一种自带应急上浮功能的浮力调节装置及其浮力调节方法与流程

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种自带应急上浮功能的浮力调节装置及其浮力调节方法。

背景技术：

海洋占据地球70％的表面积，蕴含丰富的自然资源。而水下航行器作为一种重要的水下作业工具，已广泛应用于海洋研究和海洋探测等领域。水下航行器需要在不同深度的水域中进行作业，因此节能且准确的浮力调节装置对于水下航行器来说至关重要。

现有浮力调节装置主要有容积式和重力式两大类。重力式主要在体积不变的情况下通过改变自身重量来调节浮力，典型如抛载式浮力调节机构，由于抛载动作为一次性，一般用于深海应急或辅助使用；也有通过控制储水舱中的水量来调节重量，如潜水艇。容积式通常在重量不变的情况下通过改变排水体积来调节浮力。一般来讲，容积式浮力调节装置相对重力式而言，结构相对简单，体积相对较小，所以多用于中小型水下设备。

现有的容积式浮力调节装置，多通过液压泵控制外部软油囊或者通过压缩空气控制外部气囊的来实现排水体积的调节。也有通过液压泵和气泵共同工作实现浮力调节的功能，如申请号为201711167692.9的专利提出利用混合动力共同控制外部油囊实现浮力调节，这种方法能够降低能耗，实现一定的节能效果。但这种方法一般会使得浮力调节装置更复杂化，并且不能保证浮力调节的快速性。申请号为201710927186.9的专利提出了一种基于温敏相变材料温差驱动和双向齿轮泵的混合驱动浮力调节装置，该装置需要外置一个较大的换热器，需要占用较大空间，也加重了浮力系统的自重。

此外由于海底暗流众多，水况复杂，水下航行器时常面临严峻的工作情况，需要应急上浮。常规的应急上浮系统通常采用外控或者自控机械抛载的方式，但一旦控制系统发生故障，就很容易导致抛载失败，进而带来水下航行器的永久丢失，给国家与社会带来极大的经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种自带应急上浮功能的浮力调节装置及其浮力调节方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明一种自带应急上浮功能的浮力调节装置，包括密封舱、伸缩装置、内油囊、外油囊、外油囊壳和管道。所述的伸缩装置和内油囊均设置在密封舱内；所述的伸缩装置包括伸缩杆、端部固定板、活动框架、端部活动板、滑块和滑动导轨；所述伸缩杆的材料为电活性聚合物；所述的滑动导轨固定在密封舱底部，并与n个滑块均构成滑动副，n≥3；所述的端部固定板、端部活动板以及n-1个活动框架平行且间距设置；所述的端部固定板竖直固定在滑动导轨上，端部活动板以及n-1个活动框架与n个滑块一一固定；相邻活动框架之间、端部固定板与相邻活动框架之间以及端部活动板与相邻活动框架之间均通过一个收缩杆组固定连接；所述的收缩杆组由位于活动框架四个角位置处的四根收缩杆组成；所述内油囊的一端与端部固定板固定，另一端与端部活动板固定；所述的内油囊由n个收缩囊单元和n-1块环形带凹槽板组成；相邻两个收缩囊单元通过一块环形带凹槽板固定连接；n-1块环形带凹槽板与n-1块活动框架的中心孔一一固定连接；所述管道的一端穿过端部固定板与内油囊连通，另一端与外油囊连通；内油囊、管道和外油囊内均充满油液；所述的外油囊位于外油囊壳内；所述的外油囊壳开设有透水孔。

优选地，所述伸缩杆的材料为介电型电活性聚合物。

优选地，所述的滑动导轨设有平行设置的两根。

优选地，所述的内油囊和外油囊均采用弹性材料。

优选地，每个收缩杆组的四根收缩杆由控制器控制同时通断电；控制器和收缩杆均由蓄电池供电。

该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力调节方法，具体如下：

将密封舱位于水下航行器的壳体内部，透水性外油囊壳位于水下航行器的壳体外部。初始时，所有伸缩杆均处于断电状态，内油囊体积达到最小值，外油囊体积达到最大值，此时该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力处于最大状态。

当水下航行器需要下潜时，控制器给所有伸缩杆组通电，各伸缩杆伸长带动活动框架以及端部活动板沿滑动导轨滑动，拉动内油囊扩张，油液通过管道从外油囊运输到内油囊，导致外油囊体积达到最小值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最小值从而下潜。

当水下航行器在水下航行时，通过控制器调节处于通电状态的伸缩杆组数量，来调节控制内油囊总体积变化的大小，从而实现对浮力的n级调节，达到所需浮力要求。

当水下航行器需要应急上浮时，控制器给所有伸缩杆组断电，伸缩杆缩短带动活动框架以及端部活动板沿滑动导轨滑动，压迫内油囊收缩，油液通过管道从内油囊往外油囊运输，导致外油囊体积达到最大值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最大值从而上浮。

当控制器出现故障无法实现控制时，等待给控制器和伸缩杆组供电的蓄电池电量耗尽，各伸缩杆自然断电缩短，内油囊体积达到最小值，外油囊体积达到最大值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最大，自然上浮到水面。

本发明具有的有益效果是：

1、结构简单且响应迅速：不需要带有液压泵或气泵来进行动力输出，动力输出仅仅靠具有通电伸长、断电收缩特性的伸缩杆来实现，且响应时间短；油液的传输仅仅需要一根管道就可以实现，不需要过多的阀和管道来控制油液的传输，可靠性高。

2、浮力调节范围广泛：每个伸缩杆组单独控制一个收缩囊单元，可以通过控制通断电的伸缩杆组数量来控制内油囊的总体伸缩长度，实现对浮力的多级调节。

3、节能：传统的浮力调节装置需要液压泵或气泵持续运行才可控制浮力的调节，而本发明只是在下潜过程中需要提供能量，上升过程不需要消耗额外的能量，从而实现节约能源的作用。

4、具有应急响应功能：当遇到紧急情况时，控制器可直接给所有伸缩杆组断电，令水下设备紧急上浮；当遇到极端情况如控制器也发生故障时，还可通过水下设备电力的自然消耗，达到所有伸缩杆组最终断电，设备自然上浮的目标。

附图说明

图1是本发明所有伸缩杆均断电状态下的结构示意图。

图2是本发明所有伸缩杆均通电状态下的结构示意图。

图3是本发明中内油囊的结构示意图。

图4是本发明中活动框架的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种自带应急上浮功能的浮力调节装置，包括密封舱、伸缩装置、内油囊8、外油囊11、外油囊壳2和管道3。伸缩装置和内油囊均设置在密封舱内；密封舱主要是为了隔离外部海水，保证密封性；伸缩装置包括伸缩杆10、端部固定板4、活动框架5、端部活动板6、滑块12和滑动导轨7；伸缩杆10的材料为电活性聚合物，电活性聚合物材料具有通电伸长，断电复原的能力；伸缩杆10的材料优选具有响应快、变形快、能量密度较大且能量转化效率较高的具有正泊松比特性的介电型电活性聚合物；伸缩杆10在通电时由于其材料特性会沿轴线伸长，而在断电时可缩短到原始状态。滑动导轨7固定在密封舱底部，并与n个滑块12均构成滑动副，n≥3；端部固定板4、端部活动板6以及n-1个活动框架5平行且间距设置；端部固定板4竖直固定在滑动导轨7上，端部活动板6以及n-1个活动框架5与n个滑块12一一固定；相邻活动框架5之间、端部固定板4与相邻活动框架5之间以及端部活动板6与相邻活动框架5之间均通过一个收缩杆组固定连接；收缩杆组由位于活动框架5四个角位置处的四根收缩杆10组成；内油囊8的一端与端部固定板4固定，另一端与端部活动板6固定；内油囊8由n个收缩囊单元和n-1块环形带凹槽板组成；相邻两个收缩囊单元通过一块环形带凹槽板固定连接；n-1块环形带凹槽板与n-1块活动框架5的中心孔一一固定连接；伸缩杆10为内油囊8的伸缩提供机械动力；管道3一端穿过端部固定板4与内油囊8连通，另一端与外油囊11连通；内油囊8、管道3和外油囊11内均充满油液，且整体处于密封状态；外油囊11位于外油囊壳2内；外油囊壳2开设有透水孔；外油囊壳2主要是保护外油囊11不受破坏，达到保护支撑的作用。

作为一个优选实施例，滑动导轨7设有平行设置的两根。

作为一个优选实施例，内油囊8和外油囊11均采用弹性材料。

作为一个优选实施例，每个收缩杆组的四根收缩杆10由控制器9控制同时通断电，每个收缩杆组单独控制内油囊8的一个伸缩囊单元，通过控制各收缩杆组的通断电，实现对内油囊8伸长量的n级调节，从而控制内油囊8的总体积，使得油液在内油囊8和外油囊11之间来回运输，达到调节外油囊11体积，实现调节浮力的目的。控制器9和收缩杆10均由蓄电池供电，蓄电池为水下航行器自带或外接。

该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力调节方法，具体如下：

将密封舱1位于水下航行器的壳体内部，透水性外油囊壳2位于水下航行器的壳体外部。初始时，所有伸缩杆10均处于断电状态，内油囊8体积达到最小值，外油囊11体积达到最大值，此时该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力处于最大状态。

当水下航行器需要下潜时，控制器9给所有伸缩杆组通电，各伸缩杆10伸长带动活动框架以及端部活动板6沿滑动导轨滑动，拉动内油囊8扩张，油液通过管道3从外油囊11运输到内油囊8，导致外油囊11体积达到最小值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最小值从而下潜。

当水下航行器在水下航行时，通过控制器9调节处于通电状态的伸缩杆组数量，来调节控制内油囊8总体积变化的大小，从而实现对浮力的n级调节，达到所需浮力要求。

当水下航行器需要应急上浮时，控制器9给所有伸缩杆组断电，伸缩杆10缩短带动活动框架5以及端部活动板6沿滑动导轨7滑动，压迫内油囊8收缩，油液通过管道3从内油囊8往外油囊11运输，导致外油囊11体积达到最大值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最大值从而上浮。

当控制器出现故障无法实现控制时，只需等待给控制器和伸缩杆组供电的蓄电池电量耗尽，各伸缩杆10自然断电缩短，内油囊8体积达到最小值，外油囊11体积达到最大值，该自带应急上浮功能的浮力调节装置的浮力达到最大，自然上浮到水面。