一种全海深浮力调节系统的全工况试验设备及试验台的制作方法

本发明属于深海装备全工况试验领域，涉及一种全海深浮力调节系统的全工况试验设备及试验台，更具体地，涉及一种全海深浮力调节系统的全工况试验方法，可用于全海深浮力调节系统在超高外压环境下的性能测试。

背景技术：

海洋装备，尤其是深海装备是人类进行海洋资源勘探、科学考察、开发作业、军事侦测及作战平台的重要工具，在深海装备的下潜和上浮过程中，往往需要浮力调节系统来调整其自身的浮力。随着海洋深度的增加，浮力调节系统所受的外压也越来越高，在11000米的极限海深下，压力可达110mpa，一旦发生故障，将会造成巨大的损失。为了降低故障发生的风险，深海浮力调节系统在投入使用必须先进行全工况模拟试验，验证其安全、可靠性。

由于环境压力高达110mpa，目前部分检测仪器无法承受这么高的外压，因此无法全面地测试全海深浮力调节系统的性能。此外，目前的全海深浮力调节系统的全工况试验方法是将电源和压载水舱均放置于超高压环境中，无法全面的测试其性能，且试验成本较高，风险较大。

要进行全海深浮力调节系统的全工况试验，必须使用全海深环境模拟试验台来模拟深海环境，但目前的试验台一般只能模拟深海超高压环境，而不能模拟深海强腐蚀和超低温环境，且均采用液压油作为传动介质，使用过程中会产生向环境中的泄漏以及油液还需要回收，造成环境污染使用成本较高且污染严重。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全海深浮力调节系统的全工况试验设备及试验台，可用于全海深浮力调节系统在模拟深海环境下的性能测试，试验模拟深度可达11000米，测试更全面、更方便且配套设备成本更低。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全海深浮力调节系统的全工况试验设备，用于全海深浮力调节系统的全工况试验，所述待测全海深浮力调节系统包括电机、海水泵和待测阀组，所述待测阀组具有作为注排水通道使用的i口和ii口，排水时流向为i口至ⅱ口,注水时流向为ⅱ口至i口；该全工况试验设备包括设于高压舱内部的液压源，以及设置于高压舱外部的压载水舱、流量计、液位计、供电单元和控制单元；其中，

液压源包括油箱、液压源电机、齿轮泵以及第一换向阀组，其中，油箱的出口连接齿轮泵的入口，液压源电机连接齿轮泵以带动齿轮泵工作；齿轮泵的出口通过第一换向阀组连接待测阀组，实现由液压源控制待测阀组的启闭；

试验时，将待测阀组、电机和海水泵置于高压舱内部，待测阀组的ⅰ口通过管路引出高压舱后与压载水舱相连，待测阀组的ⅱ口与高压舱的内环境相连，在压载水舱与待测阀组之间安装流量计，在压载水舱内部安装液位计；

待测海水泵的出口和入口接入待测阀组中，电机连接海水泵以带动海水泵工作；

供电单元用于向电机、液压源电机供电；控制单元用于控制电机、液压源电机的工作。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种全海深浮力调节系统的全工况试验台，包括主机系统、加压单元、卸压单元、驱动单元、温度控制单元和电气控制单元，其中：

所述的主机系统包括高压舱、承力机架、舱盖操纵液压缸及机架移动液压缸；舱盖操纵液压缸的活塞杆连接高压舱的舱盖以操纵舱盖启闭，机架移动液压缸的活塞杆连接承力机架以带动承力机架在工作位置和非工作位置之间平移；承力机架位于工作位置时，用于承受高压舱的轴向压力；舱盖操纵液压缸及机架移动液压缸与驱动单元相连，以在驱动单元控制下执行相应动作；

高压舱外侧由内层至外层依次布置有冷却管路、保温层及外罩，冷却管路内部通循环冷却液，其进出口与温度控制单元相连，用于控制高压舱内部的温度从而模拟深海温度；

所述加压单元用于对高压舱逐渐加压从而模拟深海装备下潜时受到的压力变化；

所述卸压单元用于对高压舱逐渐卸压从而模拟深海装备上浮时受到的压力变化；

所述电气控制单元用于控制加压单元、卸压单元、驱动单元、温度控制单元的工作状态。

进一步地，所述加压单元包括预加压泵站和超高压泵站；

预加压泵站包括离心泵、预加压电机、调压阀、第一单向阀及压力表；预加压电机带动离心泵工作，离心泵的出口通过第一单向阀与高压舱的加压口相连，且离心泵并联调压阀用于调节离心泵的输出压力；压力表用于监测离心泵的出口压力；预加压泵站用于将高压舱内注满水；

超高压泵站包括超高压伺服电机、超高压变频水泵、安全阀及第二单向阀；超高压伺服电机带动超高压变频水泵工作对高压舱加压，超高压变频水泵的出口通过第二单向阀与高压舱的加压口相连，且超高压变频水泵并联安全阀用于防止高压舱内的压力超过高压舱的设计耐压极限。

进一步地，所述的卸压单元包括卸压伺服电机、变频水泵及平衡阀；变频水泵的入口与高压舱的卸压口相连，卸压伺服电机带动变频水泵工作对高压舱卸压。

进一步地，所述的驱动单元包括柱塞水泵、驱动电机、调压阀、第三单向阀、压力表、机架三位四通换向阀和舱盖三位四通换向阀；柱塞水泵的出口与机架三位四通换向阀和舱盖三位四通换向阀的p口相连，机架三位四通换向阀的a口和b口分别与机架移动液压缸的有杆腔和无杆腔相连，舱盖三位四通电磁换向阀的a口和b口分别与舱盖操纵液压缸的无杆腔和有杆腔相连；机架三位四通换向阀和舱盖三位四通换向阀的o口回流，所述驱动单元以自来水为工作介质。

进一步地，所述的温度控制单元包括制冷机组和循环泵站，当高压舱内的温度超过设定温度达到预设值时，循环泵站开始工作带动冷却管路内部的循环冷却液进行循环，并通过制冷机组与循环冷却液的换热给高压舱内部降温。

进一步地，高压舱和压载水舱以海水作为工作介质，从而模拟海洋强腐蚀环境。

进一步地，高压舱上、下端盖上设置有水路接口及多个水密穿舱件接口，水路接口用于连接压载水舱，多个水密穿舱件接口作为供电接口或信号传输接口分别连接高压舱内的各个电控器件；高压舱内还设置有照明灯和带云台的摄像机。

进一步地，高压舱内的温度在1℃-20℃范围内调节，以模拟深海超低温环境；高压舱的卸压速度和升压速度在0.1mpa/min-6mpa/min范围内调节，从而对应模拟深海装备的上浮、下潜速度10m/min-600m/min。

进一步地，所述全海深浮力调节系统全工况试验台包括如前所述的全工况试验设备。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)全海深浮力调节系统可用于深海装备下潜、上浮过程中的浮力调节，最大工作深度11000米，对应环境压力约为110mpa，在此超高压环境下，无法全面地测试浮力调节系统的性能。本发明提供的试验设备将压载水舱、供电单元、控制单元以及测试仪器放置于高压舱外，无需耐超高外压的压载水舱及电池等配套设备，大大节约了试验成本，降低了试验风险，且性能测试更全面。

2)该试验台可模拟深海超高压、超低温环境，此外，将高压舱内的环境以及超高压泵站的工作介质更换为海水则还可以模拟深海强腐蚀环境，因此采用本发明的试验台测试的全海深浮力调节系统的性能更贴近真实情况，可以降低深海装备的海试风险。

3)该试验台的驱动单元采用自来水作为传动介质，清洁环保，且维护性好，大大降低了试验成本。

4)考虑到不同深海装备下潜、上浮的速度不同，该试验台可测试全海深浮力调节系统在不同升、卸压速度下的性能，满足各类深海设备下降、上浮的速度要求。

5)高压舱内配有照明灯和带云台的摄像机，可实时监测全海深浮力调节系统的工作状态。

附图说明

图1所示为本发明全海深浮力调节系统全工况试验设备原理图。

图2所示为本发明优选实施例所使用的全海深环境模拟试验台的原理图。

图3所示为高压舱的剖面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电机，2-海水泵，3.1～3.5-第一～第五超高压液控截止阀，4-平衡阀，5-过滤器，6-油箱，7-液压源电机，8-齿轮泵，9.1～9.3-第一～第三三位四通换向阀，10-高压舱，11-机架，12-舱盖操纵液压缸，13-机架移动液压缸，14-预加压泵站，14.1-离心泵，14.2-预加压电机，14.3-过滤器，14.4-调压阀，14.5-第一单向阀，14.6-压力表，15-超高压泵站，15.1-超高压伺服电机，15.2-超高压变频水泵，15.3-过滤器，15.4-安全阀，15.5-第二单向阀，16-卸压单元，16.1-卸压伺服电机、16.2-变频水泵、16.3-平衡阀，17-驱动单元，17.1-柱塞水泵、17.2-驱动电机、17.3-调压阀、17.4-过滤器、17.5-第三单向阀、17.6-压力表、17.7-机架三位四通换向阀、17.8-舱盖三位四通换向阀，18-冷却管路，19-保温层，20-外罩，21-水路接口，22.1～22.3-第一～第三水密穿舱件接口，23-照明灯，24-摄像机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种全海深浮力调节系统的全工况试验设备，其原理如图1所示，将液压源和过滤器5以及待测试的电机1、海水泵2和阀组放置于纯水驱动全海深环境模拟试验台主机系统的高压舱10中。优选地，本实施例采用的待测阀组为cn107676315a中的全海深浮力调节集成阀组(以下简称为集成控制阀组)。该集成控制阀组包括5个超高压液控截止阀3.1-3.5和平衡阀4，各个阀集成设计在一个阀体中，通过阀体内部的流道进行联通；液压源包括油箱6、液压源电机7、齿轮泵8以及三个三位四通换向阀9.1-9.3，其中，油箱6采用海深自适应补偿设计，内部压力始终与环境压力保持平衡，齿轮泵8与阀9.1-9.3之间以及液压源与集成控制阀组之间通过管路连接；将压载水舱、流量计、液位计、供电单元和控制单元放置于高压舱外，并用硬管将高压舱内的集成控制阀组的水路引出来与压载水舱相连，压载水舱与集成控制阀组之间安装有流量计，压载水舱内部安装有液位计，通过安装在高压舱上、下端盖上面的水密接插件实现超高压环境下电机1及液压源的供电、控制和电信号反馈。

其中，截止阀3.3和截止阀3.4中间的ⅰ口引出高压舱与压载水舱相连，压载水舱与集成控制阀组之间安装有流量计，压载水舱内部安装有液位计，截止阀3.2和截止阀3.5之间的ⅱ口通过过滤器5直接与高压舱内模拟的深海环境连通；齿轮泵8的出口与三个三位四通换向阀9.1-9.3的p口相连，三位四通换向阀9.1的b口与截止阀3.1的控制口连通，三位四通换向阀9.2的a、b口分别与截止阀3.5和截止阀3.2的控制口连通，三位四通换向阀9.3的a、b口分别与截止阀3.3和截止阀3.4的控制口连通，通过液压源来控制5个高压液控截止阀3.1-3.5的开启和关闭。

该全工况试验设备的工作原理如下：试验开始时，按照上述试验设备的布置方式将全海深浮力调节系统安装好，通过纯水驱动全海深环境模拟试验台加压单元给高压舱内加压至所需压力，通过温度控制单元控制高压舱内的温度达到所需温度，通过外部的供电单元和控制单元控制液压源的工作，从而可以控制五个液控截止阀3.1-3.5的开关；首先打开截止阀3.1，启动海水泵电机1控制海水泵2空载启动，再打开截止阀3.3和3.5，可试验从深海环境到压载水舱的注水功能，然后关闭截止阀3.3和3.5，打开截止阀3.2和3.4，可试验从压载水舱到深海环境的排水功能，通过高压舱外的流量计测试系统的注、排水流量，通过供电单元的电信号来测试系统的功率、海水泵的转速等参数。当压载水舱向高压舱10排水时，流向为i口至ⅱ口,当高压舱10向压载水舱注水时，流向为ⅱ口至i口。

下面介绍本发明的试验台。如图2及图3所示，本发明优选的一种全海深浮力调节系统的全工况试验台，包括主机系统、加压单元、卸压单元、驱动单元、温度控制单元和电气控制单元，其中：

所述的主机系统包括高压舱10、承力机架11、舱盖操纵液压缸12及机架移动液压缸13；舱盖操纵液压缸12的活塞杆连接高压舱10的舱盖以操纵舱盖启闭，机架移动液压缸13的活塞杆连接承力机架11以带动承力机架11在工作位置和非工作位置之间平移；承力机架11位于工作位置时，用于承受高压舱10的轴向压力；舱盖操纵液压缸12及机架移动液压缸13与驱动单元相连，以在驱动单元控制下执行相应动作。

高压舱10外侧由内层至外层依次布置有冷却管路18、保温层19及外罩20，冷却管路18内部通循环冷却液，其进出口与温度控制单元相连，用于控制高压舱10温度从而模拟深海温度。

所述加压单元用于对高压舱10逐渐加压从而模拟深海装备下潜时受到的压力变化；所述卸压单元用于对高压舱10逐渐卸压从而模拟深海装备上浮时受到的压力变化；所述电气控制单元用于控制加压单元、卸压单元、驱动单元、温度控制单元的工作状态。

所述加压单元包括预加压泵站14和超高压泵站15。预加压泵站包括离心泵14.1、预加压电机14.2、调压阀14.4、第一单向阀14.5及压力表14.6；预加压电机14.2带动离心泵14.1工作，离心泵14.1的出口通过第一单向阀14.5与高压舱10的加压口相连，且离心泵14.1并联调压阀14.4用于调节离心泵14.1的输出压力；压力表14.6用于监测离心泵14.1的出口压力；由于高压舱10内部容积较大，需要先用预加压泵站将高压舱10内注满水。

超高压泵站包括超高压伺服电机15.1、超高压变频水泵15.2、安全阀15.4及第二单向阀15.5；超高压伺服电机15.1带动超高压变频水泵15.2工作对高压舱10加压，超高压变频水泵15.2的出口通过第二单向阀15.5与高压舱10的加压口相连，且超高压变频水泵15.2并联安全阀15.4用于防止高压舱10内的压力超过高压舱10的设计耐压极限。超高压伺服电机15.1的转速可根据设置的加压速度及高压舱10内的压力来实时调整，从而控制超高压变频水泵15.2的输出流量，以此来实现所设置的加压速度，第一单向阀14.5和第二单向阀15.5可防止高压舱内的高压海水倒灌。

所述的卸压单元16包括卸压伺服电机16.1、变频水泵16.2及平衡阀16.3；变频水泵16.2的入口与高压舱10的卸压口相连，卸压伺服电机16.1带动变频水泵16.2工作对高压舱10卸压。变频水泵16.2的入口与高压舱相连，卸压伺服电机16.1的转速可根据设置的卸压速度及高压舱10内的压力来实时调整，从而控制变频水泵16.2的输出流量，以此来实现所设置的卸压速度。超高压泵站的工作介质为海水。

所述的驱动单元17包括柱塞水泵17.1、驱动电机17.2、调压阀17.3、第三单向阀17.5、压力表17.6、机架三位四通换向阀17.7和舱盖三位四通换向阀17.8；柱塞水泵17.1的出口与机架三位四通换向阀17.7和舱盖三位四通换向阀17.8的p口相连，机架三位四通换向阀17.7的a口和b口分别与机架移动液压缸13的有杆腔和无杆腔相连，舱盖三位四通电磁换向阀17.8的a口和b口分别与舱盖操纵液压缸12的无杆腔和有杆腔相连；机架三位四通换向阀17.7和舱盖三位四通换向阀17.8的o口回流。

优选地，本实施例中的三位四通换向阀均为电磁换向阀，其左侧电磁铁得电则阀芯位于左位，右侧电磁铁得电则阀芯位于右位，两侧电磁铁失电则阀芯位于中位。当机架三位四通换向阀17.7左侧电磁铁得电，柱塞水泵17.1出口的高压水进入机架移动液压缸13的有杆腔，控制机架11向右移动，将高压舱上下端盖夹在中间，当机架三位四通换向阀17.7右侧电磁铁得电，柱塞水泵17.1出口的高压水进入机架移动液压缸13的无杆腔，控制机架11向左移动，此时，高压舱才可以开盖；当三位四通换向阀17.8左侧电磁铁得电，柱塞水泵17.1出口的高压水进入舱盖操纵液压缸12的无杆腔，控制高压舱10的上端盖开启，当舱盖三位四通换向阀17.8右侧电磁铁得电，柱塞水泵17.1出口的高压水进入舱盖操纵液压缸12的有杆腔，控制高压舱10的上端盖关闭，通过设计电磁铁的得电顺序，可实现机架11移出-上端盖开启-装入试验设备-上端盖关闭-机架11移进的工作过程。优选地，整个主机系统和驱动单元均采用自来水作为传动介质。对于其他类型的三位四通换向阀，其控制过程同上，只要阀芯的移动方向按照上述移动方向进行控制即可达到相同效果。

所述的温度控制单元包括制冷机组和循环泵站，当高压舱10内的温度超过设定温度达到预设值时，循环泵站开始工作带动冷却管路18内部的循环冷却液进行循环，并通过制冷机组与循环冷却液的换热给高压舱10内部降温。

高压舱10和压载水舱以海水作为工作介质，从而模拟海洋强腐蚀环境。

高压舱10上、下端盖上设置有水路接口21及多个水密穿舱件接口，水路接口21用于连接压载水舱，多个水密穿舱件接口作为供电接口或信号传输结构分别连接高压舱10内的各个电控器件；高压舱10内还设置有照明灯23和带云台的摄像机24。

高压舱10内的温度在1℃-20℃范围内调节，以模拟深海超低温环境；高压舱10的卸压速度和升压速度在0.1mpa/min-6mpa/min范围内调节，从而对应模拟深海装备的下潜、上浮速度10m/min-600m/min。

优选地，本发明优选的全海深浮力调节系统的全工况试验台加压单元及卸压单元均采用伺服电机控制变频水泵的方式，可精确控制水泵的输出流量，从而可以精确控制高压舱10内的压力按照设定的速度进行加、卸压。

优选地，在全海深浮力调节系统全工况试验开始前及结束时需通过全海深环境模拟试验台的驱动单元17控制机架的移进、移出以及舱盖的开启和关闭，系统所使用的传动介质为自来水。

优选地，在试验开始前，通过安装在高压舱上端盖上的水路接口21将高压舱内的全海深浮力调节系统与外界的压载水舱相连，通过安装在高压舱上、下端盖上的穿舱件接口22.1-22.3安装水密穿舱件，实现高压舱10内的电机的供电、控制及电信号反馈，从而可以在外界更方便地测试全海深浮力调节系统的性能数据。

优选地，在试验过程中，通过安装在高压舱内的照明灯23及摄像机24可实时监测高压舱内全海深浮力调节系统的工作状态。

优选地，高压舱10外侧环绕的冷却管路18、保温层19与温度控制单元配合可精确控制高压舱10内的海水达到所需温度。

下面结合图1-图3详细介绍本发明的试验台的工作原理及试验过程。

如图1-图3所示，试验开始前，按照图1的试验原理图将全海深浮力调节系统连接完成并安装在高压舱10中，然后通过电气控制单元控制柱塞水泵17.1工作，控制舱盖三位四通换向阀17.8的右侧电磁铁得电，高压水进入舱盖操纵液压缸12的有杆腔中，使高压舱10关闭；然后机架控制三位四通换向阀17.7的左侧电磁铁得电，高压水进入机架移动液压缸13的有杆腔中，使机架11移动至高压舱10的外侧，靠机架11来承受高压舱10中的轴向力。

试验开始时，首先根据待试验浮力调节系统的工作深度及下潜、上浮速度，在电控单元中的上位机上设置好工作压力、工作水温及加、卸压速度，由电控单元按照设置好的上述数据控制相应单元的工作；然后启动预加压泵站14快速给高压舱10内注满水，注满水后关闭预加压泵站，开启超高压泵站15，加压伺服电机15.2会根据所设置的加压速度自动调整转速从而控制变频水泵15.1输出的流量；在加压的过程中同时开启温控系统，直到高压舱10内的温度和压力达到设定值。

在试验过程中，通过温度控制单元及加压单元维持高压舱10内的温度和压力保持恒定；然后打开外部的供电单元和控制单元，通过安装在上、下端盖上的水密穿舱件控制液压源电机7和齿轮泵8开始工作，从而可以控制五个液控截止阀3.1-3.5的开关，例如：

可以首先控制第一三位四通换向阀9.1右侧的电磁铁得电，打开第一超高压液控截止阀3.1，启动海水泵电机1控制海水泵2空载启动；接着，控制第三三位四通换向阀9.3左侧的电磁铁和第二三位四通换向阀9.2左侧的电磁铁得电，打开第三超高压液控截止阀3.3和第五超高压液控截止阀3.5；然后，关闭第一超高压液控截止阀3.1，高压舱中的海水通过过滤器5进入集成阀组的ⅱ口，再通过第五超高压液控截止阀3.5进入海水泵2的入口，经过海水泵2的海水通过平衡阀4和第三超高压液控截止阀3.3进入集成阀组的ⅰ口，然后通过高压舱上端盖上的水路接口21进入压载水舱，如此便可试验从深海环境到压载水舱的注水功能。

注水功能测试完毕后，控制第三三位四通换向阀9.3左侧的电磁铁和第二三位四通换向阀9.2左侧的电磁铁失电，在弹簧力的作用下关闭第三超高压液控截止阀3.3和第五超高压液控截止阀3.5；随后控制第二三位四通换向阀9.2右侧的电磁铁和第三三位四通换向阀9.3右侧的电磁铁得电，再打开第二超高压液控截止阀3.2和第四超高压液控截止阀3.4，此时，压载水舱中的海水通过高压舱10上端盖上的水路接口21进入集成阀组的ⅰ口，然后通过截止阀3.4进入海水泵2的入口，经过海水泵2的海水通过平衡阀4和截止阀3.2进入集成阀组的ⅱ口，再流经过滤器5进入高压舱10中，如此便可试验从压载水舱到深海环境的排水功能。

在上述注、排水过程中，通过高压舱外的流量计测试系统的注、排水流量，通过供电单元的电信号来测试系统的功率、海水泵的转速等参数。

待所有性能测试完成后，关闭液压源电机7及海水泵电机1，然后开启全海深环境模拟试验台的卸压单元16，卸压伺服电机16.1会根据所设置的卸压速度自动调整转速，从而控制变频水泵16.2的输出流量，保证高压舱10内的压力按照设定的速度进行卸压。高压舱10内的压力降至零压后，启动驱动单元17中的柱塞水泵17.1，控制机架三位四通换向阀17.7的右侧电磁铁得电，高压水进入机架移动液压缸13的无杆腔中，使机架11移出，然后控制舱盖三位四通换向阀17.8的左侧电磁铁得电，高压水进入舱盖操纵液压缸12的无杆腔中，使高压舱10打开，拆卸管路及电路，将全海深浮力调节系统取出，试验完成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。