一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，首先根據(jù)水下航行器的下潛深度來選擇采用一級活塞工作、一級活塞和二級活塞軸共同工作或者一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作；然后根據(jù)選擇的工況，利用航行器需要達到的目標(biāo)深度來計算該工況下對應(yīng)一級活塞、二級活塞軸或三級活塞軸的工作腔在工作時需要達到的油壓：最后根據(jù)計算出的工作腔油壓對液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用于工作腔中的壓力進行調(diào)整，實現(xiàn)對航行器浮力的調(diào)節(jié)。本發(fā)明能夠即時計算出浮力調(diào)節(jié)裝置入口處的油壓，實現(xiàn)對水下航行器浮力的精確控制。
【專利說明】
一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于水下航行器浮力調(diào)節(jié)的裝置，具體涉及浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力 調(diào)節(jié)方法，屬于水下航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下航行器廣泛應(yīng)用于海洋科學(xué)研究、海洋工程、海洋資源勘探、軍事偵查等領(lǐng) 域。無人水下航行器在水下航行時會受到各種諸如海水深度、海水溫度、季節(jié)、海域等因素 影響，或者出于任務(wù)需要要求上浮或下潛，此時就需要一種用來調(diào)節(jié)浮力與重力平衡的裝 置，即浮力調(diào)節(jié)裝置，它可以實現(xiàn)無人水下航行器在不同水域和不同深度航行時的自動配 平，從而實現(xiàn)不同航行水域自適應(yīng)調(diào)節(jié)、航行姿態(tài)輔助調(diào)節(jié)、航行器定深懸浮調(diào)節(jié)、安全上 浮一系列功能。目前使用的浮力調(diào)節(jié)裝置有很多種，比如采用高壓氣瓶+壓載水艙的方式， 此種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，而且浮力調(diào)節(jié)能力小于水下航行器總重量的1 % ;比如采用推進器 的方式，此裝置需要持續(xù)運轉(zhuǎn)，耗能巨大;比如采用油囊方式，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，但是調(diào)節(jié)能 力有限，而且不能調(diào)節(jié)縱傾姿態(tài)。還有一種常見的活塞吸排海水調(diào)節(jié)，但是調(diào)節(jié)能力有限， 調(diào)節(jié)力度小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，能 夠即時計算出浮力調(diào)節(jié)裝置入口處的油壓，實現(xiàn)對水下航行器浮力的精確控制。
[0004] 一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，該方法中涉及的多級浮力 調(diào)節(jié)裝置包括液壓控制系統(tǒng)和兩套三級活塞組件；
[0005] 兩套三級活塞組件對稱的安裝在航行體兩端耐壓殼體內(nèi)的分級活塞調(diào)節(jié)艙內(nèi)，液 壓控制系統(tǒng)將壓力油分別作用在活塞和各級活塞軸上，通過活塞的位移將海水排出或吸入 排水腔，排水腔通過耐壓殼體上的透水孔與外部貫通，液壓控制系統(tǒng)根據(jù)航行器的下潛深 度選擇活塞獨立工作或多級活塞軸配合活塞組合工作完成對航行器浮力的調(diào)節(jié);所述三級 活塞組件包括活塞缸、一級活塞、二級活塞軸、三級活塞軸、噴嘴和超聲波測距儀，所述活塞 缸為圓柱形結(jié)構(gòu)，其外圓周面與水下航行器對應(yīng)位置的耐壓殼體內(nèi)壁緊密配合，活塞缸具 有一個中心沉孔和兩個同心的環(huán)形槽，一級活塞的活塞軸與活塞缸的中心沉孔配合，一級 活塞的外側(cè)端面與分級活塞調(diào)節(jié)艙形成的空腔為排水腔，一級活塞的內(nèi)側(cè)端面與活塞缸端 面之間形成的空腔為控制腔;二級活塞軸和三級活塞軸則分別與活塞缸的環(huán)形槽配合，上 述三個部件分別與活塞缸配合形成的封閉腔體為工作腔，活塞缸上對應(yīng)每個工作腔的位置 上安裝一個噴嘴和一個超聲波測距儀，噴嘴用來向工作腔中注入壓力油，超聲波測距儀用 來測量活塞及活塞軸與活塞缸之間的相對位移;每個噴嘴都分別與液壓控制系統(tǒng)相連，液 壓控制系統(tǒng)提供液壓動力源，通過壓力油獨立驅(qū)動一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸的 運動；
[0006] 浮力調(diào)節(jié)方法的具體調(diào)節(jié)步驟如下：
[0007] 第一步:根據(jù)水下航行器的下潛深度h來選擇采用一級活塞工作、一級活塞和二級 活塞軸共同工作或者一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作；
[0008] 第二步:根據(jù)第一步選擇的工況，利用航行器需要達到的目標(biāo)深度來計算該工況 下對應(yīng)一級活塞、二級活塞軸或三級活塞軸的工作腔在工作時需要達到的油壓：
[0009] 第三步:根據(jù)第二步計算出的工作腔油壓對液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用于工作腔中的壓 力進行調(diào)整，實現(xiàn)對航行器浮力的調(diào)節(jié)。
[0010] 進一步地，所述第二步中三種工況下工作腔油壓與下潛深度的對應(yīng)關(guān)系如下：當(dāng) 一級活塞工作單獨時，一級活塞的工作腔油壓Pn與下潛深度h的關(guān)系為：
[0011] dpil= [kikii γ + γ oilkii(l-kii) ]dh;
[0012] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù)
A為一級活塞的橫截面積，A1為一級活塞工作腔面積；
為對應(yīng)一級活塞工作腔噴嘴的截面積;Poii為油的密度；γ是水的重度；γ on是 油的重度；
[0013] 當(dāng)一級活塞和二級活塞軸共同工作時，二級活塞軸的工作腔油壓dpi2與下潛深度h 的關(guān)系為：
[0015] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù)
，A2為二級活塞工作腔的環(huán)形面積;A i2為對應(yīng)二級活塞工 作腔噴嘴的截面積；
[0016] 當(dāng)一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作時，三級活塞軸的工作腔油壓dpi3 與下潛深度h的關(guān)系為：

[0018] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù) ；A3為三級活塞軸工作腔的環(huán)形面積;Ai3為對應(yīng)三級活塞 軸工作腔的噴嘴截面積。
[0019] 有益效果：
[0020] 1、本發(fā)明將航行器的下潛深度與多級活塞軸建立了對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)下潛深度較大時 利用多級活塞軸來協(xié)同推動一級活塞完成海水的排出，使得排出海水體積與油體積比遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于1:1，有效的節(jié)省了航行器的寶貴空間。
[0021] 2、本發(fā)明建立了下潛深度與工作腔壓力的關(guān)系式，通過該關(guān)系式來直接控制航行 器的浮力，使得航行器的液壓控制系統(tǒng)能夠直觀準(zhǔn)確的控制航行器的浮力，使航行器能夠 準(zhǔn)確的下潛到預(yù)定水深。
[0022] 3、本發(fā)明建立的下潛深度與入口油壓的關(guān)系式通過及時調(diào)整入口油壓來直接達 到或維持著下潛深度，調(diào)節(jié)效率高，分級推力，調(diào)節(jié)范圍廣，應(yīng)用廣泛。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為一級活塞作用時的狀態(tài)示意圖；
[0025] 圖3為二級活塞軸與一級活塞共同作用時的狀態(tài)示意圖；
[0026]圖4為二、三級活塞軸與一級活塞共同作用時的狀態(tài)示意圖；
[0027]圖5為工作腔油壓與下潛深度關(guān)系推導(dǎo)過程的示意圖。
[0028] 其中，1-螺旋槳、2-艉部、3-排水腔、4-一級活塞、5-控制腔、6-二級活塞軸、7-三級 活塞軸、8-耐壓殼體、9-電磁閥、10-單向閥、11-活塞缸、12-主管路、13-儲油箱、14-真空傳 感器、15-低壓閥、16-流量傳感器、17-水力栗、18-壓力調(diào)節(jié)閥、19-止回閥、20-艏部、21 -壓 力傳感器、22-高壓閥、23-過濾器、24-液壓控制系統(tǒng)、25-噴嘴、26-超聲波測距儀、27-限位 塊、28-透水孔。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。
[0030] 如附圖1所示，本發(fā)明提供了水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，該方 法涉及的航行器包括耐壓殼體8、螺旋槳1、液壓控制系統(tǒng)24和兩套三級活塞組件；
[0031] 兩套三級活塞組件對稱的安裝在耐壓殼體8的艏部20和艉部2的分級活塞調(diào)節(jié)艙 內(nèi)，液壓控制系統(tǒng)24將壓力油分別作用在活塞和各級活塞軸上，通過活塞的位移將海水排 出或吸入排水腔3,排水腔3通過耐壓殼體8上的透水孔28與外部貫通，液壓控制系統(tǒng)24根據(jù) 航行器的深度選擇活塞獨立工作或多級活塞軸配合活塞組合工作完成對航行器浮力的調(diào) 節(jié);螺旋槳1安裝在航行體的艉部。
[0032] 如附圖2、3和4所示，三級活塞組件包括活塞缸11、一級活塞4、二級活塞軸6、三級 活塞軸7、噴嘴25和超聲波測距儀26,所述活塞缸11為圓柱形結(jié)構(gòu)，其外圓周面與水下航行 器的內(nèi)型面一致，活塞缸11具有一個中心沉孔和兩個同心的環(huán)形槽，一級活塞4的活塞軸與 本體的中心沉孔配合，一級活塞4的外側(cè)端面與分級活塞調(diào)節(jié)艙形成的空腔為排水腔，一級 活塞4的驅(qū)動端內(nèi)側(cè)端面與活塞缸11端面之間形成的空腔為控制腔5;二級活塞軸6和三級 活塞軸7則分別與活塞缸11的環(huán)形槽配合，上述三個部件分別與活塞缸11配合形成的封閉 腔體為工作腔，活塞缸11上對應(yīng)每個工作腔的位置上安裝一個噴嘴25和一個超聲波測距儀 26,噴嘴25用來向工作腔中注入壓力油，超聲波測距儀26用來測量一級活塞4、二級活塞6和 三級活塞7與活塞缸11之間的相對位移，通過測量移動距離確定工作腔內(nèi)液體的體積;每個 噴嘴25都分別與液壓控制系統(tǒng)24相連，液壓控制系統(tǒng)24提供液壓動力源，通過壓力油獨立 驅(qū)動一級活塞4、二級活塞軸6和三級活塞軸7的運動。
[0033]附圖2為一級活塞4作用時的狀態(tài)示意圖，在深度較淺的區(qū)域采用液壓控制系統(tǒng)24 驅(qū)動一級活塞4工作;附圖3為一級活塞4和二級活塞軸6共同作用時的狀態(tài)示意圖，在中等 深度區(qū)域時，采用液壓控制系統(tǒng)24同時驅(qū)動一級活塞4和二級活塞軸6共同工作;附圖4為一 級活塞、二級活塞軸、三級活塞軸共同作用時的狀態(tài)示意圖，在大深度區(qū)域時，采用液壓控 制系統(tǒng)24同時驅(qū)動一級活塞軸、二級活塞軸6和三級活塞軸7共同推動活塞作往復(fù)運動。
[0034] 如附圖1所示，液壓控制系統(tǒng)24包括主管路12、儲油箱13、真空傳感器14、低壓閥 15、流量傳感器16、水力栗17、壓力調(diào)節(jié)閥18、止回閥19、壓力傳感器21、高壓閥22、過濾器 23、電磁閥9和單向閥10,所述儲油箱13引出的支管路分成兩路后并聯(lián)在主管路12上，分成 兩路的管路上一路依次串聯(lián)真空傳感器14、低壓閥15、流量傳感器16、壓力調(diào)節(jié)閥18、高壓 閥22和過濾器23,另一路依次連接水力栗17、止回閥19和壓力傳感器21;所述真空傳感器14 的作用是測量油箱內(nèi)的油量，防止油箱中出現(xiàn)漏油發(fā)生油量過低的情況發(fā)生;所述電磁閥9 和單向閥10通過管路并聯(lián)在每一級活塞的噴嘴和主管路12之間。
[0035] 當(dāng)需要增加無人水下航行體的浮力時，打開止回閥19,利用電機驅(qū)動水利栗17,將 儲油箱13中的控制液體充入工作腔。推動一級活塞4向外運動，進而增加了無人水下航行體 的排水體積，浮力增加;達到要求后，停止電動機，單向閥19阻止工作腔內(nèi)的控制液體回流， 保持浮力穩(wěn)定。控制腔內(nèi)裝有可壓縮流體。
[0036] 當(dāng)需要減少無人水下航行體的浮力時，打開電磁閥9、高壓閥22、低壓閥15,使工作 腔內(nèi)的控制液體通過電磁閥9、過濾器23、高壓閥22、壓力調(diào)節(jié)器18、低壓閥15流回儲油箱 13,從而使一級活塞4向內(nèi)移動，減小了無人水下航行器的體積，減小浮力。
[0037] 當(dāng)需要調(diào)節(jié)無人水下航行器的縱傾姿態(tài)時，可按上述調(diào)節(jié)方式使兩端分級活塞調(diào) 節(jié)艙28的工作腔內(nèi)的控制液體的質(zhì)量不同，形成縱傾力矩，進而調(diào)節(jié)無人水下航行器的縱 傾姿態(tài)。
[0038]本發(fā)明提供了一種該浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，該方法的具體調(diào)節(jié)步驟如 下：
[0039] 第一步:根據(jù)水下航行器的下潛深度來確定采用一級活塞工作、一級活塞和二級 活塞軸共同工作或者一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作；
[0040] 第二步:計算活塞工作時工作腔需要達到的油壓：
[0041] 當(dāng)一級活塞工作單獨時，一級活塞的工作腔油壓pn與下潛深度h的關(guān)系為：
[0042] dpn= [kikii γ + γ oiikii(1-kii) ]dh;
[0043] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù)
，A為一級活塞的橫截面積，A1為一級活塞工作腔面積；
?An為對應(yīng)一級活塞工作腔噴嘴的截面積;Poii為油的密度；γ是水的重度；γ on是 油的重度；
[0044] 當(dāng)一級活塞和二級活塞軸共同工作時，二級活塞軸的工作腔入口油壓dpi2與下潛 深度h的關(guān)系為：
[0046] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù)，A2為二級活塞工作腔的環(huán)形面積;Ai2為對應(yīng)二級活塞工 作腔噴嘴的截面積；
[0047]當(dāng)一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作時，三級活塞軸的工作腔入口油 壓dpl3與下潛深度h的關(guān)系為：
[0049] 其中：結(jié)構(gòu)系數(shù)
；A3為三級活塞軸工作腔的環(huán)形面積;A i3為對應(yīng)三級活塞 軸工作腔的噴嘴截面積；
[0050] 第三步:根據(jù)第二步計算出的工作腔油壓對液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用于工作腔中的壓力 進行調(diào)整，實現(xiàn)對航行器浮力的調(diào)節(jié)。
[0051] 上述關(guān)系式的推導(dǎo)過程如下：
[0052] 如附圖5所示，若液體不可壓，當(dāng)活塞速度從0變化到dV時，靠近活塞處液體壓強由 P變化到P+dp，離活塞較遠(yuǎn)的靜止液體壓強仍為P，對一個靜止觀察者來說這是一個非定常 的一維流動，為使分析簡單起見，選用與活塞一起運動的相對坐標(biāo)系。對于位于該坐標(biāo)系的 觀察者來說，上述過程轉(zhuǎn)變?yōu)槎ǔＡ鲃?。這就表明觀察者以速度dV向右運動時所看到的這 一過程的現(xiàn)象，即擾動區(qū)和未擾動區(qū)交界面不動而壓強為P的未被擾動的水以dV向著交界 面（即由右向左)運動。液體經(jīng)過交界面之后速度降為0,同時壓強增大為P+dp，如圖所示。選 取包圍交界面的區(qū)域為控制體（即圖中虛線），并忽略控制體的粘性力，對此控制體沿X方向 列動量方程，則有：
[0053] (p+dp)A-pA = PAdV[0-(-dV)]
[0054] 式中，P為海水密度，經(jīng)整理后得：
[0055] dp = p(dV)2 (1)
[0056] Xdp = Pgdh (2)
[0057] 由式(1)、（2)可得活塞速度與下潛深度的關(guān)系：
[0058] (dV)2 = gdh (3)
[0059] a)在淺水區(qū)，僅一級活塞工作，如圖5中a所示，有：
[0060] Adp=Aidpi (4)
[0061] 式中，A1為工作腔面積，P1為工作腔內(nèi)壓強，
[0062] 由式(2)、（4)可得工作腔內(nèi)壓強與下潛深度的關(guān)系：
[0063] dpi = ki γ dh (5)
[0064] 式中：結(jié)構(gòu)系數(shù) ；水的重度γ =Pg = 9.8X103N/m3。
[0065] 取活塞左側(cè)工作腔內(nèi)區(qū)域為控制體，如圖5所示。假設(shè)油的密度Ρ〇η，對此控制體列 連續(xù)性方程：
[0066] PoiiAidV=PoiiAiidVii
[0067] 即 dVii = kiidV (6)
[0068] 對此控制體列動量方程：
[0069] Aiidpn-Aidpi = PoiiAidV (dV-dVii) (7)
[0070] 式中Pii為入口油壓
[0071]由式(6)、（7)化簡可得：
[0073] 由式(3)、（5)、（8)化簡可得：
[0074] dpn= [kikii γ + γ 0iikii(l-kii) ]dh (9)
[0075] 同理可得:在中等深度水域，如圖5中b所示，兩級工作腔的入口油壓相等，SPpll = P12，兩級活塞同時工作時入口油壓與深度的關(guān)系為：
[0077] 在深水域，如圖5中(3所示，三級工作腔的入口油壓相等，即Pil = Pi2 = Pi3，
[0078]三級活塞同時工作時入口油壓與深度的關(guān)系為：
[0080]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，該方法中涉及的多級浮力調(diào)節(jié) 裝置包括液壓控制系統(tǒng)和兩套三級活塞組件； 兩套三級活塞組件對稱的安裝在航行體兩端耐壓殼體內(nèi)的分級活塞調(diào)節(jié)艙內(nèi)，液壓控 制系統(tǒng)將壓力油分別作用在活塞和各級活塞軸上，通過活塞的位移將海水排出或吸入排水 腔，排水腔通過耐壓殼體上的透水孔與外部貫通，液壓控制系統(tǒng)根據(jù)航行器的下潛深度選 擇活塞獨立工作或多級活塞軸配合活塞組合工作完成對航行器浮力的調(diào)節(jié);所述三級活塞 組件包括活塞缸、一級活塞、二級活塞軸、三級活塞軸、噴嘴和超聲波測距儀，所述活塞缸為 圓柱形結(jié)構(gòu)，其外圓周面與水下航行器對應(yīng)位置的耐壓殼體內(nèi)壁緊密配合，活塞缸具有一 個中心沉孔和兩個同心的環(huán)形槽，一級活塞的活塞軸與活塞缸的中心沉孔配合，一級活塞 的外側(cè)端面與分級活塞調(diào)節(jié)艙形成的空腔為排水腔，一級活塞的內(nèi)側(cè)端面與活塞缸端面之 間形成的空腔為控制腔;二級活塞軸和三級活塞軸則分別與活塞缸的環(huán)形槽配合，上述三 個部件分別與活塞缸配合形成的封閉腔體為工作腔，活塞缸上對應(yīng)每個工作腔的位置上安 裝一個噴嘴和一個超聲波測距儀，噴嘴用來向工作腔中注入壓力油，超聲波測距儀用來測 量活塞及活塞軸與活塞缸之間的相對位移;每個噴嘴都分別與液壓控制系統(tǒng)相連，液壓控 制系統(tǒng)提供液壓動力源，通過壓力油獨立驅(qū)動一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸的運動； 其特征在于，浮力調(diào)節(jié)方法的具體調(diào)節(jié)步驟如下： 第一步:根據(jù)水下航行器的下潛深度h來選擇采用一級活塞工作、一級活塞和二級活塞 軸共同工作或者一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作； 第二步:根據(jù)第一步選擇的工況，利用航行器需要達到的目標(biāo)深度來計算該工況下對 應(yīng)一級活塞、二級活塞軸或三級活塞軸的工作腔在工作時需要達到的油壓： 第三步:根據(jù)第二步計算出的工作腔油壓對液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用于工作腔中的壓力進行 調(diào)整，實現(xiàn)對航行器浮力的調(diào)節(jié)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器多級浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力調(diào)節(jié)方法，其特征在 于，所述第二步中三種工況下工作腔油壓與下潛深度的對應(yīng)關(guān)系如下：當(dāng)一級活塞工作單 獨時，一級活塞的工作腔油壓pn與下潛深度h的關(guān)系為： dpii= [kikii γ + γ 〇ukii(l-kii) ]dh; 其中：，A為一級活塞的橫截面積，Ai為一級活塞工作腔面積；An為對應(yīng)一級活塞工作腔噴嘴的截面積;p〇ii為油的密度；γ是水的重度；γ oil是油的重度； 當(dāng)一級活塞和二級活塞軸共同工作時，二級活塞軸的工作腔油壓dpi2與下潛深度h的關(guān) 系為：其中：，A2為二級活塞工作腔的環(huán)形面積;A l2為對應(yīng)二級活塞工作腔 噴嘴的截面積； 當(dāng)一級活塞、二級活塞軸和三級活塞軸共同工作時，三級活塞軸的工作腔油壓dpi3與下 潛深度h的關(guān)系為：其中：為三級活塞軸工作腔的環(huán)形面積;Al3為對應(yīng)三級活塞軸工作 腔的噴嘴截面積。
【文檔編號】B63G8/14GK105923130SQ201610391264
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】張敏弟, 郝加封, 梁廷輝, 王國玉
【申請人】北京理工大學(xué)