海洋XBT投放系統(tǒng)中探頭插銷自動拔取機構(gòu)設(shè)計

董磊，雷卓，賀海靖，陳光源

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001

海水的溫度和深度是海洋水文核心參數(shù)，在海洋科學(xué)考察、海洋環(huán)境檢測和軍事海洋學(xué)中具有非常廣泛的用途[1-2]。投棄式溫度深度剖面儀(expendable bathythermograph,XBT)是常用的海洋監(jiān)測設(shè)備之一，具有測量實時、快速、大面積的特點[3-4]。

XBT通過在船舶走航過程中多次投放測量探頭來獲取數(shù)據(jù)，并實時傳送至甲板單元[3]，避免了測量數(shù)據(jù)時停船，可以適用于多種類型的船舶。但目前投棄式探頭的投放大多由專業(yè)人員在船舷通過手持式單枚投放裝置(發(fā)射槍)來完成，人工手持投放方式在數(shù)據(jù)測量及實際操作方面存在如下缺點：(1)數(shù)據(jù)測量精度受人為因素影響；(2)一人投放，一人進行上位機操作，浪費人力；(3)操作人員安全缺乏保障。

針對手持式投放方式的缺點，國外一些海洋專業(yè)公司及科研院所開展了XBT探頭自動投放系統(tǒng)的研究。如圖1所示，首先將自動投放設(shè)備安裝至船舷一側(cè)，使釋放導(dǎo)筒處于向下傾斜狀態(tài)，然后人工將待釋放探頭一次性裝入自動投放設(shè)備，通過船艙內(nèi)或陸地遠程控制完成XBT探頭的自動釋放及測量。目前，日本的TSK、美國的Sippican[5]等公司均已形成相關(guān)設(shè)備及產(chǎn)品。

圖1 XBT連續(xù)自動投放設(shè)備Fig.1 Continuous automatic launcher for Expendable Bathythermograph

近年來，我國的自動投放系統(tǒng)研究也逐步發(fā)展起來[6]，如國家海洋技術(shù)中心[7]、西安天和防務(wù)有限公司、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所[8-9]等均進行了相關(guān)研究。但在已公開發(fā)表的文獻資料中均未見關(guān)鍵的探頭插銷自動拔取機構(gòu)的設(shè)計研究，大多仍局限于人工拔取插銷后，再將探頭安放至投放設(shè)備的工作方式，使設(shè)備的自動釋放能力及應(yīng)用范圍受到限制。為此，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所開展了相關(guān)研究[10]，以杠桿機構(gòu)[11]為核心設(shè)計，重點解決了插銷自動拔取問題，實現(xiàn)走航過程中XBT探頭的全自動連續(xù)投放。

1 探頭插銷受力分析

在實際的XBT探頭筒內(nèi)，插銷穿過探頭尾翼上的小孔將探頭固定在探頭筒內(nèi)，使探頭處于懸置狀態(tài)。當(dāng)XBT探頭筒安裝入自動投放裝置后，XBT探頭及外筒呈45°角向下傾斜狀態(tài)，如圖2所示。其中插銷拉環(huán)位于探頭筒下方，自動釋放過程中，需將插銷垂直于圖2中斜面向下被拉出。為此，需對初始狀態(tài)下探頭插銷進行受力分析，使釋放結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足插銷拔取所需的受力條件，實現(xiàn)探頭的自動投放。

圖2 探頭固定插銷受力分析圖Fig.2 Force analysis of the XBT probe latch

為了確定插銷自動拔取機構(gòu)中的拔取力大小，需對固定于XBT探頭導(dǎo)筒中的插銷受力情況進行分析。旋轉(zhuǎn)笛卡爾坐標(biāo)系，建立如圖2所示坐標(biāo)系統(tǒng)，使x軸平行于三角斜面，正方向沿三角斜面向下；使y軸垂直于三角斜面，正方向沿三角斜面法向方向向下。在旋轉(zhuǎn)后的笛卡爾坐標(biāo)系中，分析插銷在與斜面相交點O處的受力情況。

2 總體方案設(shè)計

基于上述插銷拔取力分析，考慮XBT探頭自動投放系統(tǒng)的實際需求，設(shè)計探頭固定插銷的自動拔取裝置。本設(shè)計中的XBT探頭插銷自動拔取機構(gòu)以杠桿結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心，初始拔取拉力由電磁鐵提供，在與杠桿機構(gòu)的配合作用下，實現(xiàn)探頭插銷的固定、拔取及釋放。能夠在最小的有效行程范圍內(nèi)，將拔取拉力轉(zhuǎn)化至最大可用程度，在實現(xiàn)插銷自動拔取的同時，節(jié)省該機構(gòu)在整個自動投放系統(tǒng)中所占空間。

2.1 自動拔取機構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的XBT探頭插銷自動拔取機構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，實物圖如圖4所示，按自動拔取流程順序主要分為初始階段、探頭安裝階段及自動拔取階段。在系統(tǒng)初始狀態(tài)下，杠桿1-2的上端與釋放機構(gòu)1-1活性相連，杠桿上端對釋放機構(gòu)的支持力垂直于二者接觸面，方向向上，大小與彈簧1-3彈力相等。在探頭安裝階段，人工將XBT探頭及其外筒沿圖2中箭頭所示方向裝入自動釋放機構(gòu)，在人工推力的作用下，探頭固定插銷1-6推動連接鎖緊機構(gòu)1-8活動端打開，插銷進入連接鎖緊機構(gòu)內(nèi)。隨后，連接鎖緊機構(gòu)活動端在內(nèi)置彈簧力的作用下自動閉合，完成探頭插銷的連接鎖緊。其中，為了便于插銷的推進和釋放后的自動滑落，連接鎖緊機構(gòu)的外形設(shè)計為水滴形卡扣形狀，以減少插銷運動中受到的摩擦阻力。接收甲板單元控制命令后，機構(gòu)進入探頭插銷自動釋放階段，釋放端電磁鐵1-9通電，瞬間磁力增大，作用于杠桿1-2的下端。通過杠桿作用，在杠桿上端得到放大后的力N。在N的作用下，杠桿上端沿垂直杠桿方向與釋放機構(gòu)脫離，如圖3所示。此時，在彈簧彈力F的作用下，插銷1-6被向下拔取出來，脫離探頭，實現(xiàn)自動釋放。

1-1釋放機構(gòu);1-2杠桿;1-3彈簧;1-4彈簧導(dǎo)槽;1-5彈簧導(dǎo)桿;1-6插銷;1-7支點架;1-8連接結(jié)構(gòu);1-9電磁鐵;1-10探頭導(dǎo)筒;1-11導(dǎo)筒端蓋;1-12固定塊剖面；2-1 固定塊;2-2插銷安裝槽;2-3電磁鐵安裝架。圖3 自動拔取機構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of automatic drawing mechanism

圖4 自動投放設(shè)備實物圖Fig.4 The installation and debug of automatic launcher of XBT probes

2.2 機構(gòu)釋放力分析

在機構(gòu)設(shè)計過程中，需根據(jù)上述插銷拔取力分析及自動投放裝置的空間限制，確定釋放機構(gòu)中的彈簧相關(guān)參數(shù)及杠桿支點位置。其中，彈簧相關(guān)參數(shù)可由胡可定律求得，下面主要討論杠桿支點位置的確定。

在拔取過程中，杠桿上端需要克服的主要是圖3中釋放機構(gòu)1-1對其產(chǎn)生的摩擦力。該摩擦力由壓縮彈簧作用于釋放機構(gòu)的彈力產(chǎn)生。因此，可以根據(jù)彈簧釋放后的彈力計算杠桿與預(yù)緊機構(gòu)連接一端所需產(chǎn)生的釋放力。在本設(shè)計中考慮海洋設(shè)備的防銹防腐需求，杠桿的上端，即非電磁鐵連接一端的材料采用304不銹鋼。在滑動摩擦?xí)r，該材料無潤滑情況下的摩擦系數(shù)為0.3～0.4，由此可求得杠桿上端與釋放機構(gòu)1-1脫離所需力N滿足的條件：

(2)

其中，N1為杠桿上端與釋放機構(gòu)的摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)1為圖3中釋放機構(gòu)1-1與杠桿1-2接觸面上釋放機構(gòu)對杠桿產(chǎn)生的正壓力，方向垂直于二者接觸面向下，大小等于彈簧彈力。

在插銷拔取過程中，杠桿下端受電磁鐵磁力作用，該力垂直于杠桿下端向左。固定規(guī)格的電磁鐵磁力為已知，因此可知杠桿下端受力情況。

3 實驗結(jié)果及結(jié)論

目前，該拔取機構(gòu)已應(yīng)用于山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自行研制的探頭自動釋放設(shè)備中。在青島近海實驗中，共投放探頭24次，成功投放并獲取實驗數(shù)據(jù)23次，投放成功率較高，達到95%以上。自動投放設(shè)備完成24次投放共需時間約30 min，與原有的人工投放作業(yè)方式相比，投放平均時間節(jié)省50%以上，能夠滿足快速投放及數(shù)據(jù)采集需求。

通過實驗結(jié)果表明，該機構(gòu)可靠有效，能夠在實際海試工作中有效避免人為因素對測量的干擾，保障操作人員安全。得出主要結(jié)論如下：

(1)以杠桿對力的放大原理為核心，進行插銷拔取過程中的受力分析，保證在有限行程內(nèi)對彈簧釋放力的有效放大，進而實現(xiàn)插銷自動拔取；

(2)從整體到局部詳細分析了插銷自動拔取機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)特性和作用，充分考慮了海洋設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)的需求和特點，實用性較強；

(3)該插銷拔取機構(gòu)在設(shè)計過程中盡可能減少活性連接結(jié)構(gòu)的使用，從而有效減少誤差及故障累積，在山東省海洋環(huán)境檢測技術(shù)重點實驗室進行的整機振動測試實驗證明，該機構(gòu)的可靠性較高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在后續(xù)的研究中，需進一步改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，使自動投放裝置能夠區(qū)分識別不同類型的溫鹽深設(shè)備探頭，實現(xiàn)XBT、XCTD(投棄式溫鹽深儀)的混合投放，提高工作效率。

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