CN107271174A - 一种深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法。模拟试验台包括试验舱主体、舱盖对中装置、舱盖锁紧环、加压装置、舱内试验部件搭载装置、试验台控制柜、试验台架以及伺服电机驱动装置。舱内试验部件搭载装置设于试验舱主体内，其试验部件安装架用于安装试验零部件，其带压力补偿的油箱和液压泵能够对动力运动部件进行打压试验，其耐高压灯、摄像头及传感器能对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测和数据采集，舱盖对中装置在试验台控制柜的控制下，实现自动化的试验舱盖对中合盖操作。

Description

一种深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法

技术领域

本发明涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法。

背景技术

随着陆地矿产资源的日益枯竭，海洋资源越来越受到各国的重视，占地球表面71％的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，是世界矿产资源的重要储备，现已探明具有商业开采价值的海洋矿产资源主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等，这些矿产资源大多存在深海底2000米到6000米的深海海底，在这样的水深下水下压力均大于等于20MPa。在这种高压装备下，用于勘探与开采深海资源的装备都需要能够承来自海水压力，在高水压环境下正常运行。这就需要深海装备的每个零部件都必须要有耐高压的能力。在深海设备研制生产的过程中，不可避免地要对设备零部件的耐压能力进行检测，以达到深海环境的要求。深水环境模拟试验台就是用于检测设备零部件耐压能力的试验平台。

现有高压模拟试验平台常常智能化与自动化水平都很低，现有的试验舱对试验零部件进行打压的过程通常为：将试验对象放置于试验舱内，然后用舱盖盖紧试验舱，通过高压泵向试验舱内注入水，直至舱内形成试验所需要的水压力，模拟深海底高压环境。试验完成后，泄压，开舱盖，取出试验对象，判断试验对象的耐压能力。但由于高压舱需要建立高压环境，舱壁厚，整个试验平台相当重，在试验舱合舱时舱盖很难对中，合舱相当困难，耗费的人力和时间都相当多。同时无法对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测，也不能对运动部件在高压环境下的动力学特性进行实时的采集分析。

综上所述，现有大型高压试验舱舱盖对中合盖困难，无法对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测，也不能对运动部件在高压环境下的动力学特性进行实时的采集分析，成了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法，旨在解决现有大型高压试验舱舱盖对中合盖困难的问题，并实现对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种深水环境模拟试验台，所述深水环境模拟试验台包括试验舱主体、试验舱盖、舱盖对中装置、舱盖锁紧环、加压装置、舱内试验部件搭载装置、试验台控制柜、试验台架和伺服电机驱动装置，其中，

所述试验舱主体为呈卧式放置的圆柱体空腔并安装在试验台架上，其一端开口以与所述试验舱盖相配合，其另一端封闭且安装有高压水密插座，所述试验舱主体内部设置有舱内滑道以用于安装所述舱内试验部件搭载装置，所述试验舱主体靠近其开口端设有排气阀，所述舱盖锁紧环安装在试验舱主体的开口边缘，所述舱盖锁紧环的外周装有激光接收器，所述试验舱盖的外周对应设有激光发射器；

所述试验舱盖通过所述舱盖对中装置安装在试验台架上，所述舱盖对中装置包括第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、齿轮、第一丝杠滑轨、第二丝杠滑轨及第三丝杠滑轨，所述第一伺服电机与所述第一丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿X方向左右滑动，所述第二伺服电机与所述第二丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿Z方向上下滑动，所述第三伺服电机与所述第三丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿Y方向前后滑动；

所述舱盖锁紧环的下部有锁紧环齿，用于与所述舱盖对中装置的齿轮啮合，所述第四伺服电机与齿轮连接以驱动齿轮转动，进而带动舱盖锁紧环旋转以打开或锁紧试验舱盖；

所述加压装置安装在试验舱主体的侧部；

所述舱内试验部件搭载装置包括耐高压灯、摄像头、传感器、带压力补偿的油箱、液压泵、深水电机以及试验部件安装架，各个部件安装在所述舱内试验部件搭载装置的舱台滑轨上；

所述伺服电机驱动装置设于所述试验舱台架的底座上，并与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、加压装置以及试验台控制柜电连接。

优选地，所述第一丝杠滑轨安装在试验台架上并可沿X方向左右滑动，所述第一伺服电机与第一丝杠滑轨的丝杠连接，所述第二丝杠滑轨架设在第一丝杠滑轨的滑块上并可沿Z方向上下滑动，所述第二伺服电机安装在第一丝杠滑轨的滑块的下侧，并与第二丝杠滑轨的丝杠连接，所述第二丝杠滑轨的滑块位于第一丝杠滑轨的滑块上侧，所述第三丝杠滑轨架设在第二丝杠滑轨的滑块上并可沿Y方向前后滑动，所述第三伺服电机安装在第二丝杠滑轨的滑块的一侧，并与第三丝杠滑轨的丝杠连接，所述试验舱盖连接与第三丝杠滑轨的滑块上。

优选地，所述加压装置包括加压电机、高压水泵、排水阀和压力表，所述高压水泵安装在加压电机的一端，所述高压水泵上设有溢流阀，所述溢流阀与所述试验舱主体连通，所述排水阀设在所述试验舱主体下部。

优选地，所述舱盖锁紧环的内环上有齿扣，所述试验舱盖上对应齿扣设有公凸起，通过所述齿扣与公凸起相配合锁紧试验舱盖。

优选地，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机均配有减速器。

优选地，所述试验舱盖的内侧设有密封圈。

优选地，所述激光接收器为一个接收盘，激光发射器的激光信号打在所述激光接收器的接收盘上时可以定位偏移角度和位移。

优选地，所述试验台控制柜包括智能控制器、视频显示器、工控机和远程操纵接口，各个部件通过电缆连接安装在所述试验台控制柜上。

为了实现上述目的，本发明还提供一种深水环境模拟试验台的深水环境模拟试验方法，包括如下步骤：

在深水环境模拟试验台对零部件进行高压试验之前，将零部件安装在舱内试验部件搭载装置上，并将试验部件搭载装置通过试验舱主体的滑轨滑入试验舱主体内部加以固定；

通过激光接收器和激光发射器的引导，启动试验舱盖对中控制程序完成试验舱盖对中并合闭试验舱盖；

控制舱盖锁紧环旋转，锁紧试验舱盖；

打开排气阀，关闭排水阀，启动高压水泵，往试验舱主体内部注水，待排气阀有水冒出之后，关闭排气阀，继续往试验舱主体内部注水，观测压力表上的压力，并调节高压水泵的溢流阀调整到所需要的试验舱内部压力；

达到所需要的试验压力后，保持舱内压力并持续预定实验时间后，关闭高压水泵，将溢流阀压力调至趋近于零，打开排水阀，排出试验舱内的水，控制舱盖锁紧环旋转，松开试验舱盖；

将试验舱盖与试验舱主体分离，取出舱内试验部件搭载装置，观测试验部件状态，试验完成。

本发明的深水环境模拟试验台及深水环境模拟试验方法中，舱内试验部件搭载装置设于试验舱主体内，其试验部件安装架用于安装试验零部件，其带压力补偿的油箱和液压泵能够对动力运动部件进行打压试验，其耐高压灯、摄像头及传感器能对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测和数据采集，并能检测运动部件在高压环境下运行的动力学特性，为运行部件的优化设计提供参考，舱盖对中装置在试验台控制柜的控制下，实现自动化的试验舱盖对中合盖操作。

附图说明

图1为本发明深水环境模拟试验台一实施例的结构图；

图2为图1所示深水环境模拟试验台内的舱内试验架的结构图；

图3为图1中A处的放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为便于描述部件之间的相对位置，参照图1中的O-XYZ直角坐标系，定义以下方向：X方向为左右方向；Y方向为前后方向；Z方向为上下方向。

如图1至图3所示，在本发明的一实施例中，深水环境模拟试验台包括试验舱主体10、试验舱盖14、舱盖对中装置20、舱盖锁紧环33、加压装置40、舱内试验部件搭载装置13、试验台控制柜50、试验台架60和伺服电机驱动装置70。试验舱主体10为呈卧式放置的圆柱体空腔并安装在试验台架60上，试验舱主体10的一端开口以与试验舱盖14相配合，试验舱主体10的另一端封闭且安装有高压水密插座11，以用于舱内外的电连通。试验舱主体10内部设置有舱内滑道12，舱内试验部件搭载装置13安装在舱内滑道12上并可沿舱内滑道12滑动，以便于试验部件进出试验舱主体10内部。

舱盖锁紧环33安装在试验舱主体10的开口边缘，以用于与试验舱盖14的配合关闭试验舱主体10，试验舱主体10靠近其开口端设有排气阀44，排气阀44可安装在试验舱主体10上部的任意位置，用于舱内加压时进行排气使用。舱盖锁紧环33的内环上设有齿扣34，试验舱盖14上对应齿扣34设有公凸起15，通过齿扣34与公凸起15相配合锁紧试验舱盖14。舱盖锁紧环33的外周装有激光接收器31，激光接收器31为一个接收盘，可以根据试验舱盖14上所设的激光发射器16打在其上的信号进行角度偏转和位移偏差的定位。

试验舱盖14通过舱盖对中装置20安装在试验台架60上。舱盖对中装置20包括第一伺服电机21、第二伺服电机22、第三伺服电机23、第四伺服电机24、齿轮25、第一丝杠滑轨、第二丝杠滑轨及第三丝杠滑轨，所述第一伺服电机21、第二伺服电机22、第三伺服电机23和第四伺服电机24均配有减速器(图中未标号)。

所述第一伺服电机21与所述第一丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖14沿X方向左右滑动，所述第二伺服电机22与所述第二丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖14沿Z方向上下滑动，所述第三伺服电机23与所述第三丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖14沿Y方向前后滑动，从而实现将试验舱盖14与试验舱主体10的开口精准对位。

具体地，在本实施例中，第一丝杠滑轨安装在试验台架60上并可沿X方向左右滑动，第一伺服电机21与第一丝杠滑轨的丝杠261连接。第二丝杠滑轨架设在第一丝杠滑轨的滑块262上并可沿Z方向上下滑动，第二伺服电机22安装在第一丝杠滑轨的滑块262的下侧，并与第二丝杠滑轨的丝杠(图中未标号)连接，第二丝杠滑轨的滑块272位于第一丝杠滑轨的滑块262上侧。第三丝杠滑轨架设在第二丝杠滑轨的滑块272上并可沿Y方向前后滑动，第三伺服电机23安装在第二丝杠滑轨的滑块272的一侧，并与第三丝杠滑轨的丝杠(图中未标号)连接，试验舱盖14连接在第三丝杠滑轨的滑块282上。

通过第一伺服电机21驱动第一丝杠滑轨的丝杠261旋转，可带动第一丝杠滑轨的滑块262以及其上的第二丝杠滑轨、第三丝杠滑轨及试验舱盖14一起沿X方向左右移动，通过第二伺服电机22驱动第二丝杠滑轨的丝杠旋转，可带动第二丝杠滑轨的滑块272及其上的第三丝杠滑轨及试验舱盖14一起沿Z方向上下移动，通过第三伺服电机23驱动第三丝杠滑轨的丝杠旋转，可带动第三丝杠滑轨的滑块282及其上的试验舱盖14一起沿Y方向前后移动，这样试验舱盖14在舱盖对中装置20作用下，可以在前后、左右、上下三个方向上进行移动，从而实现将试验舱盖14与试验舱主体10的开口精准对位。

舱盖锁紧环33的下部有锁紧环齿331，用于与所述舱盖对中装置20的齿轮25啮合，第四伺服电机24与齿轮25连接以驱动齿轮25转动，进而带动舱盖锁紧环33旋转以打开或锁紧试验舱盖14。打开锁紧试验舱盖14时，第四伺服电机24控制舱盖锁紧环33的旋转角度，使舱盖锁紧环33的齿扣34与试验舱盖14的公凸起15对准，再通过第一伺服电机21驱动试验舱盖14朝向试验舱主体10移动以盖住试验舱主体10的开口，然后再通过第四伺服电机24控制舱盖锁紧环33的旋转一定角度，将舱盖锁紧环33与试验舱盖14锁紧。打开试验舱盖14时的操作则与锁紧操作相反。试验舱盖14的内侧设有密封圈32，以提高舱盖锁紧环33与试验舱盖14之间的密封性。

试验舱盖14的外周对应设有激光发射器16。通过激光发射器16向激光接收器31发射激光信号，在激光接收器31的接收盘上测算出偏转角度和偏移位移，再反馈给舱盖对中装置20，来调整舱盖锁紧环33的角度和调整试验舱盖14的位移使试验舱盖14与试验舱主体10顺利对中盖合。

加压装置40安装在试验舱主体10的侧部，包括加压电机42、高压水泵41、排水阀43和压力表(图中示标示)，高压水泵41安装在加压电机42的一端，高压水泵41上还设有溢流阀46，所述溢流阀46与所述试验舱主体10连通，所述排水阀43设在所述试验舱主体10下部，伺服电机驱动装置70设于所述试验舱台架60的底座上，并与所述第一伺服电机21、第二伺服电机22、第三伺服电机23、第四伺服电机24、加压电机42以及试验台控制柜50电连接。

本实施例中，深水环境模拟试验台的深水环境模拟试验方法如下：

在深水环境模拟试验台对零部件进行高压试验之前，将零部件安装在舱内试验部件搭载装置13上，并将试验部件搭载装置13通过试验舱主体10的舱内滑道12滑入试验舱主体10内部加以固定；

通过激光接收器31和激光发射器16的引导，启动试验舱盖对中控制程序完成试验舱盖14对中并合闭试验舱盖14；

启动第四伺服电机24，控制舱盖锁紧环33旋转，锁紧试验舱盖14；

打开排气阀44，关闭排水阀43，启动高压水泵41，往试验舱主体10内部注水，待排气阀44有水冒出之后，关闭排气阀44，继续往试验舱主体10内部注水，观测压力表上的压力，并调节高压水泵41的溢流阀46调整到所需要的试验舱内部压力；

达到所需要的试验压力后，保持舱内压力并持续预定实验时间后，关闭高压水泵41，将溢流阀46压力调至趋近于零，打开排水阀43，排出试验舱内的水，启动第四伺服电机24控制舱盖锁紧环33旋转，松开试验舱盖14；

启动第一伺服电机21，将试验舱盖14与试验舱主体10分离，取出舱内试验部件搭载装置13，观测试验部件状态，试验完成。

参照图2，在一具体实施例中，舱内试验部件搭载装置13包括耐高压灯132、摄像头133、传感器134、带压力补偿的油箱135、液压泵136、深水电机137以及试验部件安装架138，各个部件安装在所述舱内试验部件搭载装置13的舱台滑轨131上。舱台滑轨131承载在试验舱主体10内的舱内滑道12上。

此种实施方式的试验部件不仅为结构部件还可以为运动部件，当试验部件为运动部件时，带压力补偿的油箱135、液压泵136、深水电机137等可以为试验运动部件提供模拟深水环境的动力源，而耐高压灯132提供照明，摄像头133和传感器134则进行试验运动部件的实时测控，打开试验舱主体10内部用于视频监控的耐高压灯132和摄像头以及与实验部件相关的数据采集传感器134，对于需要动力源的试验部件需要启动液压泵136，利用液压管将零部件和舱内试验部件搭载装置13上的液压泵136相连接以掌握试验状态。

舱内试验部件搭载装置13设于试验舱主体10内，其试验部件安装架138用于安装试验零部件，其带压力补偿的油箱135和液压泵136能够对动力运动部件进行打压试验，其耐高压灯132、摄像头133及传感器134能对试验零部件在受压过程中的变化过程进行实时监测和数据采集，舱盖对中装置20在试验台控制柜50的控制下，实现自动化的试验舱盖14对中合盖操作。

本发明还提供一种优选地实施例，上述试验台控制柜50包括智能控制器、视频显示器、工控机和远程操纵接口，各个部件通过电连接安装在所述试验台控制柜上，便于操作人员的远程控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深水环境模拟试验台，其特征在于，所述深水环境模拟试验台包括试验舱主体、试验舱盖、舱盖对中装置、舱盖锁紧环、加压装置、舱内试验部件搭载装置、试验台控制柜、试验台架和伺服电机驱动装置，其中，

所述试验舱主体为呈卧式放置的圆柱体空腔并安装在试验台架上，其一端开口以与所述试验舱盖相配合，其另一端封闭且安装有高压水密插座，所述试验舱主体内部设置有舱内滑道以用于安装所述舱内试验部件搭载装置，所述试验舱主体靠近其开口端设有排气阀，所述舱盖锁紧环安装在试验舱主体的开口边缘，所述舱盖锁紧环的外周装有激光接收器，所述试验舱盖的外周对应设有激光发射器；

所述试验舱盖通过所述舱盖对中装置安装在试验台架上，所述舱盖对中装置包括第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、齿轮、第一丝杠滑轨、第二丝杠滑轨及第三丝杠滑轨，所述第一伺服电机与所述第一丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿X方向左右滑动，所述第二伺服电机与所述第二丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿Z方向上下滑动，所述第三伺服电机与所述第三丝杠滑轨配合以驱动所述试验舱盖沿Y方向前后滑动；

所述舱盖锁紧环的下部有锁紧环齿，用于与所述舱盖对中装置的齿轮啮合，所述第四伺服电机与齿轮连接以驱动齿轮转动，进而带动舱盖锁紧环旋转以打开或锁紧试验舱盖；

所述加压装置安装在试验舱主体的侧部；

所述舱内试验部件搭载装置包括耐高压灯、摄像头、传感器、带压力补偿的油箱、液压泵、深水电机以及试验部件安装架，各个部件安装在所述舱内试验部件搭载装置的舱台滑轨上；

所述伺服电机驱动装置设于所述试验舱台架的底座上，并与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、加压装置以及试验台控制柜电连接。

2.根据权利要求1所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述第一丝杠滑轨安装在试验台架上并可沿X方向左右滑动，所述第一伺服电机与第一丝杠滑轨的丝杠连接，所述第二丝杠滑轨架设在第一丝杠滑轨的滑块上并可沿Z方向上下滑动，所述第二伺服电机安装在第一丝杠滑轨的滑块的下侧，并与第二丝杠滑轨的丝杠连接，所述第二丝杠滑轨的滑块位于第一丝杠滑轨的滑块上侧，所述第三丝杠滑轨架设在第二丝杠滑轨的滑块上并可沿Y方向前后滑动，所述第三伺服电机安装在第二丝杠滑轨的滑块的一侧，并与第三丝杠滑轨的丝杠连接，所述试验舱盖连接与第三丝杠滑轨的滑块上。

3.根据权利要求1所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述加压装置包括加压电机、高压水泵、排水阀和压力表，所述高压水泵安装在加压电机的一端，所述高压水泵上设有溢流阀，所述溢流阀与所述试验舱主体连通，所述排水阀设在所述试验舱主体下部。

4.根据权利要求1所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述舱盖锁紧环的内环上有齿扣，所述试验舱盖上对应齿扣设有公凸起，通过所述齿扣与公凸起相配合锁紧试验舱盖。

5.根据权利要求1所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机均配有减速器。

6.根据权利要求1所述深水环境模拟试验台，其特征在于，所述试验舱盖的内侧设有密封圈。

7.根据权利要求1所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述激光接收器为一个接收盘，激光发射器的激光信号打在所述激光接收器的接收盘上时可以定位偏移角度和位移。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的深水环境模拟试验台，其特征在于，所述试验台控制柜包括智能控制器、视频显示器、工控机和远程操纵接口，各个部件通过电缆连接安装在所述试验台控制柜上。

9.一种深水环境模拟试验台的深水环境模拟试验方法，包括如下步骤：

在深水环境模拟试验台对零部件进行高压试验之前，将零部件安装在舱内试验部件搭载装置上，并将试验部件搭载装置通过试验舱主体的滑轨滑入试验舱主体内部加以固定；

通过激光接收器和激光发射器的引导，启动试验舱盖对中控制程序完成试验舱盖对中并合闭试验舱盖；

控制舱盖锁紧环旋转，锁紧试验舱盖；

打开排气阀，关闭排水阀，启动高压水泵，往试验舱主体内部注水，待排气阀有水冒出之后，关闭排气阀，继续往试验舱主体内部注水，观测压力表上的压力，并调节高压水泵的溢流阀调整到所需要的试验舱内部压力；

达到所需要的试验压力后，保持舱内压力并持续预定实验时间后，关闭高压水泵，将溢流阀压力调至趋近于零，打开排水阀，排出试验舱内的水，控制舱盖锁紧环旋转，松开试验舱盖；

将试验舱盖与试验舱主体分离，取出舱内试验部件搭载装置，观测试验部件状态，试验完成。