CN115743513A - 一种自适应压力调节浮空器及压力调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明为浮空器控制领域，特别涉及一种具有自适应压力调节的浮空器及压力调节方法。阀芯采用电机直接驱动对电动机构冲击较大会损坏电机，电机故障后会形成卡滞现象。本发明在浮空器囊体上安装有氦气阀组件，在浮空器吊舱内具有工控机；工控机通过接收传感器组件的压力和温度信号，并控制所述氦气阀组件来调节压力。当浮空器囊体的压力升高至设定的安全阈值上限，工控机控制电动机构前伸减小对阀芯的拉力；当气囊压力在安全阈值下限，工控机控制电动机构收缩增加了对阀芯的拉力；若电动机构故障自动锁死时，由弹簧组件提供最低限度的开启压力。实现自适应压力控制，减少压力下降过快、因电动机构卡滞导致的阀门无法闭合等情况发生。

Description

一种自适应压力调节浮空器及压力调节方法

技术领域

本发明为浮空器控制领域，特别涉及一种自适应压力调节浮空器及压力调节方法。

背景技术

浮空器一般是指系留气球、飞艇等浮空装置，在静浮力的作用下，利用外部缆绳拖拽或者推理矢量发动机控制浮空器上升、下降以及空中悬停等控制操作，从而实现一系列高空作业。

浮空器可以充当信号中转、空气质量检测的平台，同时也可以用于观光旅游、广告推广等商业行为，用途广泛。氦气阀是浮空器上的关键组件之一，它用于维持气囊内压力稳定，若副气囊内空气排尽、气囊内氦气过冲或者气温迅速变化等情况发生时，气囊内部压力会不断升高，达到某一临界值时为保证囊体安全性需要开启氦气阀，排出一部分氦气降低囊体内部压力，同时需要保证气囊内部最低限度的氦气量，确保安全回收。目前传统的阀门在密封性、开启与闭合能力等方面难以与外部环境的迅速变化相适应，并且存在一定的安全隐患，无法满足更高的要求标准，因此需要一种新型的氦气阀。

一般情况下，阀芯的开启与闭合采用电机直接驱动，即用电动机构直接作用在阀芯组件上。这种方法目前存在如下问题：

1、适用于浮空器的电动机构均为定制化产品，对防风、防腐蚀、温度要求更高，价格昂贵。采用电动机构直接驱动阀芯对电动机构冲击较大会损坏电机，性价比低，同时，该方案对电机的安装位置有更高的要求；

2、电机故障后会形成卡滞现象，导致阀门无法关闭，浮空器囊体内部与外界大气连通，内部气体不断扩散，会造成较大的经济损失；严重时会使浮空器失衡，后果难以估量；

3、对于由环境因素造成的阀门密封性降低无法进行主动补偿，将会导致浮空器囊体内部压力快速下降，会大大缩减浮空器单次浮空作业时长，增加维护成本。

发明内容

本发明提出一种自适应压力调节浮空器及压力调节方法，可以适应外部环境变化自动调节浮空器囊体内部压力，使得气囊内外压差平衡。

本发明自适应压力调节浮空器，该浮空器具有浮空器囊体，在浮空器囊体上安装有氦气阀组件，在浮空器囊体内安装有多个传感器组件，在浮空器囊体下侧安装有浮空器吊舱，在浮空器吊舱内具有工控机；工控机通过接收传感器组件的压力和温度信号，并控制所述氦气阀组件来调节压力；其中

所述氦气阀组件包括电动机构组件、弹簧组件、阀芯组件和阀座组件，该阀座组件包括支撑在阀座体上的横梁，电动机构组件的电动机构固定安装在横梁上，电机摇臂铰接安装在横梁上，电动机构通过电机接头与电机摇臂上端铰接；所述阀芯组件的阀芯曲臂铰接在横梁上，阀芯曲臂上端与阀芯直臂铰接，阀芯直臂下端穿过阀座体后通过阀芯螺帽与阀芯连接；所述弹簧组件一端与电机摇臂下端铰接，另一端与阀芯曲臂下端铰接。

有利地，所述弹簧组件包括并列设置的第一调压弹簧和第二调压弹簧。

有利地，所述横梁通过第一支座和第二支座支撑在阀座体上。

有利地，所述电动机构固定安装在横梁上侧的耳座上。

有利地，所述阀芯曲臂铰接安装在横梁下侧的耳座上。

有利地，所述阀座体由外部法兰与底部圆环组成，通过法兰连接在浮空器囊体上。

有利地，阀芯与阀座体在内部低压情况下紧密结合，当内部压力过高时会推开阀芯进行泄压，确保浮空器囊体内外压差保持在安全阈值范围内。

有利地，所述传感器组件包含压力传感器和温度传感器，实时检测浮空器囊体内的压力与温度变化。

本发明上述浮空器的自适应压力调节方法，初始状态下，电动机构的推杆处于中间位置，阀芯为闭合状态，弹簧组件处于拉伸状态，浮空器囊体的内部气压高于外部气压，调节包括减压模式、稳压模式和故障模式，其中

减压模式：当浮空器囊体的压力升高至设定的安全阈值上限，工控机控制电动机构前伸，减小对阀芯的拉力，在内外压差的作用下顶开阀芯进行快速泄压，随着压力逐渐降低至安全阈值以下，电动机构缓慢拉回中间位置，直到阀芯逐渐关闭；

稳压模式：当气囊压力在安全阈值下限，工控机控制电动机构收缩，进而增加了对阀芯的拉力；

故障模式：若电动机构故障自动锁死时，由弹簧组件提供最低限度的开启压力。

本发明公开的一种自适应压力调节浮空器及压力调节方法，根据传感器获得的环境信息，自动控制氦气阀的开启和闭合，控制浮空器内部压力平衡，确保浮空器安全飞行。

有益效果：本发明可以确保浮空器内部压力维持在安全阈值以内，实现自适应压力控制，减少压力下降过快、因电动机构卡滞导致的阀门无法闭合等情况发生。

附图说明

图1示出了本发明浮空器的主视图；

图2示出了本发明浮空器的俯视图；

图3是本发明氦气阀组件在阀芯闭合状态下的结构示意图；

图4示出了调压弹簧的安装方式示意图。

图标：1、氦气阀组件；2、传感器组件；3、浮空器囊体；4、浮空器吊舱；5、工控机；101、电动机构；102、电机接头；103、电机摇臂；104、第一调压弹簧；105、第二调压弹簧；106、阀芯曲臂；107、阀芯直臂；108、阀芯；109、阀芯螺帽；110、阀座体；111、第一支座；112、第二支座；113、横梁

具体实施方式

如图1所示浮空器中，包含：氦气阀组件1，传感器组件2，浮空器囊体3，浮空器吊舱4，工控机5。图2中可以看到在浮空器囊体3内的不同位置设置有多个传感器2。

传感器组件2共有四组，每组包含压差传感器和温度传感器，安装在浮空器囊体3内，主要测量浮空器囊体3内部的温度、压力，并将信息传递至工控机5；工控机5安装在吊舱4内，包含决策系统、信息传输系统，工控机5将传感器组件2获取的环境信息与氦气阀状态信息进行解算并根据决策系统控制氦气阀组件1，确保浮空器内部压力维持在安全阈值以内，实现自适应压力控制。

氦气阀组件由电动机构组件、弹簧组件、阀芯组件、阀座组件等四个部分组成。电动机构提供驱动力并将力传递给弹簧组件；弹簧组件起缓冲、压力调节作用并将驱动力传递给阀芯组件；阀芯组件为执行机构，控制阀门的开启与闭合；阀座组件为作为氦气阀组件的机架主要为各个组件提供安装绞支座。

参见图3，其中电动机构组件由电动机构101、电机接头102和电机摇臂103组成。电动机构101可实现精准的位置控制与压力控制，电动机构101的外壳体固定在横梁113的右侧耳座上，电动机构101的推杆与电机接头102通过螺纹连接；电机接头102与电机摇臂103上部绞接；电机摇臂103中部通过绞接的方式固定在横梁113左耳座上，下部通过螺栓与第一调压弹簧104、第二调压弹簧连接105连接。当电动机构101推杆伸出或收回时，带动电机接头102运动，使电机摇臂103绕横梁左侧耳座转动，调整第一调压弹簧104、第二调压弹簧105的拉伸量，从而实现弹簧压力的调节。

弹簧组件由第一调压弹簧104和第二调压弹簧105组成，两个弹簧均为双头挂钩弹簧，水平对称布置在氦气阀内，每个弹簧一端与阀芯组件连接、另一端与电动机构组件连接，可为阀芯提供一定的开启压力，同时提供了一定的缓冲空间，避免了电动机构组件与阀芯组件直接接触。

阀芯组件由阀芯曲臂106、阀芯直臂107，阀芯108和螺帽109组成。其中阀芯曲臂106为折弯异形件，底部采用螺栓与第一调压弹簧104、第二调压弹簧105螺栓连接，中部与横梁下部耳座绞接，顶部与阀芯直臂107绞接；阀芯直臂107由顶部的薄板与底部的导向杆组成，顶部薄板与阀芯曲臂106绞接，底部导向杆与阀芯108通过螺纹连接，导向杆末端采用螺帽109固定。以阀芯曲臂为杠杆，将弹簧拉力转换阀芯直臂对阀芯作用力，使得阀芯紧贴在阀座体上，形成良好的密封。

阀座组件由阀座体110、第一支座111、第二支座112和横梁113组成。其中阀座体110由外部法兰与底部圆环组成，可通过法兰连接在浮空器囊体上；第一支座111和第二支座112均为矩形结构，对称布置在阀座体径向位置上，用于支撑横梁113；横梁113为C型钢，中间开有槽口，顶部有两个绞接耳座，底部有一个绞接耳座。阀座体组件主要为氦气阀的安装以及氦气阀各个组件提供安装接口。

本发明实例的工作模式有三种，分别为减压模式、稳压模式、故障模式，减压模式主要针对需要快速减压的场合，稳压模式主要针对由环境导致的密封性问题，需要进行的增力稳压，故障模式针对电动机构故障时，需要保证最低限度的安全开启压力。初始状态下，电动机构101推杆处于中间位置，阀芯108为闭合状态，第一调压弹簧104、第二调压弹簧105处于拉伸状态，浮空器囊体内部气压高于外部气压。

减压模式：当气囊压力升高至设定的安全阈值上限，电动机构101前伸，减小两个调压弹簧伸长量，内外压差力克服弹簧力，顶开阀芯进行快速泄压直到压力降低至安全阈值以下。具体传动路线：电动机构101推杆伸出，带动电机102接头前伸，电机摇臂103在弹簧力的作用下绕横梁左耳座回转中心转动，调压弹簧伸长量减少，弹簧力随之降低，通过阀芯曲臂106与阀芯直臂107等传动机构对阀芯108施加的拉力降低，内外压差力大于对阀芯的拉力，阀芯108开启，囊体内部气体溢散，压力逐渐降低至安全阈值以下，阀芯108开度也会逐渐减少，弹簧右侧伸长量随之减少，弹簧力降低，电动机构101将推杆缓慢往中间位置移动，对弹簧右侧进行拉伸，补偿损失的弹簧力，使弹簧力维持在设定安全阈值范围，直到阀芯108逐渐关闭。

稳压模式：当气囊压力下降过快至设定的安全阈值下限，由电动机构101增大阀芯108开启压力，减少压力下降速度。电动机构回缩，通过增加弹簧伸长量进而增加了对阀芯108的拉力，对由于弹簧塑性形变、密封件老化所导致的密封间隙增大进行了压力补偿，阀芯108与阀座110紧密结合，减少了密封间隙，增大氦气阀开启压力减缓了气囊内部压力下降速度。

故障模式：阀芯开启后，当电动机构101故障后会自动锁死，此时弹簧会继续为阀芯组件提供最低限度的开启压力，当内部压力过高时，内外压差力克服弹簧力使得阀芯108开启，直到内外压差力低于弹簧力时，阀芯108闭合，这种方式避免了电机卡滞导致阀门无法闭合造成氦气大量溢散等情况发生。

Claims (9)

1.一种自适应压力调节浮空器，其特征在于：该浮空器具有浮空器囊体(3)，在浮空器囊体(3)上安装有氦气阀组件(1)，在浮空器囊体(3)内安装有多个传感器组件(2)，在浮空器囊体(3)下侧安装有浮空器吊舱(4)，在浮空器吊舱(4)内具有工控机(5)；工控机(5)通过接收传感器组件(2)的压力和温度信号，并控制所述氦气阀组件(1)来调节压力；其中

所述氦气阀组件(1)包括电动机构组件、弹簧组件、阀芯组件和阀座组件，该阀座组件包括支撑在阀座体(110)上的横梁(113)，电动机构组件的电动机构(101)固定安装在横梁(113)上，电机摇臂(103)铰接安装在横梁(113)上，电动机构(101)通过电机接头(102)与电机摇臂(103)上端铰接；所述阀芯组件的阀芯曲臂(106)铰接在横梁(113)上，阀芯曲臂(106)上端与阀芯直臂(107)铰接，阀芯直臂(107)下端穿过阀座体(110)后通过阀芯螺帽(109)与阀芯(108)连接；所述弹簧组件一端与电机摇臂(103)下端铰接，另一端与阀芯曲臂(106)下端铰接。

2.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述弹簧组件包括并列设置的第一调压弹簧(104)和第二调压弹簧(105)。

3.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述横梁(113)通过第一支座(111)和第二支座(112)支撑在阀座体(110)上。

4.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述电动机构(101)固定安装在横梁(113)上侧的耳座上。

5.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述阀芯曲臂(106)铰接安装在横梁(113)下侧的耳座上。

6.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述阀座体(110)由外部法兰与底部圆环组成，通过法兰连接在浮空器囊体(3)上。

7.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：阀芯(108)与阀座体(110)在内部低压情况下紧密结合，当内部压力过高时会推开阀芯(108)进行泄压，确保浮空器囊体内外压差保持在安全阈值范围内。

8.根据权利要求1所述的自适应压力调节浮空器，其特征在于：所述传感器组件(2)包含压力传感器和温度传感器，实时检测浮空器囊体(3)内的压力与温度变化。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述浮空器的自适应压力调节方法，其特征在于：初始状态下，电动机构(101)的推杆处于中间位置，阀芯(108)为闭合状态，弹簧组件处于拉伸状态，浮空器囊体(3)的内部气压高于外部气压，调节包括减压模式、稳压模式和故障模式，其中

减压模式：当浮空器囊体(3)的压力升高至设定的安全阈值上限，工控机(5)控制电动机构(101)前伸，减小对阀芯(108)的拉力，在内外压差的作用下顶开阀芯(108)进行快速泄压，随着压力逐渐降低至安全阈值以下，电动机构(101)缓慢拉回中间位置，直到阀芯(108)逐渐关闭；

稳压模式：当气囊压力在安全阈值下限，工控机(5)控制电动机构(101)收缩，进而增加了对阀芯(108)的拉力；

故障模式：若电动机构(101)故障自动锁死时，由弹簧组件提供最低限度的开启压力。

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