一種水下裝載釋放裝置設(shè)計(jì)

付佳杰 彭阿靜

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，宜昌 443003）

海洋資源越來越受到重視，作為探索內(nèi)空間的最重要手段之一的水下機(jī)器人技術(shù)與探索外空間的運(yùn)載火箭技術(shù)有同等重要的意義，海洋強(qiáng)國都在研究通過水下機(jī)器人攜帶和布放勘探、監(jiān)測設(shè)備來進(jìn)行水下資源勘探、環(huán)境監(jiān)測[1]。這些載荷通常需要一種裝載和釋放裝置將其固定在水下機(jī)器人上，當(dāng)水下機(jī)器人攜帶載荷航行到指定海域時再將其釋放。裝載釋放裝置是實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人水下作業(yè)的重要系統(tǒng)，隨著水下機(jī)器人逐步由觀察型向作業(yè)型過渡，大多數(shù)水下機(jī)器人均將設(shè)有此裝置[2]。目前，水下機(jī)器人領(lǐng)域通常采用爆炸螺栓方式來實(shí)現(xiàn)載荷的掛載和釋放，但是爆炸螺栓涉及火工品，具有一定的危險性，而且存在釋放噪音大、不能重復(fù)裝載釋放的缺點(diǎn)。另外，通過記憶合金受熱變形來完成裝載與釋放功能也正在研究，但是應(yīng)用于水下機(jī)器人領(lǐng)域還不夠成熟可靠[3]。因此，研究采用成熟可靠的電機(jī)驅(qū)動形式的裝載釋放裝置很有必要。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

水下裝載釋放裝置主要由釋放機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、箍帶和釋放塊等組成，圖1為水下裝載釋放裝置結(jié)構(gòu)組成圖。

圖1 水下裝載釋放裝置結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 釋放機(jī)構(gòu)

釋放機(jī)構(gòu)集成了水下裝載釋放裝置的動力源和動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是水下裝載釋放裝置的核心機(jī)構(gòu)，主要由安裝架、掛放軸、傳動軸、耐壓殼體、電機(jī)、減速器、凸輪微動開關(guān)、齒輪副以及通信電纜等組成。釋放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 預(yù)緊機(jī)構(gòu)

預(yù)緊機(jī)構(gòu)和箍帶主要作用是聯(lián)合釋放機(jī)構(gòu)將載荷與水下機(jī)器人固定在一起，如圖1所示。預(yù)緊機(jī)構(gòu)主要由上連接輪、下連接輪和預(yù)緊螺桿組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。預(yù)緊螺桿設(shè)有上、下兩段旋向相反的螺紋，上、下連接輪分別設(shè)有與預(yù)緊螺桿配合的螺紋孔，可通過力矩扳手?jǐn)Q緊或旋松預(yù)緊螺桿來調(diào)整上、下連接輪距離的遠(yuǎn)近，從而實(shí)現(xiàn)對載荷預(yù)緊力的控制。

圖2 釋放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3 預(yù)緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

1.4 工作原理

釋放機(jī)構(gòu)通過兩側(cè)安裝架采用螺釘連接方式固定在水下機(jī)器人設(shè)定位置。預(yù)緊機(jī)構(gòu)上連接輪通過螺栓與水下機(jī)器人連接在一起，預(yù)緊機(jī)構(gòu)下連接輪、箍帶、釋放塊和掛放軸依次連接成環(huán)形，從而將載荷固定于水下機(jī)器人內(nèi)部。每套釋放機(jī)構(gòu)對應(yīng)兩套預(yù)緊機(jī)構(gòu)、兩根箍帶和兩個釋放塊。被搭載的載荷軸向重心位于兩根箍帶之間。

釋放機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動，通過齒輪副傳動后帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，伸出耐壓殼體的傳動軸再帶動兩側(cè)的掛放軸轉(zhuǎn)動。固定在傳動軸上的凸輪隨傳動軸一起轉(zhuǎn)動，凸輪微動開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。凸輪每轉(zhuǎn)動90°，將改變一次微動開關(guān)的狀態(tài)，控制器接收到微動開關(guān)狀態(tài)改變信號后控制電機(jī)停機(jī)。即電機(jī)每動作一次，傳動軸轉(zhuǎn)動90°，掛放軸也轉(zhuǎn)動90°。

掛放軸轉(zhuǎn)動至水平狀態(tài)時，由于釋放塊缺口寬度小于掛放軸直徑，釋放塊被鎖緊在掛放軸上，該狀態(tài)對應(yīng)載荷的裝載狀態(tài)，如圖5（a）釋放機(jī)構(gòu)動作示意圖裝載狀態(tài)所示，載荷裝載到位后，可通過力矩扳手控制預(yù)緊機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力來完成載荷的可靠裝載；掛放軸轉(zhuǎn)動90°后即變?yōu)樨Q直狀態(tài)，由于釋放塊缺口寬度略大于掛放軸窄邊寬度，自動從掛放軸上解脫，載荷在重力作用下完成與水下機(jī)器人的分離，如圖5（b）釋放機(jī)構(gòu)動作示意圖釋放狀態(tài)所示。基于這一原理，該水下裝載釋放裝置可以重復(fù)裝載與釋放。

圖4 凸輪微動開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 釋放機(jī)構(gòu)動作示意圖

2 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 掛放軸設(shè)計(jì)計(jì)算

掛放軸兩端安裝在安裝架內(nèi)，中間部位受到載荷集中拉力作用，設(shè)計(jì)時主要考慮掛放軸在承受載荷拉力作用時不發(fā)生彎曲變形，掛放軸的直徑可由軸強(qiáng)度公式得出[4]：

式中，D1為掛放軸最小直徑；M為作用在掛放軸上的彎矩，可根據(jù)載荷作用在掛放軸上的拉力和掛放軸的跨距計(jì)算出來；[σ-1]為軸的許用彎曲應(yīng)力，不同材料的許用彎曲應(yīng)力可根據(jù)材料手冊查出。

2.2 傳動軸設(shè)計(jì)計(jì)算

載荷的重力和預(yù)緊機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力通過箍帶和釋放塊傳遞到掛放軸上，要滿足掛放軸轉(zhuǎn)動，掛放軸的轉(zhuǎn)動力矩必須克服釋放塊與掛放軸之間的轉(zhuǎn)動摩擦轉(zhuǎn)矩，作用在掛放軸上的轉(zhuǎn)矩為：

式中，TL為作用在輸出掛放軸上的轉(zhuǎn)矩；μ為轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)，不同材料之間的轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)不同，可根據(jù)材料手冊選?。籉為箍帶上的張力和預(yù)緊力，可根據(jù)載荷的重量和預(yù)緊力得出。

掛放軸的轉(zhuǎn)動是依靠傳動軸的轉(zhuǎn)動而帶動的，傳動軸轉(zhuǎn)矩直接傳給掛放軸，按照轉(zhuǎn)矩計(jì)算軸徑的公式[4]：

式中，D2為傳動軸最小直徑；[τ]為軸的許用扭應(yīng)力，不同材料的許用彎曲應(yīng)力可根據(jù)材料手冊查出。設(shè)計(jì)釋放軸時，最小直徑需滿足式（3）的要求。

2.3 釋放電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，可以計(jì)算傳動軸上的額定功率為：

式中，PL為傳動軸上的額定功率；n為經(jīng)減速器輸出后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，可根據(jù)實(shí)際完成載荷釋放需要的時間得出。

則電機(jī)功率為：

式中，P為電機(jī)輸出功率；η1為減速箱效率，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊結(jié)合實(shí)際使用情況選?。沪?為傳動效率，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊結(jié)合實(shí)際使用情況選??；η3為軸承、O形密封圈等效率，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊結(jié)合實(shí)際使用情況選取。根據(jù)此公式，可以計(jì)算出電機(jī)的額定功率，實(shí)際選取時可取1.5～2倍的安全系數(shù)。

2.4 預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時，主要考慮預(yù)緊螺桿強(qiáng)度滿足要求，根據(jù)預(yù)緊聯(lián)接單個螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式[4]：

式中，F(xiàn)Σ為螺栓所受軸向載荷，取載荷重力在螺栓軸向的分力加上預(yù)緊力，預(yù)緊力可通過力矩扳手設(shè)置；[σ]為許用拉應(yīng)力，不同材料許用拉應(yīng)力查材料手冊選?。宦輻U直徑滿足式（6）要求即可。

2.5 耐壓殼體設(shè)計(jì)

耐壓殼體除了為內(nèi)部設(shè)備提供支撐和安裝接口外，最主要作用是在水下機(jī)器人工作范圍內(nèi)水深條件下，為內(nèi)部電機(jī)及電路部分提供干燥的環(huán)境，設(shè)計(jì)時要保證耐壓殼體在水下機(jī)器人工作水深范圍內(nèi)的密封和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。考慮到海水環(huán)境下防腐蝕及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，殼體材料選用不銹鋼。為了增大耐壓殼體內(nèi)部容積及減輕殼體結(jié)構(gòu)重量，耐壓殼體采用圓柱結(jié)構(gòu)。耐壓殼體設(shè)計(jì)計(jì)算可參照建造規(guī)范進(jìn)行[5]。

3 結(jié)語

本文所述的水下裝載釋放裝置采用電機(jī)驅(qū)動方式，可重復(fù)裝載與釋放，具有可靠性高、適配性好的優(yōu)點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用于某水下機(jī)器人，成功裝載和釋放過多種載荷，載荷重量從幾十千克至上千千克，具有一定的工程推廣價值。