用于水下機(jī)器人拋載裝置的水下電磁鐵總體設(shè)計(jì)

摘 要：拋載裝置是水下機(jī)器人的重要安全保障措施，要求具備良好的可靠性和維護(hù)性能。與目前廣泛采用的多種拋載方式相比較，采用水下電磁鐵觸發(fā)機(jī)械拋載裝置具有動(dòng)作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。本文通過分析和提出水下機(jī)器人對(duì)于電磁鐵設(shè)計(jì)參數(shù)和使用工況的具體需求，對(duì)電磁鐵的各個(gè)部分進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人 電磁鐵 拋載裝置

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0001-01

水下機(jī)器人拋載裝置的作用是拋棄壓載重物，使水下機(jī)器人獲得正浮力，研制小型化可靠釋放機(jī)構(gòu)對(duì)水下機(jī)器人的安全運(yùn)行具有重要意義[1，2，3]。目前已有的各種拋載方式都有一定的技術(shù)局限性和作業(yè)局限性。電磁鐵應(yīng)用于水下機(jī)器人具有一定的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，體積小、行程大、安全可靠性高；能源消耗較??；實(shí)時(shí)觸發(fā)，無延時(shí)；更換重物操作簡便，維護(hù)需求低。目前采用電磁鐵觸發(fā)拋載的水下機(jī)器人系統(tǒng)都根據(jù)自身情況量身定做，不具備通用性，參考資料也少有公開。

本文面向大中型水下機(jī)器人的拋載需求，開發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型、具有模塊化特點(diǎn)、高可靠的通用型水下機(jī)器人電磁鐵。該電磁鐵設(shè)計(jì)為低壓24 V啟動(dòng)，盡管這樣增加了線圈的尺寸和重量，但可靠性高，響應(yīng)速度快，而且具有結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化的優(yōu)點(diǎn)。

1 電磁鐵拋載方案的設(shè)計(jì)

PKyi86eIxadBF4dpBGv9J0OidRDPX3NPSJKl3DHMYrg=電磁鐵是一種通電后對(duì)鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，把電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。電磁鐵的應(yīng)用范圍很廣，而且結(jié)構(gòu)不十分復(fù)雜，制造簡單，也便于后續(xù)加工。電磁鐵一般由線圈、鐵心和銜鐵三個(gè)主要部分所組成。其工作原理在于給線圈通以一定數(shù)值的電流后，在鐵心、銜鐵和氣隙之間產(chǎn)生一定數(shù)量的磁通Φ。在磁通的作用下，產(chǎn)生一定大小的電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心，將他們之間的氣隙減到最小。由此可知，線圈是電磁鐵獲得電磁能量的源泉，通了電流的線圈就會(huì)產(chǎn)生一定的磁勢。本文選用螺管式電磁鐵，在對(duì)螺管式電磁鐵通電后，催動(dòng)銜鐵發(fā)生直線位移，從而打開釋放鎖。

由于此次設(shè)計(jì)的電磁鐵會(huì)應(yīng)用于水下機(jī)器人中，工作的環(huán)境是成分復(fù)雜同時(shí)具有腐蝕性的海水中，因而必須對(duì)電磁鐵系統(tǒng)進(jìn)行一定的密封和抗腐蝕設(shè)計(jì)。

基于上述考慮，結(jié)合實(shí)際拋載要求，初步確定拋載系統(tǒng)的工況參數(shù)：拋載重物為30 kg；銜鐵行程為20 mm；推力為2 kg。

圖1為該裝置的外觀圖。該方案將電磁線圈、銜鐵、鐵心都容納到鋁合金艙體中，鐵芯推桿制造成活塞形式以實(shí)現(xiàn)往復(fù)行程和滑動(dòng)密封，內(nèi)部充變壓器油實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償和內(nèi)外壓力平衡。

為了能夠使電磁鐵通電后避免因?yàn)檠a(bǔ)償器處O型密封圈的摩擦力遲滯推桿響應(yīng)速度，壓力補(bǔ)償活塞桿處采用彈簧施加預(yù)壓力。為保證完成觸發(fā)行程后推桿能回到初始位置，在后推桿處增加恢復(fù)彈簧，以克服回程時(shí)的摩擦阻力；前、后推桿上設(shè)計(jì)了回油孔，以補(bǔ)償推桿移動(dòng)時(shí)艙體內(nèi)部油液的空間分布變化。

2 電磁鐵的設(shè)計(jì)

在確定好方案后，參照電磁鐵的計(jì)算步驟和方法，對(duì)電磁鐵的各個(gè)部分進(jìn)行初步的計(jì)算。根據(jù)水下機(jī)器人所使用的電源類型可以確定電磁鐵為直流電磁鐵，額定工作電壓V，由于拋載系統(tǒng)只有在上浮和緊急狀況下才工作，故一般為單次觸發(fā)，工作時(shí)間較短；且在海水中散熱條件好，溫升問題不突出，按照短時(shí)工作制設(shè)計(jì)。

根據(jù)釋放鎖打開棘爪所需要推動(dòng)距離和克服彈簧的拉力可以確定電磁鐵推桿的工作行程=2 cm，凈推力4 kg。進(jìn)行電磁鐵關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算。

最后，計(jì)算線圈工作電流，線圈磁勢和消耗功率，為周邊電路的設(shè)計(jì)和電子器件的選擇提供參考。

電壓為額定值時(shí)線圈的電流為 A A；電壓為額定值時(shí)的線圈磁勢；電壓為額定值時(shí)線圈消耗的功率 W。

3 結(jié)語

本文的主要內(nèi)容為水下機(jī)器人拋載電磁鐵結(jié)構(gòu)研究和優(yōu)化。本文從研究國內(nèi)外水下機(jī)器人拋載裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀入手，提出專用的水下機(jī)器人拋載裝置觸發(fā)電磁鐵設(shè)計(jì)方案。

該方案考慮了壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和耐腐蝕性能，使其能夠適應(yīng)深海環(huán)境和長期使用的需求。在此基礎(chǔ)上，本文以20 mm推桿行程和4 kg觸發(fā)力為技術(shù)要求，進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算。該方案及其計(jì)算過程為同類裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱繼懋.潛水器設(shè)計(jì)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[2] （蘇）米特里耶夫，著.深潛器設(shè)計(jì)[M].凌水舟，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[3] 封錫盛，劉永寬.自治水下機(jī)器人研究開發(fā)的現(xiàn)狀和趨勢[J].高技術(shù)通訊，1999，13（9）：55-59.