一種無纜自動(dòng)返回式采水器的機(jī)械設(shè)計(jì)

于建清, 龔德俊, 李思忍, 徐永平

(1．中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2．中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100049)

一種無纜自動(dòng)返回式采水器的機(jī)械設(shè)計(jì)

于建清1,2, 龔德俊1, 李思忍1, 徐永平1

(1．中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2．中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100049)

設(shè)計(jì)一種垂直剖面采水的自動(dòng)返回式采水器, 其機(jī)械機(jī)構(gòu)由配重體的懸掛或釋放裝置及采水瓶關(guān)閉采水機(jī)構(gòu)組成。配重體的懸掛或釋放未采用螺紋密封和螺紋承重, 動(dòng)作由密封倉內(nèi)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和殼體端蓋上的掛鉤脫鉤實(shí)現(xiàn)。采水瓶的關(guān)閉不涉及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng), 由電磁閥的通電實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明, 采水器的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單有效, 保證密封, 操作方便。

采水器; 剖面采水; 懸掛; 釋放; 電磁閥

本文所設(shè)計(jì)的無纜自動(dòng)返回式采水器(以下簡稱為采水器)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直剖面采樣。使用時(shí)無需鋼絲繩, 外掛4個(gè)1.5 L卡蓋式采水瓶。采水器的主體為圓柱狀防水耐壓設(shè)計(jì), 其機(jī)械機(jī)構(gòu)包括兩部分: 配重體的懸掛或釋放機(jī)構(gòu)和采水瓶關(guān)閉采水機(jī)構(gòu)。為采水器加載適當(dāng)重量的配重體, 使其在水中受到負(fù)浮力下潛。到達(dá)既定深度后釋放配重體, 采水器受到正浮力上升, 依次完成不同深度采水。

在海洋技術(shù)中, 配重體的懸掛或釋放機(jī)構(gòu)常用在潛標(biāo)系統(tǒng)配備的聲學(xué)釋放器和拋棄式水下剖面測(cè)量系統(tǒng)中。聲學(xué)釋放器是利用聲學(xué)通信原理, 對(duì)收到的信號(hào)解碼確認(rèn), 通過電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)鎖緊或推出掛吊機(jī)構(gòu)[1]。拋棄式水下剖面測(cè)量系統(tǒng)[2], 測(cè)量探頭的釋放靠主體密封浮筒內(nèi)的釋放器實(shí)現(xiàn)。釋放器由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速系統(tǒng)和釋放筒組成, 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí), 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng), 由變速系統(tǒng)帶動(dòng)釋放筒轉(zhuǎn)動(dòng)。由于釋放筒下部帶螺紋, 因此在電機(jī)的帶動(dòng)下退出螺紋區(qū), 釋放探頭。上述兩種海洋儀器均涉及到螺紋密封和螺紋承重, 對(duì)機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)精度要求較高。

采水器配重體的懸掛或釋放未采用螺紋密封和螺紋承重, 動(dòng)作由密封倉內(nèi)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和殼體端蓋上的掛鉤脫鉤實(shí)現(xiàn)。同時(shí), 采水瓶的關(guān)閉不涉及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng), 由電磁閥的通電實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明,采水器的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單有效, 保證密封, 操作方便。

1 無纜自動(dòng)返回式采水器的總體設(shè)計(jì)

采水器設(shè)計(jì)參數(shù)如下: 工作在淺海(0～200 m),工作溫度(－10～40℃); 使用海況 4級(jí)以下; 主體為圓柱狀防水耐壓設(shè)計(jì), 材料為硬鋁合金LY12CZ; 外掛4個(gè)內(nèi)容積1.5 L的QCC15－2型卡蓋式采水瓶[3];外圍直徑648 mm, 高650 mm, 密封倉內(nèi)徑210 mm;空氣中質(zhì)量22.95 kg; 以電池組(FANSO ER34615M,3.6 V, 14.5 Ah)供電, 無需外接電源。采水器的總體設(shè)計(jì)見圖1(a)。

2 配重體的懸掛或釋放機(jī)構(gòu)

配重體的懸掛與釋放機(jī)構(gòu)是采水器的重要組成部分, 其主要由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和掛鉤脫鉤部分組成。

2.1 機(jī)構(gòu)詳述

2.1.1 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括電機(jī)、連接軸、連接套、限位開關(guān)S_load、限位開關(guān)S_loose及限位螺釘, 見圖1(c)和圖 2。電機(jī)為雙向減速直流電機(jī), 通過自帶的螺釘與連接套上端連接固定, 電機(jī)軸伸入連接軸固定, 并安裝限位螺釘, 限位開關(guān) S_load及限位開關(guān)S_loose固定于連接套兩端, 與限位螺釘在同一水平面, 并且在限位螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可觸及的范圍內(nèi)。兩限位開關(guān)的觸點(diǎn)接至采水器控制系統(tǒng)。連接軸伸出密封倉的部分位于護(hù)套內(nèi), 其末端固定脫鉤擋塊。

2.1.2 掛鉤脫鉤部分

掛鉤脫鉤部分主要包括脫鉤、脫鉤擋塊和脫鉤支架。見圖1(c)。考慮到硬鋁合金材質(zhì)較軟, 因此脫鉤和脫鉤擋塊材料選擇 304不銹鋼。脫鉤支架焊接于承載懸掛與釋放裝置的端蓋外側(cè); 脫鉤的一端與脫鉤支架通過螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)連接或鉸接, 可繞螺栓自由轉(zhuǎn)動(dòng), 脫鉤的另一端在懸掛配重體時(shí)搭接在脫鉤擋塊上。脫鉤擋塊的作用是支撐脫鉤, 位置在護(hù)套內(nèi),用螺釘固定在連接軸末端。在護(hù)套下端用一個(gè)螺釘頂住脫鉤擋塊, 目的是通過調(diào)整該螺釘伸入護(hù)套的長度而有效支撐連接軸, 避免由于連接軸末端的懸空而對(duì)電機(jī)軸額外加載力和增加O形圈的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力。

圖1 自動(dòng)返回式采水器機(jī)械設(shè)計(jì)圖Fig. 1 Schematic illustration of the auto-return water sampling device

圖2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分俯視圖Fig. 2 Top view of the drive-rotation system

為增強(qiáng)采水器在海水中抗腐蝕性, 端蓋上固定有鋅材料的犧牲陽極。同時(shí)端蓋上安裝電纜水密接插頭, 用于控制密封倉內(nèi)外通信。

2.2 工作過程

入水前, 進(jìn)行配重體的懸掛。初始狀態(tài)是脫鉤呈自由狀態(tài), 可繞脫鉤支架上的螺栓自由轉(zhuǎn)動(dòng), 未得到脫鉤擋塊的支撐。同時(shí)限位螺釘由電機(jī)帶動(dòng)(根據(jù)電路設(shè)計(jì), 電機(jī)初始即加電)頂在限位開關(guān) S_loose上(圖 2); 此時(shí)可將配重體掛在脫鉤上, 用手扶住脫鉤, 放置于護(hù)套內(nèi)掛/脫鉤間隙處, 略高于脫鉤擋塊。根據(jù)控制電路的設(shè)計(jì), 此時(shí)電機(jī)一旦通電, 其電樞電流方向即變反, 轉(zhuǎn)動(dòng)方向變反。通過磁控開關(guān)給控制系統(tǒng)發(fā)出“掛鉤”的信號(hào), 電機(jī)通電, 轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)橛上尬婚_關(guān)S_loose至限位開關(guān)S_load, 電機(jī)軸帶動(dòng)限位螺釘和脫鉤擋塊轉(zhuǎn)動(dòng), 直到限位螺釘頂至限位開關(guān) S_load上, 電機(jī)斷電, 電機(jī)軸和連接軸停止轉(zhuǎn)動(dòng), 由此脫鉤擋塊隨限位螺釘轉(zhuǎn)動(dòng) 90°, 剛好擋住護(hù)套的間隙, 此時(shí)脫鉤擋塊可支撐脫鉤, 配重體穩(wěn)固懸掛。

懸掛配重體后, 采水器入水, 在水中受到負(fù)浮力而自由下潛; 當(dāng)采水器到達(dá)預(yù)設(shè)“釋放配重體”深度時(shí), 控制系統(tǒng)使電機(jī)通電, 帶動(dòng)限位螺釘轉(zhuǎn)動(dòng), 此時(shí)方向?yàn)樽韵尬婚_關(guān)S_load至限位開關(guān)S_loose, 脫鉤擋塊隨連接軸轉(zhuǎn)動(dòng), 脫鉤失去支撐, 從護(hù)套的間隙脫離, 配重體隨之釋放脫落。

有數(shù)據(jù)表明, 采水設(shè)施垂直運(yùn)動(dòng)速度在 1.0 m/s時(shí), 對(duì)周圍水場(chǎng)擾動(dòng)最小, 采樣誤差也相應(yīng)最小。因此調(diào)整采水器配重體的質(zhì)量, 控制采水器上升時(shí)最大速度在1.0 m/s左右。

3 采水瓶關(guān)閉采水機(jī)構(gòu)

在海水采樣中, 不論是數(shù)個(gè)采樣瓶安置在葵花式采水器(rosette sampler), 還是直接裝掛在水文纜繩上, 均利用采樣瓶的“開－閉”或“閉－開－閉”的工作原理, 即施放時(shí)兩卡蓋打開, 瓶體處于沖洗狀態(tài), 在到達(dá)預(yù)定采水深度后, 由系統(tǒng)給出釋放信號(hào)或人工釋放擊錘, 關(guān)閉卡蓋, 實(shí)現(xiàn)采樣。本文設(shè)計(jì)的采水瓶關(guān)閉機(jī)構(gòu)不涉及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作, 可在采水器到達(dá)預(yù)定采樣深度時(shí)自動(dòng)關(guān)閉采水瓶卡蓋。

3.1 機(jī)構(gòu)詳述

采水瓶固定在圓柱狀防水耐壓的采水器密封倉外部周圍。采水瓶內(nèi)有一根足夠強(qiáng)度的橡皮筋, 連接設(shè)于采水瓶兩端部的卡蓋。兩卡蓋上均連接系線, 其中一端卡蓋的尼龍單絲末端系一個(gè)掛環(huán), 另一端卡蓋的尼龍單絲末端打結(jié)成圓套。采水工作時(shí), 將采水瓶卡蓋打開, 尼龍單絲末端的圓套穿過掛環(huán), 套在位于銷軸定位架的銷軸上, 由此采樣瓶呈打開姿態(tài)就位。見圖1(a)。

圖3 電磁閥原理圖Fig. 3 Sketch of the electromagnetic valve

采水瓶關(guān)閉機(jī)構(gòu)固定在密封倉相對(duì)于“配重體的懸掛與釋放機(jī)構(gòu)”的另一端。共有4套, 每一套關(guān)閉機(jī)構(gòu)獨(dú)立工作, 互不影響, 主要包括一個(gè)電磁閥、一個(gè)銷軸和一個(gè)銷軸定位架, 如圖1(b)所示。電磁閥選用直動(dòng)式(圖 3), 是定做的, 固定于電磁閥倉內(nèi),由電磁閥墊圈和電磁閥擋板固定位置。銷軸與電磁閥的動(dòng)鐵芯固定。銷軸伸出電磁閥倉和采水瓶關(guān)閉機(jī)構(gòu)端蓋, 其運(yùn)動(dòng)被限定在銷軸定位架的孔的軸向方向。電磁閥倉底部安裝一個(gè)水密接頭, 4個(gè)電磁閥的電源線通過水密接頭與密封倉內(nèi)控制電路相連。水密接頭為5芯, 其中一芯為4個(gè)電磁閥的電源公共端, 另4芯分別連接各電磁閥的電源輸入端。

3.2 工作過程

當(dāng)?shù)竭_(dá)各預(yù)定采水深度時(shí), 控制系統(tǒng)為相應(yīng)電磁閥通電。線圈通電后, 靜鐵芯產(chǎn)生的磁力吸動(dòng)動(dòng)鐵芯, 由此帶動(dòng)銷軸迅速向電磁閥倉方向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)行程為5 mm。銷軸一動(dòng)作, 采水瓶系線圓套就會(huì)在銷軸定位架處受限脫落, 卡蓋受采水瓶內(nèi)橡膠繩拉力作用, 隨之關(guān)閉, 從而完成在該深度上的采水任務(wù)。當(dāng)線圈斷電后, 動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位。

每個(gè)采樣瓶容積為1.5 L。可根據(jù)需要同時(shí)關(guān)閉多個(gè)采樣瓶, 因此一次可最多采集6 L水樣。若加裝更大體積的采樣瓶, 加大采水器控制密封倉尺寸,同時(shí)無需改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì), 就可獲取更大體積的水樣。也可根據(jù)需要加載更多套數(shù)的采水瓶關(guān)閉系統(tǒng)(銷軸定位架、銷軸及電磁閥根據(jù)采樣瓶的數(shù)量配套設(shè)置), 同時(shí)修改控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于未使用電機(jī)或電力控制機(jī)構(gòu), 因此避免了因?yàn)樗聹貪穸鹊挠绊懚鴮?dǎo)致電機(jī)誤動(dòng)作或工作失敗的情形。電磁閥動(dòng)作時(shí)間小, 提高了采水動(dòng)作的可靠性和準(zhǔn)確性。該采水瓶關(guān)閉采水機(jī)構(gòu)無需復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)件, 電磁閥通電動(dòng)作一下, 就能可靠釋放采水瓶卡蓋。有較強(qiáng)的適用性, 可搭載其他卡蓋式采樣瓶。

4 小結(jié)

該采水器機(jī)械結(jié)構(gòu)的兩部分(配重體的懸掛或釋放和采水瓶的關(guān)閉)均由實(shí)踐證明可靠有效。配重體的懸掛或釋放不涉及螺紋密封和螺紋承重; 采水瓶的關(guān)閉不涉及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng), 達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、密封有效、操作方便的目標(biāo)。同時(shí)各采水瓶獨(dú)立關(guān)閉, 有效注沖。采水器可搭載不同類型的卡蓋式采水瓶。

該采水器主要應(yīng)用于駕駛小規(guī)模船只在較淺水域(湖泊或河口)采水, 也可用于大型科考船, 其結(jié)構(gòu)輕便、造價(jià)較低以及操作方便等性能使其成為 CTD葵花式采水器和泵采系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。

[1] 鐘偉彬. 千米聲學(xué)應(yīng)答釋放器釋放動(dòng)力計(jì)算[J] .海洋技術(shù), 1989, 8(1): 16-23.

[2] 肖智敏, 馮月永, 申秀花.拋棄式水下剖面測(cè)量儀[P].中國專利: CN2653509Y, 2004.

[3] 李力平. SJC6-15型CTD 專用卡蓋式采水器[J].海洋技術(shù), 2003, 22(4): 37-39.

Mechanical design of an auto-return water sampling device

YU Jian-qing1,2, GONG De-jun1, LI Si-ren1, XU Yong-ping1
(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

May, 9, 2008

sampling device; column water; load; release; valve

A new auto-return water sampling device (ARWAD) was developed to collect a series of water column samples from selected depths in lakes and sea. The mechanical system of ARWAD consisted of the following two parts: (1) weight attachment loading-unloading system that was a combination of a drive-rotary system and a tripping bar system, and (2) bottle firing mechanical system that was electronically triggered through its corresponding solenoid valve. The ARWAD mechanical design had been proved simple, effective and easy to handle.

TH766

A

1000-3096(2010)06-0088-04

2008-05-09;

2010-01-26

中國科學(xué)院海洋研究所創(chuàng)新基金(ZL9)

于建清(1982-), 女, 山東文登人, 博士研究生, 主要研究方向: 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳感器集成, E-mail: yujianqing_82@163.com

(本文編輯: 劉珊珊)