筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器

摘要

本发明的目的在于提供筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器，根据阿基米德原理，让浸没在水中的物体质量不变，仅改变它的体积，使浮标装置在水中所承受的浮力发生变化。当浮力大于重力时该浮标上浮，浮力于重力时该物体下潜，当浮标保持浮力最大时可长期漂浮在水面；当浮标调整自身体积，使水中重量与所在深度所承受的浮力相等时，浮标可以处在中性状态在该深度停留。本发明可实现水中上浮及下潜运动，并且可以停留在水下任何一个设定的深度保持平衡，具有体积小、功耗低、可靠性高、机动灵活、扩展性及兼容性强等特点，能够满足海洋环境监测作业的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋环境监测装置，具体地说是浮力调节器。

背景技术

1998由美国和日本等国家的大气和海洋科学家在以前的工作和基础上设计 并提出建设全球海洋剖面探测浮标实时海洋观测网。目前，该观测网正在以前 所未有的规模和速度，源源不断的为国际社会提供全球海洋深达2000米的温、 盐度剖面资料和全球范围的海流资料。全球海洋剖面探测浮标实时海洋观测网 所获得的海量数据将会在天气和海洋业务化预报中得到广泛运用，从而大幅度 提高人们对天气、气候和海洋环境预报的精度。

海洋剖面探测浮标是90年代发展起来的高科技产品，它创始于美国海洋研 究所所研制的SOLO浮标。美国Webb公司研究和开发了APEX型浮标，法国 Ifremer研究所1990年研制Marvor型剖面浮标，以及加拿大开发的PROVOR剖 面浮标。目前在全球海洋中投放的浮标要由美国、法国和加拿大的制造商生产， 其中加拿大Metocean公司生产的PROVOR型浮标，由于使用寿命未能到达设计 要求，且故障率较高，已经于2004年底停止生产；由美国Webb公司研制的PALACE 浮标，是在ALACE浮标基础上开发的第一代剖面浮标，目前也已停止。从各种 类型浮标的主要性能指标来看，可以说是大同小异，其浮标体的长度在180～ 240cm(包括天线)之间，重量在26～37kg左右，外壳直径则为15.0～17.0cm； 除APEX和PALACE型浮标利用碱性电池作为动力源以外，PROVOR和SOLO型浮 标均采用锂电池供给。其他均需要指出的是，上述四种类型浮标所采用的定位 和数据传输平台是相同的，均为ArgosPTT(Argos卫星的平台发射机终端)，即 由美国和法国共同发射的Argos卫星系统接收和转发浮标测量的数据，及通过 多普勒计算确定浮标在大洋中的位置。历年来国际Argo计划成员国所使用的剖 面浮标主要有四种类型，即PALACE、APEX、PROVOR和SOLO等型号，到目前为 止，已经在在全球海洋中布放的3000多个Argo浮标中，其中：60%为APEX、 24%为SOLO、14%为PROVOR，PALACE仅占2%。

发明内容

本发明的目的在于提供实现水中上浮及下潜运动，并且可以停留在水下任 何一个设定的深度保持平衡的筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器，其特征是：中部皮 囊、下部皮囊、上筒体、下筒体、上封头、活塞杆、螺旋桨机构、油箱、换向 阀A、换向阀B，上封头固定在上筒体的上壁上，上筒体的上壁上设置上部端盖， 下筒体的侧壁位于上筒体侧壁里、且两者之间可相对移动，下筒体的下壁固定 在下部水密电机支架上，下部皮囊通过下部皮囊接头安装在下部水密电机支架 上，中部皮囊的上端部固定在上封头和上筒体之间，中部皮囊的下端部固定在 下筒体和下部水密电机支架之间，螺旋桨机构包括第一-第六螺旋桨单元，第一 螺旋桨单元包括水密电机、螺旋桨，水密电机与螺旋桨之间通过联轴器相连， 第一-第六螺旋桨单元的结构相同，第一-第二螺旋桨单元的水密电机分别固定 在上封头上且相对于上封头对称布置，第三-第六螺旋桨单元的水密电机固定在 下部水密电机支架里，第三-第六螺旋桨单元的螺旋桨伸出至下部水密电机支架 外，下筒体里安装油缸筒体，活塞杆的上端部固定在上筒体的上壁里，活塞杆 的下部位于油缸筒体里，活塞杆的下端部与油缸筒体之间形成液压腔，油箱固 定在下筒体里，油箱通过下部皮囊油管连通下部皮囊，油缸筒体下部设置与液 压腔连通的液压腔孔，下筒体的下部分别设置与中部皮囊连通的a孔、b孔、c 孔，油箱分别连通液压腔孔、a孔、b孔、c孔，换向阀A控制油箱与液压腔孔 的相通或断开，换向阀B控制油箱与a孔和下部皮囊油管的相同或断开。

本发明还可以包括：

1、下筒体里设置泵电机，泵电机连接真空泵，真空泵连接输气管，输气管 穿过下筒体、上筒体、上部端盖伸出至上封头和上部端盖之间。

2、上封头上安装数据发射探头，油箱里安装油箱液位计，下筒体里安装深 度测试仪。

本发明的优势在于：本发明可实现水中上浮及下潜运动，并且可以停留在 水下任何一个设定的深度保持平衡，具有体积小、功耗低、可靠性高、机动灵 活、扩展性及兼容性强等特点，能够满足海洋环境监测作业的需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～2，本发明的目的是公开筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力 调节器，它根据阿基米德浮力原理，利用筒体的伸缩运动改变装置体积，从而 相应改变浮力的大小，控制装置水中的上下运动；同时，它依靠四个水平布置 的螺旋桨及两个垂直布置的螺旋桨分别进行装置的水平及垂直方向辅助推进运 动，二者的同时工作可控制装置任意方向的运动。

筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器由下部皮囊1、下部皮囊接 头2、下部皮囊固定螺母3、下部皮囊油管4、下部水密电机支架5、下部电机 固定螺栓6、下部电机固定板7、下部螺旋桨8、下部螺旋桨轴9、下部螺旋桨 轴联轴器10、下部水密电机11、下部电机水密电缆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、下筒体16、油箱固定螺栓17、蓄电池 组18、齿轮油泵19、泵轴联轴器20、油泵电机固定螺栓21、上筒体22、下筒 体上端盖23、中部皮囊上固定螺栓24、上部水密电机固定螺栓25、上部水密 电机固定架26、上部水密电机27、上部水密电机联轴器28、上部螺旋桨29、 上部螺旋桨轴30、上部电机水密电缆31、水密电缆接头32、上封头33、传输 电缆34、气管接头组件35、上部端盖36、上筒体联接螺栓37、活塞杆38、输 气管39、油缸上盖组件40、微型真空泵41、泵电机42、真空泵电机固定螺栓 43、油缸筒体44、控制柜45、深度测试仪46、油缸下盖组件47、右油箱48、 数据发射探头49、电缆接头50、管路附件51、油箱液位计52、换向阀A53、 换向阀B54、输送油管55等零部件组成。

筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器由耐压壳体与充放气机构、 油囊调节补充机构、螺旋桨机构、闭式液压系统、、筒体伸缩油缸机构等部件组 成。

耐压壳体组件由上封头33、上部端盖36、数据发射探头49、传输电缆34、 气管接头组件35等部件组成。充放气机构由气管接头组件35、输气管39、微 型真空泵41、泵电机42等部件组成，泵电机42由真空泵电机固定螺栓43固 定在下筒体16内壁上。

油囊调节补充机构由下部皮囊1、下部皮囊接头2、下部皮囊油管4构成， 下部皮囊1通过下部皮囊接头2由固定在下部水密电机支架5上。

螺旋桨机构分别由四个下部水平螺旋桨和上部两个垂直螺旋桨组成。下部 四个水平螺旋桨机构分别包括：下部螺旋桨8、下部螺旋桨轴9、下部螺旋桨轴 联轴器10、下部水密电机11等部件，它们沿水平成90°均匀布置，四个电机 11通过下部电机水密电缆12与控制柜45相连。上部两个垂直螺旋桨包括：上 部水密电机27、上部水密电机联轴器28、上部螺旋桨29、上部螺旋桨轴30等 部件。上部水密电机27固定在上部水密电机固定架26上，此固定架26则通过 上部水密电机固定螺栓25固定在上封头33上，两个水密电机27通过上部电机 水密电缆31、水密电缆接头32接入上封头33中，再通过传输电缆34、电缆接 头50与控制柜45相连。

闭式液压系统包括泵电机42、泵轴联轴器20、齿轮油泵19、蓄电池组18、 右油箱48、油箱液位计52、换向阀A53、换向阀B54、输送油管55、管路附件 51等部件组成。电机42通过油泵电机固定螺栓21固定在下筒体16内壁上。 蓄电池组18与右油箱48则通过油箱固定螺栓17固定在下筒体16底面上。换 向阀A53、换向阀B54、油箱液位计52、管路附件51布置在右油箱48上，通 过输送油管55经油口a、b、c与中部皮囊15联通。

筒体伸缩油缸机构由中部皮囊15、下筒体16、上筒体22、活塞杆38、油 缸上盖组件40、油缸筒体44、油缸下盖组件47等部件组成。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分别固 定在下部水密电机支架5上端面与下筒体16、上筒体22上端面与上封头33下 端面之间。活塞杆38上端通过上筒体联接螺栓37与上筒体22相连；油缸筒体 44下端与下筒体16相连。当液压油输进油缸上下腔后，将推动活塞杆38上下 运动，活塞杆38将带动上筒体22沿下筒体16外壁上下运动，同时也带动中部 皮囊15伸长或缩短运动，这样将改变调节器的体积，从而改变调节器水中浮力， 实现水中上浮及下潜运动。

浮标浮力调节器沉浮的工作原理是：浮标装置是根据阿基米德原理，让浸 没在水中的物体质量不变，仅改变它的体积，使浮标装置在水中所承受的浮力 发生变化。当浮力大于重力时该浮标上浮，浮力于重力时该物体下潜，当浮标 保持浮力最大时可长期漂浮在水面；当浮标调整自身体积，使水中重量与所在 深度所承受的浮力相等时，浮标可以处在中性状态在该深度停留。通常，浮标 在水中停留设置成三种状态：一是水面漂浮，进行卫星通讯和定位；二是水下 停留在某一水深，此处滞留；三是采集起始，根据需要一般取在2000m水深处， 抵达此深度即上浮。对于此浮力调节器，利用筒体伸缩改变体积，产生浮力为 主要上升力，而上部垂直螺旋桨29的作用是辅助调节器水中垂直方向运动或局 部微调，下部水平螺旋桨30的作用是修正调节器上浮或下潜的轨迹。

浮标浮力调节器液压系统的工作原理如下：1)泵电机42启动，液压泵开始 工作，电磁换向阀53得电，将油箱48中的液压油注入液压缸下腔中，推动活 塞杆38向上运动，从而推动浮标调节器的上下筒体相互分离，浮标装置的体积 增大，浮力也会跟着增大；同时，电磁换向阀54得电，将液压油通过油口a、 下部皮囊油管4分别注入到中部皮囊15、下部皮囊1中，使得皮囊体积增大， 浮力也进一步增大，这样，浮标上浮，并最终停留在海面上。2)当浮标下沉时， 电磁换向阀53、电磁换向阀54失电换向，活塞杆38向下运动，上下筒体相互 闭合，浮标装置的体积减少，浮力减小，同时，皮囊中液压油在海水的压力作 用下将通过油口b、c油压回浮标装置的油箱之中，浮标的皮囊体积减小，浮力 再次减小，浮标由于重力作用开始下沉运动。3）当浮标到达指定深度时需要停 留时，则再次启动电机42及换向阀53、换向阀54，调节浮力使之与调节器质 量相等，则浮标将停留在这个深度的海域，进行海洋数据采集等工作。

浮力调节器数据传输与控制信号通过控制柜45、数据发射探头49与船上 人员进行无线通讯。它的电力供应由蓄电池组18提供，深度位置由深度测试仪 46测量。调节器上封头33中放置防止元器件氧化的部件及电路板等，在工作 时，启动泵电机42、微型真空泵41通过输气管39、气管接头组件35将上封头 33中内腔抽成真空，保持浮标内腔的一定真空度，同时，在一定程度上提高了 浮标的密封效果。

此筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器的设计是根据我国海洋探 测和监测需要，并充分考虑浮标在水中的工作环境后做出的，拟定要求如下：

（1）浮标要潜入水下2000m的海域进行海洋探测和监测；

（2）浮标的寿命要足够，以降低成本.

装置设计的技术指标如表1，结构如附图所示。

表1浮标浮力调节器的技术指标

此筒体伸缩与螺旋桨推进式水中浮标浮力调节器是一种可在水下进行海洋 环境监测的装置。它由耐压壳体与充放气机构、油囊调节补充机构、螺旋桨机 构、闭式液压系统、筒体伸缩油缸机构等部件组成，具有体积小、功耗低、可 靠性高、机动灵活、扩展性及兼容性强等特点，能够满足海洋环境监测作业的 需要。