浮力调节装置的设计.docx

1—— 置］ 作者：冀功祥，邓小青，王华明 来源：《科技创新与生产力》2014年第8期 冀功祥，邓小青，王华明 （中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北 宜昌443003） 摘要：实现潜器在海洋中进行垂直剖面海洋参数测量的驱动方式有浮力驱动、螺旋桨驱动、 喷水推进等，文章介绍了一种应用于深海垂直剖面测量的动力驱动系统一一浮力调节装置，分 别从装置组成、工作原理、液压系统和关重件设计四方面展开论述。 关键词：潜器；浮力调节；垂直剖面 中图分类号：TP24 文献标志码：A DOI： 10.3969/j.issn.1674-9146.2014.08.102 在海洋环境监测和资源调查中，需要对海洋动力环境进行长期、定点、实时、立体监测， 即进行海洋水体中不同剖面参数（如温度、盐度、流速和光学特性量）的测量，希望在恶劣环 境下实现无人值守的全天候长期连续定点实时观测，为了实现此目标，需研制可在测量剖面内 上（浮）下（潜）运动的低功耗潜器。 目前，实现潜器上（浮）下（潜）运动的方法主要有螺旋桨驱动、喷水推进、浮力驱动等 方式，其中浮力驱动由于通过改变自身浮力状况利用浮力或负浮力上升或下潜，是迄今为止最 节能的一种方式。实现浮力调节有两种方法：一种是保持潜器质量不变，通过改变其排水体积 以调节浮力；第二种是保持潜器排水体积不变，通过改变潜器质量以调节其浮力［1-2］。文章为 利用第一种方法进行浮力调节的装置，该装置用于驱动潜器上（浮）下（潜）实现剖面测量平 台升降运动。 1 装置组成 浮力调节装置内置于耐压筒内，主要由直流电机、液压泵、阀组、耐压罩、油囊、油箱和 控制单元等部分组成，其组成结构见图1。其中，油箱采用类似柱塞液压缸形式，由油箱体、 活塞和位移传感器组成，位移传感器用于检测活塞相对油箱体的位移，从而计算出油箱排出或 充入液压油的体积；耐压罩与油囊组成密闭容腔，控制此容腔体积变化实现浮力调节功能。 蹲1 浮力调号装堇组成站构示意图 2 工作原理 浮力调节装置的功能是在潜器的综合控制系统指令的指示下，由电机、液压泵、阀组件、 油囊、油箱组成的液压系统动作控制，使油囊密闭空腔充油或排油来增加或减小自身的浮力， 从而实现潜器具备上浮动力正浮力或下潜动力负浮力，其系统工作原理见图2 [3-4]。 浮力调节装置根据潜器综合控制系统的指令，驱动直流电机和阀组件进行动作，实现油箱 和油囊密闭空腔之间液压油交换，从而达到综合控制系统指令要求，其中控制单元通过检测位 移传感器位置信号即油箱活塞的位移进而计算油囊中液压油体积。油囊的体积为最终控制目标， 油箱、液压泵、阀组件和直流电机组成液压油源作为系统的执行部件，控制单元为系统的控制 中心。 3 液压系统 浮力调节装置的液压系统主要是由直流电机、双向定量液压泵、电磁换向阀组、油箱和油 囊等组成，通过控制电磁阀组件实现以下4种功能（见图3）。 |小I笋 | 博日 "rm础阀： 图3 准压一奈统匚什原理图 1） 当电磁阀1得电开启，其他电磁阀处于常闭状态时，液压泵进、回油口与密闭油箱连通， 实现液压泵卸荷启动。 2） 当电磁阀2得电开启，其他电磁阀处于常闭状态时，液压泵在电机正转驱动下从密闭油 箱中吸油向油囊充油，从而实现增大浮力的功能。 3） 当电磁阀2得电开启，其他电磁阀处于常闭状态时，液压泵在电机反转驱动下从油囊中 吸油向密闭油箱充油，从而实现减小浮力的功能，此种工作模式用于水深较浅时。 4） 当电磁阀3得电开启，其他电磁阀处于常闭状态时，油囊在外界水压的作用下直接通过 电磁阀3将油压入油箱，此种工作模式用于水较深时，可以减少系统功耗。 4关重件设计 耐压罩与油囊为本装置的关重件，二者组成密闭容腔为系统被控对象，均设计为半球形状。 耐压罩作为浮力调节装置的耐外部环境压力部件，浮力调节装置通过其与耐压筒连接。耐压罩 选择采用内凸型封头结构，以进行减重设计(见图4)。 图4 壮氏罩及：囊外形图 5结束语 按该方案所设计的浮力调节装置，经过试验，验证原理可行，能实现浮力调节并驱动潜器 上浮下潜，但还需要在以下两方面进行改进设计：一是进行减重和结构小型化设计，可为潜器 搭载其他海洋测量设备提供富裕空间；二是进行节能设计，降低系统能耗，提高潜器水下服役 期，可通过优化工作模式等方法实现。 参考文献： 郭萌,郭文生.深海剖面测量系统设计[J].计算机与数字工程,2012,40(8):60-61. 杨钢，郭晨冰,李宝仁.浮力调节装置实验研究[J].机床与液压,2008,36(10):52-53. 汤国伟，何再明，张小献,等.潜水器浮力微调系统设计研究[J].液压与气 动，2012(7):118-120. 杜加友.水下滑翔机本体及调节机构研究[D].杭州:浙江大学,2006:44-48. (责任编辑高远)