一种模拟海水压力能作业设备的实验装置的制作方法

本发明属于海洋船舶领域，更具体地，涉及一种模拟海水压力能作业设备的实验装置。

背景技术：

如今，濒临海洋的大多数国家正在加快开发海洋资源的步伐，越来越多的深海作业设备研发成功并投入使用。从供电方式上深海作业设备分脐带式电缆供电和大容量电池供电两种，一种是脐带式电缆供电方式，一般通过电缆从水面的布放船上给深海作业设备供电，这种方式能保证作业设备充足的动力，且易从布放船上控制，但是造价高，设备复杂，对布放船只要求高，同时也有脐带电缆缠绕的问题，另一种采用大容量电池为作业设备供电的方式，作业设备自带蓄电池组，摆脱电缆的束缚，扩大了活动范围，但是会存在以下问题：一是深海常用的银锌蓄电池在水下会析出一些可燃的气体，比如氢气等，当析气量到一定程度时可能会发生爆炸；水下锂电池组则发热量很不好控制，特别是大功率锂电池，当积聚的热量大到一定程度导致电池温度高时，会严重影响电池性能甚至发生爆炸；二是在深海高压的工作环境下，电池组供电方式对海水渗漏的抵抗性很低，当电池组发生海水渗漏时，后果比较严重。

静水压力能作为海底高压海水天然具备的一种清洁可再生能源，节能环保，在某些特定用途中，用于驱动海底作业设备时相比较传统的供能手段具有一定的优势，比如可以省去电机、液压泵、大容量电池及变配电设备等装置，大大简化结构，提高可靠性及效率，大幅降低成本，所以近年来采用海水压力能作为驱动能源的作业设备越来越受到关注。

zl201610497832.8是利用海底压力能的储水发电系统，该发明专利涉及的系统利用的是深海海底海水压力能驱动发电机组装置进行发电，将一个大容积的耐压容器沉入深海海底，利用深海环境与耐压容器之间的水压差，驱动海水液压马达转动，并带动同轴的直流发电机输出电能，供深海勘探装备使用。该专利涉及的系统驱动的负载是发电机组，系统要求马达近乎恒定转动，带动发动机组输出稳定的电能；zl200910098770.3是利用静水压力驱动的沉积物取样器，该发明专利涉及的系统驱动的负载是取样器装置，用于海底各类软岩层钻探取芯，如沉积物、土壤、冻土、冰等。驱动活塞运动带动冲击锤下落打击取样管，使取样管插入沉积物一定深度取出样本。该专利中涉及的负载大小随着沉积物阻力的变化而变化，系统要求取样管的运动速度保持稳定；zl201710875167.6采用海水压力能驱动的静力触探器，该发明专利涉及的系统驱动的负载是触探头的触探杆，变量马达带动主动轮转动，再带动从动轮转动，主动轮与从动轮相配合通过摩擦力带动触探杆上下移动；此专利涉及的系统用于海底土层的试验，确定土层的某些基本物理特性，该专利中涉及的负载大小随着土层阻力的变化而变化，系统要求触探杆的运动速度保持稳定。

对于以上这些在深海环境利用海水压力能作业的设备，在真正投入深海使用之前，很有必要设计一种实验室模拟海水压力能作业设备的实验装置，对于模拟海水压力能作业设备的运行过程的设计与研究。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模拟海水压力能作业设备的实验装置，通过对关键组件齿轮泵和定量泵的设定，其中通过齿轮泵赋予油箱中油压力，使得变量马达入口和出口端形成油压力差，以此模拟海水压力，另外通过定量泵使得油在定量泵与油箱中循环，以此模拟海水压力能作业设备一端的负载，以此实现对海水压力能设备的模拟。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种模拟海水压力能作业设备的实验装置，该装置包括齿轮泵、变量马达和定量泵，其中：

所述齿轮泵一端与油箱连接，另一端与所述变量马达连接，该齿轮泵从所述油箱中吸入油并赋予压力，然后传输给所述变量马达，以此模拟海水压力能作业设备中高压海水进入所述变量马达的过程；

所述变量马达的入口端与所述齿轮泵连接，出口端与所述油箱连接，油从所述变量马达的入口端进入，从出口端流出进入油箱，所述变量马达利用入口和出口两端的油压差驱动所述定量泵，以此模拟海水压力能作业设备利用海水压力驱动负载；

所述定量泵与所述变量马达通过轴连接，同时该定量泵的两端分别与油箱连接，当所述变量马达驱动所述定量泵时，该定量泵从所述油箱中吸入油，使得油在定量泵和油箱中循环，以此模拟海水压力能作业设备中的负载；

所述齿轮泵与所变量马达之间设置有溢流阀，通过该溢流阀调节所述变量马达入口端的油压模拟不同深度的海水压力；

所述变量马达出口端与油箱之间设有比例压力阀，通过该比例压力阀调节所述变量马达出口端与油箱之间的压力模拟海水压力能作业设备耐压空腔内压力的变化，通过所述溢流阀和比例压力阀分别控制变量马达入口和出口端的油压，以此控制所述变量马达两端的油压，进而控制变量马达的输出扭矩，满足海水压力能作业设备在不同海水深度中驱动大小不同的负载的工作需要。

进一步优选地，所述定量泵与所述油箱之间设置有用于调节油压的比例压力阀，以此调节模拟负载的大小。

进一步优选地，所述溢流阀与所述变量马达之间，所述定量泵与油箱之间，所述变量马达与油箱之间均设置有压力传感器，用于检测油压。

进一步优选地，所述溢流阀和变量马达，所述定量泵与比例压力阀之间均设置有压力表，用于实时显示所述压力传感器检测的油压。

进一步优选地，所述溢流阀和变量马达，所述定量泵与比例压力阀之间均设置有流量传感器，用于检测油的流量。

进一步优选地，所述定量泵与油箱之间设置有过滤器，用于过滤从所述定量泵中出来的油，减少进入所述油箱中油的杂质。

进一步优选地，所述变量马达与定量泵之间设置有速度传感器，该速度传感器与控制器连接，其将实时测量的所述定量泵的转速传递给所述控制器，通过所述控制器控制调整所述变量马达的排量，进而调整变量马达的转速。

总体而言，通过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、本发明提供的实验装置真实模拟用海水压力能驱动作业的设备的工作过程，利用恒压液压油模拟深海海水压力能，利用定量泵和比例压力阀组合模拟设备驱动的负载，利用比例压力阀模拟设备的耐压空腔内压力变化，实验装置能实现海水压力能、模拟负载、耐压空腔压力与变量马达转速的控制；

2、本发明提供的实验装置，真实模拟用海水压力能驱动作业的设备的工作过程，能实现海水压力能、模拟负载、耐压空腔压力与变量马达转速的控制；整体结构简单，易于制造，操作方便，这种实验装置具有安全、可重复性操作的特点，通过实验数据分析设备的工作过程，可以降低设备的研制成本，提高研制进度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的模拟海水压力能作业设备的实验装置的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的海水压力能作业设备的结构示意图。

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-齿轮泵，3-溢流阀，4-流量传感器，5-压力表，6-压力传感器，7-变量马达，8-速度传感器，9-定量泵，10-比例压力阀，11-油箱，12-滤油器。

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。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的海水压力能作业设备的结构示意图，如图2所示，目前利用海水压力能作业的设备的典型结构主要包括马达、耐压空腔、海水管道及由马达驱动的负载。海水马达是由高压海水的高压与耐压空腔的低压之间的压差驱动的，从而带动负载，此负载可以是机械负载(图2中是沉积物取样或静力触探阻力等机械负载)，也可以是发电负载等，工作过程中，随着海水的流入，耐压空腔内部压力会发生变化，海水的高压和耐压空腔的低压形成的压差会发生也会变化，从而影响到变量马达的输出力矩。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的模拟海水压力能作业设备的实验装置的结构示意图，如图1所示，一种用于模拟海水压力能作业设备的实验装置，其特征是：

包括电机1、齿轮泵2、溢流阀3、变量马达7、定量泵9、比例压力阀10、压力传感器6、转速传感器8、流量传感器4、压力表5、控制器。

所述电机1和所述齿轮泵2组合，所述溢流阀3位于齿轮泵2出口油路上，所述流量传感器4、压力表5和压力传感器6依次位于齿轮泵2和变量马达7之间的油路上，所述压力传感器6和所述比例压力阀10依次位于变量马达7出口油路上，所述定量泵9通过轴与变量马达7连接，所述转速传感器8位于连接轴上检测变量马达7的输出轴的转速，所述流量传感器4、压力表5和压力传感器6依次位于定量泵9出口油路上，所述比例压力阀10位于压力传感器6与油箱之间。

电机1带动齿轮泵2转动，输出一定压力的液压油用于模拟驱动压力能作业设备的海水压力能，通过调节齿轮泵2出口的溢流阀3的阀芯开度来改变齿轮泵2出口回路油压，且保持回路压力稳定，模拟设备在不同海水深度的海水压力能；

变量马达7出油口与油箱11之间设置有比例压力阀10，调节比例压力阀10的阀芯开口大小可以改变变量马达回油压力，用于模拟海水压力能作业设备的耐压空腔内部压力变化；变量马达中排量d是变量，可以通过控制器来调节，由于要保证变量马达的输出扭矩随着负载的转矩变化而变化，同时变量马达所带动的负载转速不变，因此，采用变量马达，其通过调节排量d(也即变量马达的有效工作容积)的大小从而维持马达的转速不变。如果变量马达的排量不变，随着负载的变化，马达的转速会发生变化。

定量泵9的转轴直接与变量马达的输出轴相连，变量马达7带动定量泵9转动，比例压力阀10用于控制定量泵的回油压力。定量泵的排量是固定的，因为比例压力阀能调节定量泵出口回路的油压，变量马达所带动的模拟负载转矩＝定量泵的排量×油路的压力，排量一定，所以只需要改变比例压力阀即可调节负载转矩，比例压力阀10与定量泵组合用于模拟海水压力能作业设备的负载。定量泵9的排量固定，比例压力阀10通过调节阀口开度，改变定量泵回油压力，从而改变作用在变量马达转轴的负载转矩大小，模拟海水压力能作业设备运行时的机械负载变化或者发电负载变化；

压力传感器6有3个，位于所述齿轮泵出口油路上的压力传感器，用于检测经溢流阀调节后的出口油路的压力；位于所述定量泵出口回路上的压力传感器6，用于检测经所述比例压力阀2调节后的回路油压；位于所述变量马达出口回路上的压力传感器6，用于检测经所述比例压力阀1调节后的回路油压。

转速传感器8位于所述变量马达7输出转轴上，其用于检测所述变量马达的输出轴的转速，根据实际检测到的速度与设定的速度差值输入所述控制器中，输出控制信号给所述变量马达以调节所述变量马达的排量，由此稳定所述变量马达的输出轴的速度，保持马达带动的负载运动稳定。

试验过程：

所述实验装置中电机1带动齿轮泵2转动，输出一定压力的液压油。从压力表5中可以读取当前压力值。压力传感器6用于检测齿轮泵2出口油路的压力，将检测到的压力信号进行记录存储，方便后续分析使用。流量传感器4将检测到的齿轮泵2出口油路的流量信号进行记录存储，方便后续分析使用；

手动调节溢流阀3阀芯开度可以改变齿轮泵2出口油压，并保持恒定，模拟设备在海底不同深度处的海水压力；

定量泵9的转轴直接与变量马达7的输出轴相连，变量马达带动定量泵转动；

根据负载类型和变化情况，通过控制器控制比例溢流阀10阀芯开度，改变所述定量泵9出口回路的油压，由于所述定量泵9的排量固定，所以只需要控制所述比例压力阀10的阀芯开度即可改变作用在变量马达转轴的负载转矩大小，模拟海水压力能作业设备运行时驱动的机械负载变化或者发电负载变化；

所述压力传感器6位于所述定量泵9的出口回路上，用于检测回路油压，将检测到的压力信号进行记录存储，方便后续分析使用。从压力表5中可以读取当前压力值。流量传感器4将检测到的定量泵9出口油路的流量信号进行记录存储，方便后续分析使用；

所述转速传感器8检测所述变量马达7的输出轴的转速，根据实际检测到的速度与设定的速度差值输入所述控制器中，输出控制信号给所述变量马达以调节所述变量马达的排量，由此稳定所述变量马达的输出轴的速度，保证所带动的负载运动速度稳定；

通过控制器控制所述比例压力阀10阀芯开度，改变变量马达7出口回路油压，模拟耐压空腔的大小和内部压力变化情况。

所述压力传感器6位于所述变量马达7出口回路上，用于检测经所述比例压力阀10调节后变量马达7出口的油路的油压，将检测到的压力信号进行记录存储，方便后续分析使用。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。