潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種海底潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及一種潛標(biāo)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括殼體、內(nèi)皮囊、外皮囊、液壓缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，外皮囊設(shè)置在殼體外，內(nèi)皮囊、液壓缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)皆設(shè)置在殼體內(nèi)，液壓缸包括缸體以及設(shè)置在缸體內(nèi)的活塞，內(nèi)皮囊通過二通閥Ⅱ與缸體連通，外皮囊通過二通閥Ⅰ與缸體連通，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足大排量需求且排量可方便擴(kuò)充，同時(shí)整體系統(tǒng)體積小，重量輕。使用此系統(tǒng)需要外部增加一套液壓閥控制系統(tǒng)，外部液壓系統(tǒng)可能出故障，可靠性稍有降低。
【專利說明】潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海底潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及一種潛標(biāo)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是海底熱液/冷泉系統(tǒng)觀測(cè)潛標(biāo)的核心部分，潛標(biāo)外皮囊內(nèi)液壓油的體積改變由其提供，潛標(biāo)在垂直剖面的定深運(yùn)動(dòng)也由它完成。它是潛標(biāo)能否完成任務(wù)的關(guān)鍵，其性能優(yōu)劣關(guān)系到監(jiān)測(cè)平臺(tái)的可靠性。為滿足監(jiān)測(cè)平臺(tái)能在2000m進(jìn)行定深控制的要求，浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須要具有較大排量、較高流量、以及最大能在25Mpa壓力下做功的能力。基于上述要求，將潛標(biāo)液壓系統(tǒng)的總體參數(shù)定為:排量> 500ml ;流量> 25ml/min ；最大工作壓力25Mpa ;整體重量≤7kg。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中通常采用如下幾種潛標(biāo)浮力驅(qū)動(dòng)方式:
[0004]單級(jí)液壓缸方案:使用單級(jí)活塞式液壓缸，通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中從外皮囊吸排油，潛標(biāo)整體體積改變。此種方案整體液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。設(shè)計(jì)方案適于整體質(zhì)量較小的Argo浮標(biāo)使用(一般30公斤)，但是對(duì)于大體積和較重質(zhì)量的監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)，此浮力驅(qū)動(dòng)方案不易滿足大排量的要求；絲杠行程較長(zhǎng)，容易失穩(wěn)；液壓系統(tǒng)排量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)后為定值，排量擴(kuò)大難。對(duì)于此種設(shè)計(jì)方案，設(shè)活塞桿直徑D = 0.03m,若要達(dá)到500ml的排量，則活塞上承受的力為17671N，活塞長(zhǎng)度為919.6mm，液壓缸重量為3.036kg。按照目前已有絲杠參數(shù)計(jì)算可知，該設(shè)計(jì)方案中絲杠已處于失穩(wěn)狀態(tài)，不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該方案在大 排量和流量上也較難滿足本平臺(tái)提出的要求，液壓系統(tǒng)總體長(zhǎng)度約為1.4m，不利于監(jiān)測(cè)平臺(tái)內(nèi)部布局，故不采用該方案。
[0005]多級(jí)液壓缸方案:主液壓缸在低壓下使用，可以實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)在較淺范圍內(nèi)的升沉運(yùn)動(dòng)，由于工作深度較淺，可以使用較大的液壓缸內(nèi)徑，完成監(jiān)測(cè)平臺(tái)大體積的改變。次級(jí)液壓缸根據(jù)工作深度不同也可分級(jí)，使用較小內(nèi)徑，實(shí)現(xiàn)在深海作業(yè)時(shí)潛標(biāo)的小體積改變。整體系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各級(jí)液壓缸可以分時(shí)工作，分級(jí)排油，節(jié)約能量；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較大排量。但是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，傳動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力部件多，造價(jià)高且可靠性較差。同時(shí)液壓系統(tǒng)的最大排量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后為定值，排量擴(kuò)充難以實(shí)現(xiàn)。由于使用多級(jí)液壓缸，液壓缸的總體重量已達(dá)到2.94kg，按照一般傳動(dòng)系統(tǒng)估算，其重量約為液壓缸重量的2倍計(jì)算，則液壓系統(tǒng)總重量約為8.82kg，故液壓系統(tǒng)總體重量較大。同時(shí)該設(shè)計(jì)方案的液壓系統(tǒng)總體長(zhǎng)度約為
1.2m,不利于監(jiān)測(cè)平臺(tái)內(nèi)部布局。
[0006]初級(jí)齒輪泵和后級(jí)的高壓柱塞泵組合方案:初級(jí)齒輪泵用于對(duì)內(nèi)皮囊的液壓油初步增壓，滿足高壓柱塞泵的使用要求，同時(shí)能夠析出液壓油內(nèi)的空氣，提高高壓柱塞泵的工作可靠性。液壓油經(jīng)過初級(jí)齒輪泵后，經(jīng)由高壓柱塞泵和單向閥流向外皮囊，改變皮囊體積。在初級(jí)齒輪泵和高壓柱塞泵之間的溢流閥用于大排量齒輪泵的泄流。液壓油從外皮囊至內(nèi)皮囊回流時(shí)則通過三位兩通電磁閥換位，流經(jīng)節(jié)流閥和溢流閥回到內(nèi)皮囊。方案設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)大的排量，且排量不受設(shè)計(jì)約束，可以方便擴(kuò)充。同時(shí)本系統(tǒng)使用現(xiàn)有泵、閥搭建，需要自己設(shè)計(jì)的部件少，方案完成速度快。但是此方案系統(tǒng)較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)定量的體積改變，系統(tǒng)所需元件多，可靠性差，重量大。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜且重量偏大，完成定量排油較為困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其滿足大排量需求且排量方便擴(kuò)充。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:其包括殼體、內(nèi)皮囊、外皮囊、液壓缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，夕卜皮囊設(shè)置在殼體外，內(nèi)皮囊、液壓缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)皆設(shè)置在殼體內(nèi)，液壓缸包括缸體以及設(shè)置在缸體內(nèi)的活塞，內(nèi)皮囊通過二通閥II與缸體連通，外皮囊通過二通閥I與缸體連通，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0009]本發(fā)明基本工作原理為:外皮囊裝在潛標(biāo)耐壓殼體的外部，經(jīng)油管與液壓缸相連。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將液壓缸內(nèi)的液壓油注入外皮囊后會(huì)使皮囊體積增大，致使?jié)摌?biāo)浮力逐漸增大，當(dāng)浮力大于重力時(shí)潛標(biāo)上升。反之，當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將外皮囊里的液壓油抽回液壓缸內(nèi)，夕卜皮囊體積縮小，潛標(biāo)浮力隨之減小，直至重力大于浮力，潛標(biāo)便開始下沉。液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)布置首先要注意布局緊湊，充分利用潛標(biāo)耐壓殼體內(nèi)的空間，以保證液壓系統(tǒng)各種設(shè)備裝置便于操作，又避免相互干擾和影響，確保安全可靠。其次要留有一部分備用空間，便于需要改裝和臨時(shí)加掛設(shè)備儀器，本發(fā)明的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。
[0010]傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過減速器與小齒輪固定連接，小齒輪與大齒輪嚙合，大齒輪與絲杠連接，絲杠與活塞固定連接。本發(fā)明的減速器和齒輪可把電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)降速，以提高轉(zhuǎn)矩。
[0011]大齒輪與絲杠之間設(shè)有絲杠螺母，絲杠螺母與大齒輪固定連接，絲杠螺母與絲杠之間螺紋連接。
[0012]絲杠的末端固定連接絲杠防轉(zhuǎn)件，絲杠防轉(zhuǎn)件的兩端連接導(dǎo)向支架，導(dǎo)向支架上設(shè)有滑軌，絲杠防轉(zhuǎn)件的兩端卡在滑軌之間。
[0013]殼體內(nèi)設(shè)有支撐架，內(nèi)皮囊、液壓缸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)皆設(shè)置在支撐架上并通過支撐架固定。
[0014]采用大排量及較高流量的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):(I)大的排量(約為ARGO浮標(biāo)的2倍)能確保潛標(biāo)能克服由于殼體壓縮率與海水壓縮率之間的差別以及穿越溫越層而損失的凈重力，保證潛標(biāo)能夠下潛到2000m的深度。(2)為2000m定深調(diào)節(jié)提供了可能性，下降到2000m后仍然有足夠的排量來進(jìn)行定深調(diào)節(jié)。例如由于ARGO的排量約為250ml，其將全部油液排出后最大下降深度約為2000m,故不能完成在2000m左右的定深調(diào)節(jié)。(3)大的流量(約為ARGO的3倍)使得潛標(biāo)具有較好的定深調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)控制性。
[0015]本發(fā)明的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足大排量需求且排量可方便擴(kuò)充，同時(shí)整體系統(tǒng)體積小，重量輕。使用此系統(tǒng)需要外部增加一套液壓閥控制系統(tǒng)，外部液壓系統(tǒng)可能出故障，可靠性稍有降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)示意圖；[0017]圖2為本發(fā)明的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1.殼體；2.內(nèi)皮囊；3.外皮囊；4.液壓缸；5.二通閥I ;6.二通閥II ；7.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；8.支撐架；
[0020]41.缸體；42.活塞；
[0021]71.電機(jī)；72.減速器；73.小齒輪；74.大齒輪；75.絲杠；76.絲杠螺母；77.絲杠防轉(zhuǎn)件；78.導(dǎo)向支架；79.滑軌。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括殼體1、內(nèi)皮囊2、外皮囊3、液壓缸4和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7，外皮囊3設(shè)置在殼體I外，內(nèi)皮囊2、液壓缸4和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7皆設(shè)置在殼體I內(nèi)，液壓缸4包括缸體41以及設(shè)置在缸體內(nèi)的活塞42，內(nèi)皮囊2通過二通閥II 6與缸體41連通，外皮囊3通過二通閥I 5與缸體41連通，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7驅(qū)動(dòng)液壓缸4的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0023]傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7包括電機(jī)71，電機(jī)71驅(qū)動(dòng)軸通過減速器72與小齒輪73固定連接，小齒輪73與大齒輪74嚙合，大齒輪74與絲杠75連接，絲杠75與活塞42固定連接。
[0024]大齒輪74與絲杠75之間設(shè)有絲杠螺母76，絲杠螺母76與大齒輪74固定連接，絲杠螺母76與絲杠75之間螺紋連接。
[0025]絲杠75的末端固定連接絲杠防轉(zhuǎn)件77，絲杠防轉(zhuǎn)件77的兩端連接導(dǎo)向支架78，導(dǎo)向支架78上設(shè)有滑軌79，絲杠防轉(zhuǎn)件77的兩端卡在滑軌79之間。殼體I內(nèi)設(shè)有支撐架8，內(nèi)皮囊2、液壓缸4和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7皆設(shè)置在支撐架8上并通過支撐架8固定。
[0026]排油工作循環(huán)分為兩個(gè)環(huán)節(jié):(1)向外皮囊排油:此時(shí)電機(jī)71帶動(dòng)減速器72和齒輪正向轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，位于外皮囊3與液壓缸之間的二通閥I 5打開，位于內(nèi)皮囊2與液壓缸之間的二通閥II 6關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)過程中把液壓缸內(nèi)液壓油排向外皮囊3，至活塞位于液壓缸頂端結(jié)束；(2)從內(nèi)皮囊2吸油:此時(shí)二通閥I 5關(guān)閉，二通閥II 6開啟，然后電機(jī)71帶動(dòng)減速器72和齒輪反向旋轉(zhuǎn)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，位于內(nèi)皮囊2的液壓油排向液壓缸內(nèi)，至活塞位于液壓缸尾端結(jié)束。重復(fù)以上過程，完成排油。
[0027]吸油工作循環(huán)同樣分為兩個(gè)環(huán)節(jié):(I)從外皮囊3吸油:此時(shí)二通閥I 5開啟，二通閥II 6關(guān)閉，電機(jī)71帶動(dòng)減速器72和齒輪反向旋轉(zhuǎn)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，從外皮囊3吸收液壓油至液壓缸內(nèi)，直到活塞到達(dá)液壓缸尾端停止；(2)向內(nèi)皮囊2排油:此時(shí)二通閥I 5關(guān)閉，二通閥II 6開啟，電機(jī)71帶動(dòng)減速器72和齒輪正向旋轉(zhuǎn)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，位于液壓缸內(nèi)的液壓油排入內(nèi)皮囊2，至活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸頂端結(jié)束。重復(fù)以上過程，完成吸油任務(wù)。
[0028]當(dāng)將海底熱液冷泉系統(tǒng)觀測(cè)潛標(biāo)被釋放到海水中后，位于考察船上的甲板控制單元的上位機(jī)控制程序發(fā)送給潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，通過聲通信Modem傳給水下觀測(cè)潛標(biāo)的下位機(jī)控制系統(tǒng)，控制電路發(fā)出信號(hào)給二通閥和電機(jī)71，使得電磁換向閥打開到需要位置，同時(shí)控制電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)71的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過減速器72減速后，通過大齒輪74傳給絲杠螺母76’由于絲杠75與只能沿導(dǎo)向支架作直線運(yùn)動(dòng)的絲杠防轉(zhuǎn)件77聯(lián)結(jié)為一體，所以絲杠75將驅(qū)動(dòng)活塞在液壓缸內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，由于外皮囊3經(jīng)過二通閥I 5、油管與液壓缸相通，進(jìn)而傳遞液壓油流入或流出外皮囊3。如果需要潛標(biāo)下沉，則控制信號(hào)控制二通閥處于適當(dāng)?shù)奈恢?，且電機(jī)71帶動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)使得液壓油流出外皮囊3，浮標(biāo)浮力減小，開始下沉。如果需要潛標(biāo)上浮，則控制信號(hào)控制二通閥處于適當(dāng)?shù)奈恢茫译姍C(jī)71帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使得液壓油流入外皮囊3，浮標(biāo)浮力增大，開始上浮。
[0029]液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還設(shè)置有一個(gè)充滿液壓油的內(nèi)皮囊2在耐壓殼體內(nèi)部，此設(shè)置能夠解決液壓柱塞泵活塞一個(gè)行程的排油量有限的問題。當(dāng)所需要的排油量大于活塞一個(gè)行程的排油量時(shí)，活塞向下運(yùn)動(dòng)到底完成一個(gè)行程后，電機(jī)71反轉(zhuǎn)活塞上升，此時(shí)二通閥變換位置，使得外皮囊3內(nèi)的液壓油不受影響，內(nèi)皮囊2里的液壓油被抽到液壓缸里，然后二通閥再變換位置，電機(jī)71正轉(zhuǎn)活塞下行，將液壓缸內(nèi)的液壓油排到外皮囊3中，此過程將循環(huán)直到所需的排油量全部排完。
【權(quán)利要求】
1.一種潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，包括殼體(I)、內(nèi)皮囊(2)、外皮囊(3)、液壓缸(4)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7 )，外皮囊(3 )設(shè)置在殼體(I)外，內(nèi)皮囊(2 )、液壓缸(4)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7 )皆設(shè)置在殼體(I)內(nèi)，液壓缸(4 )包括缸體(41)以及設(shè)置在缸體內(nèi)的活塞(42 )，內(nèi)皮囊(2)通過二通閥II (6)與缸體(41)連通，外皮囊(3)通過二通閥I (5)與缸體(41)連通，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7 )驅(qū)動(dòng)液壓缸(4 )的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)包括電機(jī)(71)，電機(jī)(71)驅(qū)動(dòng)軸通過減速器(72)與小齒輪(73)固定連接，小齒輪(73)與大齒輪(74)嚙合，大齒輪(74)與絲杠(75)連接，絲杠(75)與活塞(42)固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，大齒輪(74)與絲杠(75 )之間設(shè)有絲杠螺母(76 )，絲杠螺母(76 )與大齒輪(74)固定連接，絲杠螺母(76 )與絲杠(75)之間螺紋連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，絲杠(75)的末端固定連接絲杠防轉(zhuǎn)件Cm，絲杠防轉(zhuǎn)件(77)的兩端連接導(dǎo)向支架(78)，導(dǎo)向支架(78)上設(shè)有滑軌(79 )，絲杠防轉(zhuǎn)件(77 )的兩端卡在滑軌(79 )之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潛標(biāo)液壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，殼體(I)內(nèi)設(shè)有支撐架(8 )，內(nèi)皮囊(2 )、液壓缸(4 )和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7 )皆設(shè)置在支撐架(8 )上并通過支撐架(8 )固定。
【文檔編號(hào)】B63B22/18GK103963927SQ201310045687
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月5日
【發(fā)明者】欒錫武, 劉鴻 申請(qǐng)人:青島海洋地質(zhì)研究所