載人深潛器節能型水下姿態控制系統的製作方法
2023-10-31 06:38:42 2
專利名稱：載人深潛器節能型水下姿態控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於載人深潛器水下操縱控制技術領域，具體涉及一種載人深潛器節能型水下姿態控制系統。
背景技術：
載人深潛器在海洋調查、水聲研究、深海資源勘探、海底電纜/光纜維護、水下救生及打撈等領域得到了廣泛的應用。定深及縱傾平衡是載人深潛器在水下定點作業(如資源勘探、環境勘查、水下打撈等)期間常用的操縱控制工況。在此期間，載人深潛器主推進裝置停車，航速趨近零，主升降舵及方向舵的舵效應也趨近零。為了穩定深度，同時平衡載人深潛器內部載荷(如人員、設備等)和外部載荷(如打撈物品等)變動造成的縱傾，克服海底洋流的影響，載人深潛器一般通過安裝於舷側的多個輔助推進器及副舵，進行定深控制及姿態調整。由於載人深潛器一般採用蓄電池作為電源，受限於排水量，載人深潛器攜帶的電能是有限的。因此，為延長載人深潛器的水下作業時間，應當儘量減少操縱控制系統的電能消耗，但現有的的輔助推進器進行定深及姿態控制，消耗電能較多，難以滿足載人深潛器水下定深及縱傾平衡控制的節能要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術存在的不足而提供了一種載人深潛器節能型水下姿態控制系統，能夠實現載人深潛器的水下深度穩定和縱傾平衡，同時減少電能消耗。本發明為解決上述技術問題所提出的技術方案為包括定深控制裝置、縱傾控制裝置，所述的定深控制裝置包括耐壓水艙和浮力調整水艙，所述耐壓水艙位於在載人深潛器的重心位置，耐壓水艙的注水管路通過注水閥與通舷外水閥相接，耐壓水艙的排水管路通過排水閥經排水泵與通舷外水閥相接，浮力調整水艙的水管路通過浮力調整水閥與耐壓水艙的排水管路連通，同時耐壓水艙的氣管路通過充氣閥與壓縮空氣系統相連通，耐壓水艙的氣管路還與放氣閥連接；所述的縱傾控制裝置包括首左水艙、首右水艙、尾左水艙、尾右水艙四個內部水艙，分別布置在載人深潛器耐壓殼體內部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述首左水艙通過氣管路、經由氣壓分配儀與所述尾右水艙連通，所述首右水艙通過氣管路、經由氣壓分配儀與所述尾左水艙連通；氣壓分配儀與深潛器壓縮空氣系統相連；所述首左水艙通過左舷水管路和左舷水閥與所述尾左水艙連通，所述首右水艙通過右舷水管路和右舷水閥與尾右水艙連通。按上述方案，所述的耐壓水艙配接液位變送器、壓差變送器，液位變送器、壓差變送器與水量壓差測量儀相聯，所述的與耐壓水艙相連通的氣管路中還串接有空氣減壓閥和空氣安全閥。按上述方案，在通舷外水閥與排水泵之間連接有電磁流量計。、
按上述方案，在左航水管路和右航水管路中還分別串接有左航電磁流量計和右航電磁流量計。按上述方案，所述的通舷外水閥、注水閥、排水閥、浮力調整水閥、充氣閥、放氣閥、左舷水閥、右舷水閥分別為通舷外電控水閥、注水電控閥、排水電控閥、浮力調整電控水閥、充氣電磁閥、放氣電磁閥、左舷電控水閥、右舷電控水閥。按上述方案，所述的首部左舷、首部右舷、 尾部左舷、尾部右舷分別安設液位變送器。按上述方案，所述的氣壓分配儀通過減壓器與深潛器壓縮空氣系統相連。按上述方案，設置集中控制臺，為深潛器定深控制及縱傾平衡控制的操作控制中心；所述定深控制裝置中的通舷外電控水閥、注水電控閥、排水電控閥、浮力調整電控水閥、充氣電磁閥、放氣電磁閥的控制輸入通道均與集中控制臺相連，所述定深控制裝置中的水量壓差測量儀、電磁流量計的信號輸出通道均與集中控制臺相連；所述縱傾控制裝置中的氣壓分配儀、左舷電控水閥和右舷電控水閥的控制輸入通道均與集中控制臺相連；所述縱傾控制裝置中的左舷電磁流量計、右舷電磁流量計、四個液位變送器的信號輸出通道均與集中控制臺相連。本發明所述的定深控制裝置採用壓縮空氣輔助做功的「泵排自注」原理，通過注排水改變耐壓水艙內的水量，以此來調節載人深潛器的重力與浮力平衡關係，實現深度穩定控制。定深操縱時，首先利用載人深潛器的壓縮空氣對耐壓水艙進行預加壓，使耐壓水艙內壓力比舷外壓力低0. IMPa 0. 3MPa。耐壓水艙內的壓力比舷外低，開通注水管路，舷外海水在壓力作用下自動流入耐壓水艙(即自注)。由於耐壓水艙內充入了壓縮空氣，可平衡一部分舷外海水壓力，因此減小了排水泵的排水背壓，利用小功率的排水泵即可實現大深度排水(即泵排)。注排水的過程會改變耐壓水艙的氣體空間體積，氣體壓力隨之改變，從而改變耐壓水艙與舷外的壓力差，影響注排水速率，此時可通過對耐壓水艙進行加壓或減壓操作，調整注排水速率。本發明所述的定深控制裝置利用載人深潛器的壓縮空氣輔助做功，減小了排水泵的排水背壓，降低了排水泵的功率，既不會消耗大量的壓縮空氣，又減少了電能的消耗。本發明所述的縱傾平衡控制裝置採用壓縮空氣移水的工作原理，通過移水改變首尾縱傾水艙水量的分布，從而平衡深度穩定期間可能產生縱傾不平衡力矩。首先，四個縱傾平衡水艙加入一定的初始水量；然後，控制氣壓分配儀選擇加氣狀態，例如往首左、尾右水艙內加氣，同時首右、尾左水艙通艙室大氣，此時首左、尾右水艙內壓力高於首右、尾左水艙；當出現首傾時，開啟左舷電控水閥，在壓力差作用下，水自動從首左水艙移往尾左水艙，從而消除首傾；當出現尾傾時，開啟右舷電控水閥，在壓力差作用下，水自動從尾右水艙移往首右水艙，從而消除尾傾。改變氣壓分配儀的加氣狀態，可實現兩舷水艙的反方向移水。因此，整個縱傾平衡控制過程不消耗電能，只需消耗少量的壓縮空氣即可提供足夠的移水動力。本發明所述的集中控制臺能夠實現耐壓水艙水量、耐壓水艙內與舷外壓力差、定深控制注排水流量、縱傾水艙水量、縱傾控制移水量的集中監視，並能實現深度穩定、縱傾平衡的集中控制，為操作控制人員提供了友好的人機操作界面，簡化了操作流程。本發明的有益效果在於1、能夠實現載人深潛器的水下深度穩定和縱傾平衡功能，其中定深控制利用小功率排水泵和壓縮空氣共同做功實現注排水，縱傾平衡控制則利用壓縮空氣實現首尾移水，深度穩定與縱傾平衡期間的電能消耗很少，滿足載人深潛器水下姿態控制系統的節能要求；2、系統工作性能穩定，使用操作方便。
圖I為本發明一個實施例的系統結構示意圖。圖2為圖I中加上電氣控制迴路的系統結構示意圖。圖中「, 」代表水管路，「-----」代表氣管路，「—.一 」代表電氣控制迴路。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施例作進一步的詳細說明。包括定深控制裝置、縱傾控制裝置和集中控制臺。所述的定深控制裝置包括耐壓水艙和浮力調整水艙，所述耐壓水艙I位於載人深潛器的重心位置；液位變送器2、壓差變送器3設置於耐壓水艙I上；水量壓差測量儀4的測量通道分別與液位變送器2、壓差變送器3相連。從而完成耐壓水艙內水量、耐壓水艙內與舷外壓力差的測量及機旁顯示。耐壓水艙I的注水管路通過注水電控閥9、電磁流量計12與通舷外電控水閥8相接，耐壓水艙的排水管路通過排水電控閥10經排水泵6、電磁流量計12與通舷外電控水閥8相接，排水泵配置啟動控制箱7 ;浮力調整水艙的水管路通過浮力調整電控水閥11與耐壓水艙的排水管路連通，且連接於排水電控閥10與排水泵6之間的排水管路；由此實現耐壓水艙的自流注水、向舷外排水以及耐壓水艙與浮力調整水艙之間的移水，並且能夠測量耐壓水艙與舷外之間的注排水流量。耐壓水艙的氣管路通過充氣電磁閥15、空氣安全閥14和空氣減壓閥13與壓縮空氣系統18相連通，耐壓水艙的氣管路還通過放氣電磁閥16連通載人深潛器艙室大氣，放氣口設有消聲器17 ;從而能夠對耐壓水艙進行充氣加壓、放氣減壓，同時降低放氣時的空氣噪聲。所述的縱傾控制裝置包括首左水艙19、首右水艙20、尾左水艙21、尾右水艙22四個內部水艙，分別布置在載人深潛器耐壓殼體內部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷分別安設液位變送器23、24、25、26 ；從而實現四個內部水艙的水量測量。首左水艙19通過氣管路、經由氣壓分配儀27與尾右水艙22連通；首右水艙20通過氣管路、經由氣壓分配儀27與尾左水艙21連通；氣壓分配儀27通過減壓器28與深潛器壓縮空氣系統18相連。從而實現分別向首左、尾右水艙或者首右、尾左水艙的加壓。首左水艙19通過左舷水管路，經由左舷電控水閥31、左舷電磁流量計29與尾左水艙21連通；首右水艙20通過右舷水管路，經由右舷電控水閥32、右舷電磁流量計30與尾右水艙22連通。從而實現從首向尾或者從尾向首的移水，並測量移水流量。集中控制臺33是載人深潛器深度穩定控制及縱傾平衡控制的操作控制中心。定深控制裝置中的通舷外電控水閥8、注水電控水閥9、排水電控水閥10、浮力調整電控水閥
11、啟動控制箱7、充氣電磁閥15、放氣電磁閥16的控制輸入通道均與所述集中控制臺33相連，水量壓差測量儀4、電磁流量計12的信號輸出通道均與所述集中控制臺33相連；縱傾控制裝置中的氣壓分配儀27、左舷電控水閥31、右舷電控水閥32的控制輸入通道均與集中控制臺33相連，所述縱傾控制裝置中四個液位變送器23、24、25、26及左舷電磁流量計、29、右舷電磁流量計30的信號輸出通道均與集中控制臺相連。在集中控制臺上能夠實現耐壓水艙水量、耐壓水艙與舷外壓力差、定深控制注排水流量、縱傾水艙水量、縱傾移水量的集中監視，並能實現耐壓水艙注排水、縱傾水艙首尾移水的集中控制。本發明具體實施例的工作流程如下
I深度穩定控制工作流程
I.I耐壓水艙I內的初始水量調整
為了保證定深控制系統的注排水能力，同時儘量節約壓縮空氣的使用，耐壓水艙I的初始水量應當為滿艙容水量的45% 55%。為了不破壞載人深潛器的初始均衡狀態，耐壓水艙的初始水量調整應當在載人深潛器內部進行。a)當耐壓水艙內的初始水量不足時，在集中控制臺33上遙控打開注水電控水閥
9、浮力調整電控水閥11，並遙控啟動排水泵6，浮力調整水艙5的水經浮力調整電控水閥
11、排水泵6、電控水閥9移至耐壓水艙I。b)當耐壓水艙I內的初始水量過多時，在集中控制臺33上遙控打開充氣電磁閥，壓縮空氣經空氣減壓閥13、空氣安全閥14、充氣電磁閥15進入耐壓水艙1，加入適量壓縮空氣後，關閉充氣電磁閥15。而後打開排水電控水閥10、浮力調整電控水閥11，在壓力作用下,耐壓水艙的水經電控水閥10、11流回浮力調整水艙5。I. 2耐壓水艙的預加壓
為了降低排水泵的功率，需要通過向耐壓水艙I加壓的方式，降低排水泵的排水背壓。在集中控制臺33上，遙控打開充氣電磁閥15，壓縮空氣經空氣減壓閥13、空氣安全閥14、充氣電磁閥15進入耐壓水艙1，同時觀察集中控制臺上顯示的來自水量壓差測量儀4發送的壓差測量值，當壓差測量值調整到0. 19MPa 0. 2MPa時(耐壓水艙I內壓力低於舷外壓力)，停止進氣，預加壓結束。I. 3定深期間的注排水控制
a)若載人深潛器重力小於浮力，則向耐壓水艙I注水
在集中控制臺33上遙控打開通舷外電控水閥8、注水電控水閥9，由於耐壓水艙I內壓力比舷外低，海水在壓力差的作用下，經由通舷外電控水閥8、電磁流量計12、注水電控水閥9自流進入耐壓水艙I。根據電磁流量計12發送給集中控制臺33的流量值，可以控制注水量的多少。b)若載人深潛器重力大於浮力，則由耐壓水艙I向舷外排水
在集中控制臺33上遙控打開通舷外電控水閥8、排水電控水閥10，啟動排水泵6，耐壓水艙I內的海水經由排水電控水閥10、排水泵6、電磁流量計12、通舷外電控水閥8排出舷夕卜。根據電磁流量計12發送給集中控制臺的流量值，可以控制排水量的多少。通過往復多次注排水，調節深潛器的重力與浮力平衡關係，即可穩定深度。1.4耐壓水艙的加壓和減壓
a)定深期間，當耐壓水艙I與舷外壓力差過小而影響注水速度時，則需要降低耐壓水艙內的壓力，耐壓水艙的減壓操縱方式有兩種
方式一直接放氣減壓，在集中控制臺33遙控打開放氣電磁閥16，耐壓水艙I內的壓縮空氣經由放氣電磁閥16、消聲器17排至深潛器艙室內。根據集中控制臺33的壓差顯示數值進行判斷，當耐壓水艙I內的壓力降到規定值後，停止放氣；方式二 回移水減壓，在集中控制臺33上遙控打開排水電控水閥10、浮力調整電控水閥11，在耐壓水艙I內空氣壓力作用下，耐壓水艙I的水經排水電控水閥10、浮力調整電控水閥11流回浮力調整水艙5，從而降低耐壓水艙I內的壓力。根據集中控制臺33的壓差顯示數值進行判斷，當耐壓水艙I內的壓力降到規定值後，停止回移水。b)當耐壓水艙與舷外壓力差過大影響排水速度時，則需要增加耐壓水艙內的壓力,此時需 對耐壓水艙進行補氣加壓。在集中控制臺33上遙控打開充氣電磁閥15，壓縮空氣經空氣減壓閥13、空氣安全閥14、充氣電磁閥15進入耐壓水艙1，加入適量壓縮空氣後，關閉充氣電磁閥15。在集中控制臺33上根據壓差顯示數值進行判斷，當耐壓水艙I內的壓力增高到規定值後，停止補氣加壓。2縱傾平衡控制工作流程
2.I縱傾平衡水艙的加壓分配
氣壓分配儀27有兩種的加壓分配選擇模式，方式一為首左、尾右水艙加壓，首右、尾左水艙通艙室大氣；方式二為首右、尾左水艙加壓，首左、尾右水艙通艙室大氣。下面以方式一為例。如圖I所示，壓縮空氣經由減壓器28、氣壓分配儀27分別進入首左水艙19和尾右水艙22 ;同時，首右水艙20、尾左水艙21與深潛器艙室大氣連通。2.2首、尾水艙之間的移水 a)若發生首傾，則從首向尾移水。在集中控制臺33遙控打開左舷電控水閥31，由於首左水艙19的壓力高於尾左水艙21，在壓力差的作用下，首左水艙19內的水經由左舷電磁流量計29、左舷電控水閥31移往尾左水艙21。根據集中控制臺的流量顯示值，可以控制移水量的大小，並可觀察水艙19、21的水量值。b)若發生尾傾，則從尾向首移水。在集中控制臺33遙控打開右舷電控水閥32，由於首右水艙20的壓力低於尾右水艙22，在壓力差的作用下，尾右水艙22內的水經由右舷電控水閥32、右舷電磁流量計30移往首右水艙20。根據集中控制臺的流量顯示值，可以控制移水量的大小，並可觀察水艙20、22的水量值。當改變氣壓分配儀27的加氣方式時，即可改變左右舷的首尾移水方向。例如，當左舷的水全部移到尾左水艙21仍無法消除首傾時，則可將氣壓分配儀27選擇方式二，壓縮空氣經由減壓器28、氣壓分配儀27分別進入首右水艙20和尾左水艙21 ;同時，首左水艙19、尾右水艙22與深潛器艙室大氣連通。此時，打開右舷電控水閥32，在壓力差作用下，首右水艙20內的水經由右舷電磁流量計30、右舷電控水閥移往尾右水艙22。綜上所述，本發明能夠實現載人深潛器的定深穩定和縱傾平衡，並且儘可能的降低了電能消耗，達到了節能的目的。整個定深控制過程中，通過對耐壓水艙的加壓、減壓控制，始終保持耐壓水艙內壓力比舷外壓力低0. IMPa 0. 3MPa，通過自流注水和小功率水泵的排水來調節載人深潛器的重力與浮力平衡關係，從而實現載人深潛器的深度穩定；利用壓縮空氣實現載人深潛器首尾縱傾平衡水艙之間的雙向移水，從而實現載人深潛器的縱傾平衡。
權利要求
1.一種載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於包括定深控制裝置、縱傾控制裝置，所述的定深控制裝置包括耐壓水艙和浮力調整水艙，所述耐壓水艙位於在載人深潛器的重心位置，耐壓水艙的注水管路通過注水閥與通舷外水閥相接，耐壓水艙的排水管路通過排水閥經排水泵與通舷外水閥相接，浮力調整水艙的水管路通過浮力調整水閥與耐壓水艙的排水管路連通，同時耐壓水艙的氣管路通過充氣閥與壓縮空氣系統相連通，耐壓水艙的氣管路還與放氣閥連接；所述的縱傾控制 裝置包括首左水艙、首右水艙、尾左水艙、尾右水艙四個內部水艙，分別布置在載人深潛器耐壓殼體內部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述首左水艙通過氣管路、經由氣壓分配儀與所述尾右水艙連通，所述首右水艙通過氣管路、經由氣壓分配儀與所述尾左水艙連通；氣壓分配儀與深潛器壓縮空氣系統相連；所述首左水艙通過左舷水管路和左舷水閥與所述尾左水艙連通，所述首右水艙通過右舷水管路和右舷水閥與尾右水艙連通。
2.按權利要求I所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於所述的耐壓水艙配接液位變送器、壓差變送器，液位變送器、壓差變送器與水量壓差測量儀相聯，所述的與耐壓水艙相連通的氣管路中還串接有空氣減壓閥和空氣安全閥。
3.按權利要求I或2所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於在通舷外水閥與排水泵之間連接有電磁流量計。
4.按權利要求I或2所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於在左舷水管路和右舷水管路中還分別串接有左舷電磁流量計和右舷電磁流量計。
5.按權利要求I或2所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於所述的通舷外水閥、注水閥、排水閥、浮力調整水閥、充氣閥、放氣閥、左舷水閥、右舷水閥分別為通舷外電控水閥、注水電控閥、排水電控閥、浮力調整電控水閥、充氣電磁閥、放氣電磁閥、左舷電控水閥、右舷電控水閥。
6.按權利要求5所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於所述的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷分別安設液位變送器。
7.按權利要求I或2所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於所述的氣壓分配儀通過減壓器與深潛器壓縮空氣系統相連。
8.按權利要求6所述的載人深潛器節能型水下姿態控制系統，其特徵在於設置集中控制臺，為深潛器定深控制及縱傾平衡控制的操作控制中心；所述定深控制裝置中的通舷外電控水閥、注水電控閥、排水電控閥、浮力調整電控水閥、充氣電磁閥、放氣電磁閥的控制輸入通道均與集中控制臺相連，所述定深控制裝置中的水量壓差測量儀、電磁流量計的信號輸出通道均與集中控制臺相連；所述縱傾控制裝置中的氣壓分配儀、左舷電控水閥和右舷電控水閥的控制輸入通道均與集中控制臺相連；所述縱傾控制裝置中的左舷電磁流量計、右舷電磁流量計、四個液位變送器的信號輸出通道均與集中控制臺相連。
全文摘要
本發明涉及一種載人深潛器節能型水下姿態控制系統。包括定深控制裝置、縱傾控制裝置，定深控制裝置包括耐壓水艙和浮力調整水艙，耐壓水艙的注水管路通過注水閥與通舷外水閥相接，耐壓水艙的排水管路通過排水閥經排水泵與通舷外水閥相接，浮力調整水艙的水管路通過浮力調整水閥與耐壓水艙的排水管路連通，同時耐壓水艙與壓縮空氣系統相連通；縱傾控制裝置包括首左、首右、尾左、尾右四個內部水艙，首左水艙經由氣壓分配儀與尾右水艙連通，首右水艙經由氣壓分配儀與尾左水艙連通；首左水艙通過左舷水管路與尾左水艙連通，首右水艙通過右舷水管路與尾右水艙連通。本發明能夠實現載人深潛器的水下深度穩定和縱傾平衡功能，滿足系統的節能要求。
文檔編號B63G8/22GK102745318SQ201210255788
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優先權日2012年7月24日
發明者夏偉, 曹晨, 王雲鶴, 鄒永鑄, 陽世榮 申請人:中國艦船研究設計中心