筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器的製造方法
2023-05-19 17:30:46 2
筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器的製造方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，根據阿基米德原理，讓浸沒在水中的物體質量不變，僅改變它的體積，使浮標裝置在水中所承受的浮力發生變化。當浮力大於重力時該浮標上浮，浮力於重力時該物體下潛，當浮標保持浮力最大時可長期漂浮在水面；當浮標調整自身體積，使水中重量與所在深度所承受的浮力相等時，浮標可以處在中性狀態在該深度停留。本發明可實現水中上浮及下潛運動，並且可以停留在水下任何一個設定的深度保持平衡，具有體積小、功耗低、可靠性高、機動靈活、擴展性及兼容性強等特點，能夠滿足海洋環境監測作業的需要。
【專利說明】筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種海洋環境監測裝置，具體地說是浮力調節器。
【背景技術】 [0002]1998由美國和日本等國家的大氣和海洋科學家在以前的工作和基礎上設計並提出建設全球海洋剖面探測浮標實時海洋觀測網。目前，該觀測網正在以前所未有的規模和速度，源源不斷的為國際社會提供全球海洋深達2000米的溫、鹽度剖面資料和全球範圍的海流資料。全球海洋剖面探測浮標實時海洋觀測網所獲得的海量數據將會在天氣和海洋業務化預報中得到廣泛運用，從而大幅度提高人們對天氣、氣候和海洋環境預報的精度。
[0003]海洋剖面探測浮標是90年代發展起來的高科技產品，它創始於美國海洋研究所所研製的SOLO浮標。美國Webb公司研究和開發了 APEX型浮標,法國Ifremer研究所1990年研製Marvor型剖面浮標，以及加拿大開發的PROVOR剖面浮標。目前在全球海洋中投放的浮標要由美國、法國和加拿大的製造商生產，其中加拿大Metocean公司生產的PROVOR型浮標，由於使用壽命未能到達設計要求，且故障率較高，已經於2004年底停止生產；由美國Webb公司研製的PALACE浮標，是在ALACE浮標基礎上開發的第一代剖面浮標，目前也已停止。從各種類型浮標的主要性能指標來看，可以說是大同小異，其浮標體的長度在180~240cm(包括天線)之間，重量在26~37kg左右，外殼直徑則為15.0~17.0cm JI^APEX和PALACE型浮標利用鹼性電池作為動力源以外，PROVOR和SOLO型浮標均採用鋰電池供給。其他均需要指出的是，上述四種類型浮標所採用的定位和數據傳輸平臺是相同的，均為ArgosPTT (Argos衛星的平臺發射機終端)，即由美國和法國共同發射的Argos衛星系統接收和轉發浮標測量的數據，及通過都卜勒計算確定浮標在大洋中的位置。歷年來國際Argo計劃成員國所使用的剖面浮標主要有四種類型，即PALACE、APEX、PROVOR和SOLO等型號，到目前為止，已經在在全球海洋中布放的3000多個Argo浮標中，其中:60%為APEX、24%為S0L0、14% 為 PR0V0R，PALACE 僅佔 2%。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供實現水中上浮及下潛運動，並且可以停留在水下任何一個設定的深度保持平衡的筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:
[0006]本發明筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，其特徵是:中部皮囊、下部皮囊、上筒體、下筒體、上封頭、活塞杆、螺旋槳機構、油箱、換向閥A、換向閥B，上封頭固定在上筒體的上壁上，上筒體的上壁上設置上部端蓋，下筒體的側壁位於上筒體側壁裡、且兩者之間可相對移動，下筒體的下壁固定在下部水密電機支架上，下部皮囊通過下部皮囊接頭安裝在下部水密電機支架上，中部皮囊的上端部固定在上封頭和上筒體之間，中部皮囊的下端部固定在下筒體和下部水密電機支架之間，螺旋槳機構包括第一-第六螺旋槳單元，第一螺旋槳單元包括水密電機、螺旋槳，水密電機與螺旋槳之間通過聯軸器相連，第一-第六螺旋槳單元的結構相同，第一-第二螺旋槳單元的水密電機分別固定在上封頭上且相對於上封頭對稱布置，第三-第六螺旋槳單元的水密電機固定在下部水密電機支架裡，第三-第六螺旋槳單元的螺旋槳伸出至下部水密電機支架外，下筒體裡安裝油缸筒體，活塞杆的上端部固定在上筒體的上壁裡，活塞杆的下部位於油缸筒體裡，活塞杆的下端部與油缸筒體之間形成液壓腔，油箱固定在下筒體裡，油箱通過下部皮囊油管連通下部皮囊，油缸筒體下部設置與液壓腔連通的液壓腔孔，下筒體的下部分別設置與中部皮囊連通的a孔、b孔、c孔，油箱分別連通液壓腔孔、a孔、b孔、c孔，換向閥A控制油箱與液壓腔孔的相通或斷開，換向閥B控制油箱與a孔和下部皮囊油管的相同或斷開。
[0007]本發明還可以包括:
[0008]1、下筒體裡設置泵電機，泵電機連接真空泵，真空泵連接輸氣管，輸氣管穿過下筒體、上筒體、上部端蓋伸出至上封頭和上部端蓋之間。
[0009]2、上封頭上安裝數據發射探頭，油箱裡安裝油箱液位計，下筒體裡安裝深度測試儀。
[0010]本發明的優勢在於:本發明可實現水中上浮及下潛運動，並且可以停留在水下任何一個設定的深度保持平衡，具有體積小、功耗低、可靠性高、機動靈活、擴展性及兼容性強等特點，能夠滿足海洋環境監測作業的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明的結構示意圖；
[0012]圖2為本發明的側視圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
[0014]結合圖1?2，本發明的目的是公開筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，它根據阿基米德浮力原理，利用筒體的伸縮運動改變裝置體積，從而相應改變浮力的大小，控制裝置水中的上下運動；同時，它依靠四個水平布置的螺旋槳及兩個垂直布置的螺旋槳分別進行裝置的水平及垂直方向輔助推進運動，二者的同時工作可控制裝置任意方向的運動。
[0015]筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器由下部皮囊1、下部皮囊接頭2、下部皮囊固定螺母3、下部皮囊油管4、下部水密電機支架5、下部電機固定螺栓6、下部電機固定板7、下部螺旋槳8、下部螺旋槳軸9、下部螺旋槳軸聯軸器10、下部水密電機11、下部電機水密電纜12、中部皮囊固定螺母13、中部皮囊下固定螺栓14、中部皮囊15、下筒體16、油箱固定螺栓17、蓄電池組18、齒輪油泵19、泵軸聯軸器20、油泵電機固定螺栓21、上筒體22、下筒體上端蓋23、中部皮囊上固定螺栓24、上部水密電機固定螺栓25、上部水密電機固定架26、上部水密電機27、上部水密電機聯軸器28、上部螺旋槳29、上部螺旋槳軸30、上部電機水密電纜31、水密電纜接頭32、上封頭33、傳輸電纜34、氣管接頭組件35、上部端蓋36、上筒體聯接螺栓37、活塞杆38、輸氣管39、油缸上蓋組件40、微型真空泵41、泵電機42、真空泵電機固定螺栓43、油缸筒體44、控制櫃45、深度測試儀46、油缸下蓋組件47、右油箱48、數據發射探頭49、電纜接頭50、管路附件51、油箱液位計52、換向閥A53、換向閥B54、輸送油管55等零部件組成。
[0016]筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器由耐壓殼體與充放氣機構、油囊調節補充機構、螺旋槳機構、閉式液壓系統、、筒體伸縮油缸機構等部件組成。
[0017]耐壓殼體組件由上封頭33、上部端蓋36、數據發射探頭49、傳輸電纜34、氣管接頭組件35等部件組成。充放氣機構由氣管接頭組件35、輸氣管39、微型真空泵41、泵電機42等部件組成，泵電機42由真空泵電機固定螺栓43固定在下筒體16內壁上。
[0018]油囊調節補充機構由下部皮囊1、下部皮囊接頭2、下部皮囊油管4構成，下部皮囊I通過下部皮囊接頭2由固定在下部水密電機支架5上。
[0019]螺旋槳機構分別由四個下部水平螺旋槳和上部兩個垂直螺旋槳組成。下部四個水平螺旋槳機構分別包括:下部螺旋槳8、下部螺旋槳軸9、下部螺旋槳軸聯軸器10、下部水密電機11等部件，它們沿水平成90°均勻布置，四個電機11通過下部電機水密電纜12與控制櫃45相連。上部兩個垂直螺旋槳包括:上部水密電機27、上部水密電機聯軸器28、上部螺旋槳29、上部螺旋槳軸30等部件。上部水密電機27固定在上部水密電機固定架26上，此固定架26則通過上部水密電機固定螺栓25固定在上封頭33上，兩個水密電機27通過上部電機水密電纜31、水密電纜接頭32接入上封頭33中，再通過傳輸電纜34、電纜接頭50與控制櫃45相連。
[0020]閉式液壓系統包括泵電機42、泵軸聯軸器20、齒輪油泵19、蓄電池組18、右油箱48、油箱液位計52、換向閥A53、換向閥B54、輸送油管55、管路附件51等部件組成。電機42通過油泵電機固定螺栓21固定在下筒體16內壁上。蓄電池組18與右油箱48則通過油箱固定螺栓17固定在下筒體16底面上。換向閥A53、換向閥B54、油箱液位計52、管路附件51布置在右油箱48上，通過輸送油管55經油口 a、b、c與中部皮囊15聯通。
[0021]筒體伸縮油缸機構由中部皮囊15、下筒體16、上筒體22、活塞杆38、油缸上蓋組件40、油缸筒體44、油缸下蓋組件47等部件組成。中部皮囊15由中部皮囊上固定螺栓24、中部皮囊下固定螺栓14、中部皮囊固定螺母13分別固定在下部水密電機支架5上端面與下筒體16、上筒體22上端面與上封頭33下端面之間。活塞杆38上端通過上筒體聯接螺栓37與上筒體22相連；油缸筒體44下端與下筒體16相連。當液壓油輸進油缸上下腔後，將推動活塞杆38上下運動，活塞杆38將帶動上筒體22沿下筒體16外壁上下運動，同時也帶動中部皮囊15伸長或縮短運動，這樣將改變調節器的體積，從而改變調節器水中浮力，實現水中上浮及下潛運動。
[0022]浮標浮力調節器沉浮的工作原理是:浮標裝置是根據阿基米德原理，讓浸沒在水中的物體質量不變，僅改變它的體積，使浮標裝置在水中所承受的浮力發生變化。當浮力大於重力時該浮標上浮，浮力於重力時該物體下潛，當浮標保持浮力最大時可長期漂浮在水面；當浮標調整自身體積，使水中重量與所在深度所承受的浮力相等時，浮標可以處在中性狀態在該深度停留。通常，浮標在水中停留設置成三種狀態:一是水面漂浮，進行衛星通訊和定位；二是水下停留在某一水深，此處滯留；三是採集起始，根據需要一般取在2000m水深處，抵達此深度即上浮。對於此浮力調節器，利用筒體伸縮改變體積，產生浮力為主要上升力，而上部垂直螺旋槳29的作用是輔助調節器水中垂直方向運動或局部微調，下部水平螺旋槳30的作用是修正調節器上浮或下潛的軌跡。
[0023]浮標浮力調節器液壓系統的工作原理如下:1)泵電機42啟動，液壓泵開始工作，電磁換向閥53得電，將油箱48中的液壓油注入液壓缸下腔中，推動活塞杆38向上運動，從而推動浮標調節器的上下筒體相互分離，浮標裝置的體積增大，浮力也會跟著增大；同時，電磁換向閥54得電，將液壓油通過油口 a、下部皮囊油管4分別注入到中部皮囊15、下部皮囊I中，使得皮囊體積增大，浮力也進一步增大，這樣，浮標上浮，並最終停留在海面上。2)當浮標下沉時，電磁換向閥53、電磁換向閥54失電換向，活塞杆38向下運動，上下筒體相互閉合，浮標裝置的體積減少，浮力減小，同時，皮囊中液壓油在海水的壓力作用下將通過油口 b、c油壓回浮標裝置的油箱之中，浮標的皮囊體積減小，浮力再次減小，浮標由於重力作用開始下沉運動。3)當浮標到達指定深度時需要停留時，則再次啟動電機42及換向閥53、換向閥54，調節浮力使之與調節器質量相等，則浮標將停留在這個深度的海域，進行海洋數據米集等工作。
[0024]浮力調節器數據傳輸與控制信號通過控制櫃45、數據發射探頭49與船上人員進行無線通訊。它的電力供應由蓄電池組18提供，深度位置由深度測試儀46測量。調節器上封頭33中放置防止元器件氧化的部件及電路板等，在工作時，啟動泵電機42、微型真空泵41通過輸氣管39、氣管接頭組件35將上封頭33中內腔抽成真空，保持浮標內腔的一定真空度，同時，在一定程度上提高了浮標的密封效果。
[0025]此筒體伸縮與螺旋 槳推進式水中浮標浮力調節器的設計是根據我國海洋探測和監測需要，並充分考慮浮標在水中的工作環境後做出的，擬定要求如下:
[0026](I)浮標要潛入水下2000m的海域進行海洋探測和監測；
[0027](2)浮標的壽命要足夠，以降低成本.[0028]裝置設計的技術指標如表1，結構如附圖所示。
[0029]表1浮標浮力調節器的技術指標
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【權利要求】
1.筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，其特徵是:中部皮囊、下部皮囊、上筒體、下筒體、上封頭、活塞杆、螺旋槳機構、油箱、換向閥A、換向閥B，上封頭固定在上筒體的上壁上，上筒體的上壁上設置上部端蓋，下筒體的側壁位於上筒體側壁裡、且兩者之間可相對移動，下筒體的下壁固定在下部水密電機支架上，下部皮囊通過下部皮囊接頭安裝在下部水密電機支架上，中部皮囊的上端部固定在上封頭和上筒體之間，中部皮囊的下端部固定在下筒體和下部水密電機支架之間，螺旋槳機構包括第一-第六螺旋槳單元，第一螺旋槳單元包括水密電機、螺旋槳，水密電機與螺旋槳之間通過聯軸器相連，第一-第六螺旋槳單元的結構相同，第一-第二螺旋槳單元的水密電機分別固定在上封頭上且相對於上封頭對稱布置，第三-第六螺旋槳單元的水密電機固定在下部水密電機支架裡，第三-第六螺旋槳單元的螺旋槳伸出至下部水密電機支架外，下筒體裡安裝油缸筒體，活塞杆的上端部固定在上筒體的上壁裡，活塞杆的下部位於油缸筒體裡，活塞杆的下端部與油缸筒體之間形成液壓腔，油箱固定在下筒體裡，油箱通過下部皮囊油管連通下部皮囊，油缸筒體下部設置與液壓腔連通的液壓腔孔，下筒體的下部分別設置與中部皮囊連通的a孔、b孔、c孔，油箱分別連通液壓腔孔、a孔、b孔、c孔，換向閥A控制油箱與液壓腔孔的相通或斷開，換向閥B控制油箱與a孔和下部皮囊油管的相同或斷開。
2.根據權利要求1所述的筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，其特徵是:下筒體裡設置泵電機，泵電機連接真空泵，真空泵連接輸氣管，輸氣管穿過下筒體、上筒體、上部端蓋伸出至上封頭和上部端蓋之間。
3.根據權利要求1或2所述的筒體伸縮與螺旋槳推進式水中浮標浮力調節器，其特徵是:上封頭上安裝數據發射探頭，油箱裡安裝油箱液位計，下筒體裡安裝深度測試儀。
【文檔編號】B63B22/22GK103935471SQ201410146040
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月12日 優先權日:2014年4月12日
【發明者】張波, 王茁, 王濤, 田建平, 孫立波, 胡朝陽, 孟凡東, 於丹丹, 於海軍, 周英輝, 陸洋 申請人:哈爾濱工程大學