一种混合驱动水下滑翔器的制作方法

本发明涉及水下作业设备领域，尤其涉及一种混合驱动水下滑翔器。

背景技术：

洋流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及海洋上空的气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用。故了解和掌握海流的规律、大尺度海气相互作用和长时期的气候变化，对渔业、航运、排污和军事等都有重要意义。为了科学合理地开发和利用海洋资源，我们需要从海洋中获得大量准确的海洋环境参数，并对其进行勘探、采样测量及施工。此时就需要各种海洋开发技术，包括深海勘探、深海潜水、海洋遥感和海上导航等。

水下滑翔器作为水下探测设备，功能非常强大，不仅价格低廉，而且能长距离航行，还不会污染海洋环境。因此，受到世界各地各国的青睐。水下滑翔器不仅能开采海洋资源，探测海洋环境，还能实现海洋定位。水下滑翔器的发展与我国乃至世界海洋的发展联系十分紧密，所以，我国十分注重水下滑翔器的发展。

但是，现有的水下滑翔器存在以下缺陷：

(1)航行速度低；

(2)机动性小，容易受到洋流或风浪的影响，航迹和定位精度较低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混合驱动水下滑翔器，该滑翔器机动性高，航行速度可控。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

本发明一种混合驱动水下滑翔器，包括耐压壳体，所述耐压壳体具有艏部和艉部，所述耐压壳体内设置有浮力机构、俯仰机构、摇摆机构、螺旋推进机构，所述螺旋推进机构接近所述艉部设置；所述耐压壳体包括浮力舱和主舱体，所述浮力舱具有与外部水域连通的通孔；

所述浮力机构包括设于所述浮力舱内的外皮囊，以及设于所述主舱体内的油箱、进油管、高压柱塞泵、电磁阀、步进电机；所述步进电机的底座与所述耐压壳体固定连接，所述步进电机的输出轴与所述高压柱塞泵的活塞杆相连；所述高压柱塞泵的进口与所述油箱连通，所述浮力舱与所述主舱体之间设有隔板，所述隔板上设有通孔，所述进油管一端与所述高压柱塞泵出口连通，另一端通过通孔穿入浮力舱与所述外皮囊连通，所述进油管与所述通孔之间设有密封件；出油管一端与电磁阀的进口连通，另一端通过通孔穿入浮力舱与外皮囊连通；所述电磁阀的出口与油箱连通；

所述俯仰机构包括第一电机、俯仰电池包、第一联轴器、第一丝杆、第一导轨，所述第一电机的底座和第一导轨均固定于所述耐压壳体上，所述第一导轨沿所述耐压壳体长度方向延伸，所述第一电机的输出轴与第一丝杆通过第一联轴器连接，第一丝杆与耐压壳体构成旋转副；所述俯仰电池包与第一丝杆构成螺旋副，并与第一导轨构成滑动副；

所述摇摆机构包括第二电机、第二联轴器、第一齿轮、第二齿轮、传动轴、摇摆电池包；所述第二电机的底座固定在耐压壳体上；第二电机的输出轴与固定在第一齿轮上的伸出轴通过第二联轴器连接；所述第二齿轮与传动轴固定，并与第一齿轮啮合；传动轴与耐压壳体构成旋转副；所述摇摆电池包固定于传动轴上，且所述摇摆电池包重心位于传动轴外；

所述螺旋推进机构包括旋转电机和磁耦合联轴器，所述耐压壳体外还设有螺旋桨，所述螺旋桨与旋转电机的输出轴通过磁耦合联轴器连接；旋转电机的底座固定在耐压壳体上。

进一步地，所述浮力机构还包括齿轮泵、过滤器、第一单向阀和第二单向阀，所述油箱包括油箱进油口和油箱出油口，所述外皮囊包括皮囊进油口和皮囊出油口；所述油箱出油口、齿轮泵、过滤器、高压柱塞泵、第一单向阀和皮囊进油口依次连通形成上浮管路，所述第一单向阀开启方向为油箱往皮囊方向；所述皮囊出油口、电磁阀、齿轮泵、第二单向阀、油箱进油口依次连通形成下沉管路，所述第二单向阀开启方向为由皮囊往油箱方向。

进一步地，所述油箱内部采用弹簧状油囊。

进一步地，所述第一丝杆为滚珠丝杆，所述俯仰机构还包括第一制动器，所述第一制动器给第一电机制动。

进一步地，所述俯仰电池包包括两个固定端盖和若干电池，任一所述固定端盖均开设安装孔和端盖通孔；所述安装孔为圆形盲孔；所述电池两端分别插设于不同固定端盖的安装孔内；所述第一导轨依次穿过两个所述固定端盖的端盖通孔。

进一步地，所述第一导轨的截面定为正方形；所述固定端盖包括端盖本体和过渡件，所述端盖本体材料为塑料，所述端盖本体中间开圆形孔；所述过渡件外周为圆，中心开设方形通孔，所述过渡件外周与所述端盖本体套接，所述过渡件的方形通孔与第一导轨构成滑动副。

进一步地，所述过渡件的材料为聚四氟乙烯。

进一步地，所述摇摆电池包包括两个固定端盖和若干电池，任一所述固定端盖均包括端盖本体和连接部，所述端盖本体开设有安装孔和端盖通孔；所述电池两端分别插设于不同固定端盖的安装孔内；所述端盖通孔为圆形通孔；所述端盖通孔套设且固定于所述传动轴上。

进一步地，所述耐压壳体艉部设有导流罩，所述螺旋桨设于所述导流罩内。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：航行速度可控，且机动性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中浮力机构的液压传动示意图；

图3为本发明中俯仰机构的结构示意图；

图4为本发明中摇摆机构的结构示意图。

图中：10、耐压壳体；11、艏部；12、艉部；21、外皮囊；211、皮囊出油口；212、皮囊进油口；22、油箱；221、油箱出油口；222、油箱进油口；23、高压柱塞泵；24、齿轮泵；25、过滤器；26、电磁阀；27、第一单向阀；28、第二单向阀；31、第一电机；32、俯仰电池包；33、第一联轴器；34、第一导轨；41、第二电机；42、摇摆电池包；43、第二联轴器；44、传动轴；45、第一齿轮；46、第二齿轮；53、螺旋桨；54、导流罩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1-4所示，一种混合驱动水下滑翔器，包括耐压壳体10，耐压壳体10具有艏部11和艉部12，耐压壳体10内设置有浮力机构、俯仰机构、摇摆机构、螺旋推进机构四个机械机构；螺旋推进机构接近艉部12设置，以使得能够很好地机动调整滑翔器的推进速度，或者配合俯仰机构和摇摆机构调整滑翔器的航迹，以避免滑翔器受洋流或者其他环境因素影响偏离既定航迹过远；耐压壳体10包括浮力舱和主舱体，浮力舱具有与外部水域连通的通孔。

如图2所示，浮力机构包括：设于浮力舱内的外皮囊21，以及设于主舱体内的油箱22、进油管、高压柱塞泵23、电磁阀26、步进电机，步进电机的底座与耐压壳体10固定连接，步进电机的输出轴与高压柱塞泵23的活塞杆相连；高压柱塞泵23的进口与油箱22连通，浮力舱与主舱体之间设有隔板，隔板上设有通孔，进油管一端与高压柱塞泵23出口连通，另一端通过通孔穿入浮力舱与外皮囊21连通，进油管与通孔之间设有密封件；出油管一端与电磁阀26的进口连通，另一端通过通孔穿入浮力舱与外皮囊21连通；电磁阀26的出口与油箱22连通。油箱22用来储存介质，如油。

如图3所示，俯仰机构包括第一电机31、俯仰电池包32、第一联轴器33、第一丝杆、第一导轨34，第一电机31的底座和第一导轨34均固定于耐压壳体10上，第一导轨34沿耐压壳体10长度方向延伸，第一电机31的输出轴与第一丝杆通过第一联轴器33连接，第一丝杆与耐压壳体10构成旋转副；俯仰电池包32与第一丝杆构成螺旋副，并与第一导轨34构成滑动副；第一电机31驱动俯仰电池包32沿第一导轨34做轴向往复移动；

如图4所示，摇摆机构包括第二电机41、第二联轴器43、第一齿轮45、第二齿轮46、传动轴44、摇摆电池包42；第二电机41的底座固定在耐压壳体10上；第二电机41的输出轴与固定在第一齿轮45上的伸出轴通过第二联轴器43连接；第二齿轮46与传动轴44固定，并与第一齿轮45啮合；传动轴44与耐压壳体10构成旋转副；摇摆电池包42固定于传动轴44上，且摇摆电池包42重心位于传动轴44外；第二电机41驱动传动轴44转动，以驱动摇摆电池包42以传动轴44为旋转中心转动；

同时，螺旋推进机构包括旋转电机和磁耦合联轴器，耐压壳体10外还设有螺旋桨53，螺旋桨53与旋转电机的输出轴通过磁耦合联轴器连接；旋转电机的底座固定在耐压壳体10上。

本发明的混合驱动水下滑翔器具有两种工作模式：其一是通过改变壳体内外浮力差的滑翔模式，另一种是靠螺旋桨53浆叶转动从而推进滑翔器的推进模式。

本发明的工作原理为：

每个水下滑翔器都具有固定的结构和体积，即每个水下滑翔器都有固定的浮心(滑翔器在水中浮力的作用点)，故而可以通过改变滑翔器的重力作用点(重心的位置)，以使得滑翔器在水下能够保持水平状态。

具体地，水下滑翔器的工作原理为：

(1)当油液处于外皮囊21时，外皮囊21的体积增大，将浮力舱内的水排出耐压壳体10外，使得滑翔器可以漂浮在水面上；

(2)当滑翔器需要下沉时，开启电磁阀26，油液会被压入油箱22，此时滑翔器所受的压力用以抵消一部分浮力，在这种情况下，水下滑翔器开始下潜；为了使其按照我们预先设定的滑翔角下潜，通过俯仰机构调整水下滑翔器滑翔的下潜角度；当它最后稳定时，做定常滑翔运动；

(3)当滑翔器需要上升时，打开高压柱塞阀，使部分油箱22内的油液排进外皮囊21，此时将会使得滑翔器所受浮力与所受的向下的压力平衡，滑翔器不在下潜，接着通过调整俯仰机构来改变滑翔角度，随后把油箱22内的油液都压到外皮囊21，此时滑翔器所受浮力大于压力，滑翔器将会按照预设好的滑翔角度上浮到海面，达到稳定状态，以接收传递信号。

具体地，滑翔器的俯仰调节，是通过电机带动联轴器从而带动丝杆转动，丝杆将转动转换成俯仰电池包32的直线运动，带动俯仰电池包32前后移动，以使得水下滑翔器的重心前后移动，从而实现俯仰角度调节。

具体地，滑翔器的摇摆调节，可调整滑翔器水平方向，通过电机带动第一齿轮45转动以带动第二齿轮46转动，以带动摇摆电池包42绕传动轴44转动，使得水下滑翔器的重心左右移动，从而实现左右角度的调节。

具体地，螺旋推进机构接近艉部12设置，而浮力舱接近艏部11设置，这样可以使得浮沉系统和推进系统二者不互相干扰。

优选地，浮力驱动机构、俯仰机构、摇摆机构、螺旋推进机构，沿艏部11到艉部12方向依次设置。

同时，由于设置了螺旋推进机构，使得该混合驱动水下滑翔器航行速度可控，且机动性高

优选地，油箱22内部采用弹簧状油囊；用这种设计的优点在于：弹簧状柔韧性好，可以通过测它的位移量得出压缩体积，以便控制液压油的出入量；且用这种弹簧状油囊，可以减震，提高滑翔器水下工作的稳定性。

优选地，如图2所示，浮力机构还包括齿轮泵24、过滤器25、第一单向阀27和第二单向阀28，油箱22包括油箱进油口222和油箱出油口221，外皮囊21包括皮囊进油口212和皮囊出油口211；油箱出油口221、齿轮泵24、过滤器25、高压柱塞泵23、第一单向阀27和皮囊进油口212依次通过管路连通以形成上浮管路，第一单向阀27适于使得介质由油箱22往皮囊方向流通；皮囊出油口211、电磁阀26、齿轮泵24、第二单向阀28、油箱进油口222依次通过管路连通以形成下沉管路，第二单向阀28适于使得介质由皮囊往油箱22方向流通。

具体地，在输油管道中安装齿轮泵24的原因是为了初步增压，以避免压力涌冲向高压柱塞泵23；在油路中设置单向阀起到保护油路的作用；在油路中设置过滤器25，是为了将油路中的杂质剔除，保证油路通畅，提高滑翔器工作稳定性；而过滤器25原本应该置于油箱出油口221处，但因为考虑到油液通过过滤器25时，部分压力会损失，还有在管道中，也会存在部分压力损失，以至于在大气压的作用下，有可能使液压油无法顺利返回，故将过滤器25设置在图示位置。

优选地，如图3所示，第一丝杆为滚珠丝杆，俯仰机构还包括第一制动器，第一制动器与第一电机31连接；采用滚珠丝杠传动，与齿条传动相比，它具有效率更高，定位更准的优势，只因其无法自锁，因此当混合驱动水下滑翔器在海水表面上通信时，其倾斜角会有些大，电池组或许会因自重而下滑，故电机装了一个制动器，以防止意外而制动滑翔器。通过滚珠丝杆和第一制动器的配合，可以提高俯仰调节的效率。

优选地，俯仰电池包32包括两个固定端盖和若干电池，任一固定端盖均开设安装孔、端盖通孔；电池两端分别插设于不同固定端盖的安装孔内；第一导轨34依次穿过两个固定端盖的端盖通孔。通过第一导轨34的限定，可以使得俯仰电池包32沿固定行程前后移动。

优选地，为确保俯仰机构能准确定位以及避免俯仰电池包32在第一导轨34上旋转，将第一导轨34的截面定为正方形；固定端盖包括端盖本体和过渡件，为减小整体重量，选择塑料作为固定端盖的材料；在端盖本体中间开圆形孔，然后用一个内方外圆的过渡件即电池包套筒连接在端盖本体上，使其能够在方形导轨上滑动。由于电池包要在导轨上滑动，电池包套筒和导轨之间的间隙要稍微大一些，电池包套筒与导轨之间的摩擦力要越小越好，材料选为聚四氟乙烯，其摩擦系数很小，便于在导轨上滑动。

优选地，摇摆电池包42包括两个固定端盖和若干电池，任一固定端盖均包括端盖本体和连接部，端盖本体开设有安装孔、端盖通孔；电池两端分别插设于不同固定端盖的安装孔内；端盖通孔为圆形通孔，端盖通孔套设且固定于传动轴44上。这样可以使得摇摆电池包42固定在传动轴44上的时候，传动轴44只要稍有转动，就会带动摇摆电池包42转动，就会使得滑翔器重心左右改变。

优选地，由于混合驱动水下滑翔器做锯齿形轮廓运动，因此螺旋桨推进机构会随之受到外部水压的变化。不在螺旋桨53外设置耐压壳体10，其一可以减轻整个系统的重量，使得滑翔器显得更灵巧，其二在螺旋桨53外设有导流罩54和隔离板，螺旋桨53设于导流罩54内，减小了螺旋桨53转动时动力的损失。导流罩54侧壁可以有通水孔。

具体地，由于在旋转电机与螺旋桨53之间设有磁耦合联轴器，它可以将电机中转子的转动传到螺旋桨53，从而使桨叶得以转动。运用这种传动方法消除了摩擦力的影响，使得能量损失减少。此外，若螺旋桨53卡住，磁力驱动将防止电机过载损坏。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。