深海剛?cè)峤M合負(fù)壓吸附裝置的力學(xué)特性與吸附效果分析

楊宇航， 張?jiān)雒停?陳英龍， 弓永軍

(大連海事大學(xué) 救助與打撈工程遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

引言

近年來，我國逐漸重視海洋事業(yè)發(fā)展，隨之而來產(chǎn)生了對水下爬壁機(jī)器人[1]、水下開孔抽油機(jī)器[2-3]、水庫大壩表面檢測機(jī)器[4]等固定需求。負(fù)壓吸附可以利用深海環(huán)境壓力，提供較大的吸附力，而且不受吸附表面材料的限制，是一種較為適合應(yīng)用于深海的附著固定方式，而目前水下負(fù)壓吸附裝置應(yīng)用環(huán)境通常為淺海，所提供的吸附力有限，如ZHU等[5]設(shè)計(jì)了一種水下渦流吸力裝置，通過產(chǎn)生水旋流形成負(fù)壓，產(chǎn)生的吸附力為大約300 N。目前國內(nèi)外將負(fù)壓吸附原理應(yīng)用于深海的研究很少，這是由于目前的研究均采用真空泵裝置使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，對于深海環(huán)境，一是需要解決能源傳輸問題，設(shè)計(jì)難度較大；二是泵的揚(yáng)程要求較高。因此針對深海環(huán)境需要設(shè)計(jì)一種不需要使用真空泵的負(fù)壓吸附裝置。

YOSHIDA Y等[6]設(shè)計(jì)了一種爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人不需要真空泵，而是設(shè)計(jì)了啟動吸附和脫離吸附的機(jī)構(gòu)，利用2個(gè)扭簧在俯仰方向產(chǎn)生扭矩，從而將吸盤緊緊地推到壁面上實(shí)現(xiàn)吸附，此外每個(gè)吸盤都設(shè)計(jì)有一個(gè)突起，通過1根金屬絲與后吸盤底座連接，當(dāng)一個(gè)處于吸附狀態(tài)的吸盤到達(dá)后滑輪時(shí)，會被金屬絲的拉力拉起并從壁面上分離，啟動吸附結(jié)構(gòu)、分離吸附結(jié)構(gòu)分別如圖1a、圖1b所示。該裝置雖然不需要使用真空泵，但也因此對吸盤的設(shè)計(jì)要求較高，吸盤的設(shè)計(jì)直接影響裝置的吸附性能，對其進(jìn)行研究具有重要意義。

圖1 吸盤啟動吸附與分離吸附的裝置[6]

目前負(fù)壓吸附所使用的吸盤可分為柔性吸盤和剛性吸盤，其中柔性吸盤通常由硅橡膠、聚氨酯、氟橡膠、丁腈橡膠等柔軟的材料制成[7-10]。吸盤材料的選擇要根據(jù)工作環(huán)境對吸盤耐油、耐水、耐磨、耐熱、耐寒等性能的要求，選擇最合適的一種[11]。對于深海環(huán)境來說，主要考慮的是柔性材料的耐寒性和耐水性，同時(shí)考慮到吸盤的成本，丁腈橡膠是合適的材料。圖2所示為3種常用類型柔性吸盤，聶俊峰等[12]對3種吸盤進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著真空度的增加，平底吸盤與波紋吸盤會產(chǎn)生較大形變，導(dǎo)致吸附力迅速降低，而帶溝吸盤由于表面帶有筋條，可以有效地防止吸盤吸附過程中發(fā)生變形，從而在真空度較大的情況下可以牢牢的吸附。對于深海環(huán)境，吸盤內(nèi)外壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸上環(huán)境，因此更應(yīng)注意吸盤變形導(dǎo)致吸盤吸附能力的下降，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)限制柔性吸盤變形，剛性吸盤通常使用金屬等剛性材料[13]。金屬等材料能抵抗深海壓力而不發(fā)生變形，但是剛性吸盤本身不具備密封能力，因此深海負(fù)壓裝置可以采用剛?cè)峤M合的吸盤形式，采用柔性吸盤密封，剛性吸盤限制變形保持吸附能力。

圖2 3種類型柔性吸盤實(shí)物圖[12]

對于柔性吸盤的設(shè)計(jì)還需要考慮兩點(diǎn)，一是吸盤的預(yù)緊力，這是由于橡膠密封屬于擠壓型密封，需要施加一定的預(yù)緊力，使其密封唇變形，貼緊密封面實(shí)現(xiàn)密封?？紤]到吸盤使用的環(huán)境為深海，可以通過水下遙控機(jī)器人(ROV)螺旋槳為其提供預(yù)緊力，但中型ROV螺旋槳推進(jìn)力通常不超過500 N，而吸盤的直徑等尺寸與吸盤預(yù)緊力相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)吸盤尺寸的時(shí)候需要考慮吸盤變形所需的預(yù)緊力；二是吸盤的密封性能，邱昆[14]通過有限元分析和試驗(yàn)確定了吸盤的接觸應(yīng)力越大，則吸盤的貼附程度越大，同時(shí)吸盤應(yīng)力值較大且分布均衡的部分，更容易形成較為緊密的密封環(huán)，利于密封的形成。

通過綜合考慮柔性吸盤的良好密封特性及剛性吸盤內(nèi)腔不可變形的特性，本研究設(shè)計(jì)了由剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)組合的吸盤形式，通過有限元仿真分析了吸盤的密封性能和預(yù)緊力情況，確定了吸盤的尺寸與選型，并對吸盤進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 深海負(fù)壓吸附裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 吸附系統(tǒng)基本原理

負(fù)壓吸附裝置的系統(tǒng)原理圖如圖3所示，由1個(gè)吸盤、1個(gè)氣囊式蓄能器和2個(gè)開關(guān)閥組成，蓄能器的預(yù)充氣壓力低于外界海水壓力。具體工作過程如下：首先，吸盤貼合作業(yè)壁面后(可由ROV進(jìn)行操作)，打開開關(guān)閥1，使吸盤內(nèi)部與氣囊式蓄能器接通，蓄能器預(yù)充壓力可根據(jù)外界環(huán)境壓力和需要的吸附力進(jìn)行調(diào)節(jié)，最小為0.1 MPa，此時(shí)吸盤內(nèi)海水壓力高于蓄能器內(nèi)氣體壓力，蓄能器與吸盤內(nèi)部海水壓力進(jìn)行平衡，吸盤內(nèi)部壓力降低，吸盤內(nèi)部與外界環(huán)境形成壓差，從而產(chǎn)生吸附力實(shí)現(xiàn)吸附固定。當(dāng)作業(yè)完成后，關(guān)閉開關(guān)閥1，打開開關(guān)閥2，使吸盤與外界環(huán)境接通，此時(shí)吸盤的內(nèi)部壓力等于環(huán)境壓力，吸盤內(nèi)外不存在壓差，吸盤脫離作業(yè)壁面。

1.氣囊式蓄能器 2.開關(guān)閥1 3.開關(guān)閥2 4.吸盤

1.2 吸盤設(shè)計(jì)

剛?cè)峤M合吸盤的結(jié)構(gòu)如圖4a所示，由柔性吸盤、剛性吸盤及卡箍組成。組合吸盤通過外部柔性吸盤進(jìn)行密封，吸盤密封端面如圖4b所示，通過內(nèi)部剛性吸盤限制柔性吸盤的變形，保持吸附能力，通過卡箍將柔性吸盤和剛性吸盤組合在一起。外部柔性吸盤為平底吸盤，這是由于平底吸盤吸附接觸面積大，與吸附對象貼合緊密，密封性較好，吸盤材料為丁腈橡膠，硬度選取HA50；為了保證吸盤的防腐性能，剛性吸盤和卡箍的材料均選取304不銹鋼。

圖4 剛?cè)峤M合吸盤實(shí)物圖

2 吸盤有限元分析

2.1 吸盤模型建立

借助三維繪圖軟件SolidWorks對吸盤進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行分析。柔性吸盤使用的丁腈橡膠材料作為一種近似不可壓縮的超彈性材料，在Abaqus中采用二參數(shù)Mooney-Rivlin模型來表征[15]。

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中，W—— 應(yīng)變能密度

C10，C01—— Mooney-Rivlin系數(shù)

I1，I2—— 第1和第2 Green應(yīng)變不變量

建立吸盤與支持面的有限元模型并劃分網(wǎng)格，如圖5所示。在模型中，柔性吸盤采用C3D10H單元類型[16]，剛性吸盤和支持面采用C3D10單元類型，剛性吸盤與支持面的材料為不銹鋼304，彈性模量為1.94×105MPa，泊松比為0.28，密度為7.9×10-6kg/mm3。

圖5 吸盤與支持面的有限元模型

2.2 加載邊界條件

首先沿剛?cè)嵛P連接部分的徑向施加壓力載荷，模擬卡箍連接柔性吸盤與剛性吸盤的過程，然后為吸盤表面施加11 MPa壓力載荷，模擬1100 m水深的環(huán)境壓力，接著約束支持面所有自由度，指定吸盤一定的位移，使其緩慢地到達(dá)支持面位置，模擬柔性吸盤預(yù)緊變形的過程，最后將吸盤內(nèi)側(cè)壓力改為1 MPa，模擬吸盤內(nèi)部接通蓄能器的過程(蓄能器預(yù)充1 MPa壓力)。

2.3 仿真結(jié)果

1) 柔性吸盤等效應(yīng)力情況

柔性吸盤等效應(yīng)力的情況如圖6a所示，其最大等效應(yīng)力為4.54 MPa，沒有超過丁腈橡膠的屈服強(qiáng)度25 MPa，說明柔性吸盤沒有發(fā)生屈服失效。

2) 柔性吸盤接觸應(yīng)力情況

柔性吸盤接觸應(yīng)力的情況如圖6b所示，可以看出，柔性吸盤密封面剛?cè)嵛P連接處的最大接觸應(yīng)力分別為11.38 MPa和12.44 MPa，大于吸盤內(nèi)外的壓差10 MPa，且兩處應(yīng)力值較大的部分的應(yīng)力分布較為均衡，說明柔性吸盤具有很好的密封性能。

3) 柔性吸盤預(yù)緊力情況

柔性吸盤的預(yù)緊力仿真結(jié)果如圖6c所示，柔性吸盤完全變形所需要的預(yù)緊力約為475 N， 中型以上ROV的推進(jìn)力可以滿足吸盤的預(yù)緊要求。

圖6 柔性吸盤仿真結(jié)果

3 吸盤預(yù)緊力與吸附效果試驗(yàn)

3.1 吸盤預(yù)緊力試驗(yàn)

吸盤預(yù)緊力試驗(yàn)采用CTM8010萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)使橫梁上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加載過程，其載荷位移傳感器可測量物體在相應(yīng)變形下的載荷，其最大載荷范圍10000 N，載荷和位移的最大誤差不超過測試值的±0.01%和±0.1%，試驗(yàn)設(shè)備的連接如圖7所示。通過鋼板接觸擠壓柔性吸盤，萬能試驗(yàn)機(jī)控制柔性吸盤0～1，1～2，2～3，3～4，4～5 mm的位移，得到柔性吸盤變形情況如圖8a所示，并測試了柔性吸盤變形x與預(yù)緊力Fn的關(guān)系，如圖8b所示?？梢钥闯?，柔性吸盤變形為5 mm，即柔性吸盤完全變形時(shí)所需要的預(yù)緊力為390 N，試驗(yàn)值與仿真值對比誤差約為17%。

圖7 吸盤預(yù)緊力試驗(yàn)設(shè)備

圖8 柔性吸盤變形情況及變形與預(yù)緊力的關(guān)系

3.2 吸盤密封性能與吸附力試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

吸盤密封性能與吸附力試驗(yàn)臺的作用是測試吸盤的密封時(shí)間及吸盤吸附力的大小，試驗(yàn)臺連接情況及試驗(yàn)臺液壓原理圖分別如圖9和圖10所示。試驗(yàn)臺主要包括環(huán)境壓力模擬器、蓄能器、水壓系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等，環(huán)境壓力模擬器用于模擬并維持深海壓力環(huán)境，應(yīng)滿足試驗(yàn)加載的強(qiáng)度、剛度及密封要求，吸盤放置于環(huán)境壓力模擬器缸體內(nèi)部，通過兩端加工螺紋的管路與三通接頭下端接通，三通接頭左右兩端分別接通壓力表與蓄能器，其上端通過螺栓連接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器的型號為MSE-2t，量程為±2 t(即19600 N，受壓為正)，精度為±0.05%，拉壓力傳感器的上端通過桿端關(guān)節(jié)軸承與加載油缸的伸出桿連接；氣囊式蓄能器的型號為BNXQ A20/10-F-Y，容積為20 L，公稱壓力為10 MPa，在試驗(yàn)前為蓄能器預(yù)充1 MPa的氣體壓力。在蓄能器管路出口處連接壓力變送器，型號為CYYZ11-H-17-DZ-14-S-G2-D，量程為0～10 MPa，精度為0.1%，用于測量吸盤內(nèi)部壓力變化；水壓系統(tǒng)為環(huán)境壓力模擬器提供高壓水源，水壓系統(tǒng)采用芬蘭某公司制造的綜合性水液壓試驗(yàn)平臺，型號為HPU90.160-37，最大壓力可達(dá)16 MPa，在水壓系統(tǒng)泵源出口處連接壓力變送器，型號為CYYZ11-H-19-DZ-14-S-G2-D，量程為0～20 MPa，精度為0.1%，用于測量環(huán)境壓力；加載系統(tǒng)采用獨(dú)立的油壓系統(tǒng)，泵源選用額定壓力為28 MPa的柱塞變量泵A10VSO28DFR1，加載液壓缸固定于環(huán)境壓力模擬器上方，設(shè)計(jì)最高輸出拉力至少為19600 N，根據(jù)計(jì)算可選用柱塞直徑50 mm，伸出桿直徑36 mm的單出桿液壓缸，當(dāng)液壓缸有桿腔壓力為23 MPa，無桿腔壓力(背壓)為0.7 MPa 時(shí)，不考慮摩擦力，液壓缸可輸出拉力為20400 N，滿足吸盤試驗(yàn)要求。

1.油壓系統(tǒng) 2.采集系統(tǒng) 3.水壓系統(tǒng) 4.蓄能器 5.液壓缸 6.環(huán)境壓力模擬器

1、13.安全閥 2.水泵 3、14.比例溢流閥 4、9.手動開關(guān)閥 5.環(huán)境壓力模擬器 6.吸盤 7.壓力表 8.三通接頭 10.氣囊式蓄能器 11.液壓缸 12.三位四通閥 15.油泵

3.3 吸盤吸附性能試驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)水壓系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，同時(shí)測量并記錄環(huán)境壓力、吸盤內(nèi)部水壓及吸盤受力隨時(shí)間變化的情況，得到吸盤吸附試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 吸盤密封性能與吸附力試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程可分為ab，bc，cd，de，ef等階段。ab段：調(diào)節(jié)水壓系統(tǒng)為環(huán)境壓力模擬器加壓到10 MPa左右，此時(shí)吸盤內(nèi)部水壓與環(huán)境壓力保持一致，同時(shí)發(fā)現(xiàn)拉壓力傳感器有數(shù)值變化，這是由于水壓對于三通接頭存在力的作用，作用力約為2500 N；bc段：調(diào)節(jié)油壓系統(tǒng)，通過液壓缸為吸盤施加預(yù)緊力，發(fā)現(xiàn)吸盤受力有一個(gè)激增，這是由于吸盤在接觸支持面時(shí)存在沖擊現(xiàn)象，數(shù)值穩(wěn)定后的作用力約為2900 N， 此時(shí)b，c點(diǎn)傳感器數(shù)值的差值即為吸盤受到的預(yù)緊力，約為400 N，此時(shí)柔性吸盤完全變形；cd段：在d點(diǎn)開啟手動開關(guān)閥9，接通蓄能器與吸盤內(nèi)部， 此時(shí)吸盤內(nèi)部水壓迅速下降到1 MPa(蓄能器預(yù)充壓力)；de段：在此階段可以看到吸盤內(nèi)部水壓沒有變化，說明吸盤沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象，可以看出吸盤在15 min內(nèi)沒有發(fā)生泄漏；ef段：調(diào)節(jié)油壓系統(tǒng)，為吸盤施加拉力，根據(jù)吸附力公式：

(2)

式中,F—— 吸盤吸附力

D—— 剛性吸盤外徑，52 mm

d—— 連接吸盤與蓄能器的管路外徑尺寸，28 mm

p1—— 環(huán)境壓力，11 MPa

p2—— 吸盤內(nèi)部水壓，1 MPa

計(jì)算得到吸盤最大吸附力至少為15000 N。吸盤在f點(diǎn)脫離支持面，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出吸盤最大吸附力超過15000 N。

4 結(jié)論

(1) 基于負(fù)壓吸附原理設(shè)計(jì)了一種深海吸附裝置，介紹了裝置主體結(jié)構(gòu)和工作過程，繪制了吸附系統(tǒng)原理圖，并對吸附裝置的吸盤進(jìn)行了設(shè)計(jì)，吸盤由柔性吸盤、剛性吸盤及卡箍組成；

(2) 對吸盤預(yù)緊力進(jìn)行了試驗(yàn)，預(yù)緊力為390 N時(shí)柔性吸盤完全變形，試驗(yàn)值與仿真值對比誤差約為17%；

(3) 搭建了吸附試驗(yàn)臺，對吸盤的密封性能和吸附力進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明：吸盤在外界環(huán)境壓力為11 MPa，吸盤內(nèi)部壓力為1 MPa的情況下，15 min內(nèi)沒有發(fā)生泄漏，且可以提供至少15000 N的吸附力。