一种深海蓄能式浮力调节装置及其调节方法
阅读说明：本技术 一种深海蓄能式浮力调节装置及其调节方法 (Deep sea energy storage type buoyancy adjusting device and adjusting method thereof ) 是由 陈俊 黄文健 辛永智 蔡笃思 杨文才 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供的深海蓄能式浮力调节装置,所述蓄能器(1)的出油口经所述控制阀箱(5)内部油路分为两路,其中一路油路连接至所述第一开关阀(6)的一端,所述第一开关阀(6)另一端连接至所述双向齿轮泵(3)的一端,所述双向齿轮泵(3)的另一端连接至所述外油囊(2)；另一路油路连接至所述第三开关阀(10)的一端,所述第三开关阀(10)的另一端连接至所述调速阀(11)的出口端,所述调速阀(11)的入口端与所述外油囊(2)连接,上述深海蓄能式浮力调节装置,利用蓄能器(1)事先蓄积与工作水深压力相当的气体,使得系统在由蓄能器(1)向外油囊(2)注油时,由于所述双向齿轮泵(3)的进出口压差很小,从而显著减少了能源的消耗。另外,本发明还提供了深海蓄能式浮力调节方法。(The deep sea energy storage type buoyancy adjusting device provided by the invention has the advantages that an oil outlet of the energy accumulator (1) is divided into two ways through an oil way inside the control valve box (5), wherein one way of the oil way is connected to one end of the first switch valve (6), the other end of the first switch valve (6) is connected to one end of the bidirectional gear pump (3), and the other end of the bidirectional gear pump (3) is connected to the outer oil bag (2); the other oil way is connected to one end of the third switch valve (10), the other end of the third switch valve (10) is connected to the outlet end of the speed regulating valve (11), the inlet end of the speed regulating valve (11) is connected with the outer oil bag (2), and the deep sea energy storage type buoyancy regulating device utilizes the energy accumulator (1) to accumulate gas equivalent to the working water depth pressure in advance, so that when the system is filled with oil from the energy accumulator (1) to the outer oil bag (2), the pressure difference between the inlet and the outlet of the bidirectional gear pump (3) is small, and the consumption of energy is remarkably reduced. In addition, the invention also provides a deep sea energy storage type buoyancy adjusting method.)
技术领域
本发明涉及水下作业技术领域，特别涉及一种深海蓄能式浮力调节装置及其调节方法。
背景技术
深海基站式作业平台是基于深海着陆器技术发展而来的一类新型水下作业装备，既具备深海着陆器长时间、定点作业的能力，还可以携带ROV或AUV进行协同作业，同时可在海底运动，实现作业位点的转移，能够满足更多元化的深海探测任务，是对当前水下作业装备体系的重要补充。
深海基站式作业平台在海底定点作业时，需具备较大的负浮力以抵抗海流等外界的扰动，从而保持一个固定的位置和姿态。当开始转移作业位点时，首先要从坐底状态切换至悬浮状态，一种方法是通过推进器提供向上的动力，该方法简单直接、容易控制，但能耗较大，且随时间不断累加；另一种是采用浮力调节的方法，其优点在于每移动一个位点只需进行一次浮力调节，而与运动的时间和距离无关，因此是一种更常用的技术方案。对于常规的浮力调节系统，无论是质量式或容积式调节，系统工作压力即为深海环境压力，作业深度越大消耗的能源则越多。由于深海基站式作业平台浮力调节范围大、调节次数多，降低浮力调节系统的能耗具有重要的意义。同时，该项技术对于其他作业装备也具有很好的适用性。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种为解决常规浮力调节系统在深海环境中工作能耗大的问题的深海蓄能式浮力调节装置。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一方面本申请提供了一种深海蓄能式浮力调节装置，包括：蓄能器(1)、外油囊(2)、双向齿轮泵(3)、直流电机(4)、控制阀箱(5)、第一开关阀(6)、第二开关阀(7)、溢流阀(9)、第三开关阀(10)及调速阀(11)，所述双向齿轮泵(3)与所述直流电机(4)固定连接，所述第一开关阀(6)、所述第二开关阀(7)、所述压力传感器(8)、所述溢流阀(9)、所述第三开关阀(10)及所述调速阀(11)均安装在所述控制阀箱(5)的内部；其中：
所述蓄能器(1)的出油口经所述控制阀箱(5)内部油路分为两路，其中一路油路连接至所述第一开关阀(6)的一端，所述第一开关阀(6)另一端连接至所述双向齿轮泵(3)的一端，所述双向齿轮泵(3)的另一端连接至所述外油囊(2)；另一路油路连接至所述第三开关阀(10)的一端，所述第三开关阀(10)的另一端连接至所述调速阀(11)的出口端，所述调速阀(11)的入口端与所述外油囊(2)连接；
所述双向齿轮泵(3)的两个端口分别与所述第二开关阀(7)的两个端口及所述溢流阀(9)的两个端口连接，以构成卸荷启动回路。
在其中一些实施例中，所述蓄能器(1)若干个并联设置的皮囊式单元组成，任意一皮囊式单元采用碳纤维缠绕式壳体。
在其中一些实施例中，还包括与所述皮囊式单元对应设置的手动截止阀(13)及所述转接阀块(12)，任意一所述皮囊式单元的出油口经对应的所述手动截止阀(13)后连接所述转接阀块(12)的一端，所述转接阀块(12)的另一端连接至所述控制阀箱(5)。
在其中一些实施例中，所述外油囊(2)为可沿直线伸缩的波纹管式皮囊装置，所述皮囊装置暴露于海水中，内充液压油，并采用弹簧预紧，使内部油压始终略大于环境海水压力。
在其中一些实施例中，所述外油囊(2)还内置直线电位计(201)，所述直线电位计(201)引线通过穿舱接插件(19)、水密电缆(18)连接至所述控制阀箱(5)内部的所述控制电路板(22)上。
在其中一些实施例中，所述直流电机(4)的引线通过走线管接头(21)、油管(14)连接至所述控制阀箱(5)内部的控制电路板(22)上。
在其中一些实施例中，所述控制阀箱(5)内部还包括压力传感器(8)，所述压力传感器(8)压力检测端口位于所述蓄能器(1)出油口与所述第一开关阀(6)之间的管路上，用于实时检测所述蓄能器(1)内部的压力。
在其中一些实施例中，所述控制电路板(22)通过所述控制阀箱(5)左侧的穿舱接插件(19)及水密电缆(18)与水下作业平台连接，所述控制电路板(22)可控制上述各开关阀的开关动作、所述直流电机(4)的开关和调速，以及获取所述压力传感器(8)和所述直线电位计201的测量数据，执行作业平台的控制指令，实现深海环境下的浮力调节。
在其中一些实施例中，所述控制阀箱(5)的侧边还设置有堵头(20)及排气阀(23)，所述堵头(20)用于所述控制阀箱(5)阀体工艺孔的封堵；所述排气阀(23)用于所述控制阀箱(5)封舱时内部气体的排出。
在其中一些实施例中，所述蓄能器(1)、所述外油囊(2)、所述双向齿轮泵(3)、所述直流电机(4)及所述控制阀箱(5)均可独立安装于水下作业平台上，并可通过卡套式管接头(17)、液压钢管(15)与三通管接头(16)进行任意组合，实现油路的连接。
另一方面，本申请还提供了一种所述的深海蓄能式浮力调节装置的调节方法，包括：
所述蓄能器(1)内部允许最低油量为Va，所述外油囊(2)允许最低油量为Vb，系统所需调节量为ΔV，则向所述蓄能器(1)中注入液压油的量为VI＝Va+ΔV，向所述外油囊(2)中注入液压油的量为VE＝Vb；
根据系统海底作业的环境条件，计算所述蓄能器(1)的预充压力为：P0＝P1T0/T1，其中，T0为所述蓄能器(1)充气时的室温，P1为系统海底作业时的环境压力，T1为系统海底作业时的环境温度；
系统在海底作业期间，当需要调节浮力增加时，开启所述双向齿轮泵(3)、所述直流电机(4)和所述第一开关阀(6)，所述蓄能器(1)内部的液压油流向所述外油囊(2)，系统排水体积增加；
通过所述外油囊(2)可得到系统的浮力调节量，进而通过控制所述直流电机(4)的开关和转速、所述第一开关阀(6)的开关，实现浮力调节的闭环控制；
所述蓄能器(1)内部液压油的排出，导致内部压力逐渐减小，当完成系统的最大调节量时，所述蓄能器(1)内部压力为：P2＝P1V1/V2，其中，V1＝VT-VI，V2＝V1+ΔV，VT为所述蓄能器(1)的有效容积；为浮力调节系统最大工作压力；
系统在海底作业期间，当需要调节浮力减小时，开启所述第三开关阀(10)，所述外油囊(2)中的液压油经所述调速阀(11)以恒定流速回流至所述蓄能器(1)内部，系统排水体积减小；同时，所述蓄能器(1)内部压力逐渐增加，实现了再次蓄能；
通过所述外油囊的油量，可得到系统的浮力调节量，进而通过控制所述第三开关阀(10)实现浮力调节的闭环控制；
系统在水面时，打开所述双向齿轮泵(3)、直流电机(4)和所述第一开关阀，将所述外油囊(2)中的液压油注入所述蓄能器(1)中，所述双向齿轮泵(3)两端并联所述第二开关阀(7)、所述溢流阀(9)构成的卸荷启动回路用于系统工作压力较大时的启动；打开第二开关阀(7)，再通过控制第一开关阀(6)的开关，可将所述蓄能器(1)中的液压油排入所述外油囊(2)中，实现对系统下潜浮力状态的事先调节。
采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：
本发明提供的深海蓄能式浮力调节装置，所述蓄能器(1)的出油口经所述控制阀箱(5)内部油路分为两路，其中一路油路连接至所述第一开关阀(6)的一端，所述第一开关阀(6)另一端连接至所述双向齿轮泵(3)的一端，所述双向齿轮泵(3)的另一端连接至所述外油囊(2)；另一路油路连接至所述第三开关阀(10)的一端，所述第三开关阀(10)的另一端连接至所述调速阀(11)的出口端，所述调速阀(11)的入口端与所述外油囊(2)连接；所述双向齿轮泵(3)的两个端口分别与所述第二开关阀(7)的两个端口及所述溢流阀(9)的两个端口连接，以构成卸荷启动回路，上述深海蓄能式浮力调节装置，利用蓄能器(1)事先蓄积与工作水深压力相当的气体，使得系统在由蓄能器(1)向外油囊(2)注油时，由于所述双向齿轮泵(3)的进出口压差很小，从而显著减少了能源的消耗；相反，因环境海水压力大于蓄能器(1)内压，在外油囊(2)向蓄能器回油时，而无需消耗能源，同时也给蓄能器再次蓄能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的深海蓄能式浮力调节装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的深海蓄能式浮力调节装置的另一视图的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的控制阀箱去掉盖板后的正视图。
其中：1为蓄能器，2为外油囊，3为双向齿轮泵，4为直流电机，5为控制阀箱，6为第一开关阀，7为第二开关阀，8为压力传感器，9为溢流阀，10为第三开关阀，11为调速阀，12为转接阀块，13为手动截止阀，14为油管，15为液压钢管，16为三通管接头，17为卡套式管接头，18为水密电缆，19为穿舱接插件，20为堵头，21为走线管接头，22为控制电路板，23为排气阀，201为直线电位计。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明实施例提供的深海蓄能式浮力调节装置的结构示意图，包括：蓄能器(1)、外油囊(2)、双向齿轮泵(3)、直流电机(4)、控制阀箱(5)、第一开关阀(6)、第二开关阀(7)、溢流阀(9)、第三开关阀(10)及调速阀(11)，所述双向齿轮泵(3)与所述直流电机(4)固定连接，所述第一开关阀(6)、所述第二开关阀(7)、所述压力传感器(8)、所述溢流阀(9)、所述第三开关阀(10)及所述调速阀(11)均安装在所述控制阀箱(5)的内部。以下详细说明各个部件之间的连接关系及其实现方式。
所述蓄能器(1)的出油口经所述控制阀箱(5)内部油路分为两路，其中一路油路连接至所述第一开关阀(6)的一端，所述第一开关阀(6)另一端连接至所述双向齿轮泵(3)的一端，所述双向齿轮泵(3)的另一端连接至所述外油囊(2)；另一路油路连接至所述第三开关阀(10)的一端，所述第三开关阀(10)的另一端连接至所述调速阀(11)的出口端，所述调速阀(11)的入口端与所述外油囊(2)连接；所述双向齿轮泵(3)的两个端口分别与所述第二开关阀(7)的两个端口及所述溢流阀(9)的两个端口连接，以构成卸荷启动回路。
可以理解，蓄能器(1)内部的液压油经第一开关阀(6)由双向齿轮泵(3)注入外油囊(2)而完成调节浮力的增加；外油囊(2)内部的液压油经调速阀(11)、第三开关阀(10)回流至蓄能器(1)而完成调节浮力的减小，从而通过液压油在蓄能器(1)与外油囊(2)之间的转移来实现浮力调节。
在其中一些实施例中，所述蓄能器(1)若干个并联设置的皮囊式单元组成，任意一皮囊式单元采用碳纤维缠绕式壳体，具有重量轻、可双向承压的特点。
在其中一些实施例中，还包括与所述皮囊式单元对应设置的手动截止阀(13)及所述转接阀块(12)，任意一所述皮囊式单元的出油口经对应的所述手动截止阀(13)后连接所述转接阀块(12)的一端，所述转接阀块(12)的另一端连接至所述控制阀箱(5)。
在其中一些实施例中，所述外油囊(2)为可沿直线伸缩的波纹管式皮囊装置，所述皮囊装置暴露于海水中，内充液压油，并采用弹簧预紧，使内部油压始终略大于环境海水压力。
可以理解，由于本申请采用的外油囊为波纹管式皮囊装置，具有容积大、线性度好的特点，能够满足较大容量的浮力调节需求。
可以理解，本申请中的控制阀箱(5)、直流电机(4)、外油囊(2)均为内部充油的非承压结构，而蓄能器(1)采用轻质的碳纤维缠绕外壳，装置整体质量轻，且在水中呈正浮力，可减少水下作业平台浮力材料的使用量。
请结合图2及图3，所述双向齿轮泵(3)与所述直流电机(4)直连，构成双向电机泵组。所述直流电机(4)通过设置于所述控制阀箱(5)侧边的引线通过走线管接头(21)、油管(14)连接至所述控制阀箱(5)内部的控制电路板22上。可以理解，所述控制电路板(22)可控制所述直流电机(4)的开关和调速。
请结合图2及图3，所述外油囊(2)还内置直线电位计(201)，所述直线电位计(201)引线通过设置于所述控制阀箱(5)上的穿舱接插件(19)、水密电缆(18)连接至所述控制阀箱(5)内部的所述控制电路板(22)上。可以理解，所述控制电路板(22)上可获取所述直线电位计201的测量数据。
在其中一些实施例中，所述控制阀箱(5)内部还包括压力传感器(8)，所述压力传感器(8)压力检测端口位于所述蓄能器(1)出油口与所述第一开关阀(6)之间的管路上，用于实时检测所述蓄能器(1)内部的压力。
在其中一些实施例中，所述控制电路板(22)通过所述控制阀箱(5)左侧的穿舱接插件(19)及水密电缆(18)与水下作业平台连接，所述控制电路板(22)可控制上述各开关阀的开关动作、所述直流电机(4)的开关和调速，以及获取所述压力传感器(8)和所述直线电位计201的测量数据，执行作业平台的控制指令，实现深海环境下的浮力调节。
在其中一些实施例中，所述控制阀箱(5)的侧边还设置有堵头(20)及排气阀(23)，所述堵头(20)用于所述控制阀箱(5)阀体工艺孔的封堵；所述排气阀(23)用于所述控制阀箱(5)封舱时内部气体的排出。
在其中一些实施例中，所述蓄能器(1)、所述外油囊(2)、所述双向齿轮泵(3)、所述直流电机(4)及所述控制阀箱(5)均可独立安装于水下作业平台上，并可通过卡套式管接头(17)、液压钢管(15)与三通管接头(16)进行任意组合，实现油路的连接。
可以理解，由于本发明各部件独立安装，通过管路连接，可根据水下作业平台特点布置灵活；与水下作业平台通过水密电缆连接，具备自动调节和手动调节功能，使用方便。
本申请还提供了上述的深海蓄能式浮力调节装置的调节方法，包括下述步骤：
步骤S110：所述蓄能器(1)内部允许最低油量为Va，所述外油囊(2)允许最低油量为Vb，系统所需调节量为ΔV，则向所述蓄能器(1)中注入液压油的量为VI＝Va+ΔV，向所述外油囊(2)中注入液压油的量为VE＝Vb；
步骤S120：根据系统海底作业的环境条件，计算所述蓄能器(1)的预充压力为：P0＝P1T0/T1，其中，T0为所述蓄能器(1)充气时的室温，P1为系统海底作业时的环境压力，T1为系统海底作业时的环境温度；
步骤S130：系统在海底作业期间，当需要调节浮力增加时，开启所述双向齿轮泵(3)、所述直流电机(4)和所述第一开关阀(6)，所述蓄能器(1)内部的液压油流向所述外油囊(2)，系统排水体积增加；
步骤S140：通过所述外油囊(2)可得到系统的浮力调节量，进而通过控制所述直流电机(4)的开关和转速、所述第一开关阀(6)的开关，实现浮力调节的闭环控制；
具体地，通过所述外油囊2内置的所述直线电位计201读数指示所述外油囊2的油量，可得到系统的浮力调节量，进而通过控制所述直流电机4的开关和转速、所述第一开关阀6的开关，实现浮力调节的闭环控制。
步骤S150：所述蓄能器(1)内部液压油的排出，导致内部压力逐渐减小，当完成系统的最大调节量时，所述蓄能器(1)内部压力为：P2＝P1V1/V2，其中，V1＝VT-VI，V2＝V1+ΔV，VT为所述蓄能器(1)的有效容积；为浮力调节系统最大工作压力；
步骤S160：系统在海底作业期间，当需要调节浮力减小时，开启所述第三开关阀(10)，所述外油囊(2)中的液压油经所述调速阀(11)以恒定流速回流至所述蓄能器(1)内部，系统排水体积减小；同时，所述蓄能器(1)内部压力逐渐增加，实现了再次蓄能；
步骤S170：通过所述外油囊的油量，可得到系统的浮力调节量，进而通过控制所述第三开关阀(10)实现浮力调节的闭环控制；
具体地，通过所述外油囊2内置的所述直线电位计201读数指示所述外油囊2的油量，可得到系统的浮力调节量，进而通过控制第三开关阀10实现浮力调节的闭环控制。
步骤S180：系统在水面时，打开所述双向齿轮泵(3)、直流电机(4)和所述第一开关阀，将所述外油囊(2)中的液压油注入所述蓄能器(1)中，所述双向齿轮泵(3)两端并联所述第二开关阀(7)、所述溢流阀(9)构成的卸荷启动回路用于系统工作压力较大时的启动；打开第二开关阀(7)，再通过控制第一开关阀(6)的开关，可将所述蓄能器(1)中的液压油排入所述外油囊(2)中，实现对系统下潜浮力状态的事先调节。
可以理解，所述双向齿轮泵3与所述第二开关阀7、所述溢流阀9互为并联构成的卸荷启动回路主要用于系统在水面时。
本申请上述实施例提供的深海蓄能式浮力调节装置，利用蓄能器(1)事先蓄积与工作水深压力相当的气体，使得系统在由蓄能器(1)向外油囊(2)注油时，由于所述双向齿轮泵(3)的进出口压差很小，从而显著减少了能源的消耗；相反，因环境海水压力大于蓄能器(1)内压，在外油囊(2)向蓄能器回油时，而无需消耗能源，同时也给蓄能器再次蓄能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
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