CN115056949B - 一种双内外四油囊浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双内外四油囊浮力调节装置。包括内油囊组件、外油囊组件、液压控制单元、进油管和焊接弯管；液压控制单元两侧对称安装有外油囊组件和内油囊组件，外油囊组件和内油囊组件自上而下水平正对设置，外油囊组件和内油囊组件通过固定条固定连接，液压控制单元的两端分别连接有进油管和焊接弯管，且通过进油管同时与液压控制单元两侧的外油囊组件连通，通过焊接弯管同时与液压控制单元两侧的内油囊组件连通，使得内油囊组件内的液压油依次通过焊接弯管、液压控制单元和进油管流入外油囊组件内。本发明通过改变外油囊的排水体积实现浮力的调节，整个装置结构紧凑、尺寸小、调节范围较大。

Description

一种双内外四油囊浮力调节装置

技术领域

本发明涉及了水下机器人领域的一种浮力调节装置，尤其涉及一种双内外四油囊浮力调节装置。

背景技术

为缓解全球日益紧张的资源压力，精确预测海洋动向，取得海洋问题的话语权，世界各国对深海资源的开发、探索等方面愈发重视。由于深海的恶劣环境，注定许多高难度的水下勘探、深海采集和水下设备检修等项目无法由人类独自完成，需要依靠潜水器和水下机器人等此类水下设备。这些水下设备在深海工作时极其依赖对浮力的控制，其浮力又会因为很多因素受到影响，例如海水密度的变化和结构受压发生弹性变形等。当浮力受到影响发生改变时，水下设备的姿态和工作状态会随之发生变化，若不加以精确的调整、控制，轻则导致这些水下设备无法正常工作，重则会因为浮心和重心的偏移致使设备发生倾覆甚至沉没，造成设备的损坏。如果能够合理利用浮力，不仅能够通过配比水下设备不同部位的浮力大小，实现姿态调节，更好的开展采样和开发等工作。还能通过调节浮力替代垂直推进器实现浮潜运动，更加稳定可靠的同时降低能耗，减少能源对内部空间的占用。此外，对于水下滑翔机等需要频繁进行浮潜运动以获取驱动力的水下设备来说，合理运用浮力调节装置可大幅提高续航能力。

因此，研制一套高精度、低功耗、高可靠性的浮力调节装置对我国未来水下航行器的研究以及对深海探索的进程有着巨大的推进作用，具有重大科研价值和实际意义。

发明内容

本发明针对小型水下设备提供了一种双内外四油囊浮力调节装置。通过改变外油囊的体积实现水下设备的浮力调节，整个装置结构紧凑、总体尺寸小、调节范围较大。

本发明的技术方案是：

本装置包括至少两个内油囊组件、至少两个外油囊组件、液压控制单元、固定条、进油管和焊接弯管；所述液压控制单元固定安装在固定条上，所述液压控制单元两侧对称安装有外油囊组件和内油囊组件，所述外油囊组件和内油囊组件自上而下水平正对设置，所述外油囊组件和内油囊组件之间通过固定条固定连接，所述液压控制单元的两端分别连接有进油管和焊接弯管，所述液压控制单元通过进油管同时与液压控制单元两侧的外油囊组件连通，所述液压控制单元通过焊接弯管同时与液压控制单元两侧的内油囊组件连通，使得液压控制单元两侧的内油囊组件内的液压油依次通过焊接弯管、液压控制单元和进油管流入液压控制单元两侧的外油囊组件。

所述液压控制单元包括流量计、双向柱塞泵、直流伺服电机、液压阀块和弹性联轴器；所述流量计安装在液压阀块顶端，所述双向柱塞泵安装在液压阀块的一侧，所述直流伺服电机的转动轴通过弹性联轴器与双向柱塞泵传动连接，所述液压阀块的一侧的顶端面设置有单向阀，所述单向阀的两端并联有双向截止阀，所述液压阀块的另一侧的顶端面设置有单向节流阀，所述液压控制单元靠近单向阀的一侧开设有进油口，所述液压控制单元靠近单向节流阀的一侧开设有出油口，所述液压控制单元的进油口与焊接弯管密封连通，所述液压控制单元的出油口与进油管密封连通；所述焊接弯管、双向柱塞泵与进油管通过液压阀块内部的油道相连通，使得液压油自焊接弯管流出后依次经过单向阀、流量计、双向柱塞泵和单向节流阀后流入进油管。

所述内油囊组件包括耐压水舱和设置在耐压水舱内的内油囊；所述耐压水舱主要由管接头座、水舱筒体、开口封盖、第一管接头和后封盖组成；所述水舱筒体为两端开口的圆筒，所述内油囊正好嵌在水舱筒体内，水舱筒体两端分别封闭连接有开口封盖和后封盖；所述后封盖两侧各开设有一个通孔，所述后封盖开设的通孔旁均焊接有管接头座，所述第一管接头通过管接头座固定安装在后封盖上，且所述第一管接头通过后封盖开设的通孔与水舱筒体连通，使得外部气源通过第一管接头流入水舱筒体；所述开口封盖中部开设有通孔，所述内油囊靠近开口封盖的一端开设有出入口，所述焊接弯管依次穿过开口封盖的通孔、内油囊的出入口后与内油囊进行连通。

所述外油囊组件包括油囊罩和设置在油囊罩内的外油囊，所述油囊罩包括底板、油囊罩筒体和油囊罩加强环；油囊罩筒体为两端开口的圆筒，所述油囊罩筒体的一端固定安装有底板，所述油囊罩筒体的另一端套装有油囊罩加强环，所述设置在油囊罩内的外油囊的一端与底板固定连接，且外油囊的一端开设有出入口，所述进油管穿过底板后通过外油囊的出入口与外油囊进行连通，所述外油囊的另一端与外界直接接触。

所述开口封盖开设的圆孔上焊接有封盖加强环，所述内油囊组件通过自身的封盖加强环与焊接弯管密封连接。

所述内油囊和外油囊为相同型号的蓄能器皮囊，具体材质为丁腈橡胶。

所述底板开设有多个用于透水的通孔，所述底板中心开设有螺纹孔，所述底板通过自身开设的螺纹孔与外油囊螺纹连接。

所述焊接弯管主要由焊接弯管总管、第二管接头、第一三通块、两个焊接弯管支管和弯管接头组成，所述焊接弯管总管和两个焊接弯管支管的一端分别连接到第一三通块的三个通孔，使得焊接弯管总管通过第一三通块与两个焊接弯管支管进行连通，所述焊接弯管总管的另一端安装有第二管接头，且焊接弯管总管通过第二管接头与液压阀块的进油口进行连通，每个所述焊接弯管支管的另一端均安装有弯管接头，且每个所述焊接弯管支管通过弯管接头与内油囊组件的内油囊进行连通。

所述进油管主要由进油管总管、第二三通块、两个进油管支管组成，所述进油管总管和两个进油管支管的一端分别连接到第二三通块的三个通孔，使得进油管总管通过第二三通块与两个进油管支管进行连通，所述进油管总管的另一端通过法兰与液压阀块的出油口进行连通，每个所述进油管支管的另一端的外表面加工有外螺纹，且每个所述进油管支管通过自身的外螺纹与外油囊组件的外油囊螺纹连接后进行连通。

每个所述弯管接头的外表面加工有外螺纹，且弯管接头外表面的一端沿着远离内油囊的方向依次套装有皮囊挡环、皮囊锁紧环和皮囊锁紧螺母，所述弯管接头通过紧密连接的皮囊挡环和皮囊锁紧环与耐压水舱的封盖加强环内表面密封连接，所述皮囊锁紧螺母与皮囊挡环紧密贴合。

本发明的有益效果是：

1)本发明由直流伺服电机驱动双向柱塞泵，通过控制双向柱塞泵正、反转以及双向截止阀的开闭实现外油囊的扩张和收缩，控制简单，系统可靠。

2)本发明选用的油囊为欧标蓄能器油囊，互换性较高，便于更换，且可更换内、外油囊最大容积实现调整装置最大浮力调节量。

3)本发明采用伺服电机与柱塞泵通过弹性联轴器直接相连，机械效率高。

4)本发明结构紧凑且兼顾较大调节能力，并可实时控制伺服电机转速改变调节速度。

附图说明

图1为双内外四油囊浮力调节装置总体液压示意图；

图2为双内外四油囊浮力调节装置结构示意图；

图3为耐压水舱结构示意图；

图4为液压控制单元结构示意图；

图5为油囊罩结构示意图；

图6为焊接弯管结构示意图；

图7为进油管结构示意图；

图8为油囊与耐压水舱的连接部位示意图；

图中所示：1.内油囊；2.单向阀；3.双向截止阀；4.流量计；5.双向柱塞泵；6.直流伺服电机；7.单向节流阀；8.外油囊；9.进油管；10.耐压水舱；11.焊接弯管；12.液压控制单元；13.油囊罩；14.管接头座；15.水舱筒体；16.开口封盖；17.封盖加强环；18.固定条；19.后封盖；20.液压阀块；21.弹性联轴器；22.底板；23.油囊罩筒体；24.油囊罩加强环；25.第二管接头；26.第一三通块；27.焊接弯管支管；28.弯管接头；29.进油管支管；30.进油管总管；31.第一管接头；32.皮囊挡环；33.皮囊锁紧环；34.皮囊锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本装置包括至少两个内油囊组件、至少两个外油囊组件、液压控制单元12、固定条18、进油管9和焊接弯管11；液压控制单元12固定安装在固定条18上，液压控制单元12两侧对称安装有外油囊组件和内油囊组件，在液压控制单元12的一侧，外油囊组件和内油囊组件自上而下水平正对设置，外油囊组件和内油囊组件之间通过固定条18固定连接，液压控制单元12的两端分别连接有进油管9和焊接弯管11，液压控制单元12通过进油管9同时与液压控制单元12两侧的外油囊组件连通，液压控制单元12通过焊接弯管11同时与液压控制单元12两侧的内油囊组件连通，使得液压控制单元12两侧的内油囊组件内的液压油依次通过焊接弯管11、液压控制单元12和进油管9流入液压控制单元12两侧的外油囊组件。

如图4所示，液压控制单元12包括流量计4、双向柱塞泵5、直流伺服电机6、液压阀块20和弹性联轴器21；流量计4安装在液压阀块20顶端，双向柱塞泵5安装在液压阀块20的一侧，直流伺服电机6的转动轴通过弹性联轴器21与双向柱塞泵5传动连接，液压阀块20的一侧的顶端面设置有单向阀2，单向阀2的两端并联有双向截止阀3，液压阀块20的另一侧的顶端面设置有单向节流阀7，液压控制单元12靠近单向阀2的一侧开设有进油口，液压控制单元12靠近单向节流阀7的一侧开设有出油口，液压控制单元12的进油口与焊接弯管11密封连通，液压控制单元12的出油口与进油管9密封连通；焊接弯管11、双向柱塞泵5与进油管9通过液压阀块20内部的油道相连通，使得液压油自焊接弯管11流出后依次经过单向阀2、流量计4、双向柱塞泵5和单向节流阀7后流入进油管9。通过直流伺服电机6调整双向柱塞泵5的运转方向及液压阀块20上双向截止阀3的开闭，控制液压油从内油囊1流向外油囊8或从外油囊8流向内油囊1，实现外油囊8的体积改变，进而控制水下设备的浮力大小。

如图2和图3所示，内油囊组件包括耐压水舱10和设置在耐压水舱10内的内油囊1；耐压水舱10主要由管接头座14、水舱筒体15、开口封盖16、第一管接头31和后封盖19组成；水舱筒体15为两端开口的圆筒，内油囊1正好嵌在水舱筒体15内，水舱筒体15两端分别封闭连接有开口封盖16和后封盖19；后封盖19两侧各开设有一个通孔，后封盖19开设的通孔旁均焊接有管接头座14，第一管接头31通过管接头座14固定安装在后封盖19上，且第一管接头31通过后封盖19开设的通孔与水舱筒体15连通，使得外部气源通过第一管接头31流入水舱筒体15，用于为耐压水舱10充入气压为1-2bar的气体；开口封盖16中部开设有通孔，内油囊1靠近开口封盖16的一端开设有出入口，焊接弯管11依次穿过开口封盖16的通孔、内油囊1的出入口后与内油囊1进行连通。

如图2和图5所示，外油囊组件包括油囊罩13和设置在油囊罩13内的外油囊8，油囊罩13包括底板22、油囊罩筒体23和油囊罩加强环24；油囊罩筒体23为两端开口的圆筒，油囊罩筒体23的一端固定安装有底板22，油囊罩筒体23的另一端套装有油囊罩加强环24，用来防止油囊罩筒体23扭曲变形，设置在油囊罩13内的外油囊8的一端与底板22固定连接，且外油囊8的一端开设有出入口，进油管9穿过底板22后通过外油囊8的出入口与外油囊8进行连通，外油囊8的另一端与外界直接接触。

开口封盖16开设的圆孔上焊接有封盖加强环17，内油囊组件通过自身的封盖加强环17与焊接弯管11密封连接。

内油囊1和外油囊8为相同型号的蓄能器皮囊，具体材质为丁腈橡胶，使得内油囊1与外油囊8可随液压油的流进流出发生体积的变化。

底板22开设有多个用于透水的通孔，用于增加透水率，底板22中心开设有螺纹孔，底板22通过自身开设的螺纹孔与外油囊8螺纹连接。

如图6所示，焊接弯管11主要由焊接弯管总管、第二管接头25、第一三通块26、两个焊接弯管支管27和弯管接头28组成，焊接弯管总管和两个焊接弯管支管27的一端分别连接到第一三通块26的三个通孔，使得焊接弯管总管通过第一三通块26与两个焊接弯管支管27进行连通，焊接弯管总管的另一端安装有第二管接头25，且焊接弯管总管通过第二管接头25与液压阀块20的进油口进行连通，每个焊接弯管支管27的另一端均安装有弯管接头28，且每个焊接弯管支管27通过弯管接头28与内油囊组件的内油囊1进行连通。

如图7所示，进油管9主要由进油管总管30、第二三通块、两个进油管支管29组成，进油管总管30和两个进油管支管29的一端分别连接到第二三通块的三个通孔，使得进油管总管30通过第二三通块与两个进油管支管29进行连通，进油管总管30的另一端通过法兰与液压阀块20的出油口进行连通，每个进油管支管29的另一端的外表面加工有外螺纹，且每个进油管支管29通过自身的外螺纹与外油囊组件的外油囊8螺纹连接后进行连通。

如图8所示，每个弯管接头28的外表面加工有外螺纹，且弯管接头28外表面的一端沿着远离内油囊1的方向依次套装有皮囊挡环32、皮囊锁紧环33和皮囊锁紧螺母34，弯管接头28通过紧密连接的皮囊挡环32和皮囊锁紧环33与耐压水舱10的封盖加强环17内表面密封连接，皮囊锁紧螺母34与皮囊挡环32紧密贴合，用于锁紧紧皮囊挡环32和皮囊锁紧环33。

优选的，流量计4为齿轮流量计。

如图1所示，当浮力调节装置需要增大浮力时，控制直流伺服电机6顺时针转动，通过弹性联轴器带动双向柱塞泵5顺时针旋转，且保持双向截止阀3断电，此时内油囊1中的液压油依次经单向阀2、流量计4、双向柱塞泵5、单向节流阀7流入外油囊8，外油囊8排水体积变大，浮力调节装置浮力增加。在此过程中，单向节流阀7不起节流作用。当浮力调节装置需要减小浮力时，控制直流伺服电机6逆时针转动，通过弹性联轴器带动双向柱塞泵5逆时针旋转，且保持双向截止阀3通电，此时外油囊8中的液压油依次经单向节流阀7、双向柱塞泵5、流量计4、双向截止阀3进入内油囊1，外油囊8排水体积变小，浮力调节装置浮力减小。在此过程中，单向节流阀7起节流作用，增加一定背压。

在整个调节过程中，流量计4用于实时获取内油囊1内的油量情况，当流量计4的数值达到设定值时，直流伺服电机6停止转动，双向截止阀3断电，从而保持稳定的浮力大小。本发明通过改变直流伺服电机6的转速来改变外油囊8的排水体积的变化速度，进而控制浮力调节装置的浮沉速度。

Claims (9)

1.一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：包括至少两个内油囊组件、至少两个外油囊组件、液压控制单元（12）、固定条（18）、进油管（9）和焊接弯管（11）；所述液压控制单元（12）固定安装在固定条（18）上，所述液压控制单元（12）两侧对称安装有外油囊组件和内油囊组件，所述外油囊组件和内油囊组件自上而下水平正对设置，所述外油囊组件和内油囊组件之间通过固定条（18）固定连接，所述液压控制单元（12）的两端分别连接有进油管（9）和焊接弯管（11），所述液压控制单元（12）通过进油管（9）同时与液压控制单元（12）两侧的外油囊组件连通，所述液压控制单元（12）通过焊接弯管（11）同时与液压控制单元（12）两侧的内油囊组件连通，使得液压控制单元（12）两侧的内油囊组件内的液压油依次通过焊接弯管（11）、液压控制单元（12）和进油管（9）流入液压控制单元（12）两侧的外油囊组件；

所述液压控制单元（12）包括流量计（4）、双向柱塞泵（5）、直流伺服电机（6）、液压阀块（20）和弹性联轴器（21）；所述流量计（4）安装在液压阀块（20）顶端，所述双向柱塞泵（5）安装在液压阀块（20）的一侧，所述直流伺服电机（6）的转动轴通过弹性联轴器（21）与双向柱塞泵（5）传动连接，所述液压阀块（20）的一侧的顶端面设置有单向阀（2），所述单向阀（2）的两端并联有双向截止阀（3），所述液压阀块（20）的另一侧的顶端面设置有单向节流阀（7），所述液压控制单元（12）靠近单向阀（2）的一侧开设有进油口，所述液压控制单元（12）靠近单向节流阀（7）的一侧开设有出油口，所述液压控制单元（12）的进油口与焊接弯管（11）密封连通，所述液压控制单元（12）的出油口与进油管（9）密封连通；所述焊接弯管（11）、双向柱塞泵（5）与进油管（9）通过液压阀块（20）内部的油道相连通，使得液压油自焊接弯管（11）流出后依次经过单向阀（2）、流量计（4）、双向柱塞泵（5）和单向节流阀（7）后流入进油管（9）；

所述双向截止阀（3）是通电的阀。

2.根据权利要求1所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述内油囊组件包括耐压水舱（10）和设置在耐压水舱（10）内的内油囊（1）；所述耐压水舱（10）主要由管接头座（14）、水舱筒体（15）、开口封盖（16）、第一管接头（31）和后封盖（19）组成；所述水舱筒体（15）为两端开口的圆筒，所述内油囊（1）正好嵌在水舱筒体（15）内，水舱筒体（15）两端分别封闭连接有开口封盖（16）和后封盖（19）；所述后封盖（19）两侧各开设有一个通孔，所述后封盖（19）开设的通孔旁均焊接有管接头座（14），所述第一管接头（31）通过管接头座（14）固定安装在后封盖（19）上，且所述第一管接头（31）通过后封盖（19）开设的通孔与水舱筒体（15）连通，使得外部气源通过第一管接头（31）流入水舱筒体（15）；所述开口封盖（16）中部开设有通孔，所述内油囊（1）靠近开口封盖（16）的一端开设有出入口，所述焊接弯管（11）依次穿过开口封盖（16）的通孔、内油囊（1）的出入口后与内油囊（1）进行连通。

3.根据权利要求1所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述外油囊组件包括油囊罩（13）和设置在油囊罩（13）内的外油囊（8），所述油囊罩（13）包括底板（22）、油囊罩筒体（23）和油囊罩加强环（24）；油囊罩筒体（23）为两端开口的圆筒，所述油囊罩筒体（23）的一端固定安装有底板（22），所述油囊罩筒体（23）的另一端套装有油囊罩加强环（24），所述设置在油囊罩（13）内的外油囊（8）的一端与底板（22）固定连接，且外油囊（8）的一端开设有出入口，所述进油管（9）穿过底板（22）后通过外油囊（8）的出入口与外油囊（8）进行连通，所述外油囊（8）的另一端与外界直接接触。

4.根据权利要求2所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述开口封盖（16）开设的圆孔上焊接有封盖加强环（17），所述内油囊组件通过自身的封盖加强环（17）与焊接弯管（11）密封连接。

5.根据权利要求2所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述内油囊（1）和外油囊（8）为相同型号的蓄能器皮囊，具体材质为丁腈橡胶。

6.根据权利要求3所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述底板（22）开设有多个用于透水的通孔，所述底板（22）中心开设有螺纹孔，所述底板（22）通过自身开设的螺纹孔与外油囊（8）螺纹连接。

7.根据权利要求2所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述焊接弯管（11）主要由焊接弯管总管、第二管接头（25）、第一三通块（26）、两个焊接弯管支管（27）和弯管接头（28）组成，所述焊接弯管总管和两个焊接弯管支管（27）的一端分别连接到第一三通块（26）的三个通孔，使得焊接弯管总管通过第一三通块（26）与两个焊接弯管支管（27）进行连通，所述焊接弯管总管的另一端安装有第二管接头（25），且焊接弯管总管通过第二管接头（25）与液压阀块（20）的进油口进行连通，每个所述焊接弯管支管（27）的另一端均安装有弯管接头（28），且每个所述焊接弯管支管（27）通过弯管接头（28）与内油囊组件的内油囊（1）进行连通。

8.根据权利要求1所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：所述进油管（9）主要由进油管总管（30）、第二三通块、两个进油管支管（29）组成，所述进油管总管（30）和两个进油管支管（29）的一端分别连接到第二三通块的三个通孔，使得进油管总管（30）通过第二三通块与两个进油管支管（29）进行连通，所述进油管总管（30）的另一端通过法兰与液压阀块（20）的出油口进行连通，每个所述进油管支管（29）的另一端的外表面加工有外螺纹，且每个所述进油管支管（29）通过自身的外螺纹与外油囊组件的外油囊（8）螺纹连接后进行连通。

9.根据权利要求7所述的一种双内外四油囊浮力调节装置，其特征在于：每个所述弯管接头（28）的外表面加工有外螺纹，且弯管接头（28）外表面的一端沿着远离内油囊（1）的方向依次套装有皮囊挡环（32）、皮囊锁紧环（33）和皮囊锁紧螺母（34），所述弯管接头（28）通过紧密连接的皮囊挡环（32）和皮囊锁紧环（33）与耐压水舱（10）的封盖加强环（17）内表面密封连接，所述皮囊锁紧螺母（34）与皮囊挡环（32）紧密贴合。