和第二电推杆29拉回活塞，通过一号管道5，四号管道24向第一腔体和第二腔体中吸入海水35直至充满整个腔体。最终状态如图9所示，装置发生吸水后竖直下沉，整个装置的重心仍在竖直方向上，此时装置所受重力大于浮力，装置在水中竖直下沉。此时装置所受浮力F_浮6相对于步骤(5)来说没有发生改变但受到的重力 G_装6增大其表达式如式(16)所示：

G_装6＝G_油1+G_舱1+G_水＝G_油2+G_舱2+G_水   (16)

其中G_水为吸入装置中水受到的重力，其表达式如式(17)所示：

由于G_油2+G_舱2＝F_浮2，将式(6)带入式(16)中得式(18)

此时装置所受浮力F_浮6其表达式如式(19)所示：

设此时整个装置中油的重心36相对于舱体重心38偏移量为y，整个装置的重心37相对于舱体重心38偏移量为x，则x的表达式如式(20)所示：

其中m_水为装置吸入海水的质量，表达式如式(21)所示：

此时整个装置所受到的重力G_装6大于整个装置所受到的浮力F_浮6且装置的重心发生左偏所以装置竖直下沉。

Claims (1)

1.一种多工况浮力调节装置的调节方法，其特征在于：所述多工况浮力调节装置包括舱体(10)、推力组件、腔体组件和橡胶囊组件；所述腔体组件和橡胶囊组件之间通过管道连接，所述腔体组件和橡胶囊组件上设有控制油或水进出的闸阀；

所述腔体组件包括第一腔体(3)和第二腔体(26)；所述橡胶囊组件包括第一橡胶囊(12)和第二橡胶囊(17)；所述推力组件包括第一推力组件和第二推力组件；所述第一推力组件和第二推力组件包括电推杆和活塞，所述活塞在电推杆的作用下移动；

所述推力组件通过控制油和水的进出来调整所述浮力调节装置的体积及重力，进而调节浮力调节装置的浮力及位姿；

所述方法包括以下步骤：

(1)设第一腔体(3)和第二腔体(26)的长度为h，直径为d；第一腔体和第二腔体内装有油，浮力调节装置的重力G_装1大于浮力F_浮1；所述浮力调节装置水平下沉；G_装1＝G_油1+G_舱1(1)；G_舱1为舱体所受的重力，G_油1为整个装置中油所受的重力；

V_舱为舱体的体积；H为浮力调节装置的长度，D为浮力调节装置的直径；

(2)将第一推力组件移动L，使第二腔体(26)中的油(7)进入第二橡胶囊(17)；同时将第二推力组件移动L，使第一腔体(3)中的油进入第一橡胶囊(12)，所述浮力调节装置的重力G_装2等于浮力F_浮2，所述装置水平悬浮；其中

所述F_浮2＝ρ_水·g·(V_舱+V_油2)    (6)

其中V_油2为从第一腔体和第二腔体输送至橡胶囊组件中油的体积：

(3)将第一推力组件移动K使第二腔体(26)中的油(7)进入第二橡胶囊(17)；同时将第二推力组件移动K使第一腔体(3)中的油进入第一橡胶囊(12)，所述装置的重力G_装3等于浮力F_浮3，所述装置水平悬浮；其中L<K≤h；

所述F_浮3＝ρ_水·g·(V_舱+V_油3)    (8)；

V_油3为从第一腔体和第二腔体中输送至橡胶囊组件中油的体积，

(4)将第一推力组件移动2L使第二腔体(26)中的油进入第一橡胶囊(12)，所述装置的重心偏移，装置的重力G_装4等于浮力F_浮4，所述装置倾斜悬浮；

F_浮4＝ρ_水·g·(V_舱+V_油4)    (8)；

V_油4为从第二腔体输送至第一橡胶囊中油的体积，

设装置中油的重心(36)相对于第一橡胶囊中油的重心(40)的偏移量为p,第二腔体中油的重心(39)相对于第一橡胶囊中油的重心(40)的偏移量为q；装置的重心(37)相对于舱体重心(38)偏移量为s，第一橡胶囊中油的重心(40)相对于舱体重心(38)偏移量为r；其中q，r为已知量，计算得装置中油的重心(36)相对于橡胶囊中油的重心(40)偏移量p的表达式如式(10)所示：

其中m_油1为第一腔体中油的质量，m_油2为第一橡胶囊中油的质量，取2L＝h，则表达式如(11)所示：

所述装置的重心(37)相对于舱体重心(38)偏移量s的表达式如式(12)所示：

其中m_油为整个装置中油的质量，m_舱为舱体的质量；

此时整个装置的重力G_装4等于浮力F_浮4且装置的重心向一侧偏移，装置倾斜悬浮；

(5)将第一推力组件移动J使第二腔体(26)中的油进入第一橡胶囊(12)，推动第二推力组件移动J使第一腔体(3)中的油进入第一橡胶囊(12)，所述装置翻转且重心偏移，所述装置的重力G_装5小于浮力F_浮5；

F_浮5＝ρ_水·g·(V_舱+V_油5)    (13)

其中V_油5为从第一腔体和第二腔体中输送至第一橡胶囊中油的体积；

设装置中油的重心(36)相对于舱体重心(38)的偏移量为n，装置的重心(37)相对于舱体重心(38)的偏移量为m，则m如式(15)所示：

此时装置所受到的重力G_装5小于浮力F_浮5且装置的重心向一侧偏移，装置竖直悬浮；

(6)在步骤(5)的基础上，通过第一推力组件和第二推力组件向第一腔体和第二腔体吸入海水，所述装置的重力G_装6大于浮力F_浮6，且装置的重心偏移但在竖直方向上，装置竖直下沉；

步骤(6)中的浮力F_浮6相对于步骤(5)不变，但重力G_装6增大，如式(16)所示：

G_装6＝G_油1+G_舱1+G_水＝G_油2+G_舱2+G_水 (16)

其中G_水为吸入装置中的水受到的重力如式(17)所示：

由于G_油2+G_舱2＝F_浮2，此时装置所受浮力F_浮6的表达式如式(19)所示：

设此时装置中油的重心(36)相对于舱体重心(38)的偏移量为y，装置的重心(37)相对于舱体重心(38)偏移量为x，则x的表达式如式(20)所示：

其中m_水为装置吸入海水的质量，表达式如式(21)所示：

此时装置的重力G_装6大于浮力F_浮6且装置的重心向一侧偏移，装置竖直下沉。

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