剖面浮标“浮星”可变浮力系统性能研究

为了提高柱塞泵的容积效率,针对可变浮力系统(VBS)中内油箱处于真空环境下的特殊应用工况,基于柱塞泵进油口压力与液压油饱和蒸汽压的关系,建立柱塞泵进油口压力数学模型,分析弹簧刚度、吸油管路直径和压载舱真空度对柱塞泵容积效率的影响;结合AMESim软件,重点分析VBS排油和回油的流量特性;为了验证仿真模型和计算结果的准确性,搭建VBS性能测试平台.结果表明:当柱塞泵进油口压力低于液压油饱和蒸汽压时,容易发生气穴现象,柱塞泵的容积效率会明显下降;通过调节弹簧刚度、吸油管路直径和压载舱真空度等参数的取值范围,使进油口压力满足设计要求,可以提高柱塞泵的容积效率,降低剖面浮标的运行能耗,从而提高剖面浮标的续航能力.

海洋深水钻井隔水管浮力系统分析

随着海洋钻井向深水海域发展,隔水管浮力系统的受力情况变得非常复杂。考虑到深海环境下隔水管系统受力情况的复杂化,分别完成了海流栽荷、涡流栽荷和波浪栽荷的计算。其中在海流栽荷的计算中,提出了深海和浅海的海流剖面计算方法,再根据摩擦深度、隔水管顶端和底端将系统划分为4个计算单元,最终将系统各位置处的载荷以微元段栽荷的形式表现出来。在涡流载荷的计算中,根据涡流特征,结合斯托哈尔数,找出涡流载荷的计算表达式。在波浪载荷的计算中,考虑到系统受到阻力和惯性力的情况,首先确定了阻力系数和惯性力系数,然后结合Morison方程进行计算。主要基于海上环境实际数据,结合原始的理论分析和计算机程序计算,最终得出对海洋钻井有利的结论和建议。

自主水下航行器变浮力系统研究现状及控制技术

变浮力系统(VBS)在自主水下航行器(AUV)上的应用极大地提高了AUV的操纵性能、续航能力、对环境变化的适应能力以及完成多种任务的能力。AUV种类繁多,配置的VBS也各不相同,有必要深入研究AUV的变浮力系统及其控制技术。首先,针对AUV不同类型VBS的原理和特点进行详细说明,并总结其适用场景;然后,对VBS在AUV操纵控制上的典型应用进行介绍,包括均衡、悬停以及着陆、坐底等;接着,对变浮力AUV现有的浮力调节技术、浮力观测技术以及协同操控技术进行综述与评价;最后,对变浮力AUV的发展前景进行展望。

剖面浮标变体积油囊式浮力调节系统设计

为精准控制剖面浮标的垂向运动,提出一种可精确控制油量的变体积油囊式浮力调节系统,包含外油囊、增压油箱、密封性能良好的电磁球阀和可调节转速的液压泵等组件。采用拉线位移传感器实时采集增压油箱液面位置实现油量监控,并对外油囊体积进行高精度闭环反馈控制;设计极低泄漏量的液压系统,实现系统在待机状态下浮力保持长期稳定。为精确控制浮力调节系统,构建控制系统数学模型,引入比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制算法,并采用Simulink进行稳定性仿真。试验结果表明,系统可实现浮力精确控制,最大超调量低于1%,稳定性与响应速度均符合预期,验证了控制策略的可靠性。

AUG浮力调节系统微型轴向柱塞泵的设计与仿真

为了满足AUG低能耗、长续航和高控制精度的要求,其浮力调节系统一般由柱塞泵驱动。针对该设计需求设计一款采用联合配流方式的新型微型轴向柱塞泵,其排量0.03 mL/r,额定工作压力25 MPa。利用AMESim软件建立仿真模型。仿真结果表明:所设计的AUG浮力调节系统用微型轴向柱塞泵在额定工作条件下容积效率可达到96%,且质量仅为100.2 g,具有较好的工程应用前景。

基于串联柱塞泵的全海深水下滑翔机浮力调节系统特性研究

全海深水下滑翔机是一种依靠浮力驱动的万米级深海滑翔机,其浮力调节系统在工作过程中将受到最大超过110 MPa的海水压力。本文针对传统基于单级柱塞泵结构的浮力调节系统在全海深工况难以正常运行的问题,提出一种基于二级串联柱塞泵结构的浮力调节系统设计方案,并对其泵油效率特性进行分析。通过搭建AMESim仿真平台和模拟压力试验平台对系统特性进行研究。实验结果表明:基于二级串联柱塞泵结构的浮力调节系统可以在全海深工况下正常运行,120 MPa压力下泵油效率达56%,其驱动模块体积小、重量轻,满足使用要求。

潜水器海水液压浮力调节系统的研制

浮力调节系统是潜水器的重要组成部分,用于补偿潜水器在上下过程中产生的剩余浮力,确保潜水器在某一深度具有相对稳定的作业姿态。该文介绍了潜水器浮力调节系统的发展现状及其工作原理和实现方式,完成了一种海水液压浮力调节系统的设计及核心部件的研制,并对该系统进行了模拟试验研究。

6000m AUV“潜龙一号”浮力调节系统开发及试验研究

＂潜龙一号＂是我国2011年启动研发的6 000 m级自主水下航行器（AUV）,用于深海海底锰结核探测,是＂十二五＂规划重点项目之一。由于潜深大,AUV在未知大深度水域航行时,一般需要2-3次下潜才可完成预定深度航行配平要求。研发了＂潜龙一号＂使用的单向浮力调节系统,在陌生水域进行初次下潜时,将浮力调节装置搭载于＂潜龙一号＂外部,在航行深度进行自动浮力调节,通过浮力调节,单次便可实现预定下潜深度的最优化配平,并可同步开展该深度下的探测任务。实现了在未知海域、大潜深探测过程无需进行配平的目的,极大提高了＂潜龙一号＂AUV使用的经济性和方便性。该系统具有功能独立、体积小、使用维护方便等优点,该工作对大潜深航行器具有很高的工程应用价值和一定的开发理论指导价值。

潜器浮力调节系统的低功耗控制策略

针对潜器浮力调节系统功耗较高、严重制约潜器续航里程的问题,以剖面浮标为例分析了潜器上浮和下潜的工作过程,发现了上浮过程功耗远大于下潜过程的现象,提出了一种上浮过程的低功耗控制策略。首先推导了柱塞泵额定转速运行时电机输出转矩与海水压强的函数关系式。采用Matlab/Simulink建立了无刷直流电机的速度闭环控制仿真模型,通过对仿真数据进行回归分析,分别获得了电机启动功耗和稳定运行功率关于输入转矩的关系式;然后在考虑海水密度随深度变化的条件下,推导出总功耗与调节次数的函数关系式。最后通过对总功耗函数进行数值求解,发现总功耗与调节次数呈非线性关系。计算结果表明4km潜器上浮过程调节16次时系统功耗最低,比传统调节一次时节约能量78.883J,理论上节约能量48.3%。

大深度海水浮力调节系统研制

针对大深度水下机器人升沉运动过程中耗能较大的问题,提出了一种海水浮力调节的驱动方式。针对没有大压力、小流量高压海水泵问题,研制了由低压齿轮油泵驱动海水增压泵的装置作为产生高压海水的动力源,并设计了切换阀及压力平衡阀等关键部件。为模拟大深度海洋环境,研制了外负载模拟装置,对大深度海水浮力调节系统进行了前后舱充排水同步性实验、压力-流量实验、能耗实验以及定量充排水等4个实验,实验结果验证了该系统的可行性和有效性。

基于浮力调节的液压系统动态特性仿真

AUV在水下作业时浮力会受到海水温度、深度等的影响而发生变化,为了解决浮力变化引起的航行性能问题研制了浮力调节装置,它对于大航程、大潜深AUV的发展具有重要的意义。针对以上问题,设计了一套活塞缸式浮力调节装置,它利用液压系统驱动液压缸吸排海水改变浮力从而实现浮力调节的目的,浮力调节的大小是通过直线位移传感器测量油液的改变量间接计算得到的;接着利用AMESim进行液压系统仿真,重点分析了液压缸的动态特性,为实际系统的试验提供了理论的指导意义;最后为了验证液压库建模和HCD库建模的等效性,采用HCD库建模进行比较分析。

基于浮力调节系统的AUV深度控制研究

自主水下机器人(AUV)在深海航行时浮力会受到温度、盐度、深度的影响而发生变化,从而影响其航行性能,为解决浮力变化对AUV的影响研制了浮力调节系统。该文以基于浮力调节系统的AUV为研究对象,利用南海实验数据得到AUV浮力变化与温度、盐度、深度间的关系,把浮力变化引入标准水动力学方程简化后得到AUV水动力学方程,结合浮力调节装置特性参数得到AUV数学模型,设计PID控制、模糊控制、模糊自适应PID控制3种控制方法对AUV进行深度控制研究,通过仿真分析得到:模糊自适应PID控制相对于PID控制,在调节时间、超调量、抗干扰性方面都有较好的控制效果。

深海水下滑翔器浮力驱动系统设计

以微型轴向柱塞泵为核心的高压浮力驱动系统是1 000 m以深水下滑翔器和剖面浮标优先采用的重要动力单元。文中首先介绍了当前国际上水下滑翔器和剖面浮标两型剖面运动平台的浮力驱动系统的种类及应用,然后以1 000 m以深水下滑翔器为例,系统地阐述了其高压浮力驱动系统的工作原理和设计方法,以及绝对排油量测量、吸油口气锁防止和柱塞偶件精密配合等核心问题。设计制作出精密、高效而且可靠的高压浮力驱动系统,可以为我国剖面观测平台的进一步发展起到推进作用。

基于电磁力反馈的浮力测量系统研制

为了实现对浮力的自动测量,设计了一种基于电磁力矩反馈平衡原理的数字式自动浮力测量系统,通过测量桥路输出的电流,运用电流与浮力的关系,就可以得到被测物体所受到的浮力。与传统的浮力测量方法相比,该系统具有测量误差小、速度快、精度高的特点,能有效的提高实验效益。

潜射导弹的浮力产生系统

介绍一种能从潜入水下的潜艇或其它发射平台中发射潜射导弹的浮力式发射系统．它采用一种轻质量的嵌入式刚性圆管，贮存在发射平台中的发射营内，因而不占额外空间．发射时，该圆管靠气体发生器推动套在导弹前端，形成浮力室，产生足够的浮力而将导弹浮到水面．

基于浮力调节系统的AUV定深悬浮控制

定深悬浮是AUV实现虚拟锚泊的主要形态,一般可通过在AUV艏艉配置垂向槽道推进器或浮力调节单元实现。文中主要介绍了AUV浮力调节系统的基本原理、两种定深方式的能耗对比、无模型反馈控制策略、温度对浮力调节系统流量的影响等。湖上试验中,对AUV进行了3 m,10 m定深悬浮,试验结果表明,采用无模型反馈控制策略能够使配置浮力调节系统的AUV在合理的误差范围内实现定深,满足实际工程需要;温度对浮力调节系统的流量有一定的影响,两者大致为三次函数关系;浮力调节方式下AUV的定深悬浮较槽道推进器方式节约能源。

新型浮力测量系统的设计

设计了一种新型的浮力测量系统,通过参数采集与处理,得出浮力与电流的关系,从而能实现对浮力自动测量,它能给测量带来很大的方便,具有测量误差小、速度快、精度高等特点,能有效地提高测量的精度和效益。

基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究

[目的]水底着陆是自主式水下机器人(AUV)实现水下长期潜伏、定点观测的一种手段,有利于更好地掌握海洋环境的变化。[方法]介绍基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV的基本组成结构及主要功能,提出控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆这2种水下着陆策略,分析AUV目标点偏离、能耗和离底情况,并开展湖上着陆试验验证。[结果]试验结果表明,依靠该浮力调节系统,AUV能够在水下稳定着陆并安全离底;航行下潜控制浮力垂直着陆策略比控制浮力垂直下潜着陆策略更节省能源,且着陆目标点更为准确。[结论]因此,航行下潜控制浮力垂直着陆策略更符合未来实际应用的需求。

水下滑翔机浮力调节系统研制

[目的]浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,[方法]通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。[结果结果]结果表明:在2.5 MPa压力环境下,浮力调节系统出油过程正常;在大气压力环境下,浮力调节系统的回油过程正常,所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。[结论]研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。

海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验

目的提高海洋滑翔机浮力调节系统的可靠性,进一步降低系统功耗,设计气压与液压结合的低功耗浮力调节系统。方法基于理论分析确定系统的体积控制量,设计气压调节模块以保证高压油泵的正常工作与回油的顺利进行。利用有限元方法分析承压管路的可靠性,通过实验测试,验证浮力系统的响应性能。结果浮力系统的排油效率随着外压的增大而减小,2MPa的压力会使出油率降低3%左右,同时功耗增加50%左右。在大气压力环境下,依靠系统内负压,400 s即可完成回油600 mL,完成上浮到下潜的转换。结论设计的浮力调节系统的气压调节装置能以较低的功耗保障主泵的正常工作,同时保障回油过程的通畅,满足海洋滑翔机对浮力调节的要求,可以应用于一般海洋深度的水下滑翔机。