一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括動力源、切換閥、第一-第二壓載水艙，動力源的入口與切換閥的第一三通球閥相連，動力源的出口連接壓力平衡閥，壓力平衡閥連接單向閥，單向閥連接切換閥的第二三通球閥，切換閥的第一-第二三通球閥分別通過第一-第二開關閥連接第一-第二壓載水艙，切換閥的第一三通球閥和第一開關閥連接的管道與切換閥的第二三通球閥和第二開關閥連接的管道相通，切換閥的第一-第二三通球閥通過第一管路連接過濾器。本發(fā)明為更大深度的海水式浮力調(diào)節(jié)動力源問題提供了一種解決方法。
【專利說明】一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種浮力調(diào)節(jié)裝置。
【背景技術】
[0002]深海環(huán)境下可往復提供高精度浮力調(diào)節(jié)的技術尚未成熟，大深度、長航程的潛水器由于受重量和體積的限制，自身攜帶的能源極為有限，而通常此類潛水器在水下上浮下潛的距離遠遠超出水平方向作業(yè)的距離，于是，在研制新型能源的同時，越來越多的科研人員也在不斷的探索深潛器往復升沉運動過程中的節(jié)能技術，而對深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究是其中一個重要方向。
[0003]對于海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常都是直接使用海水泵，由于高壓海水泵很稀少，即便存在也受浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)尺寸和重量的限制，難以直接用高壓海水泵作為大深度浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力源。
[0004]一般的海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所用的切換閥是用四個兩位兩通電磁閥即開關電磁閥組成的，通過兩兩相對通斷實現(xiàn)充排海水。目前市場上的電磁閥大部分是單向作用的且大部分是用在陸上低壓設備中，不能滿足大深度海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中高壓雙向作用的要求，因此研制新型海水切換閥具有重要意義。
[0005]如專利號為CN202642072⑶，名稱為“深潛器水液壓集成系統(tǒng)”和專利號為CN2012101689993，名稱為“一種浮力調(diào)節(jié)裝置”中所涉及的浮力調(diào)節(jié)動力源都是直接使用的液壓泵，同時切換閥由電磁閥集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供由齒輪油泵驅(qū)動海水增壓泵，切換閥結(jié)構(gòu)是由電動執(zhí)行器驅(qū)動三通球閥組成的一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:包括動力源、切換閥、第一-第二壓載水艙，切換閥包括側(cè)壁、左端蓋、右端蓋、第一-第二電動執(zhí)行器、第一-第二三通球閥，左端蓋和右端蓋分別安裝在側(cè)壁的左右兩側(cè)組成密封艙，第一-第二電動執(zhí)行器設置在密封艙里，第一-第二三通球閥分別安裝在左端蓋和右端蓋上并分別與第一-第二電動執(zhí)行器相連，側(cè)壁上設置水密連接器，動力源的入口與第一三通球閥相連，動力源的出口連接壓力平衡閥，壓力平衡閥連接單向閥，單向閥連接第二三通球閥，第一-第二三通球閥分別通過第一-第二開關閥連接第一-第二壓載水艙，第一三通球閥和第一開關閥連接的管道與第二三通球閥和第二開關閥連接的管道相通，第一-第二三通球閥通過第一管路連接過濾器。
[0009]本發(fā)明還可以包括:
[0010]1、所述的動力源包括電機、齒輪油泵、海水增壓泵、緩沖器，電機連接齒輪油泵，海水增壓泵、齒輪油泵、緩沖器通過第二管路組成回路，動力源的入口和出口設置在海水增壓栗上O
[0011]2、動力源的出口還連接溢流閥，溢流閥連接第一管路。
[0012]3、所述的切換閥采用如下方式進行切換:在充水過程中，海水經(jīng)由過濾器進入切換閥中的第一三通球閥，通過動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥，再經(jīng)第一-第二開關閥分別進入第一-第二壓載水艙；在排水過程中，海水由第一-第二壓載水艙分別通過第一-第二開關閥進入切換閥的第一三通球閥，從動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥、過濾器排向大海。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:對于大深度海水浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過使用齒輪油泵驅(qū)動海水增壓泵的方式，動力源對壓力和流量的要求達到一種平衡，不僅回避了高壓海水泵難以購買等問題，使動力源中泵的選擇范圍變廣，難度減低，通過低壓油液壓系統(tǒng)驅(qū)動高壓水液壓系統(tǒng)，為更大深度的海水式浮力調(diào)節(jié)動力源問題提供了一種解決方法。此外，切換閥結(jié)構(gòu)緊湊，整體尺寸較小，拆裝方便，此外該切換閥結(jié)構(gòu)的耐壓密封性較好，可以達到雙向耐高壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的動力源結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的直流電機與齒輪油泵的連接圖；
[0017]圖4a為切換閥原理圖a，圖4b為切換閥原理圖b，圖4c為切換閥原理圖C，圖4d為切換閥原理圖山圖4e為切換閥原理圖e，圖4f為切換閥原理圖f ；
[0018]圖5為切換閥結(jié)構(gòu)的剖視圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0020]結(jié)合圖1?5，該海水式系浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由動力源、壓力平衡閥15、溢流閥16、切換閥18、開關閥19和壓載水艙20組成。動力源入口與切換閥18左三通球閥端口連接，出口與壓力平衡閥15連接，同時動力源出口還連接了起安全作用的溢流閥16 ;切換閥18的三通球閥上端口分別經(jīng)過一個開關閥19連接了壓載水艙20，切換閥18的三通球閥下端口則連接了過濾器21，最終通向外界環(huán)境。在充水過程中，海水經(jīng)由兩級過濾器21 —切換閥17中的左三通球閥一海水增壓泵3 —壓力平衡閥15 —單向閥17 —切換閥17中的右三通球閥一開關閥19 —壓載水艙20，由于水下運載器的浮力在此調(diào)節(jié)過程中幾乎不變，而重力增加，于是水下運載器就可以下沉，而在排水過程中，海水經(jīng)由壓載水艙20—開關閥19 —切換閥17左三通球閥一海水增壓泵3 —壓力平衡閥15 —單向閥17 —兩級過濾器21 —排向海水，同理浮力基本不變，而重力減少，于是水下運載器就可以向上浮。
[0021]結(jié)合圖2，本發(fā)明中的動力源主要構(gòu)成包括齒輪油泵2、海水增壓泵3、直流無刷電機6以及緩沖器5。緩沖器5、齒輪油泵2以及海水增壓泵3自身都使采用了耐腐蝕材料，同時通過緩沖器5的壓力補償作用，都可以直接放置于大深度海水環(huán)境中，進而通過液壓軟管4連接形成液壓回路。直流無刷電機被密封于耐壓密封艙8內(nèi)，驅(qū)動齒輪油泵2旋轉(zhuǎn)，形成油壓回路后，帶動海水增壓泵3運轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)對高壓水路的驅(qū)動。油路部分增加了一個由波紋管構(gòu)成的緩沖器5，還起到補償壓力和儲油的作用，無論是海水增壓泵3還是齒輪油泵2，運行過程中特別是低速運行或啟動過程中，會產(chǎn)生一定的脈動現(xiàn)象，通過緩沖器5可以減小脈動對泵本身以及海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。
[0022]結(jié)合圖3，本發(fā)明中的動力源部分的電機輸出軸通常是用O型密封圈或格萊圈來進行動密封，而本方案中的直流無刷電機6需要進行耐高壓海水保護，于是將其放在了耐壓密封艙8內(nèi)，而齒輪油泵自身可以保證高壓密封，于是將其直接外置于海水中，直流無刷電機6與齒輪油泵3都固定于耐壓艙一側(cè)端蓋上，連接的動密封就轉(zhuǎn)換為齒輪油泵3與耐壓密封艙8端蓋的靜密封，通過對端蓋的特殊結(jié)構(gòu)設計以及對齒輪油泵3端面的加工，兩者之間就可以用O型橡膠密封圈的靜密封來達到設計要求。
[0023]結(jié)合圖1和圖4，根據(jù)海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理，由四個兩位兩通電磁閥組成的切換閥圖4a為四個電磁閥組成切換閥的充水狀態(tài)，圖4b為排水狀態(tài)可以直接用四個兩通開關球閥來取代，也可以用兩個三通球閥圖4c為兩個三通球閥組成切換閥的充水狀態(tài)，圖4d為排水狀態(tài)或者一個四通球閥圖4e為一個四通球閥形成切換閥的充水狀態(tài)，圖4f為排水狀態(tài)來代替，但是由于球閥的開口通路越多通徑越小且最大工作壓力也會變小，二通球閥雖然通徑及壓力都適合但需要由四個組成，使切換閥較為復雜且占據(jù)的空間也大，而四通球閥雖然最簡單，但是不能滿足管路流量的最小通徑和系統(tǒng)的壓力要求，經(jīng)過研究分析，設計了用二個三通球閥同步旋轉(zhuǎn)的方式來組成系統(tǒng)的切換閥，不但能滿足系統(tǒng)的性能要求而且結(jié)構(gòu)也較為簡單。
[0024]結(jié)合圖5，本發(fā)明中切換閥結(jié)構(gòu)所使用的高壓三通球閥9為T型結(jié)構(gòu)，流體管路切換時閥芯需要旋轉(zhuǎn)90度角切換，最高工作壓力達到21.3Mpa，閥體的進出口管路配有標準卡套式管接頭，材料為耐海水腐蝕的316不銹鋼，可以直接用于海水中。驅(qū)動球閥9的電動執(zhí)行器12通過內(nèi)部減速機構(gòu)后輸出最大扭矩為18N.m,該執(zhí)行器為90度角正反旋轉(zhuǎn)動作且?guī)в腥_全關信號反饋，90度動作所需時間約為3s。電動執(zhí)行器12被放置于耐壓密封艙10內(nèi)，三通球閥9和耐壓艙端蓋過使用一種高壓螺紋密封膠被固定為一體，解決了連接的高壓密封問題，進而又通過支撐板11在耐壓密封艙10內(nèi)完成了與電動執(zhí)行器12的連接傳動。耐壓密封艙10采用了 O型密封圈的靜密封，并且從艙體上方設計了水密連接器14，用來接線控制該切換閥結(jié)構(gòu)的動作。
[0025]本發(fā)明的工作原理如下:
[0026]本發(fā)明中海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)動力源的要求通常是高壓力低流量的，假設其要求的壓力為20Mpa、流量為5L/min，為了使泵的壓力和流量達到一種相對平衡的狀態(tài)，選擇了意大利Neron公司、型號為HWB400的海水增壓泵，其壓力比為1.9，流量比為0.4，轉(zhuǎn)換后為壓力要求變?yōu)?0.5Mpa，而流量要求變?yōu)?2.5L/min，根據(jù)此要求參數(shù)，就能選擇齒輪油泵2，作者選擇了意大利Ronzio公司的Z2-08齒輪油泵。由于緩沖器5在液壓回路中能提供壓力補償，液壓管路4使用了軟管，直流無刷電機6被密封于耐壓艙8內(nèi)，該艙一側(cè)端蓋用來解決齒輪油泵2和電機6的密封傳動，另一側(cè)端蓋安裝的水密連接器7可以實現(xiàn)對電機6的控制，最終通過直流無刷電機6驅(qū)動低壓齒輪油泵2，進而帶動海水增壓泵3形成液壓回路，實現(xiàn)驅(qū)動高壓海水的目的。
[0027]本發(fā)明中切換閥結(jié)構(gòu)由兩個電動執(zhí)行器12分別驅(qū)動兩個高壓三通球閥9組成，電動執(zhí)行器12被放置于密封耐壓艙10內(nèi)，而高壓三通球閥本身可以耐高壓耐腐蝕，因此本切換閥結(jié)構(gòu)可以直接使用于大深度的海水環(huán)境中。該結(jié)構(gòu)工作時，通過控制兩個電動執(zhí)行器12同步正反旋轉(zhuǎn)90度角，帶動兩個三通球閥相應同步旋轉(zhuǎn)90度，完成海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中充排海水的切換功能，電動執(zhí)行器12為開關型，自身帶有全開全關反饋信號，可以實時檢測該切換閥當前的狀態(tài):排水或充水。
[0028]通常海水浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計要求是高壓力低流量的，為了避開高壓，作者設計了用低壓齒輪油泵加海水增壓泵的動力源方式，該方式由低壓油路經(jīng)過海水增壓泵來驅(qū)動高壓水路，雖然經(jīng)過轉(zhuǎn)換減低了系統(tǒng)效率，但動力源的初級變?yōu)橛捅茫瑫r泵的壓力要求減小而流量增加使壓力和流量達到一種相對平衡的狀態(tài)，提高了泵的選擇范圍，油路中增加了可伸縮補償器，除了儲油外，還可以補償壓力及減小脈動，使動力源更加可靠穩(wěn)定運行。海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對切換閥的基本要求有:1結(jié)構(gòu)緊湊，體積??；2能直接用于海水中，耐高壓耐腐蝕；3進出水口沒有方向要求，雙向耐高壓；4驅(qū)動機構(gòu)安全可靠。根據(jù)此要求，作者設計了一種由電動執(zhí)行器同步驅(qū)動高壓三通球閥的切換閥結(jié)構(gòu)。
[0029]本發(fā)明中動力源方案主要包括齒輪油泵、海水增壓泵、直流無刷電機以及緩沖器，由低壓油液壓回路來驅(qū)動高壓水液壓回路，兩級回路的流體介質(zhì)是相互獨立的。通過緩沖器提供油源，由直流無刷電機驅(qū)動低壓齒輪油泵，進而帶動海水增壓泵形成液壓回路，實現(xiàn)驅(qū)動高壓流體的目的。緩沖器可以在液壓回路中提供壓力補償，齒輪油泵以及海水增壓泵使用時自身內(nèi)外壓力能實現(xiàn)平衡，兩者都直接放置于大深度海水環(huán)境中，液壓管路使用軟管。直流無刷電機被密封于耐壓艙內(nèi)，通過耐壓密封艙一側(cè)端蓋，使得直流無刷電機與齒輪油泵連接傳動的動密封轉(zhuǎn)換為齒輪油泵與耐壓密封艙端蓋的靜密封。
[0030]本發(fā)明中切換閥結(jié)構(gòu)主要包括由兩個電動執(zhí)行器、兩個高壓三通球閥和一個耐壓密封艙組成的，高壓三通球閥自身可以耐高壓和耐腐蝕，則被固定于耐壓密封艙端蓋外，而兩個電動執(zhí)行器被同時放置于一個耐壓密封艙內(nèi)。此外，兩個三通球閥通過高壓螺紋密封膠分別被固定于耐壓密封艙端蓋上，使得球閥和密封艙端蓋連接為一體，球閥和電動執(zhí)行器的傳動連接在密封耐壓艙內(nèi)完成，使得結(jié)構(gòu)可以直接使用于大深度的海水環(huán)境中，最終由兩個執(zhí)行器同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個三通球閥同步動作，進而通過耐壓密封艙體上方設計的水密連接器引出接線來控制，實現(xiàn)海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中切換閥的功能。
[0031]本發(fā)明一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，動力源由低壓齒輪油泵2驅(qū)動海水增壓泵3組成；切換閥結(jié)構(gòu)由電動執(zhí)行器12同步驅(qū)動兩個三通球閥9，實現(xiàn)海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)充排水切換的目的。
[0032]動力源主要包括齒輪油泵2、海水增壓泵3、直流無刷電機I以及緩沖器5。通過緩沖器5提供油源，由直流無刷電機I驅(qū)動低壓齒輪油泵2，進而帶動海水增壓泵3形成液壓回路，實現(xiàn)驅(qū)動高壓流體的目的，齒輪油泵2、海水增壓泵3以及緩沖器5可以直接放置于大深度海水環(huán)境中，而直流無刷電機I被密封于耐壓艙內(nèi)。
[0033]緩沖器5可以在液壓回路中提供壓力補償，齒輪油泵2以及海水增壓泵3運行時自身內(nèi)外壓力可以實現(xiàn)平衡，液壓管路也可以使用軟管。
[0034]通過耐壓密封艙8 一側(cè)端蓋，使得直流無刷電機I與齒輪油泵2連接傳動的動密封轉(zhuǎn)換為齒輪油泵I與耐壓密封艙8端蓋的靜密封。
[0035]由油液低壓回路驅(qū)動的另一級聞壓回路是水液壓回路，兩級回路的流體介質(zhì)是相
互獨立的。[0036]切換閥主要包括兩個電動執(zhí)行器12、兩個高壓三通球閥9和一個耐壓密封艙10，電動執(zhí)行器12被放置于耐壓密封艙10內(nèi)，而三通球閥9則被固定于耐壓密封艙10端蓋外，通過兩個執(zhí)行器12同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個三通球閥9動作，最終實現(xiàn)海水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中切換閥的功能。
[0037]高壓三通球閥9自身可以耐高壓和耐腐蝕，而兩個電動執(zhí)行器12被放置于同一個耐壓密封艙10內(nèi)，該結(jié)構(gòu)可以直接使用于大深度的海水環(huán)境中。
[0038]兩個三通球閥9通過高壓螺紋密封膠分別被固定于耐壓密封艙10端蓋，使得球閥9和密封艙10端蓋連接為一體，球閥9和電動執(zhí)行器12的傳動連接在密封耐壓艙10內(nèi)完成。
[0039]接線控制該結(jié)構(gòu)動作的水密連接器14是從耐壓密封艙體10上方設計引出的，而不是從端蓋。
【權利要求】
1.一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:包括動力源、切換閥、第一-第二壓載水艙，切換閥包括側(cè)壁、左端蓋、右端蓋、第一 _第二電動執(zhí)行器、第一 _第二二通球閥，左端蓋和右端蓋分別安裝在側(cè)壁的左右兩側(cè)組成密封艙，第一-第二電動執(zhí)行器設置在密封艙里，第一-第二三通球閥分別安裝在左端蓋和右端蓋上并分別與第一-第二電動執(zhí)行器相連，側(cè)壁上設置水密連接器，動力源的入口與第一三通球閥相連，動力源的出口連接壓力平衡閥，壓力平衡閥連接單向閥，單向閥連接第二三通球閥，第一-第二三通球閥分別通過第一-第二開關閥連接第一-第二壓載水艙，第一三通球閥和第一開關閥連接的管道與第二三通球閥和第二開關閥連接的管道相通，第一-第二三通球閥通過第一管路連接過濾器。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:所述的動力源包括電機、齒輪油泵、海水增壓泵、緩沖器，電機連接齒輪油泵，海水增壓泵、齒輪油泵、緩沖器通過第二管路組成回路，動力源的入口和出口設置在海水增壓泵上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:動力源的出口還連接溢流閥，溢流閥連接第一管路。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:所述的切換閥采用如下方式進行切換:在充水過程中，海水經(jīng)由過濾器進入切換閥中的第一三通球閥，通過動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥，再經(jīng)第一-第二開關閥分別進入第一-第二壓載水艙；在排水過程中，海水由第一-第二壓載水艙分別通過第一-第二開關閥進入切換閥的第一三通球閥，從動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥、過濾器排向大海。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種深海浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征是:所述的切換閥采用如下方式進行切換:在充水過程中，海水經(jīng)由過濾器進入切換閥中的第一三通球閥，通過動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥，再經(jīng)第一-第二開關閥分別進入第一-第二壓載水艙；在排水過程中，海水由第一-第二壓載水艙分別通過第一-第二開關閥進入切換閥的第一三通球閥，從動力源的入口進入海水增壓泵，從動力源的出口依次進入壓力平衡閥、單向閥、第二三通球閥、過濾器排向大海。
【文檔編號】B63G8/22GK103979092SQ201410195470
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權日:2014年5月9日
【發(fā)明者】張銘鈞, 張 杰, 趙文德, 王玉甲, 趙勇, 孫松海 申請人:哈爾濱工程大學