水面無(wú)人裝備聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

趙明清，錢(qián)冬林

(中船綠洲鎮(zhèn)江船舶輔機(jī)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

0 引言

近年來(lái)，小型無(wú)人艇、無(wú)人航行器等水面無(wú)人裝備設(shè)備，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多樣化、工作使命復(fù)雜化、工作海況惡劣化等趨勢(shì)，因此，如何順利捕捉無(wú)人裝備，是整個(gè)布放、回收工作的重點(diǎn)。目前，在水面無(wú)人裝備試驗(yàn)過(guò)程中，多采用普通起吊機(jī)械，通過(guò)定制過(guò)渡吊具進(jìn)行收放操作。收放裝置布置在母船上，與無(wú)人裝備間形成2個(gè)六自由度獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。逐一同步相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可以降低相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的不利因素，為兩者建立牢固連接(成功掛鉤、捕捉)奠定基礎(chǔ)。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系中，深沉(軸)方向的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的方法有很多，如通過(guò)液壓油缸行程補(bǔ)償、恒張力波浪補(bǔ)償絞車(chē)等，故尋求一種有效緩解平面位置差異且兼顧通用適配性的裝置是十分必要的。本文以實(shí)現(xiàn)功能為目的，從結(jié)構(gòu)組成、工作原理及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析等方面對(duì)水面無(wú)人裝備聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要組成及功能

本文通過(guò)對(duì)水面無(wú)人裝備施加運(yùn)動(dòng)軌跡及軌跡切線兩個(gè)方向的約束達(dá)到控制水面無(wú)人裝備平面位置的目的。

聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)主要由阻尼系統(tǒng)、側(cè)向夾持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成，其中：控制系統(tǒng)可集成在無(wú)人裝備收放裝置的總控制器中，運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力也可以由無(wú)人裝備收放裝置的動(dòng)力源輸出。結(jié)構(gòu)組成示意見(jiàn)圖1。

1—阻尼系統(tǒng)；2—側(cè)向夾持系統(tǒng)；3—控制系統(tǒng)；4—?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。

阻尼系統(tǒng)可將水面無(wú)人裝備減速并使其與母船保持航行軌跡相對(duì)靜止。無(wú)人裝備由于海浪及進(jìn)入捕捉區(qū)域時(shí)的位置偏移，很難保證回收姿態(tài)平穩(wěn)，此時(shí)夾持系統(tǒng)可校正無(wú)人裝備姿態(tài)，以確保自動(dòng)回收前，收放裝置的主吊系統(tǒng)或升降系統(tǒng)能成功與無(wú)人裝備對(duì)接。

捕捉機(jī)構(gòu)的緩沖阻尼系統(tǒng)將水面無(wú)人裝備減速并停止，側(cè)向夾持系統(tǒng)通過(guò)鋼絲繩和阻尼系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，兩系統(tǒng)中均包含液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)。武曉鳳在對(duì)各種液壓缸內(nèi)置式緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖機(jī)理分析基礎(chǔ)上，指出了環(huán)形、圓錐、斜面、固定節(jié)流小孔等內(nèi)置緩沖形式存在速度、載荷、加速度曲線等緩沖不利因素。為此，本文研究的聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)采用單向閥、節(jié)流閥組合方式，以提升緩沖油缸阻尼效果。

1.1 阻尼系統(tǒng)

阻尼系統(tǒng)主要組成包括阻攔網(wǎng)、阻攔支撐框架、移動(dòng)滑輪組I、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、阻尼油缸、傳導(dǎo)鋼絲繩，見(jiàn)圖2。回收工況時(shí)，水面無(wú)人裝備以一定速度進(jìn)入捕捉區(qū)域，撞擊阻攔網(wǎng)，帶動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)滑輪組I推動(dòng)阻尼油缸活塞桿伸出。阻尼油缸起阻尼作用，為水面無(wú)人裝備回收提供前進(jìn)方向的阻尼保障，持續(xù)減緩水面無(wú)人裝備的速度直至與母船保持相對(duì)靜止。

1—阻攔網(wǎng)；2—阻攔支撐框架；3—移動(dòng)滑輪組I；4—移動(dòng)機(jī)構(gòu)；5—阻尼油缸；6—傳導(dǎo)鋼絲繩。

1.2 側(cè)向夾持系統(tǒng)

側(cè)向夾持系統(tǒng)主要組成有夾持支架及基座、移動(dòng)滑輪組II、側(cè)移機(jī)構(gòu)、夾持油缸、轉(zhuǎn)角滑輪組，見(jiàn)圖3。回收工況時(shí)，阻尼系統(tǒng)動(dòng)作通過(guò)移動(dòng)滑輪組I、轉(zhuǎn)角滑輪組和移動(dòng)滑輪組II傳遞給側(cè)向夾持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)阻尼系統(tǒng)和側(cè)向夾持系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，有助于更好地校正無(wú)人裝備的回收姿態(tài)，便于后續(xù)自動(dòng)捕捉回收，提高水面無(wú)人裝備自動(dòng)回收的成功率。夾持機(jī)構(gòu)成對(duì)布置，其底座采用模塊化、系列化、通用化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整安裝位置、更換底座系列，可以兼顧一大部分的水面無(wú)人裝備通用適配性。

1—夾持支架及基座；2—移動(dòng)滑輪組II；3—側(cè)移機(jī)構(gòu)；4—夾持油缸；5—轉(zhuǎn)角滑輪組。

1.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力系統(tǒng)，主要由動(dòng)力單元、控制單元和執(zhí)行元件等組成。在回收工況時(shí)，聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)被動(dòng)工作，無(wú)需液壓系統(tǒng)的參與；只有在布放工況時(shí)，液壓系統(tǒng)作為張開(kāi)夾持支架及基座的動(dòng)力。在布放工況時(shí)，液壓系統(tǒng)給夾持油缸無(wú)桿腔充油，推動(dòng)活塞桿伸出，帶動(dòng)夾持支架及基座外移，保障下一次回收工作正常進(jìn)行。由于此液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可由母船上已有的液壓系統(tǒng)輔助提供，無(wú)需另外配備。

2 工作原理

2.1 回收工況

水面無(wú)人裝備以一定的初始速度進(jìn)入捕捉區(qū)域，撞擊聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)頭部的阻攔網(wǎng)，帶動(dòng)阻尼油缸活塞桿伸出。由于阻尼油缸兩腔都充滿液壓油，當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，兩腔液壓油受壓，液壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥流向1腔。由于節(jié)流閥的節(jié)流作用，兩腔產(chǎn)生一定的液阻力，阻礙活塞桿的伸出，形成阻尼效果，從而使水面無(wú)人裝備的運(yùn)行速度平緩過(guò)渡至與母船相同狀態(tài)。阻尼效果可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥節(jié)流口的大小進(jìn)行調(diào)整。

阻尼油缸活塞桿伸出的同時(shí)，夾持油缸活塞桿聯(lián)動(dòng)縮回。此時(shí)，夾持油缸無(wú)桿腔液壓油受壓，經(jīng)過(guò)電磁閥流出，一部分給夾持油缸有桿腔補(bǔ)油。由于夾持油缸兩腔面積不同，無(wú)桿腔流出的液壓油大于有桿腔所需的液壓油，多余的液壓油流回油箱。其原理圖見(jiàn)圖4。

1、2—阻尼油缸的兩個(gè)腔室。

阻尼油缸為兩腔面積相同的形式，且液壓缸不存在外泄漏，所以緩沖油缸兩腔液壓油一進(jìn)一出，自給自足，不需要外接管路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。

阻尼油缸可伸縮部分安裝移動(dòng)滑輪組I，固定部分安裝轉(zhuǎn)角滑輪組，夾持油缸可伸縮部分安裝移動(dòng)滑輪組II，這3個(gè)滑輪組通過(guò)鋼絲繩連接。所以，阻尼油缸活塞桿伸縮通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)夾持油缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)前后左右2個(gè)方向上的聯(lián)動(dòng)，見(jiàn)圖5。

回收工況時(shí)，阻尼系統(tǒng)將水面無(wú)人裝備減速最終與母船保持相對(duì)靜止的同時(shí)，側(cè)向夾持系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)矯正，最終夾緊無(wú)人裝備，便于后續(xù)自動(dòng)捕捉回收。夾持油缸組在水面無(wú)人裝備回收工況中，提供阻尼功能；在布放工況中，作為張開(kāi)夾持機(jī)構(gòu)的動(dòng)力原件。

2.2 布放工況

回收水面無(wú)人裝備之后，要將捕捉機(jī)構(gòu)復(fù)位，稱(chēng)為布放工況。液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的液壓油給夾持油缸的無(wú)桿腔，并切換電磁閥，液壓油推動(dòng)夾持油缸活塞桿伸出，帶動(dòng)阻尼油缸活塞桿被動(dòng)收回。阻尼油缸1腔液壓油受壓，經(jīng)過(guò)單向閥流向Ⅱ腔。單向閥相比于節(jié)流閥同流能力大且壓力損失小，因此阻尼油缸活塞桿快速收回，捕捉機(jī)構(gòu)快速?gòu)?fù)位，為下一次回收水面無(wú)人裝備做好準(zhǔn)備。

1—移動(dòng)滑輪組I；2—阻尼油缸；3—傳導(dǎo)鋼絲繩；4—移動(dòng)滑輪組II；5—夾持油缸；6—轉(zhuǎn)角滑輪組。

采用阻尼-夾持聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)是為了保證水面無(wú)人裝備在回收時(shí)更好地校正姿態(tài)，保證其能夠準(zhǔn)確地停放于自動(dòng)回收位置。阻尼裝置及夾持裝置均采用了包圍式移動(dòng)軌道設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析

3.1 水面無(wú)人裝備初始速度分析

國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)MSC.81(70)《救生設(shè)備試驗(yàn)建議》“5.4 降落試驗(yàn)”規(guī)定，母船靜水航速不低于5 kn。阻尼系統(tǒng)作用下水面無(wú)人裝置速度變化值的計(jì)算如下：

=-

式中：為水面無(wú)人裝置航速，參考有人小艇平均經(jīng)濟(jì)航速12～15 kn，此處取12 kn；為母船工作時(shí)航行速度，參考國(guó)內(nèi)工作艇帶航速收放要求，以6.5、7.5、8.5 m等工作艇收放裝置帶航速收放技術(shù)要求為例，其要求為≤10 kn，此處取10 kn。

經(jīng)計(jì)算，=2 kn。

3.2 沖擊力分析

水面無(wú)人裝備撞擊聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)沖擊力的計(jì)算如下：

式中：為質(zhì)量，=5×10kg；為設(shè)計(jì)阻尼行程，=1 m。

經(jīng)計(jì)算，≈26.5 kN。最終，取30 kN。

3.3 阻尼油缸和夾持油缸分析

在布放工況時(shí)，液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的液壓油給夾持油缸的無(wú)桿腔，夾持油缸活塞桿伸出，通過(guò)鋼絲繩將阻尼油缸活塞桿被動(dòng)收回。聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)為空載狀態(tài)，夾持油缸活塞桿只需要克服自身的摩擦阻力和阻尼油缸縮回的摩擦阻力，幾乎無(wú)其他外在阻力，此時(shí)受力很小，不作考慮。

分析油缸選型的公式如下：

=4π(-)

式中：為阻尼油缸拉壓力；為油缸缸徑；為油缸桿徑。

在回收水面無(wú)人裝備工況時(shí)，阻尼油缸活塞桿受拉力≈30 kN，此時(shí)阻尼油缸有桿腔受力(兩腔均為有桿腔)，夾持油缸為無(wú)桿腔受力，兩油缸通過(guò)鋼絲繩聯(lián)動(dòng)。初選油缸缸徑=63 mm，桿徑=35 mm，設(shè)計(jì)壓力為20 MPa，則阻尼油缸拉壓力=14 MPa<20 MPa，滿足要求。

夾持油缸壓力=10 MPa<20 MPa，滿足要求。

4 結(jié)論

在高海況(3級(jí)以上)下進(jìn)行收放作業(yè)，對(duì)設(shè)備的功能、人員的操作熟練度等軟硬件都有很高的要求。通過(guò)對(duì)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的使用，在回收水面無(wú)人裝備時(shí)，可使被回收設(shè)備較快速地進(jìn)入捕捉區(qū)域，并保持相對(duì)穩(wěn)定的姿態(tài)，便于后續(xù)回收工作的開(kāi)展。簡(jiǎn)單的聯(lián)動(dòng)體系，可減少人員和元器件的干預(yù)，提高作業(yè)安全性、系統(tǒng)可靠性。

(1)阻尼與夾持系統(tǒng)形成聯(lián)動(dòng)，提高了校正水面無(wú)人艇回收姿態(tài)的效率。

(2)聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)采用防腐、防水設(shè)計(jì)，具備在水中浸沒(méi)狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)作的能力。

(3)聯(lián)動(dòng)捕捉機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具備分級(jí)適應(yīng)性，滿足不同水面無(wú)人裝備的自動(dòng)捕捉需求。