陳凱云, 戈冬閣, 王士創(chuàng), 張志平
(1.黑龍江科技大學(xué), 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)
海洋面積約占地球表面積的70%[1],其中蘊含著豐富的自然資源。近年來,人類加大了對海洋的開發(fā)力度。聲學(xué)釋放器作為海洋觀測中一種基礎(chǔ)性設(shè)備,常用于海況惡劣、含沙量大、微生物浮粒多的海洋觀測系統(tǒng)中。在海洋觀測實驗中,確保聲學(xué)釋放器高可靠性釋放至關(guān)重要[2]。目前,國內(nèi)外對聲學(xué)釋放器均有相關(guān)研究。J.C.Duinker[3]利用載人潛水器MIR1和MIR2對俄羅斯R/V Akademik Mstislv Keldysh號潛水器基本問題進(jìn)行了研究,確定了海底系泊物的確切位置及其未能釋放的原因。王欣[4]介紹了一種CTD電控多瓶采水器中電磁式釋放機構(gòu),并進(jìn)行了釋放實驗,驗證了可行性。張學(xué)坪[5]采用故障樹分析方法對QSF3-1型聲學(xué)應(yīng)答釋放器進(jìn)行了可靠性分析。常宗瑜等[6]采用多體動力學(xué)方法模擬聲學(xué)釋放器釋放過程,有利于分析釋放失效原因。在實用產(chǎn)品方面,美國Benthos公司、法國Ixblue公司、英國Sonardye公司[7]的產(chǎn)品可靠性高,我國國產(chǎn)釋放器可靠性較低。目前,我國海洋工程、海洋救助和海洋打撈中使用的高性能深海聲學(xué)釋放器幾乎全部依靠進(jìn)口[8]。因此,研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠聲學(xué)釋放器至關(guān)重要。
文中設(shè)計了一種二級杠桿式聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu),理論計算了釋放機構(gòu)的強度可靠度,模擬仿真了釋放機構(gòu)的釋放過程,分析了釋放鉤的運動情況,對釋放機構(gòu)進(jìn)行了陸地釋放動作實驗。
聲學(xué)釋放器處于整套海洋觀測系統(tǒng)的下端位置。下端釋放鉤連接重物,起到錨定作用,上端有浮球組和其他相應(yīng)的功能性組件,如沉積物捕捉器、溫鹽深儀和ADCP海流計等。如圖1所示,到達(dá)觀測年限后,水上甲板單元發(fā)出聲學(xué)信號,釋放器接收信息后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn),克服負(fù)載帶動釋放機構(gòu)完成釋放動作。
聲學(xué)釋放器在海水中的最大工作深度為11 000 m,承受海水最大壓強約為110 MPa。同時,觀測系統(tǒng)中重力錨負(fù)載與浮球拉力,最大約為10 t,需滿足強度可靠性要求。TC4鈦合金作為釋放器主體材料,具有較好的剛度與耐腐蝕性。
圖1 釋放器工作原理Fig. 1 Releaser working principle
如圖2所示,耐壓殼體與上下端蓋形成密閉空間。耐壓殼體采用圓筒形結(jié)構(gòu),受力均勻,避免應(yīng)力集中。上下端蓋處均由軸向密封和徑向密封組成雙重密封結(jié)構(gòu)。傳動軸處采用雙重動密封,保證了密封的可靠性,保護(hù)內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)。
釋放機構(gòu)作為聲學(xué)釋放器的重要組成部分,結(jié)構(gòu)形式多樣。文中釋放機構(gòu)采用二級杠桿式,具有較高的減力倍數(shù),有利于負(fù)載釋放,結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,成本低。該機構(gòu)包括齒輪組、二級桿螺栓、二級桿、側(cè)板、釋放鉤(一級桿)、釋放鉤螺栓、旋轉(zhuǎn)鎖扣、二級桿銷釘、旋轉(zhuǎn)鎖扣銷釘?shù)?如圖2所示)。
驅(qū)動力由電機提供,選擇直流減速電機,其轉(zhuǎn)速慢、扭矩大,符合釋放器使用需求。電機軸端通過鍵與小齒輪配合,經(jīng)與小齒輪嚙合的大齒輪傳遞動力給傳動軸。傳動軸上端與微動開關(guān)形成限位裝置,確定復(fù)位原點,中段軸肩與止推滾針軸承配合進(jìn)行軸向支撐,減小摩擦,下端與旋轉(zhuǎn)鎖扣連接。
圖2 二級杠桿式釋放機構(gòu)與受力分析Fig. 2 Two level lever release mechanism and force analysis
釋放鉤承受負(fù)載拉力,垂直向下載荷F1傳遞到二級桿;F2、F3分別為釋放鉤與二級桿之間的相互作用力,使二級桿產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢,旋轉(zhuǎn)鎖扣阻擋二級桿運動;F4為旋轉(zhuǎn)鎖扣作用在二級桿螺釘上的作用力。通過計算,選取合適的釋放鉤尺寸,既要滿足強度需求,又要保證足夠大的減力倍數(shù)。二級杠桿式釋放機構(gòu)與受力分析如圖2所示。
由力矩平衡定理得:
F1L1=F2L2,
(1)
F3L3=F4L4,
(2)
F2=F3。
(3)
聯(lián)立式(1)~(3)可得:
減力倍數(shù):
釋放器接收釋放信息后電機轉(zhuǎn)動,電機扭矩通過齒輪傳遞到傳動軸,克服F4產(chǎn)生的摩擦力帶動鎖扣轉(zhuǎn)動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)鎖扣轉(zhuǎn)過45°時,二級桿在負(fù)載作用下從旋轉(zhuǎn)鎖扣中釋放,完成釋放動作。
釋放器承受最大負(fù)載約為10 t,且受海流、波浪等載荷作用力,實際工況復(fù)雜,因此,需對其強度進(jìn)行可靠性研究,以確保釋放器各零部件強度可靠。文中采用一次二階矩方法對釋放機構(gòu)的組成構(gòu)件進(jìn)行強度可靠度計算[9],進(jìn)而獲得釋放機構(gòu)的總體可靠度。建立強度σs與應(yīng)力σ表示的極限狀態(tài)函數(shù),即
g(σs,σ)=σs-σ,
式中:σs——材料的屈服強度,MPa;
σ——最大應(yīng)力,MPa。
分析各零部件的受力形式。釋放鉤、二級桿以及旋轉(zhuǎn)鎖扣均為一端固定,另一端受到彎矩載荷的矩形截面懸臂梁結(jié)構(gòu)。構(gòu)件受力為所受負(fù)載F,負(fù)載與固定約束之間距離為l,最大應(yīng)力為
式中:M——最大彎矩,N·mm;
b——矩形截面寬度,mm;
h——矩形截面高度,mm。
極限狀態(tài)函數(shù)可表示為
符合懸臂梁模型的各零部件參數(shù)如表1所示,均服從正態(tài)分布。
表1 懸臂梁模型輸入變量數(shù)值
釋放鉤螺栓、二級桿螺栓、旋轉(zhuǎn)鎖扣銷釘以及二級桿螺釘,受力形式為兩端固定約束,中間受集中載荷的圓形截面簡支梁模型。構(gòu)件所受負(fù)載F與固定約束之間的距離為l,橫截面均為直徑為d的圓形。最大應(yīng)力為
極限狀態(tài)函數(shù)可表示為
符合簡支梁模型的各零部件參數(shù)如表2所示,均服從正態(tài)分布。
表2 簡支梁模型輸入變量數(shù)值
根據(jù)一次二階矩法[10]計算得到各零部件結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)為
全省國土資源工作會議暨黨風(fēng)廉政建設(shè)工作會議在杭州召開 (省廳辦公室)..................................................1-4
實際工程中,σs、σ兩個隨機變量均服從正態(tài)分布[11],可靠度表達(dá)式為
根據(jù)實際工況和結(jié)構(gòu)尺寸計算部件的可靠度。釋放鉤的可靠度Pr=0.999 998;二級桿的可靠度Pr=1;旋轉(zhuǎn)鎖扣的可靠度Pr=1;釋放鉤螺栓的可靠度Pr=0.999 5;二級桿螺栓的可靠度Pr=1;旋轉(zhuǎn)鎖扣銷釘?shù)目煽慷萈r=1;二級桿螺釘?shù)目煽慷萈r=1。
釋放機構(gòu)各部件的可靠性模型為串聯(lián)模型,其中任意構(gòu)件發(fā)生失效都會導(dǎo)致釋放動作失敗。n個構(gòu)件組成的系統(tǒng)的成功運行,必須滿足所有的單元運行在正常狀態(tài),故系統(tǒng)串聯(lián)模型的可靠度表示為
式中:xi——第i個單元處于運行狀態(tài);
Pr(xi)——第i個單元的可靠度。
則釋放機構(gòu)可靠度為各個構(gòu)件可靠度之積,即
該釋放機構(gòu)的強度可靠度為99.949 8%。
釋放機構(gòu)傳動失效亦會導(dǎo)致釋放失敗。仿真模擬釋放動作,分析釋放過程是否發(fā)生傳動失效,影響釋放動作,從而對釋放機構(gòu)能否正常釋放進(jìn)行驗證。
將二級杠桿聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中,設(shè)定構(gòu)件運動副以及相互接觸形式,給定減速電機轉(zhuǎn)速,根據(jù)受力施加載荷,進(jìn)行釋放機構(gòu)的釋放動作仿真。仿真參數(shù)具體設(shè)置:釋放鉤承受的豎直向下的載荷10 t,所有部件相對運動摩擦因數(shù)為0.2[12],減速電機轉(zhuǎn)速為7.8 r/min。
從釋放動作仿真得出:旋轉(zhuǎn)銷在電機的帶動下緩慢旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)鎖扣轉(zhuǎn)動45°時二級桿從旋轉(zhuǎn)鎖扣中順利釋放,如圖3所示,釋放鉤在負(fù)載作用下順時針轉(zhuǎn)動,帶動二級桿轉(zhuǎn)動;當(dāng)釋放鉤轉(zhuǎn)過90°時,負(fù)載成功釋放,釋放鉤在慣性作用下繼續(xù)運動。
圖3 釋放機構(gòu)釋放狀態(tài)Fig. 3 Release state of release mechanism
分析釋放鉤的接觸面壓力、角速度、角加速度的變化,可得出負(fù)載的釋放變化狀態(tài)。圖4為釋放鉤壓力p、角速度ω與角加速度α隨時間的變化曲線。
圖4 釋放鉤釋放狀態(tài)Fig. 4 Release status of release hook
圖4b顯示,釋放鉤在2.025 s時發(fā)生轉(zhuǎn)動,釋放鉤在負(fù)載作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn),角速度與角加速度發(fā)生突變,負(fù)載得到釋放,接觸面壓力減小為0。模擬發(fā)現(xiàn),2.047與2.110 s時釋放鉤與二級桿發(fā)生兩次碰撞,致使釋放鉤速度發(fā)生突變,速度方向改變,大部分動能被金屬形變吸收,釋放鉤與二級桿速度都急劇減小,最終釋放鉤在阻力作用下擺動停止,整個釋放動作結(jié)束。
由仿真知,在負(fù)載脫落釋放鉤釋放過程中,雖然釋放鉤與二級桿發(fā)生兩次碰撞(圖3),但是不影響釋放動作,且會吸收釋放鉤大量動能,有利于釋放鉤快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),加速釋放進(jìn)程,最終釋放鉤可靠地完成釋放。
綜合考慮各部件的位置關(guān)系、尺寸配合、強度可靠度和安全要求等因素,確定二級杠桿式釋放機構(gòu)樣機,如圖5所示。鈦合金樣機整體加工困難、成本高,故選用2205雙相不銹鋼作為替代材料。該材料具有耐腐蝕、強度高的特點。
圖5 釋放機構(gòu)樣機Fig. 5 Release mechanism prototype
釋放機構(gòu)二級杠桿減力倍數(shù)約為25.07,在10 t負(fù)載作用下,作用在旋轉(zhuǎn)鎖扣上的壓力F4為3 989 N。傳動軸與電機之間通過一對齒輪傳動,齒輪組傳動比為2.32,發(fā)揮放大電機扭矩、減小負(fù)載的作用。傳動軸與電機軸并不同軸,避免了負(fù)載軸向力傳遞到電機軸造成電機損壞。
通過尺寸設(shè)計,使釋放鉤受力方向通過質(zhì)心且與釋放器軸線方向一致,保證了各部件受力均勻,工作時釋放器姿態(tài)為豎直方向,有利于釋放動作進(jìn)行。
陸地釋放動作實驗?zāi)M聲學(xué)釋放器受到系統(tǒng)拉力時的工作狀況。施加10 t極限負(fù)載條件,檢驗釋放機構(gòu)能否正常傳動、完成釋放動作,并驗證釋放機構(gòu)是否滿足強度要求,從而檢驗聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)設(shè)計的合理性。為使二級杠桿式聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)能夠安裝在拉力機上,制做輔助夾具,如圖6所示。
圖6 釋放機構(gòu)輔助夾具Fig. 6 Release mechanism auxiliary fixture
將夾具安裝到釋放機構(gòu)上,調(diào)整拉力機到合適位置,完成釋放器裝夾,啟動拉力機對釋放機構(gòu)施予拉力,緩慢加載至10 t,保持一段時間,如圖7所示。為減速電機供電(額定電壓24 V),電機轉(zhuǎn)動約2 s后,釋放鉤打開,負(fù)載釋放完畢,記錄電機從開始轉(zhuǎn)動到負(fù)載釋放所用時間。
進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鎖扣與拉力機復(fù)位安裝,再次進(jìn)行試驗,施加負(fù)載進(jìn)行釋放動作,重復(fù)10次,記錄成功釋放次數(shù)。
圖7 聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)施加負(fù)載Fig. 7 Load applied by release mechanism of acoustic releaser
文中釋放動作試驗共進(jìn)行10次,負(fù)載全部順利釋放。將實驗完成后的釋放機構(gòu)取下測量,各構(gòu)件未發(fā)生明顯的形變,釋放動作可靠度與部件強度可靠度高。
在釋放過程中,從供電到負(fù)載釋放所用平均時間為2.04 s,可以聽到一聲明顯的金屬撞擊聲,釋放鉤轉(zhuǎn)動快速停止。根據(jù)仿真推論,釋放鉤與二級桿在極短的時間間隔內(nèi)發(fā)生兩次碰撞,聲音重疊,人耳可聽到有效撞擊聲為一次。通過陸地負(fù)載釋放實驗,驗證了仿真結(jié)果的有效性,證明該二級杠桿式機械釋放機構(gòu)在10 t負(fù)載下能夠可靠的完成釋放動作。
對設(shè)計的二級杠桿式聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)進(jìn)行受力分析,建立了系統(tǒng)可靠性模型。采用一次二階矩方法對釋放機構(gòu)強度進(jìn)行可靠度計算,釋放機構(gòu)整體可靠度為99.949 8%。使用ADAMS軟件對釋放機構(gòu)釋放動作進(jìn)行仿真模擬,釋放過程中釋放鉤與二級桿發(fā)生兩次明顯碰撞,負(fù)載順利釋放。根據(jù)設(shè)計結(jié)果研制樣機,對樣機釋放機構(gòu)進(jìn)行陸地負(fù)載釋放實驗。通過拉力機對釋放機構(gòu)施加10 t載荷,在額定電壓下,進(jìn)行10次釋放實驗,負(fù)載均順利釋放,且釋放機構(gòu)未發(fā)生明顯的形變現(xiàn)象。文中對聲學(xué)釋放器研制和失效原因分析具有借鑒價值與參考意義。
由于實驗條件限制,未能進(jìn)行真實海試實驗。因此,與釋放器真實工作環(huán)境相比,實驗尚存缺陷,僅證明了在陸地釋放的可靠性,未體現(xiàn)海洋環(huán)境對釋放動作的影響。未來將進(jìn)一步深化研究,驗證提高釋放機構(gòu)的可靠性。