陳澤佳,李卓恒,徐健城,陳健民,肖嘉俊,張 靜*
(1.廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,廣東湛江 524088)
隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施,海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)充分利用國土資源成為了合理開發(fā)海洋資源的重要途徑。為實(shí)現(xiàn)漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖成為我國海水漁業(yè)養(yǎng)殖的主要發(fā)展方向。就網(wǎng)箱監(jiān)測而言,一旦網(wǎng)衣出現(xiàn)破損,若無法及時(shí)修補(bǔ),將出現(xiàn)魚類逃逸的問題,這不僅會(huì)給養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生物物種污染。然而網(wǎng)箱網(wǎng)衣破損的及時(shí)修補(bǔ)一直處于技術(shù)滯后狀態(tài)。目前養(yǎng)殖過程中針對(duì)網(wǎng)衣破損的及時(shí)修補(bǔ),常采用定期換網(wǎng)或?qū)I(yè)潛水員攜帶網(wǎng)針漁線等工具進(jìn)行水下網(wǎng)目排查修補(bǔ)的方式,其過程較為煩瑣,不僅存在操作效率問題,而且還需要熟練的網(wǎng)衣修補(bǔ)潛水員,對(duì)潛水員來說存在極大的安全隱患。因此,網(wǎng)衣的破損能否及時(shí)修補(bǔ)及其修補(bǔ)效率已成為影響深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖健康發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。本研究提出一種手持式深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍設(shè)計(jì),適用于提高潛水員在水下的網(wǎng)箱網(wǎng)衣修補(bǔ)工作效率。
深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要分布在水下10 ~ 200 m 海域內(nèi),在此環(huán)境下的水下洋流方向錯(cuò)綜復(fù)雜,且洋流力度較大,給潛水員的網(wǎng)衣檢查修補(bǔ)工作造成極大的干擾。目前針對(duì)網(wǎng)衣破損(圖1),潛水員主要采用梭形網(wǎng)針和漁線(圖2)在水下逐個(gè)網(wǎng)目排查并進(jìn)行修補(bǔ),不僅工作效率低、不易操作且對(duì)潛水員在水下進(jìn)行網(wǎng)衣修補(bǔ)的熟練程度有一定要求。結(jié)合深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特殊環(huán)境因素以及潛水員的人體機(jī)能因素,采用氣體活塞驅(qū)動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理,深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍主要分為儲(chǔ)氣緩沖部分、控氣部分、活塞驅(qū)動(dòng)部分、鉗釘部分和儲(chǔ)釘部分[1]。在確保實(shí)現(xiàn)功能的前提下,降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,減少設(shè)備自身重量并進(jìn)行一定的輕量化。
圖1 網(wǎng)箱網(wǎng)衣破損
圖2 梭形網(wǎng)針和漁線
潛水員佩戴專業(yè)潛水設(shè)備、氧氣瓶和網(wǎng)衣修補(bǔ)夾槍后,潛水對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行排查,在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)衣破洞后,通過網(wǎng)衣修補(bǔ)釘槍對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行快速修補(bǔ)。工作時(shí),潛水員將釘槍的鉗口放入待修補(bǔ)的網(wǎng)孔周邊的完好網(wǎng)孔(圖3 中兩個(gè)方塊為釘槍鉗的截面圖),然后扣動(dòng)扳手。由于釘槍通過密封氣管與氧氣瓶內(nèi)的高壓氣體連接,扣動(dòng)扳手時(shí),氧氣瓶內(nèi)的高壓氣體立刻進(jìn)入釘槍,緊接著通過固定在釘槍內(nèi)部的密封氣管進(jìn)入活塞缸前端,隨著氣體的增加,活塞受壓后移,帶動(dòng)與之固定的連桿機(jī)構(gòu),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)釘槍鉗合閉。由于夾槍前端固定有釘夾,釘夾內(nèi)的環(huán)型釘受彈簧作用將環(huán)形釘固定在夾槍鉗間,釘槍鉗合閉,環(huán)形釘受力彎曲,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)衣破洞的修補(bǔ)[2](圖4)。
圖3 釘槍鉗工作過程中與修補(bǔ)網(wǎng)衣的相對(duì)位置示意圖
圖4 原理示意圖
之后潛水員松開扳手,活塞受復(fù)位彈簧作用將活塞前端氣體排出,通過出氣管和單向閥將氣體排至儲(chǔ)氣瓶中,至此完成一次水下網(wǎng)衣破洞修補(bǔ)工作。
網(wǎng)衣修補(bǔ)釘槍整體結(jié)構(gòu)分為儲(chǔ)氣緩沖、控氣、活塞驅(qū)動(dòng)、鉗釘和儲(chǔ)釘5 大部分(圖5)。釘槍基本參數(shù)見表1。
圖5 網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍整體結(jié)構(gòu)示意圖
表1 釘槍基本參數(shù)
該部分包括氧氣瓶、閥座、耐高壓密封氣管和儲(chǔ)氣罐。通過閥座與密封氣管實(shí)現(xiàn)氧氣瓶和釘槍間的連接,氧氣瓶既能為潛水員提供氧氣,又能為釘槍提供氣壓來源和儲(chǔ)氣。由于氧氣瓶中氣壓相較活塞內(nèi)部氣壓過大,故通過儲(chǔ)氣罐實(shí)現(xiàn)一個(gè)緩沖過程,在滿足為氣槍儲(chǔ)氣的同時(shí),還能對(duì)進(jìn)入釘槍內(nèi)的氣體進(jìn)行一個(gè)緩沖過程,避免因氣壓過大而造成對(duì)釘槍的損壞。
使用氣體驅(qū)動(dòng)的好處在于,在滿足對(duì)釘槍驅(qū)動(dòng)的同時(shí),還能減輕釘槍重量,為夾槍提供適量的浮力,方便潛水員使用,達(dá)到安全環(huán)保的目的。
為了方便潛水員控制驅(qū)動(dòng)釘槍,設(shè)置了控氣部分,主要由控氣缸、扳手復(fù)位彈簧、O 型密封圈、扳手、壓縮彈簧、密封套筒和輸氣管組成。受工作環(huán)境影響,控氣部分的防水密封性要求較高,且需同時(shí)滿足動(dòng)靜密封的要求,因此采用有良好密封性能,既可用于靜密封,也可用于動(dòng)密封的O 型密封圈。未工作時(shí),受高壓氣體和扳手復(fù)位彈簧作用,O 型密封圈受壓變形,在密封接觸面上造成接觸壓力,由于接觸壓力大于海水壓力,因此不發(fā)生泄漏。工作時(shí),潛水員扣動(dòng)扳手,扳手復(fù)位彈簧受力壓縮,控氣缸后端的O 型密封圈不再受壓,氣體沿進(jìn)氣孔和輸氣管迅速進(jìn)入活塞缸內(nèi)。由于控氣缸前端的導(dǎo)氣管內(nèi)部固定有O 型密封圈、密封套筒和壓縮彈簧,壓縮彈簧通過與扳手后端固定,實(shí)現(xiàn)壓縮產(chǎn)生彈力,反作用于導(dǎo)氣管前端的密封套筒和O 型密封圈,使其受力壓縮變形,達(dá)到潛水員扣動(dòng)扳手時(shí)仍能保障控氣缸的防水密封性的目的[3]。
活塞驅(qū)動(dòng)部分通過活塞缸、活塞蓋、密封墊片、活塞桿、密封墊片、密封墊圈、出氣管、活塞復(fù)位彈簧和連桿組成?;钊鬃鳛閵A槍的驅(qū)動(dòng)部分,其防水密封性要求高,故采用密封墊片,通過螺栓固定在活塞缸和活塞蓋間,從而提高其氣密性。當(dāng)潛水員扣動(dòng)扳手,氣體進(jìn)入活塞桿前端時(shí),隨著氣體的不斷增加,氣體壓縮活塞桿后退?;钊麠U與連桿通過鉚釘固定連接,帶動(dòng)連桿后退。當(dāng)潛水員放松扳手后,活塞缸內(nèi)氣體不再增加,由于活塞缸后端與活塞桿間固定有活塞復(fù)位彈簧,活塞復(fù)位彈簧通過對(duì)活塞桿反作用,推動(dòng)活塞桿,將活塞缸內(nèi)氣體通過出氣管排回至氧氣瓶內(nèi)。
此部分設(shè)計(jì)了兩個(gè)夾鉗,夾鉗下方均設(shè)有與環(huán)形釘配合的凹槽,在固定環(huán)形釘?shù)耐瑫r(shí),便于對(duì)環(huán)形釘進(jìn)行施力彎曲。夾鉗之間通過扭轉(zhuǎn)彈簧和鉚釘固定連接,通過扭轉(zhuǎn)彈簧對(duì)夾鉗進(jìn)行定位,同時(shí)達(dá)到減震和夾緊的功能。工作時(shí),夾鉗通過連桿與活塞連接,驅(qū)動(dòng)夾鉗的開閉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形釘?shù)氖┝澢?,達(dá)到快速修補(bǔ)網(wǎng)衣破洞的目的。
儲(chǔ)釘部分通過釘槍外殼固定于釘槍前端,包括釘夾殼、彈簧、環(huán)形釘復(fù)位載體以及環(huán)形釘。工作時(shí),環(huán)形釘復(fù)位載體通過彈簧將環(huán)形釘及時(shí)送至夾鉗下方凹槽內(nèi),為潛水員下一次驅(qū)動(dòng)夾槍做好準(zhǔn)備。
輔助部件為單向閥,通過與出氣管連接固定于釘槍底部,主要由閥芯、閥蓋、閥體、彈簧墊片和彈簧組成。工作時(shí),活塞受復(fù)位彈簧作用將活塞缸內(nèi)氣體通過出氣管排出。為使氣體順利排至儲(chǔ)氣瓶,防止儲(chǔ)氣瓶中的氣體倒流阻礙活塞缸排氣,設(shè)計(jì)采用單向閥實(shí)現(xiàn)出氣管與儲(chǔ)氣瓶的連接,從而保證釘槍不會(huì)因儲(chǔ)氣瓶中的氣體倒流而影響工作[3]。
網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍示意圖如圖6 所示。
圖6 網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍示意圖
與傳統(tǒng)的人工水下采用網(wǎng)針網(wǎng)線不斷纏繞打結(jié)方式修補(bǔ)網(wǎng)衣相比,本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地運(yùn)用氣動(dòng)壓力做功,結(jié)合連桿驅(qū)動(dòng)夾鉗運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行網(wǎng)衣破洞修補(bǔ),訂書機(jī)式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣槍的促發(fā)方式則讓工作人員簡單方便快捷的實(shí)現(xiàn)水下補(bǔ)網(wǎng),擺脫傳統(tǒng)人工低效修補(bǔ)的痛點(diǎn)。
網(wǎng)衣修補(bǔ)釘槍的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為前端的夾鉗和連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),為進(jìn)一步了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的速度位移等關(guān)系,現(xiàn)采用SolidWorks 中所配有的Motion 運(yùn)動(dòng)仿真插件,來對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作時(shí)其角位移變化規(guī)律(圖7),連桿位移變化規(guī)律(圖8)進(jìn)行分析。
由仿真結(jié)果可知,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大角位移為84°,連桿運(yùn)動(dòng)近似為平均速度1.5 mm/s 的勻速運(yùn)動(dòng),符合所設(shè)計(jì)的功能需求和安全性能。
隨著我國海洋漁業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)深海網(wǎng)箱配套設(shè)備的需求日益劇增。盡管網(wǎng)箱配套設(shè)備的研制已經(jīng)初具規(guī)模,但其主要涉及起捕、分級(jí)、轉(zhuǎn)運(yùn)、檢測、清理,針對(duì)水下網(wǎng)衣破損的及時(shí)修補(bǔ)卻一直處于技術(shù)滯后狀態(tài),設(shè)計(jì)了一種手持式深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍。該網(wǎng)衣修補(bǔ)氣動(dòng)釘槍在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上簡單,可靠性高,成本低,具有廣泛的實(shí)用價(jià)值,對(duì)深海網(wǎng)箱水下網(wǎng)衣修補(bǔ)設(shè)備的發(fā)展具有一定的參考作用。