一种水液压浮力调节装置及方法与流程

技术领域

本发明属于浮力调节装置领域，特别涉及该领域中的一种实现水下机器人、浮标、深潜器、滑翔机等设备的自动下潜、上浮和定深控制的水液压浮力调节装置及方法。

背景技术：

现有技术中公开的液压驱动浮力调节系统有油液压浮力调节式和水液压浮力调节式两种。

中国发明专利CN102079375 A，硕士论文“油囊式浮力调节装置研制”（华中科技大学，方旭）公开的油液压浮力调节系统如图1所示，主要包括内外容器、单向阀、电磁换向阀、双向液压泵、电机等，其中外容器为密封腔，并置于装置壳体外的环境介质中；其余部件置于装置壳体内。内容器为非密封圈腔，保证与装置壳体内压力相平衡。当电机驱动液压泵顺时针（或逆时针）旋转时，泵从外容器吸油，通过单向阀压入内容器，外容器体积减小，实现下潜；当电机驱动液压泵逆时针（或顺时针）旋转时，泵从内容器吸油，电磁换向阀得电，液压油通过换向阀左位压入外容器，外容器体积增大，实现上浮。

下潜和上浮过程中，内外容器压力变化趋势如图2所示，内容器压力变化远小于外容器。上浮时，液压泵的工作压力需足以克服水深压力，故对于深海情况，液压泵工作压力必须足够高；下潜时，外容器压力较内容器高，即泵的进口压力高于出口压力，液压油可直接压入内容器，但为了控制下潜速度，电机须施加一反向力矩，阻止过速下潜，深海压力能未得到有效的利用；此外，因为壳体内压力低，壳体外是深海压力，故对于大海深，壳体需承受高压，不便于微型化。特别需要说明的是，电磁换向阀需要有专门的控制信号，并且在上浮过程中需要始终通电，浪费能源，一旦电磁换向阀失效，装置将无法实现上浮回收，造成损失。

论文“大深度潜水器海水液压浮力调节技术研究进展” 刘银水，液压与气动，2014（10）、硕士论文“海水式浮力调节系统及其控制技术研究”（张杰，哈尔滨工程大学，2014）公开的水液压浮力调节系统如图3所示，该系统主要由单向海水泵2、电机1、电磁阀5、安全阀3、压力平衡阀4、耐压水舱7和过滤器6等组成。打开电磁阀5（B）和5（C），电机1驱动单向海水泵2，海水通过过滤器6和电磁阀5（B），进入单向海水泵2加压，通过压力平衡阀4和电磁阀5（C），进入水舱7，系统重量增加，体积不变，实现下潜；打开电磁阀5（A）和5（D），电机1驱动单向海水泵2，水舱7中的海水通过电磁阀5（A），进入单向海水泵2加压，通过压力平衡阀4和电磁阀5（D），进入过滤器6，排到海洋，完成系统重量减小，体积不变，实现上浮。压力平衡阀4的作用是防止海水直接进入单向海水泵2灌入水舱7，保证系统处于受控状态。安全阀3的作用是在电磁阀5未正常开启时，保护系统管路，起安全作用。虽然该水液压技术与海洋环境相容、具有海深压力自动补偿功能、运行成本低、工作介质易处理等优点，但需多个额外的电磁阀配合单向海水泵完成系统的下潜与上浮，不但系统结构复杂，而且也同样存在泵工作压力高、深海压力能未利用、壳体承压大等问题。特别需要说明的是，该方案中使用的电磁阀需要有专门的控制信号，并且在上浮下潜过程中需要始终通电，浪费能源，一旦电磁阀失效，装置将无法工作，影响装置工作的稳定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种可以充分利用水深压力能的水液压浮力调节装置及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种水液压浮力调节装置，其改进之处在于：所述的装置包括壳体，壳体内充有一定压力的气体；壳体内设置盛装水的内容器、第一水液压液控单向阀、盛装水的第一容器、双向作用水液压泵-马达、盛装水的第二容器、第二水液压液控单向阀；所述的内容器为体积随其内装水体积的变化而变化的弹性软容器；内容器通过上述的第一水液压液控单向阀、第一容器、双向作用水液压泵-马达、第二容器、第二水液压液控单向阀与壳体外的水环境相通以便进行排水或吸水，所述第一水液压液控单向阀的进水口与第一容器相通，出水口与内容器相通，控制水口与第二容器相通，所述第二水液压液控单向阀的进水口与第二容器相通，出水口与壳体外的水环境相通，控制水口则与第一容器相通；壳体内还设置与双向作用水液压泵-马达相连接的电机。

进一步的，壳体内充的气体为惰性气体。

进一步的，所述的弹性软容器为弹性水囊。

进一步的，所述的电机为永磁式有刷直流电机。

进一步的，壳体内还设置控制电机工作的控制系统。

进一步的，所述的控制系统为单片机。

进一步的，所述的控制系统通过压力传感器获取内容器和壳体外水环境的压力值。

进一步的，所述的第一容器为与第一水液压液控单向阀相连的管路中直径增大的部分；第二容器为与第二水液压液控单向阀相连的管路中直径增大的部分。

进一步的，所述的壳体上设置过滤器，第二水液压液控单向阀的出水口通过上述的过滤器与壳体外的水环境相通。

一种水液压浮力调节方法，使用上述的水液压浮力调节装置，其改进之处在于：

（11）在下潜时，如第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第二容器内的水通过第一容器和第一水液压液控单向阀压入内容器，第一容器压力升高打开第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使壳体外水环境的水进入内容器，壳体体积不变质量增加实现下潜；

（12）在下潜时，如第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路已经打开，在内容器压力大于等于壳体外水环境压力时，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将壳体外水环境的水压入内容器，壳体体积不变质量增加实现下潜；在内容器压力小于壳体外水环境压力时，水自动由壳体外水环境进入内容器，双向作用水液压泵-马达做水液压马达使用，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快；

（21）在上浮时，如第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第一容器内的水通过第二容器和第二水液压液控单向阀排入壳体外的水环境，第二容器压力升高打开第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使水从内容器排入壳体外的水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；

（22）在上浮时，如第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路已经打开，在内容器压力小于等于壳体外水环境压力时，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将内容器内的水排入壳体外的水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；在内容器压力大于壳体外水环境压力时，水自动由内容器排入壳体外的水环境，双向作用水液压泵-马达做水液压马达使用，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的水液压浮力调节装置及方法，结构简单，通过改变内容器的质量调节壳体的下潜和上浮，实现对水下机器人、浮标、深潜器、滑翔机等设备的自动下潜、上浮和定深控制。充分利用水深压力能，在提高水液压浮力调节装置工作效率的同时，降低了水液压泵所需的工作压力及壳体承受压力，减小了壳体的重量及体积，为进一步增加下潜深度创造条件。

本发明所公开的水液压浮力调节装置及方法，采用外部水环境中的水作为工作介质，消除浮力调节装置的污染，达到与环境相容及降低运行成本的目的；通过将部分压力能储存于内容器的水中，解决了水下作业设备的节能技术瓶颈；通过向壳体内预充一定压力的气体，降低对水液压泵工作压力的要求及壳体所承受的压差，减小了水液压泵的输入功率及浮力调节装置的重量，解决了水下作业设备的微型化与深潜化技术瓶颈。

本发明所公开的水液压浮力调节装置及方法，不再使用电磁阀调整水的流向，既无需再提供专门的控制信号，也少了一个用电器件，节约了装置有限的电能，延长其使用时间，还避免了因电磁阀损坏造成装置无法工作的情况出现，增强了装置的稳定性。

本发明所公开的水液压浮力调节装置及方法，使用由两个水液压液控单向阀组成的液压锁代替电磁阀，无需再提供专门的控制信号，既简化了液压系统的控制，又减小了能耗。无需再担心电磁阀故障，增强了装置的稳定性。省略了电磁阀，特别是不再使用电磁阀中的电磁铁，可以减轻装置重量，方便下潜。

附图说明

图1是现有技术中的油液压浮力调节系统的结构示意图；

图2是现有技术中油液压浮力调节系统的内外容器压力变化趋势图；

图3是现有技术中的水液压浮力调节系统的结构示意图；

图4是本发明实施例1所公开的水液压浮力调节装置的结构示意图；

图5是本发明实施例1所公开的水液压浮力调节装置内容器与外部水环境的压力变化趋势图；

图6是本发明实施例1所公开的水液压浮力调节方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

水液压液控单向阀是液压系统中的一种元件，除进出水口外还有一个控制水口，当控制水口不受水压力时，水液压液控单向阀与普通的单向阀一样，水只能从进水口流向出水口，对出水口向进水口的水流起截止作用且密封性好，但是在控制水口受水压力后，水可以在进水口和出水口之间自由通过。

实施例1，如图4所示，本实施例公开了一种水液压浮力调节装置，所述的装置包括壳体41，壳体41内充有一定压力的惰性气体；壳体41内设置盛装水的内容器42、第一水液压液控单向阀43、盛装水的第一容器44、双向作用水液压泵-马达45、盛装水的第二容器46、第二水液压液控单向阀47；所述的内容器42为体积随其内装水体积的变化而变化的弹性软容器；内容器42通过上述的第一水液压液控单向阀43、第一容器44、双向作用水液压泵-马达45、第二容器46、第二水液压液控单向阀47与壳体41外的水环境相通以便进行排水或吸水，所述第一水液压液控单向阀43的进水口与第一容器44相通，出水口与内容器42相通，控制水口与第二容器46相通，所述第二水液压液控单向阀47的进水口与第二容器46相通，出水口与壳体41外的水环境相通，控制水口则与第一容器44相通；壳体41内还设置与双向作用水液压泵-马达45相连接的电机48。

作为一种可供选择的方式，在本实施例中，所述的弹性软容器为弹性水囊。所述的电机为永磁式有刷直流电机。壳体内还设置控制电机工作的控制系统。所述的控制系统为单片机。所述的控制系统通过压力传感器获取内容器和壳体外水环境的压力值。所述的第一容器为与第一水液压液控单向阀相连的管路中直径增大的部分；第二容器为与第二水液压液控单向阀相连的管路中直径增大的部分。所述的壳体上设置过滤器，第二水液压液控单向阀的出水口通过上述的过滤器与壳体外的水环境相通。

如图6所示，本实施例还公开了一种水液压浮力调节方法，使用上述的水液压浮力调节装置：

（11）在下潜时，如第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第二容器内的水通过第一容器和第一水液压液控单向阀压入内容器，第一容器压力升高打开第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使壳体外水环境的水进入内容器，壳体体积不变质量增加实现下潜；

（12）在下潜时，如第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路已经打开，在内容器压力大于等于壳体外水环境压力时，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将壳体外水环境的水压入内容器，壳体体积不变质量增加实现下潜；在内容器压力小于壳体外水环境压力时，水自动由壳体外水环境进入内容器，双向作用水液压泵-马达做水液压马达使用，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快；

（21）在上浮时，如第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第一容器内的水通过第二容器和第二水液压液控单向阀排入壳体外的水环境，第二容器压力升高打开第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使水从内容器排入壳体外的水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；

（22）在上浮时，如第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路已经打开，在内容器压力小于等于壳体外水环境压力时，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将内容器内的水排入壳体外的水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；在内容器压力大于壳体外水环境压力时，水自动由内容器排入壳体外的水环境，双向作用水液压泵-马达做水液压马达使用，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快。

具体的说，在下潜时，如第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则电机逆时针（也可以设计为顺时针，但需要与上浮时的旋转方向相反）旋转，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第二容器内的水通过第一容器和第一水液压液控单向阀压入内容器，第一容器压力升高打开第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使壳体外水环境的水进入内容器，壳体体积不变质量增加实现下潜；在第二水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路打开后，内容器压力p_g（等于惰性气体的气压）和外部水环境压力p_w的变化如图5中虚线箭头所示，两者均随内容器重量增大而增大。当内容器重量增大量△G_g≤△G_g1时，p_g≥p_w，双向作用水液压泵-马达作水液压泵用，电机驱动水液压泵将壳体外水环境的水压入内容器，水液压泵最大工作压力为p_g0（预充惰性气体压力），控制系统控制电机按下潜要求驱动水液压泵旋转，消耗电能。当内容器重量增大量△G_g>△G_g1时，p_g<p_w，双向作用水液压泵-马达作水液压马达用，其最大工作压力为p_g1，控制系统控制电机作为水液压马达的负载，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快，未被释放的压力能则储存于内容器的水中。

在上浮时，如第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路尚未打开，则电机顺时针（也可以设计为逆时针，但需要与下潜时的旋转方向相反）旋转，双向作用水液压泵-马达做水液压泵使用，电机驱动水液压泵将第一容器内的水通过第二容器和第二水液压液控单向阀排入壳体外的水环境，第二容器压力升高打开第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路，使水从内容器排入壳体外的水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；在第一水液压液控单向阀从出水口向进水口的水路打开后，内容器压力p_g（等于惰性气体的气压）和外部水环境压力p_w的变化如图5中实线箭头所示，两者均随内容器重量减小而减小。当内容器重量减小量△G_g≥△G_g1时，p_g≤p_w，双向作用水液压泵-马达作水液压泵用，电机驱动水液压泵将内容器内的水排入壳体外的水环境，水液压泵最大工作压力为p_g1，控制系统控制电机按上浮要求驱动水液压泵旋转，消耗电能。当内容器重量减小量△G_g<△G_g1时，p_g>p_w，双向作用水液压泵-马达作水液压马达用，其最大工作压力为p_g0（预充惰性气体压力），控制系统控制电机作为水液压马达的负载，水液压马达驱动电机转动释放压力能，防止水液压马达转速过快。