本发明涉及液压系统设计领域，具体地说是一种水下滑翔机用基于弹簧式和液压式双蓄能器的新型浮力补偿系统。
背景技术：
水下滑翔机是一种特殊的无人水下潜航器，可对复杂海洋环境进行长时续、大范围的观测与探测，在全球海洋观测与探测系统中发挥着重要作用，是人类探索和开发海洋的重要工具。目前，水下滑翔机主要依靠浮力调节系统来改变自身的浮力从而实现在水中的升沉运动和定深悬停。但是由于海水密度受压强、温度、盐度等因素的影响而发生变化，所以要维持水下滑翔机的稳定的运动状态必须要考虑到海水密度的变化并做出相应调整。海水密度变化造成水下滑翔机的驱动浮力不断变化，使其在运行过程中需要额外消耗能源来克服海水密度变化的影响。因此，通过被动浮力补偿来减小海水密度变化所引起的净浮力波动，尽可能减少主动浮力调节，对提高水下滑翔机运行稳定性和能源使用效率，增强续航能力具有重要意义。典型的被动浮力补偿装置主要包括弹簧式蓄能器和充气式蓄能器等。弹簧式蓄能器结构简单、灵敏度高，但因为弹簧弹性极限问题不能适用于高压环境，所以仅能够为浅海区域内工作的水下滑翔机提供浮力补偿。充气式蓄能器利用气体的压缩和膨胀来存储、释放能量，其可靠性高、非线性补偿效果好，但是由于其有预充压存在，所以在浅海范围(环境压强小于预充压)内无补偿效果。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种水下滑翔机用基于弹簧式和液压式双蓄能器的新型浮力补偿系统
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于水下滑翔机的浮力补偿系统，包括内部油囊、外部油囊、双向泵、单向阀、充气式蓄能器和弹簧式蓄能器；所述外部油囊通过管线依次与单向阀、双向泵和内部油囊连接，所述外部油囊和单向阀之间通过三位三通阀与弹簧式蓄能器和充气式蓄能器连接；所述单向阀上并联设有两位两通电磁阀；其中，内部油囊、双向泵、单向阀、两位两通电磁阀、外部油囊构成主动浮力补偿部分，通过双向泵调整内外油囊的大小；外部油部囊又与三位三通阀及弹簧式蓄能器和充气式蓄能器构成被动浮力补偿部分，根据海水压力大小实现油量自动调节。
优选地，所述三位三通阀有a、b、c三个位置，其中a位表示双通，外部油囊油液能够自由流入流出两个蓄能器；b位表示单通，外部油囊油液仅可以自由流入流出充气式蓄能器，以保护弹簧式蓄能器在最高工作压力之下；c位表示油路封闭，油液不能在外部油囊和两个蓄能器间自由流动，以保护两个蓄能器工作在极限压力范围之内。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明巧妙结合了被动浮力补偿无能耗和主动浮力补偿精准的优势，使得滑翔机在满足能耗最低的要求下实现浮力精准控制。并且在被动浮力补偿部分巧妙结合了典型弹簧式蓄能器和充气式蓄能器的优点，通过加装三位三通阀的方式，在提升蓄能器的有效工作范围的同时对蓄能器进行高压保护。由于使用的两种类型蓄能器能够起到互补的作用，所以相比较单一蓄能器能够显著提升对水下滑翔机被动浮力补偿效果，从而减少浮力主动补偿的能源消耗，提高滑翔机运行的稳定性和能源利用效率，增大滑翔机续航里程。
附图说明
图1是本发明系统的油路示意图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明液压系统的控制流程图；
附图标记：1-外部油囊，2-单向阀，3-双向泵，4-内部油囊，5-充气式蓄能器，6-弹簧式蓄能器，7-三位三通阀，8-两位两通电磁阀
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
液压系统油路图具体组成如图1所示，这套液压浮力调节系统由内部油囊4、外部油囊1、双向泵3、单向阀2、两位两通电磁阀8、三位三通阀7、充气式蓄能器5和弹簧式蓄能器6等元器件组成。外部油囊1通过管线依次与单向阀2、双向泵3和内部油囊4连接，外部油4囊和单向阀2之间的管线通过三位三通阀7与弹簧式蓄能器6和充气式蓄能器5连接；单向阀2上并联设有两位两通电磁阀8；
其中，内部油囊4、双向泵3、单向阀2、两位两通电磁阀8和外部油囊1构成主动浮力补偿部分，可以通过双向油泵来调整内外油囊的大小。外部油囊1又和三位三通阀7及两个蓄能器构成被动浮力补偿部分，根据海水压力大小实现油量自动调节，其中三位三通阀7有a、b、c三个位置，其中a位表示双通，外部油囊油液可以自由流入流出两个蓄能器；b位表示单通，外部油囊油液仅可以自由流入流出充气式蓄能器，这样可以保护弹簧式蓄能器在最高工作压力之下；c位表示油路封闭，油液不能在外部油囊和两个蓄能器间自由流动，这样可以保护两个蓄能器工作在极限压力范围之内。
本发明的基本原理如图2所示：弹簧式蓄能器工作的最高压强为pk，充气式蓄能器的预充压为pp0、工作最高压强为pp1。当水下滑翔机在水下运行时，若其周围海水压强小于ppk，则可以利用弹簧式蓄能器进行浮力补偿；若海水压强在pp0～pp1之间时，则可以利用充气式蓄能器进行浮力补偿。
本发明系统的控制流程如图3所示：当滑翔机运行时，通过压力传感器检测滑翔机外部压力并反馈给控制系统，起初三位三通阀置于a位，油液在外部油囊和两个蓄能器之间可自由流动补偿。当检测到压力大于pk时，阀门置于b位从而关闭弹簧式蓄能器的油路，可以起到保护弹簧式蓄能器作用。当检测到压力大于pp1时，阀门置于c位从而关闭充气式蓄能器的油路，可以保护充气式蓄能器的作用。当滑翔机上浮时，其控制流程类似，也是通过检测的外界压力值控制电磁阀的位置，从而达到合理利用两种蓄能器的作用。
本实施例中，具体的弹簧式和充气式蓄能器的相关参数可通过以下步骤得到：
步骤1：海水密度状态方程近似表示为：
其中，ρ0为海水表层密度；ρh为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力p作用时的海水密度；ks海水体积弹性模量。
步骤2：计算滑翔机壳体的体积变化量
其中，δvh表示滑翔机耐压壳体负变形量；kh表示壳体的弹性模量；v0表示壳体的原始体积。
步骤3：计算弹簧式蓄能器的体积变化量；
f＝kδx＝ps(3)
δvk＝-δx·s(4)
δvk＝-ps2/k(5)
其中，δvk表示弹簧式蓄能器体积变形量；f表示弹簧式蓄能器所受的压力大小；k为弹簧弹性系数；δx表示弹簧伸缩量；s为弹簧式蓄能器与液压油接触面积。
步骤4：计算充气式蓄能器的体积变化量：
pvn＝p0v0n＝常数(6)
δvp＝vp-vp0＝vp0(pp0/p-1)(7)
其中，δvp表示充气式蓄能器体积变形量；vp0表示充气式蓄能器的工作容积；pp0表示充气式蓄能器的预充压；n为多变指数，与气体性质有关。
步骤5：浮力补偿系统应满足以下要求：
b0＝bh(7)
ρ0v0g＝ρhvhg(8)
ρ0v0＝ρh(v0 δvh δvk δvp)(9)
将公式(5)、(7)代入公式(9)可得：
其中，b0表示滑翔机初始浮力；bh表示滑翔在深度为h时的浮力。通过公式(10)即可以求解弹簧式蓄能器和充气式蓄能器的相关特征参数，从而进行选型。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
1.一种用于水下滑翔机的浮力补偿系统，其特征在于，包括内部油囊、外部油囊、双向泵、单向阀、充气式蓄能器和弹簧式蓄能器；所述外部油囊通过管线依次与单向阀、双向泵和内部油囊连接，所述外部油囊和单向阀之间通过三位三通阀与弹簧式蓄能器和充气式蓄能器连接；所述单向阀上并联设有两位两通电磁阀；其中，内部油囊、双向泵、单向阀、两位两通电磁阀、外部油囊构成主动浮力补偿部分，通过双向泵调整内外油囊的大小；外部油部囊又与三位三通阀及弹簧式蓄能器和充气式蓄能器构成被动浮力补偿部分，根据海水压力大小实现油量自动调节。
2.根据权利要求1所述一种用于水下滑翔机的浮力补偿系统，其特征在于，所述三位三通阀有a、b、c三个位置，其中a位表示双通，外部油囊油液能够随着海洋环境压强变化自由流入流出弹簧式蓄能器和充气式蓄能器；b位表示单通，外部油囊油液仅可以自由流入流出充气式蓄能器，以保护弹簧式蓄能器在最高工作压力之下；c位表示油路封闭，油液不能在外部油囊和两个蓄能器间自由流动，以保护弹簧式蓄能器和充气式蓄能器均工作在极限压力范围之内。
技术总结