集成式抽真空裝置設(shè)計及應(yīng)用*

付佳杰，楊 屹

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

隨著海洋資源越來越受到重視，無人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle，簡稱UUV)通過攜帶各種載荷來探測海洋得到了廣泛關(guān)注[1]。載荷可以是水下勘探設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備和各種潛標(biāo)浮標(biāo)等[2]。這種UUV是由載荷和運載平臺組成的一個多體系統(tǒng)[3-4]。載荷作為UUV的一部分，其被釋放后，UUV一般會由于浮力發(fā)生變化而瞬間失去平衡，若該浮力變化沒有及時得到補償，UUV的水中狀態(tài)會失控，發(fā)生危險。因此，必須對釋放載荷后的UUV進(jìn)行浮力補償。目前，常用的浮力補償方法是通過UUV內(nèi)部補償容器進(jìn)水來實現(xiàn)[5-6]。為了提高補償容器進(jìn)水量和進(jìn)水速率，從而提高UUV的浮力補償效率，需要對UUV補償容器進(jìn)行預(yù)先抽真空處理，該集成式抽真空裝置就是針對某UUV補償容器抽真空設(shè)計的。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

抽真空裝置主要由真空泵、底板、箱體、電控柜、腳輪、真空計、控制面板、電氣接口、排氣口、進(jìn)氣口、注油口、扶手等組成。抽真空裝置結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。

圖1 抽真空裝置結(jié)構(gòu)組成圖

抽真空裝置主要作用是抽除UUV補償容器內(nèi)部空氣，使得補償容器能夠以較快的速度進(jìn)滿水。通過進(jìn)水補償試驗測試得出，當(dāng)補償容器內(nèi)部絕對真空度為500 Pa，UUV在水下15 m水深啟動進(jìn)水補償時，補償時間約為3.9 s，進(jìn)水量可達(dá)到補償容器容積的99.1%，滿足UUV總體指標(biāo)要求。根據(jù)真空度要求，真空泵選用市場上常用的直聯(lián)旋片式真空泵[7]。針對UUV水中工作環(huán)境，補償容器進(jìn)水后，內(nèi)部會殘留少許水分，選用帶有氣鎮(zhèn)閥的直連旋片式真空泵，可以在抽真空的同時抽除容器內(nèi)部殘留的水蒸氣。真空計采用微機(jī)型數(shù)顯電阻真空計，通過測量電阻的變化來測量相應(yīng)的真空度，經(jīng)真空計內(nèi)部微處理器非線性處理、運算，最后送到真空計的數(shù)碼顯示器顯示。

箱體和底版由不銹鋼板折彎組成1個框架，將真空泵、真空計、電控柜等固定在合適的位置。由于真空泵在工作時，電機(jī)需要散熱，在箱體靠近真空泵一側(cè)開有百葉窗，在底板上開有散熱小孔。箱體的前面板和右面板分別開有活動門板，可開、關(guān)操作。箱體右邊上部設(shè)有工具箱，方便儲存電纜、抽氣管路等附件。前門板上設(shè)有一長方形透明窗口，用來觀察真空泵油位。在箱體的上部開有進(jìn)氣口、注油口，左面板上開有排氣口?？刂泼姘逶O(shè)置在箱體的前面板上，包括1個電源開關(guān)旋鈕、1個急停按鈕和2個指示燈。電氣接口放置在箱體的右面板上，包含1個380 V市電接插件和1個真空計信號接插件。

箱體和底板上分別設(shè)置有扶手和4個腳輪，其中，前面2個腳輪為萬向腳輪，后面2個為定向腳輪，方便抽真空裝置整體移動?？紤]到吊裝方便，在箱體上方4個角部分別設(shè)置有吊環(huán)螺釘，可方便穿繩掛鉤起吊。

1.2 工作原理

抽真空裝置的主體為真空泵和微機(jī)型數(shù)顯電阻真空計。真空泵、真空計與被抽容器之間通過1個三通接頭連接在一起，可通過真空計來實時讀取被抽容器的真空度。如圖2抽真空裝置的電氣原理圖所示，380 V市電經(jīng)過空氣開關(guān)后分兩路，其中一路經(jīng)過控制按鈕、相序保護(hù)器、接觸器后連接真空泵電機(jī)，另一路經(jīng)過變壓器后將380 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V電壓供真空計使用。

圖2 抽真空裝置電氣原理圖

直聯(lián)旋片式真空泵電機(jī)采用三相380V電源供電，電源相序必須正確才能保證電機(jī)旋向正確，否則真空泵無法正常工作，因此，在真空泵電機(jī)前級電路上設(shè)有相序保護(hù)器。在不知道初始相序是否正確的情況下，啟動真空泵電源旋鈕，相序保護(hù)器自動檢測相序是否符合，若相序錯誤，相序保護(hù)器自動關(guān)停真空泵，同時控制面板上的紅色指示燈點亮，此時反方向旋轉(zhuǎn)真空泵電源旋鈕，自動轉(zhuǎn)換相序，真空泵會正常啟動，控制面板上的綠色指示燈點亮。真空計與電阻規(guī)通過信號電纜連接，可實時顯示與真空規(guī)連接的被抽容器內(nèi)部的絕對真空度。

2 技術(shù)特性

該集成式抽真空裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 集成式抽真空裝置技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng) 用

如圖3抽真空裝置抽真空示意圖所示，不銹鋼波紋管一端通過快卸連接器[8]連接抽真空裝置的進(jìn)氣口，另一端通過快卸連接器連接三通的上端口，三通的右端口和下端口分別通過快卸連接器連接真空計和被抽補償容器的真空接口。接通抽真空裝置電源開始抽真空，真空計通過信號電纜可將被抽補償容器內(nèi)部的真空度實時傳輸?shù)匠檎婵赵O(shè)備的真空計顯示面板上。達(dá)到要求的真空度后，關(guān)閉被抽補償容器的真空接口，再關(guān)停抽真空裝置即可。該型補償容器的容積約為145 L，在打開真空泵的氣鎮(zhèn)閥情況下，將補償容器內(nèi)部真空度抽取到典型工況200 Pa時，所用時間約為2 min，操作方便快捷。

圖3 抽真空裝置抽真空示意圖

4 結(jié) 語

抽真空裝置的設(shè)計將帶有氣鎮(zhèn)閥的直聯(lián)旋片式真空泵和電阻真空計集成在一個不銹鋼框架內(nèi)，移動方便；并在電路上加入了相序保護(hù)器，接線簡單，能避免因相序錯誤導(dǎo)致真空泵異常運轉(zhuǎn)。目前已成功應(yīng)用于某型號UUV補償容器的抽真空，具有工程應(yīng)用價值。

[1] 徐玉如,蘇玉民,龐永杰.海洋空間智能無人運載器技術(shù)發(fā)展展望[J].中國艦船研究,2006,1(3):1-4.

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[7] 劉玉波.旋片式真空泵的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2010.

[8] GB/T 4982-2003,真空技術(shù)快卸連接器尺寸第1部分：夾緊型[S].