水下升速控制系统及便携式水下快速升力发生器的制作方法

本实用新型涉及一种在船只或物体内或其附近产生升浮作用的，用于打捞或搜索水下目标的装置，特别是涉及一种水下升速控制系统及便携式水下快速升力发生器。

背景技术：

沉船打捞、水下物品打捞、海产品采集、水下科考、水下取样是打捞沉没于水中物体的工程作业，包括打捞船舶、飞行器、货物、海产品采集、水下科考、水下取样等。海上航行的船舶由于多种原因，导致海水进入船舱，使得船舶浮力不足而沉没。打捞有很多种方法，常用的有：打捞船配合吊车钢缆打捞法、浮力打捞法、浮筒打捞法等。吊车钢缆打捞法中，打捞船相对于打捞目标而言体积庞大，且人力及物力要求、打捞费用均较高。浮力打捞法具体过程：先在船上放泥沙，然后把绳子一头栓在船上，另一头栓在要打捞的船上，把泥沙从船里抛出去，船质量减轻，由于水的浮力作用上浮，沉船浮起，可以拖走。现在沉船常用的打捞方法是浮筒打捞法，即用若干浮筒在水下充气后，借浮力将沉船浮出水面。浮筒打捞法的工作原理为，安装浮筒时筒内要注满水，在沉船的周围安装好浮筒后向浮筒内充入压缩空气，排出浮筒内的水，由于浮筒重力减小，沉船在浮筒浮力作用下浮出水面。具体做法为，潜水员下水，用钢缆把浮筒与沉船栓住，接着，开动打捞船上的压气机，把空气压进这组浮筒，将浮筒内的海水排空，打捞浮筒产生的浮力使沉船浮出水面。虽然，浮筒打捞法产生的水浮力大而可靠，施工方便、安全，但是，该种打捞法还存在以下不足之处：

1、需单独配备充气装置及用于承载该装置的打捞船，施工成本高，运输、携带不便；

2、浮筒使用时需先注满水，还需人工将浮筒安装于沉船上，耗时耗力，工作效率低；

3、浮筒自身体积不可变，打捞过程中如需调节沉船上升速度，仅能增减浮筒数量，而这需要潜水员多人或多次下水拆装，工序繁琐、效率低，更重要的是，下水作业，尤其是深水区作业，成本高且存在较大安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、升速调节方便快捷、作业效率高的水下升速控制系统。

本实用新型水下升速控制系统，包括：

气囊；

产气装置，用于在所述气囊内逐级产气；

压力传感器，监测所述气囊内外压力；

加速度传感器，监测所述气囊的加速度；

自动阀门，安装于所述气囊上的一通气孔处，当所述气囊内外压差超过设定值时，所述自动阀门开启，所述气囊自动向外排气；

电控阀门，装设于所述气囊另一通气孔处且与可编程控制器连接，在可编程控制器控制下启闭，调节气囊排气；

可编程控制器，基于实时水压、水深、升速、加速度、目标物体最大重量、气囊的最大容积、初始系统全重及气囊内外压差，计算出气囊所需浮力，并据此调节产气装置的产气量和/或通过电控阀门排气来调整气囊的升速。

本实用新型水下升速控制系统，其中所述产气装置包括若干个产气部件，所述产气部件包括产气药及其配套的电点火管，所述电点火管与可编程控制器连接，所述可编程控制器根据所述气囊在水中的上升速度需求控制电点火管的启动数量、次序，逐级产气。

本实用新型水下升速控制系统，还包括电子罗盘、液位传感器，所述电子罗盘将气囊的实时姿态数据，所述液位传感器将所述气囊内的液位数据传输至可编程控制器，所述可编程控制器根据获得的上述数据及实时水压、水深、升速、加速度、目标物体最大重量、气囊最大容积、初始系统全重、每个所述产气部件的产气量及产气部件的数量，计算每级所述产气部件产气后在当前水深条件下可以产生的浮力，并以此为依据逐级启动电点火管，或通过电控阀门排气，使所述气囊按照设定速度上升。

本实用新型水下升速控制系统，所述电控阀门、加速度传感器均与可编程控制器连接，当所述气囊内外压差超过设定值或加速度较大时，所述可编程控制器开启电控阀门，所述气囊向外排气。

本实用新型水下升速控制系统，还包括：

定位部件，用于提供气囊位置信息；

通讯部件，用于传输数据及发送控制指令；

操控部件，包括电子模块、电源开关、设置开关、启动开关、状态指示灯。

本实用新型还提供了一种包括上述任一控制系统的便携式水下快速升力发生器，其中：所述气囊底端连接牵引绳，所述牵引绳端头处设有用于连接水下作业目标物体的外挂部件，所述产气装置、可编程控制器均装设于所述气囊内部，所述产气装置包括对称分布于可编程控制器两侧的产气管，所述产气管内装设有若干个所述产气部件。

本实用新型便携式水下快速升力发生器，所述自动阀门、电控阀门分别包括通过螺栓对称固定在气囊内外两侧的底座、压片，所述底座、压片中部同轴开设与气囊的通气孔连通的通孔，阀门主体位于底座上且其内部的柱塞端头部形状与所述通孔适配，所述阀门主体底部沿周向布置若干气孔，所述气孔与所述通孔连通。

本实用新型便携式水下快速升力发生器，其中所述气囊采用高强度纤维布制成，所述牵引绳采用高强度高模量纤维制成。

与现有技术相比，本实用新型的控制系统及其升力发生器至少具有以下有益效果：

1、结构简单，控制方法易操作，控制效果高效，采用气囊内部产气的方式使气囊膨胀排水产生浮力，根据气囊体积大小变化可以提升几吨至几百吨的重物；

2、多个产气部件直接布置于气囊内部，使用时通过可编程控制器启动电点火管即可产气，产气操作简单且产气快，不必另配置充气装置，使用方便、经济；

3、使用过程中可按照浮力大小通过可编程控制器控制产气部件逐级产气，实现了气囊体积变化的精确控制，同时，利用自动阀门和电控阀门控制气囊向外排气，实现了气囊升速的灵活调整；

4、气囊可折叠收纳，占用空间小，便于携带、运输，不必在使用其的船只等设备上设置单独容纳空间，对船只整体结构无影响，更不必单独动用打捞船，便利了施工作业，施工成本大大降低；

5、升力发生器使用时仅需作业人员一次下潜将其与水下作业的目标物体连接即可，后续的产气、上升均通过可编程控制器实现，大大减少了人工介入，作业效率高、用时少，同时也显著降低了人员多次下水存在的安全隐患；

6、升力发生器上的各控制系统相关部件自身结构简单，便于拆装，且均以可拆卸的方式安装在气囊上，损坏后便于及时更换、维修，升力发生器使用寿命较长；

7、气囊采用高强度纤维布制成，保证了气囊自身足够的强度，避免深水区作业水压较大导致气囊爆裂，同时，为保证足够牵拉强度，避免提升重物过程中绳索断裂导致物品损坏，所述牵引绳采用高强度高模量纤维制成。

下面结合附图对本实用新型水下升速控制系统及便携式水下快速升力发生器作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型便携式水下快速升力发生器的结构示意图；

图2a为本实用新型便携式水下快速升力发生器的主视图；

图2b为图2a的a-a剖面图；

图3a为本实用新型便携式水下快速升力发生器的俯视图；

图3b为图3a的b-b剖面图；

图4a为本实用新型便携式水下快速升力发生器中自动阀门的结构示意图；

图4b为本实用新型便携式水下快速升力发生器中自动阀门的俯视图；

图4c为图4b的c-c剖面图；

图5a为本实用新型便携式水下快速升力发生器中电控阀门的结构示意图；

图5b为本实用新型便携式水下快速升力发生器中电控阀门的主视图；

图5c为图5b的d-d剖面图。

具体实施方式

如图1至图5c所示，本实用新型便携式水下快速升力发生器包括气囊1，为防止气囊1在深水区爆裂，该气囊1采用高强度纤维布制成，形状类似热气球。优选的，气囊1可选用两层超高分子量聚乙烯纤维或芳纶纤维增强的热塑性聚氨酯膜材制成。当然，本实施例仅以一种类似热气球形状的气囊1为例对本实用新型的技术方案进行描述，实际应用时，上述气囊1也可以根据使用需求进行常规变形，此处不一一列举。

为方便设置可编程控制器4及产气装置3，气囊1顶部固定装设有控制器挂件41，控制器挂件41包括挂件座、挂件压片，挂件压片固定在气囊1上且中部开孔与气囊1内部连通，挂件座上设有圆柱，圆柱端部向下穿过挂件压片中部的孔伸入气囊1内，圆柱端部开孔，悬挂绳穿过该端部的孔将可编程控制器4悬挂于气囊1内部。该控制器挂件41结构简单，安装方便，损坏后可及时更换，使用成本低。可编程控制器4上配设产气装置3，该产气装置3包括安装在可编程控制器4两侧的产气管31，优选的，产气管31可以为多根且均布在可编程控制器4两侧，本实施例中，产气管31共6根，分为两组对称布置在可编程控制器4两侧，每组3根相互平行，产气管31内装设有若干个产气部件，产气部件包括产气药及其配套的电点火管，产气药通常选用硝酸胍，电点火管与可编程控制器4连接。本实用新型的产气装置3也采用了较为简单的结构，方便组装，进一步降低了使用成本。因本实用新型中的气囊1在水下运动，故产气部件上配设有防水外包装或防水连接器，且可快速插拔，方便更换。产气部件的具体数量及产气药的投放量根据气囊1的最大浮力及上升速度需求进行设置。可编程控制器4可以根据气囊1在水中的上升速度需求控制电点火管的启动数量、启动次序，实现逐级、多次产气，使气囊1逐渐鼓起，平稳上升。优选的，上述产气管31的孔壁上开设有若干排气孔，便于气体沿多方向排出，使气囊1快速鼓起。优选的，上述产气管31也可以变形为带孔的中空球壳或带孔的多面体等其它容易想到的形状，且与可编程控制器4之间可采用硬连接或软连接方式，只要能实现上述产气效果即可，此处不一一列举。

气囊1的顶部一通气孔处还设置有自动阀门5，该自动阀门5包括通过螺栓对称固定在气囊1内外两侧的底座a51、压片a52，底座a51、压片a52中部同轴开设与气囊1的通气孔连通的通孔a511，阀门主体a53底部沿其周向设置有若干个气孔a531，气孔a531可均匀分布。阀门主体a53位于底座a51上且其内部的柱塞a54上套设弹簧a55，柱塞a54端头部形状与底座a51上的通孔a511孔口形状适配，该柱塞a54落下时可封堵该通孔a511，避免气囊1漏气。自动阀门5启动时，柱塞a54与通孔a511分离，气囊1内的气体经该通孔a511及与该通孔a511连通的气孔a531向外排出。阀门主体a53外部套设有压差旋钮56，压差旋钮56内顶壁设置垫片57。旋转压差旋钮56可以实现气囊1内外压差的设定：旋转压差旋钮56，使弹簧a55被压缩，可提高气囊1内外压差限值，反之，旋转压差旋钮56释放弹簧a55，则可降低气囊1内外压差限值。当气囊1内外压差大于设定值时，柱塞a54上移、自动阀门5开启，气囊1排气；反之，当气囊1内外压差不大于设定值时，柱塞a54下移、自动阀门5关闭。

气囊1的顶部另一通气孔处还设置有与可编程控制器4连接的电控阀门6，该电控阀门6包括通过螺栓对称固定在气囊1内外两侧的底座b61、压片b62，底座b61、压片b62中部同轴开设与气囊1的通气孔连通的通孔b611，阀门主体b63底部沿其周向均匀设置有若干个气孔b631。阀门主体b63位于底座b61上且其内部螺纹连接的柱塞b64顶部开设扁槽，柱塞b64端头部形状与底座b61上的通孔b611孔口形状适配，以便该柱塞b64落下时封堵该通孔b611，防止气囊1漏气。优选的，底座b61与阀门主体b63可为一体结构，以减少零部件数量，方便拆装，同时，一体结构也使得通孔b611被封堵时阀门气密性较好。具体地，电控阀门6启动时，柱塞b64与该通孔b611分离，气囊1内的气体经由该通孔b611及与其连通的b631向外排出。阀门主体b63顶部装设步进电机65，步进电机65的电机轴651插入柱塞b64顶部的扁槽内。上述柱塞b64与主体b63螺纹连接，步进电机65通过电机轴651带动柱塞b64旋转，从而调整阀门开度，气囊1内气体通过上述相互连通的通孔b611、气孔b631排出气囊1外。电控阀门6具体安装时，可以根据实际需求(如防水)，将步进电机等相关组件安装在气囊1内部，通过气囊1内部的电缆将电控阀门6与可编程控制器4连接。

为便于将气囊1与牵引目标物体连接，气囊1底端连接牵引绳2，牵引绳2端头处设有用于连接水下作业的目标物体的外挂部件21。优选的，为了保证牵引绳2自身抗拉强度，牵引绳2采用高强度高模量纤维制成，更优选的，高强度高模量纤维可选用聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、碳纤维、石墨纤维或碳化硅纤维等。优选的，牵引绳2与气囊1的连接部位可围绕气囊1开口圆周方向编织网状结构，使得牵拉效果更好，气囊1扎结口周向受力均匀，避免了局部损坏导致气囊1报废，降低了使用成本。优选的，外挂部件21可选用能实现钩挂、连接外物且强度较高的常见连接件。

上述升力发生器的在水中的运动由水下升速控制系统进行控制，该控制系统包括产气装置3、压力传感器、可编程控制器4、自动阀门5、电控阀门6等部件。

产气装置3，该产气装置3在气囊1内逐级点火，多次产生气体，使气囊1逐渐鼓起，产生浮力；

压力传感器，可以设计在操控部件7及可编程控制器4上，监测气囊1在水中某位置处的内外压力，获得气囊1内外压强数据及压差数据并将压强、压差数据传输至可编程控制器4；

自动阀门5，当气囊1内外压差超过原始设定值时，自动阀门5开启，气囊1自动向外排气，直至气囊1内外压差不大于设定值，确保气囊1不会爆裂；

可编程控制器4，基于实时水压、气囊1所在位置水深、升速、加速度、气囊1内外压差、目标物体的最大重量、气囊最大容积、初始系统全重、每个产气部件的产气量、产气部件的数量等数据，计算出气囊1所需浮力，并据此调节产气装置3的产气量，具体地，气囊1上装设有电子罗盘、液位传感器，电子罗盘将气囊1的实时姿态数据，液位传感器将气囊1内的液位数据传输至可编程控制器4，可编程控制器4根据获得的上述数据计算每级产气部件产气后在当前水深条件下使气囊1产生的浮力，并以此为依据逐级启动电点火管，使气囊1获得匀速上升所需的浮力，保证气囊1按照设定速度上升。优选的，可编程控制器4具有防水功能，包括cpu套件及结构套件，其中cpu套件及结构套件包括cpu、存储器、时间芯片、电源管理器件、接口器件、连接器、外壳、电缆、开关、指示灯或显示器等行业内常用部件。具体地，电源管理器件指进行电源管理的集成电路，如：电压变换电路、多路电源分配电路等。接口器件指具有接口转换功能的集成电路。连接件可采用插头、插座、开关等业内常用配件。开关、指示灯，设置于可编程控制器4、操控部件7上，便于操控。

电控阀门6，装设于气囊1另一通气孔处且与可编程控制器4连接，操控部件7及可编程控制器4上的压力传感器分别监测气囊1内部、外部压力，进而获得上述提到的内外压差、压强数据。通过操控部件7上的加速度传感器可实时监测气囊1速度变化情况。当气囊1内外压差超过设定值或加速度较大时(当浮力远大于包括被提升的目标物体在内的系统全重时，会出现加速度较大的情况)，可编程控制器4开启电控阀门6，气囊1向外排气，气囊1排水量减小，浮力减小，以此实现气囊1升速的控制，保证气囊1匀速、平稳上升。

优选的，可编程控制器4底部配设为上述控制系统供电的电源部件，该电源部件包括电源模块、外壳、电量指示灯等，防水并可快速插拔。同时，可编程控制器4上还设置有外控接口，可连接图像采集设备、手持编程器、照明设备、推进器、机械手、取样器等功能部件。

优选的，上述控制系统还包括装设在气囊1顶部的定位部件、通讯部件，定位部件采集气囊1位置信息并将信息传输至可编程控制器4。可编程控制器4将上述位置信息(提供给管理人员，便于搜寻、后续处理)及气囊1工作过程中产生的带有时间表的压强信息(根据此信息可以进一步得到水深、升速、加速度)、带有时间表的产气部件的动作信息、电控阀门6的操控信息(可以进一步得到浮力信息、过程控制信息)等数据信息通过通讯部件传输给气囊1的管理、操控人员。优选的，定位部件和通讯部件均可与操控部件7一体化设计，有利于简化结构，也便于整体更换。

操控部件7，包括压力传感器、加速度传感器、电子模块、电源开关、设置开关、启动开关、状态指示灯。操控人员通过操控部件7向可编程控制器4传输数据、发送控制指令。电子模块驱动指示灯并将开关状态传回可编程控制器4。电源开关用于为控制系统供电，方便操作。设置开关用于参数设置。启动开关用于开关控制系统。状态指示灯指示控制系统当前状态，便于操控。

一种利用上述控制系统对本实用新型的升力发生器进行水下升速控制的方法，包括如下步骤：

s1：在气囊1内安装上述电气部件并通过电缆将各部件连接后扎结气囊1的下口，在可编程控制器4中设置气囊1的升速、目标物体的最大重量、气囊最大容积、深度、初始系统全重、每个产气部件的产气量、产气部件的数量等参数；

在该步骤s1中，打开气囊1上装设的操控部件7的电源开关，启动控制系统，通过设置开关或无线通讯方式进行上述参数设置；

s2：在水下将气囊1的牵引绳2通过外挂部件21与目标物体连接；

s3：启动可编程控制器4，根据当前水深、气囊1的实时姿态等数据计算每级产气部件动作后在当前水深条件下可以产生的浮力，在不超出最大浮力的条件下逐级启动产气部件，气囊1做上升运动。当气囊1内外压差超过设定值时，自动阀门5启动，保证气囊1不会爆炸。优选的，可以通过打开操控部件7的启动开关(有指示灯)使可编程控制器4开始工作。在上升过程中，水压逐渐降低，气囊1内的气体体积逐渐增大，气囊1膨胀，排水量增大，浮力增加，升速加快，可编程控制器4根据压力传感器、加速度传感器、电子罗盘等采集的数据调节电控阀门6的启闭，将气囊1内的气体排出，确保气囊1按预设速度匀速、稳定上升，避免快速上升损坏提升的目标物体；

s4：气囊1上升至其顶部露出水面漂浮时，可编程控制器4启动省电模式，具体地，cpu根据传感器获得的数据判断气囊1顶部浮至水面后，即开启省电模式。同时，可编程控制器4将上述数据信息通过通讯部件发送给管理人员，以便管理人员寻找目标物体，掌握升力发生器的运动信息。

上述内容中提到的气囊1上配置的产气装置3、可编程控制器4、自动阀门5、电控阀门6、控制器挂件41、定位部件、通讯部件、操控部件等部件均为可拆卸连接在气囊1上，以便损坏后及时更换，延长了升力发生器使用寿命，降低了使用成本。

本实用新型的便携式水下快速升力发生器及其控制系统、方法以阿基米德定律为理论基础，采用极为简单的结构切实解决了水下作业中重物提升的问题，且气囊可折叠收纳，占用空间小，便于携带，生产成本低，可广泛应用于水下打捞、潜航器应急自救、水下科学考察、水下取样等领域。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。