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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

“远游”滑翔机的浮力调节系统设计及试验研究

设计开发了一种新型的滑翔机浮力调节系统,并对该系统进行了大量的内外场测试。文中结合浮力原理设计了一种轴向柱塞浮力泵,并通过Workbench对关键零部件进行强度仿真及优化,最终完成了浮力调节系统的设计开发。然后对该系统进行了大量内场测试,以及在南海进行多次外场试验。试验结果表明,该浮力调节系统完全能够满足远游滑翔机下潜600m所需的浮力变化要求,并为水下滑翔机的优化设计提供了可靠的依据。

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。

大深度潜水器海水液压浮力调节技术研究进展

海水液压技术由于其与海洋环境相容,具有海深压力自动补偿功能、运行成本低、工作介质易处理、难燃、系统组成简单、清洁等优点,已在国内外的深海装备中得到了成功应用。采用海水液压浮力调节系统替代油压和气压浮力调节系统,具有结构简单、性能可靠等优点,是目前大深度潜水器采用的主要形式。介绍了海水液压浮力调节的国内外简况,分析了深海环境对元件性能产生的影响,包括海深压力和温度对介质特性的影响,海水介质的颗粒污染、海深压力对摩擦副的影响等;从新结构、新材料、新工艺等方面提出了相应的解决措施。最后,重点介绍了我国在海水液压浮力调节技术研究方面的进展。

浮力调节海水液压泵振动噪声研究

海水液压泵是海水液压浮力调节系统的核心。在分析海水泵噪声机理的基础上,研究了壳体材料、配流阀等方面对海水泵振动噪声的影响。经测试,海水泵在额定工况条件下的噪声小于64 dB(A),振动小于135 dB。

基于电磁阀特性补偿的海水液压可调压载系统广义模型预测控制研究

海水液压是目前最具竞争力的可调压载系统实现方式之一,因其诸多优点,可调压载系统(WHVBS)被公认为是大深度载人潜水器浮力调节的理想方式。为提高现有WHVBS在较高采样频率下的流量控制精度,提出一种基于电磁阀特性补偿(SVC)的广义模型预测控制方法(GPC),并进行仿真验证。结果表明,较GPC所提出的GPCSVC方法能实现较高频率下的小流量精确跟踪,并能避免流量控制元件非线性带来的辨识参数振荡问题。

水下滑翔机关键承压系统设计与试验研究

为了研制最大下潜深度为200m的水下滑翔机,分别对耐压外壳和浮力调节系统的设计方法、仿真分析和压力试验结果进行介绍.根据强度和失稳校核准则以对比计算的方式确定耐压外壳的材料和壁厚,借助有限元分析软件对耐压外壳进行应力和应变分析,通过大高压舱试验有效地验证了耐压外壳的承压性和密封性.浮力调节系统采用吸排油液改变外置油囊体积的方式实现对水下滑翔机系统净浮力的调节,通过AMESim仿真验证了设计方案的可行性,设计小高压舱试验对浮力调节系统的工作性能进行测试,确定了电机-泵的最优效率转速并对该转速下不同负载的响应情况进行调查.该浮力调节系统具有浮力调节准确、运行可靠及结构紧凑的特点.研究表明,设计的水下滑翔机关键承压系统运行稳定,性能可靠,为水下滑翔机的整机研制提供了有力的保证.

海水液压技术在深海装备中的应用

海水液压技术由于其与海洋环境相容、具有海深压力自动补偿功能、运行成本低、工作介质易处理、难燃、系统组成简单、清洁等优点,已在国内外的深海装备中得到了成功应用。介绍海水液压技术的优点及国内外研究简况。分析液压元件与系统采用海水直接作为工作介质所面临的关键技术问题,同时分析深海环境对元件的性能产生影响,包括海深压力和温度对介质特性的影响、海水介质的颗粒污染、海深压力对摩擦副的影响等;从新原理、新材料、新结构、新工艺等方面分析相应的解决措施。介绍几个海水液压技术在深海装备中应用的实例:①潜水器浮力微调采用海水液压浮力调节系统,替代油压和气压浮力调节系统,具有结构简单,性能可靠等优点,是目前大深度潜器普遍采用的形式;②海水液压驱动水下作业机械手,是今后水下作业机械手驱动方式发展的新方向;③海水液压水下作业工具,直接以海水作为工作介质,同油压工具相比,具有系统组成简单、压力损失小、效率高、维护方便等优点。

海水液压电磁阀失效分析

海水液压电磁阀组是深潜器浮力调节系统中的关键元器件,控制海水注入/排除动作的切换。该阀组由四个双向电磁插装阀集合而成,当阀长时间处于开启状态,电磁铁温度升高、推力下降。该文研究分析了导致海水液压电磁阀热态失效的若干因素,包括电磁铁温升对推力的影响、海水电磁阀开启过程中的自感效应及瞬态液动力等。针对这些因素提出了可变电压驱动,选择合理的工作制和动作周期,增大电磁铁线圈散热面积,改善流道降低瞬态液动力影响等优化措施。