一种高压气体开盖装置

技术领域

本发明涉及开盖装置，具体地说是一种高压气体开盖装置，能够实现一个或多个端盖开启不同高度、不同方向。

背景技术

海洋蕴含着丰富的生物、矿物资源和能源，具有重大经济和战略价值。海洋资源的开发利用催生海洋装备技术的进步，当前海洋机器人已经从单一的水下航行器发展成为能够携带多种任务载荷、具备执行特定使命和任务的水下无人系统装备。为了适配不同类型和物理属性的任务载荷，海洋机器人设有耐压舱，为任务载荷提供常压密封的储存环境。当海洋机器人搭载任务载荷航行至指定区域时，需要安全、可靠地开启端盖，进而任务载荷完成出舱动作，执行使命任务。

目前，端盖开启方式有电机驱动式、爆炸螺栓式等。通过电机驱动方式锁紧和开启端盖，机械结构复杂、空间利用率低、系统可靠性差，且端盖开启高度有限；若通过铰链结构将端盖开启至载体一侧，不仅机构复杂，而且会影响载体静浮状态。采用爆炸螺栓方式锁紧和开启端盖，由于存在火工品，实际使用过程中人员操作危险，设备进行运输、储存的安全性较低；一旦发生意外后果不堪设想，且爆炸过程会对载体及任务载荷设备造成一定破坏。

发明内容

针对现有海洋机器人耐压舱端盖开启存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高压气体开盖装置。该高压气体开盖装置利用高压气体切割剪切条，安全可靠地完成端盖开启。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括耐压舱、气动装置、载荷舱及剪切条，所述气动装置及载荷舱分别容置于耐压舱内的常压密封环境中，所述耐压舱的耐压筒体一端固接有端框，所述耐压舱的前端盖与端框外侧设有共形的沟槽，所述沟槽内容置有剪切条，所述前端盖通过剪切条实现轴向固定，所述前端盖与端框内侧密封；所述气动装置包括气密法兰及至少一个安装于气密封法兰上的串联式气密结构，所述气密法兰与端框相连，所述载荷舱由气密法兰穿过并安装于气密法兰上，所述载荷舱的载荷舱盖与前端盖连接；所述串联式气密结构向由前端盖、端框、气密法兰及载荷舱一端围成的密闭空间内释放高压气体，对所述前端盖产生内部压力，所述剪切条在高压气体对前端盖产生的内部压力大于剪切条的剪切强度时被切割，所述前端盖及与前端盖连接的载荷舱盖同时开启。

其中：所述串联式气密结构包括依次串联的转接螺塞、正向电磁阀、三通球阀及高压气瓶，所述转接螺塞螺纹连接于气密法兰上，所述转接螺塞的一端位于气密法兰一侧的密闭空间内，所述转接螺塞的另一端位于气密法兰另一侧，并与所述正向电磁阀的一个接口相连，所述正向电磁阀的另一个接口与三通球阀的第一个接口连接，所述三通球阀的第二个接口与高压气瓶相连，所述三通球阀的第三个接口用于向耐压筒体释放高压气体。

当所述串联式气密结构为多个时，沿所述气密法兰的圆周均布，各所述串联式气密结构中的高压气瓶内的气体压力值相同，或各所述串联式气密结构中的高压气瓶内设定不同气体压力值。

所述气动装置还包括分别安装于气密法兰上的反向电磁阀及压力传感器，所述反向电磁阀的一端位于气密法兰一侧的密闭空间内，所述反向电磁阀的另一端位于气密法兰另一侧的耐压筒体中。

所述前端盖与端框内侧之间通过耐压舱密封O圈进行径向密封。

所述载荷舱盖通过刚性或柔性的连接件与前端盖连接，所述载荷舱盖与载荷舱筒之间通过载荷舱密封O圈进行密封，所述载荷舱筒内装有任务载荷。

所述剪切条为一个整体的圆环状，或所述剪切条分为多段。

当所述剪切条分为多段时，各所述剪切条在沟槽内为非对称布置，进而控制所述前端盖的开启方向。

所述前端盖与端框接触的一端沿径向向内延伸，延伸部朝向所述端框的一侧设有环形槽，所述端框的一端插设于环形槽内，另一端与所述气密法兰连接，所述环形槽内侧面上开设有O圈密封槽，所述O圈密封槽内容置有与端框内侧实现密封的耐压舱密封O圈，所述端框外侧与环形槽外侧面设有共形的沟槽。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用高压气体切割剪切条动作完成前端盖开启，结构设计合理，系统可靠性高、安全性和稳定性好。

2.本发明高压气瓶、电磁阀、压力传感器、气密法兰等组成的气动装置处于耐压舱的常压密封环境内，可有效避免外部环境对气动装置造成腐蚀等影响，可长期使用，环境适应性好。

3.本发明通过高压气瓶内设定不同气体压力值，并适配不同物理属性的剪切条，可实现端盖开启高度的有效控制；通过将剪切条在沟槽内进行非对称布置，可实现端盖开启方向的有效控制，防止端盖落回载荷舱上方，因此，系统可控性好。

4.本发明通过将前端盖与载荷舱盖进行刚性或柔性连接，可实现高压气体同时开启前端盖与载荷舱盖等多个端盖，进而满足任务载荷出舱执行任务的需求。

5.本发明设有压力传感器及反向电磁阀，系统基于压力传感器的感知信息进行判定决策，当达到预设的判定条件时，可自主开启反向电磁阀，将密闭空间内的高压气体释放，提高安全性。

附图说明

图1为本发明的内部结构立体图；

图2为本发明的内部结构主视图；

图3为本发明的内部结构剖视图；

图4为本发明气动装置的结构示意图；

图5为图1中A处的局部放大图；

其中：1为耐压舱，2为气动装置，3为载荷舱，4为剪切条，5为前端盖，6为耐压舱密封O圈，7为转接螺塞，8为载荷舱筒，9为气密法兰，10为反向电磁阀，11为高压气瓶，12为连接件，13为载荷舱盖，14为端框，15为正向电磁阀，16为三通球阀，17为压力传感器，18为耐压筒体，19为载荷舱密封O圈，20为沟槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～5所示，本发明包括耐压舱1、气动装置2、载荷舱3及剪切条4，耐压舱1采用水密耐压结构形式，包括耐压筒体18及分别密封连接于耐压筒体18前后两端的前端盖5、后端盖，气动装置2及载荷舱3分别容置于耐压舱1内长期可靠的常压密封环境中，保证正常工作；耐压舱1的耐压筒体18一端(即前端)固接有端框14，耐压舱1的前端盖5与端框14外侧设有共形的沟槽20(即前端盖5上开设的凹槽与端框14外侧开设的凹共同形成沟槽20)，沟槽20内容置有剪切条4，前端盖5通过剪切条4实现轴向固定，前端盖5与端框14内侧之间通过耐压舱密封O圈6进行径向密封，实现水密耐压功能。本实施例沟槽20的截面可以设计为矩形或圆形，用于适配塞入剪切条4。

本实施例的气动装置2包括气密法兰9及至少一个安装于气密封法兰9上的串联式气密结构，气密法兰9与端框14相连，耐压舱1的内部通过气密法兰9被分隔为两个独立的空间。载荷舱3由气密法兰9穿过并安装于气密法兰9上，载荷舱3的轴向中心线、耐压舱1的轴向中心线及气密法兰9的轴向中心线共线，载荷舱3的载荷舱盖13与前端盖5连接。串联式气密结构可储存高压气体，并向由前端盖5、端框14、气密法兰9及载荷舱3一端围成的密闭空间内释放高压气体，对前端盖5产生内部压力，当密闭空间内的气压达到设定值时，高压气体对前端盖5产生的内部压力大于剪切条4的剪切强度，剪切条4结构失效，高压气体完成沟槽20内剪切条4被切割，前端盖5及与前端盖5连接的载荷舱盖13同时开启。由于前端盖5需要开启，无法安装螺钉进行固定，剪切条4同时起到轴向固定前端盖5的功能。

本实施例的串联式气密结构包括依次串联的转接螺塞7、正向电磁阀15、三通球阀16及高压气瓶11，转接螺塞7螺纹连接于气密法兰9上，转接螺塞7的一端位于气密法兰9一侧的密闭空间内，转接螺塞7的另一端位于气密法兰9另一侧，并与正向电磁阀15的一个接口相连，正向电磁阀15的另一个接口与三通球阀16的第一个接口连接，三通球阀16的第二个接口与高压气瓶11相连，三通球阀16的第三个接口用于向耐压筒体18释放高压气体。三通球阀16作为备用设备，当正向电磁阀15出现故障导致高压气瓶11内的高压气体无法释放时，可打开三通球阀16的第三个接口，将高压气体释放，防止产生安全隐患。高压气瓶11用于储存高压气体，如空气、氮气等，高压气体的压力最高可达30MPa，并通过串列式气密结构释放，转接螺塞7上端可直接与外部充气管连接，不需要拆卸气动装置2即可实现对高压气瓶11的充气功能。

本实施例的气动装置2还包括分别安装于气密法兰9上的反向电磁阀10及压力传感器17，反向电磁阀10的一端位于气密法兰9一侧的密闭空间内，反向电磁阀10的另一端位于气密法兰9另一侧的耐压筒体18中。反向电磁阀10、正向电磁阀15、压力传感器17分别与系统主控计算机相连，正常开盖工作状态时，气密法兰9与前端盖5之间的密闭空间压力应为升高至某一固定值后瞬间降低；开盖状态异常时，当压力传感器17感知气密法兰9与前端盖5之间的密闭空间内压力一直持续升高并且超过阈值时，说明开盖装置失效，系统主控计算机会根据预设条件自主决策开启反向电磁阀10，将气密法兰9与前端盖5之间的密闭空间高压气体反向释放，避免出现高压气体爆炸等安全隐患，提高系统安全性。

气动装置2整体处于耐压舱1的常压密封环境内，防止外部环境因素对高压气瓶11、三通球阀16、正向电磁阀15、反向电磁阀10及转接螺塞7等造成不利影响，例如可有效避免外部海水对金属结构腐蚀导致失效，因此气动开盖装置可靠性高，环境适应性好，并可以长期使用而不至于失效。

当串联式气密结构为多个时，沿气密法兰9的圆周均布，各串联式气密结构中的高压气瓶11内的气体压力值相同，或各串联式气密结构中的高压气瓶11内设定不同气体压力值，当各串联式气密结构中的高压气瓶11内设定不同气体压力值时，释放到气密法兰9与前端盖5之间的密闭空间形成不同压强值，可对前端盖5产生不同压力，并适配不同材料属性、形状尺寸的剪切条4装入沟槽20内，会对前端盖5产生不同的加速度，前端盖5开启瞬时状态不同，进而可有效控制前端盖5开启不同高度。

本实施例的剪切条4为一个整体的圆环状，或剪切条4分为多段。当剪切条4分为多段时，各剪切条4在沟槽20内为非对称布置，无需增设铰链等复杂机构，即可有效控制前端盖5的开启方向，避免前端盖5落回载荷舱3上方而影响任务载荷出舱。例如，可选择在沟槽20的前、后、左方向各布置一段剪切条4，高压气体释放后，前端盖5会抛向在耐压舱1的左上方。

本实施例的前端盖5与端框14接触的一端沿径向向内延伸，延伸部朝向端框14的一侧设有环形槽，端框14的一端插设于环形槽内，另一端与气密法兰9连接，环形槽内侧面上开设有O圈密封槽，O圈密封槽内容置有与端框14内侧实现径向密封的耐压舱密封O圈6，端框14外侧与环形槽外侧面设有共形的沟槽20。

本实施例的载荷舱盖13通过刚性或柔性的连接件12(如连接环)与前端盖5连接，实现高压气体同时开启前端盖5与载荷舱盖13，而不对任务载荷产生附加影响，进而满足任务载荷出舱执行任务的需求。载荷舱筒8内装有任务载荷，载荷舱盖13与载荷舱筒8之间通过载荷舱密封O圈19进行密封，防止高压气体进入载荷舱3内，对内部任务载荷的电子设备等产生破坏。

本发明通过高压气体切割剪切条4动作完成前端盖5的开启，并将气动装置2布置于耐压舱1的常压密封良好环境内，同时设有高压气体安全监测装置(即压力传感器)和反向释放装置(即反向电磁阀10)，因此本发明具有很好的可靠性、安全性、稳定性和环境适应性。

本发明通过设定不同高压气压力与不同物理属性的剪切条，可有效控制前端盖5开启高度；通过将剪切条4在沟槽20内进行非对称布置，可有效控制前端盖5的开启方向；通过将前端盖5与载荷舱盖13连接为一体，可实现一次性同时开启多个端盖功能。

本发明的工作原理为：

当有开盖功能需求时，系统主控计算机开启正向电磁阀15，高压气瓶11内高压气体经由三通球阀16、正向电磁阀15、转接螺塞7组成的气密通道，充满前端盖5、端框14、气密法兰9、载荷舱盖13、载荷舱筒8一端构成的密闭空间，对前端盖5产生内部压力，前端盖5同时受到剪切条4的轴向固定力；当高压气体对前端盖5产生的压力大于剪切条4的剪切强度时，剪切条4结构失效，高压气体完成沟槽20内剪切条4切割，并对前端盖5产生加速过程，进而实现前端盖5的开启；开盖过程若压力传感器17感知密闭空间内压力一直持续升高并且超过阈值时，系统主控计算机会根据预设条件自主决策开启反向电磁阀10，将高压气体反向释放至气密法兰9另一侧的耐压舱1中，并通过另一侧耐压舱1中设置的单向阀排向水中，以提高安全性。当前端盖5与载荷舱盖13之间通过连接件12连接成一体时，高压气体可同时开启前端盖5与载荷舱盖13。进一步可根据需要将剪切条4在沟槽20内进行非对称布置，同时设定气瓶压力值和剪切条物理属性，以便有效控制前端盖5的开启方向和开启高度，进而满足任务载荷出舱执行任务的需求。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。