一种具备多冗余抛载功能的潜水器可弃压载系统及操作方法与流程

本发明涉及水下对接人员转移，尤其是一种具备多冗余抛载功能的潜水器可弃压载系统及操作方法。

背景技术：

1、潜水器已成为当前海洋探索研究最主要的工具之一，它可以运载科研人员和设备进入水下数千米甚至万米深度海底，直接在海底现场进行观察、分析、评估和作业。由于载人潜水器携带的动力能源有限，为了节约能源，其多利用可弃压载系统实现无动力下潜和上浮，提高潜水器在水下的作业时间。

2、为了实现潜水器无动力下潜，在潜水器开始下潜之前，可弃压载系统需要能够稳定吊挂足量压载以增加潜水器的负浮力；当潜水器下潜到距离海底一定距离时，抛载机构需能及时抛弃“终止下潜压载”使潜水器的浮力调整为中性浮力，在推进器及海水阻力的共同作用下使潜水器停止继续下潜并安全抵达目标作业深度；当潜水器在海底完成作业任务准备上浮时，抛载机构需能进一步抛弃“上浮压载”，使潜水器获得足够的正浮力，保证其能正常上浮到海面。此外，可弃压载系统还需兼顾应急上浮的功能，当潜水器在海底遇到耐压壳体渗漏、设备部件意外缠绕等突发情况需要紧急上浮时，可弃压载系统需能及时通过抛弃压载使潜水器实现应急上浮，从而保证潜水器和作业人员的安全。

3、目前，潜水器现有可弃压载系统多利用潜水器携带的液压源、电源等驱动能源控制压载的抛弃，且驱动路径冗余设计不足，当潜水器因紧急情况丧失能源后可能存在无法抛载风险。因此，为确保潜水器上浮下潜过程的绝对安全，可弃压载系统的可靠性仍有较大的提升空间。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种具备多冗余抛载功能的潜水器可弃压载系统及操作方法，从而利用水下高达数十兆帕的海水外压作为常规动力源驱动抛载，摆脱对潜水器传统动力源的依赖，并利用潜水器搭载的高压海水泵、手动水压泵设备设置冗余驱动措施，大幅提高可弃压载系统的可靠性。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种具备多冗余抛载功能的潜水器可弃压载系统，包括：

4、双出杆液压缸，双出杆液压缸的活塞杆包括粗活塞杆和细活塞杆，粗活塞杆和细活塞杆分别通过连杆连接用于吊挂压载铁的吊轴；

5、高压海水泵驱动模块，包括高压海水泵和第一电磁换向阀，高压海水泵的排水口经第一电磁换向阀分别连接至双出杆液压缸的两端驱动口，配置为以高压海水泵输出的高压海水作为动力源驱动双出杆液压缸的活塞动作；

6、海水外压驱动模块，包括海水过滤器和第二电磁换向阀，海水过滤器浸泡于海水中且出口经第二电磁换向阀分别连接至双出杆液压缸的两端驱动口，配置为以外界海水压力作为动力源驱动双出杆液压缸的活塞动作；

7、手动驱动模块，包括手动水压泵和手动换向阀，手动水压泵的出口经手动换向阀分别连接至双出杆液压缸的两端驱动口，配置为以手动水压泵输出的高压水作为动力源驱动双出杆液压缸的活塞动作；

8、高压海水泵驱动模块、海水外压驱动模块和手动驱动模块均连接至同一双出杆液压缸，通过双出杆液压缸的活塞动作带动连杆拉拽吊轴脱离吊挂位置，实现压载铁的抛弃。

9、作为上述技术方案的进一步改进：

10、双出杆液压缸的粗活塞杆的杆径大于细活塞杆的杆径，粗活塞杆所在侧的液压腔为a腔，细活塞杆所在侧的液压腔为b腔；当双出杆液压缸的a腔与b腔通过手动换向阀连通时，外界海水压力作用于粗活塞杆与细活塞杆的面积差产生从粗活塞杆侧向细活塞杆侧的驱动力，实现海水外压自动驱动抛载。

11、还包括溢流阀，溢流阀设置于手动换向阀与手动水压泵的水箱之间的回水管路上，溢流阀的开启压力可调，通过调定溢流阀的开启压力控制双出杆液压缸的b腔背压，进而控制终止下潜压载铁的自动抛载深度。

12、吊轴的结构为：包括第一吊轴和第二吊轴，第一吊轴通过连杆与细活塞杆连接并用于吊挂上浮压载铁，第二吊轴通过连杆与粗活塞杆连接并用于吊挂终止下潜压载铁；双出杆液压缸的活塞向左移动时带动第二吊轴抽离实现终止下潜压载铁抛载，活塞向右移动时带动第一吊轴抽离实现上浮压载铁抛载。

13、还包括固定于潜水器框架上的导向框，导向框内设置有导向滚轮，压载铁沿导向滚轮滑动抛离潜水器。

14、双出杆液压缸内设置有位移传感器，位移传感器用于监测活塞杆的位置信息并实时传递至载人舱内显控台。

15、第一电磁换向阀和第二电磁换向阀均为三位三通电磁换向阀，常态下处于中位截止状态；手动换向阀为三位四通手动换向阀，常态下处于中位截止状态。

16、手动换向阀、手动水压泵及手动水压泵的水箱均设置于载人舱内常压环境中；高压海水泵、第一电磁换向阀、海水过滤器、第二电磁换向阀及双出杆液压缸均浸泡于海水中。

17、一种具备多冗余抛载功能的潜水器可弃压载系统的操作方法，包括海水外压驱动抛载模式、高压海水泵驱动抛载模式和手动水压泵驱动抛载模式三种冗余抛载模式，根据工况选择其中任意一种模式实施抛载；海水外压驱动抛载模式以外界海水压力作为动力源驱动双出杆液压缸动作实现抛载；高压海水泵驱动抛载模式以高压海水泵输出的高压海水作为动力源驱动双出杆液压缸动作实现抛载；手动水压泵驱动抛载模式以手动水压泵输出的高压水作为动力源驱动双出杆液压缸动作实现抛载。

18、作为上述技术方案的进一步改进：

19、海水外压驱动抛载模式包括终止下潜压载自动抛载模式，终止下潜压载自动抛载模式包括以下步骤：下潜前，根据目标抛载深度计算溢流阀的开启压力并调定到位，将手动换向阀切换至连通双出杆液压缸的a腔与b腔的阀位；

20、潜水器下潜过程中，外界海水压力随深度增加而增大，作用于粗活塞杆与细活塞杆的面积差产生的驱动力逐渐增大；

21、当潜水器下潜至目标深度时，驱动力克服吊轴与终止下潜压载铁间的摩擦力及b腔背压平衡力，驱动双出杆液压缸的活塞移动，带动连杆拉拽吊轴抽离吊挂位置，实现终止下潜压载铁自动抛载。

22、本发明的有益效果如下：

23、（1）本发明采用摆脱对潜水器能源的依赖，深海生存能力强：

24、利用水下海水外压作为抛载驱动的常规动力源，通过双出杆液压缸两侧粗细活塞杆的面积差将环境压力转化为驱动力，从根本上摆脱了对潜水器携带的液压源、电源等传统动力源的依赖。即使潜水器在深海完全丧失动力能源，仍可靠海水外压正常完成抛载，保证应急上浮，显著提升了极端工况下的生存能力和人员安全性。

25、（2）本发明工作模式多样，适应性强：

26、集成三种驱动方式，可实现四种工作模式，到达预设深度后无需人工干预的自动抛载、通过电磁换向阀控制的按需实时抛载、利用潜水器既有高压海水泵驱动的冗余抛载，以及在完全丧失电力时由舱内人员手动摇泵完成的应急抛载。从全自动到全手动，功能谱系完整，可适应正常作业到极端应急的各种工况。

27、（3）本发明采用三重冗余备份，可靠度极高：

28、现有技术多为单一或双重驱动，一旦失效将面临无法抛载的风险。本发明将海水外压驱动、高压海水泵驱动和手动水压泵驱动三种相互独立的动力源集成于同一系统，三种方式物理独立、互不影响，任一种失效时其余方式仍可独立完成抛载。三重冗余设计显著降低了单点故障风险，为潜水器安全提供了多层次可靠保障。

29、（4）本发明采用抛载深度精确可控，智能化程度高：

30、通过溢流阀调定b腔背压，结合粗细活塞杆面积差的定量关系，建立了抛载深度与溢流阀开启压力的数学对应。操作人员仅需根据目标深度提前调定溢流阀，即可实现终止下潜压载在预定深度的精确自动抛载，计算简便、控制精准、自动化程度高。

31、（5）本发明采用同一执行机构实现分步抛载，结构紧凑：

32、现有技术实现上浮压载和终止下潜压载的分步抛载多需两套独立执行机构。本发明通过同一双出杆液压缸即可完成两种压载铁的先后分步抛弃，三种驱动方式共用同一执行机构，无需为每种方式配置独立液压缸和连杆，系统简单紧凑、占用空间小、故障点少、维护简便。

33、（6）本发明采用防卡滞导向设计，保障倾斜姿态下的可靠抛载：

34、导向框内设置导向滚轮，使压载铁抛弃时形成滚动摩擦而非滑动摩擦，摩擦系数大幅降低。即使在潜水器倾斜姿态下抛载，压载铁仍能沿滚轮顺畅滑落，有效避免因卡滞导致抛载失败，进一步提升了抛载可靠性。

35、（7）本发明抛载状态实时可监可控：

36、双出杆液压缸内置位移传感器，实时监测活塞位移并通过电缆传递至载人舱显控台，舱内人员可准确判断抛载是否完成，实现全过程可视化监控，避免因信息不明导致误操作，操作性好。

37、（8）本发明全海深适应性强，应用前景广阔：

38、海水外压随深度增加而增大，驱动能力随之增强，使本发明在深海及万米级全海深环境下具有天然优势。相比依赖液压源或电源的现有技术，本发明在超深海高压环境下的可靠性更为突出，可广泛应用于深海载人潜水器、无人潜水器、深海着陆器等各类深海装备，具有良好的产业应用前景。