一種二級杠桿式聲學(xué)釋放器釋放機構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

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)

0 引 言

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。

1 釋放機構(gòu)設(shè)計

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。

2 可靠度的計算

2.1 構(gòu)件的可靠度

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。

2.2 釋放機構(gòu)的可靠度

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%。

3 釋放動作仿真分析

3.1 仿真設(shè)置

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。

3.2 仿真結(jié)果分析

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。

4 樣機研制與實驗

4.1 樣機的研制

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。

4.2 陸地負(fù)載釋放實驗

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。

5 結(jié) 論

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。