水下機(jī)器人壓載釋放裝置的設(shè)計(jì)

唐　娟，付佳杰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

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水下機(jī)器人壓載釋放裝置的設(shè)計(jì)

唐娟，付佳杰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

介紹了壓載釋放裝置的工作原理及用途，分析了應(yīng)急拋載成功的關(guān)鍵因素，提出了壓載釋放裝置的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)壓載釋放裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

應(yīng)急；直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)；釋放壓載

海洋世界蘊(yùn)藏著豐富的資源，近幾十年來(lái)，人類(lèi)對(duì)海洋的探索工作在不斷地深入。深海能源開(kāi)采、海底科學(xué)研究、海洋救助與打撈等深海作業(yè)的迅速發(fā)展，必然會(huì)對(duì)水下機(jī)器人提出更高的需求。為了有效利用海洋豐富的資源，世界各國(guó)都在大力開(kāi)展深海探測(cè)技術(shù)的研究[1-3]。

水下機(jī)器人由于工作環(huán)境的未知性，在作業(yè)過(guò)程中很容易遇到各種突發(fā)的緊急狀況，此時(shí)需要機(jī)器人具有可靠的應(yīng)急處理能力。一般通過(guò)壓載釋放裝置拋棄重物，使水下平臺(tái)獲得正浮力上浮回收。壓載釋放裝置的主要功能是接收釋放壓載的指令時(shí)，自動(dòng)釋放壓載與本體脫離，從而獲得正浮力上浮，起到應(yīng)急保護(hù)的作用[4-5]。

1　結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

水下機(jī)器人在水中航行時(shí)，壓載釋放裝置是一種由于某種故障而導(dǎo)致失控的應(yīng)急手段。當(dāng)壓載釋放裝置在滿(mǎn)足條件或接收到指令后將迅速執(zhí)行釋放壓載的動(dòng)作，使運(yùn)載平臺(tái)快速上浮。在突發(fā)緊急狀況時(shí)，壓載與殼體的分離是水下機(jī)器人獲得正浮力最重要的手段之一，工作可靠性要求很高；壓載釋放裝置的動(dòng)作失敗，將會(huì)導(dǎo)致水下機(jī)器人無(wú)法上浮，而其誤動(dòng)作將出現(xiàn)不應(yīng)有的上浮動(dòng)作。因此，壓載釋放裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)充分保證其工作的可靠性和及時(shí)性。

整個(gè)裝置主要包括密封蓋、安裝架、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板、釋放軸、鋼球以及電纜密封件等。在遇到緊急狀況時(shí)，接收到控制系統(tǒng)發(fā)送的釋放指令，則釋放壓載。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　壓載釋放裝置結(jié)構(gòu)組成

1.2工作原理

壓載裝載過(guò)程：壓載向上裝入釋放裝置到位后，由控制系統(tǒng)給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板上電，控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)釋放軸向下運(yùn)動(dòng)，利用其端部的錐度，可輕松地將鋼球推向外側(cè)使之進(jìn)入壓載的凹槽。此時(shí)，釋放軸頂著鋼球，鋼球緊靠釋放軸外側(cè)，壓載被鎖定，完成裝載。

壓載釋放過(guò)程：遇到緊急狀況時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板接收控制系統(tǒng)釋放指令，控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)釋放軸向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到一定值時(shí)，鋼球解鎖，壓載在自身重力作用下脫落。

2　零部件設(shè)計(jì)

2.1釋放軸設(shè)計(jì)

根據(jù)釋放壓載的質(zhì)量以及安裝空間尺寸，初步確定釋放軸直徑大小，選定釋放軸密封圈型號(hào)。

2.2直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)釋放壓載的質(zhì)量求得釋放軸的摩擦力Fs，以及釋放軸所受到的水壓力F1。此時(shí)，釋放軸上O型圈所受的摩擦力可忽略不計(jì)，則電動(dòng)機(jī)軸的最大工作負(fù)載為：

F=F1-Fs

根據(jù)計(jì)算所得的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，選擇合適的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部的程序控制，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行行程可自行設(shè)定，從而滿(mǎn)足裝載和釋放的功能要求。

2.3密封蓋厚度計(jì)算

在進(jìn)行密封蓋耐壓殼體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保殼體強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，但密封蓋耐壓殼體受海水壓力的外壓作用，屬外壓容器，它往往不是因?yàn)閺?qiáng)度不足被破壞，而是當(dāng)外壓增大到一定值時(shí)，殼體喪失其穩(wěn)定性，從而造成耐壓殼體的破壞，即失穩(wěn)現(xiàn)象；因此，在計(jì)算受外壓的密封蓋耐壓殼體時(shí)，可不必用薄殼理論的復(fù)雜計(jì)算公式計(jì)算強(qiáng)度，而只進(jìn)行保證殼體穩(wěn)定性的計(jì)算就能滿(mǎn)足實(shí)用要求。

密封蓋常用材料有鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料、玻璃鋼和有機(jī)玻璃等。通過(guò)比較常用耐壓殼體材料的性能，并考慮輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐腐蝕等要求，選用5A06鋁合金材料，該材料耐腐蝕性較好，焊接性較好，適合工作水深的耐壓要求。殼體的厚度t計(jì)算如下：

根據(jù)結(jié)構(gòu)及加工實(shí)際情況，選取殼體厚度最小值。

2.4密封蓋穩(wěn)定性校核

密封蓋的尺寸參數(shù)一般屬于短圓筒結(jié)構(gòu)，因此，其穩(wěn)定性校核按照短外壓圓筒計(jì)算。根據(jù)拉姆公式計(jì)算短圓筒的穩(wěn)定性：

式中，Pcr2是失穩(wěn)破壞壓力；E是材料彈性模量；L是密封蓋長(zhǎng)度；D是密封蓋外徑。

當(dāng)Pj

2.5其他零部件設(shè)計(jì)

1)對(duì)于壓載質(zhì)量較大的鋼球應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2)安裝架強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行校核，其受力情況簡(jiǎn)化為圓環(huán)板受力分析。整個(gè)平板上作用均勻載荷，大小按最大工作水壓計(jì)算。

3　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的壓載釋放裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好，且工作可靠。該型裝置可應(yīng)用于水下機(jī)器人的拋載系統(tǒng)，當(dāng)在水底作業(yè)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，發(fā)送命令控制壓載釋放裝置拋棄壓載，可使運(yùn)載平臺(tái)獲得正浮力上浮至安全水域。

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機(jī)器人[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2]金碧霞，彭阿靜.某水下機(jī)器人電池組固定方式改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 新技術(shù)新工藝, 2014(7):58-60.

[3] 朱繼懋.潛水器設(shè)計(jì)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[4] 唐榮慶，曹智裕，張希賢.“探索者”號(hào)自治式水下機(jī)器人拋載系統(tǒng)的研制[J].海洋工程，2001，19(2)：85-87.

[5] 王璇，高波，劉濤，等.一種水下固體拋載裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2010(7)：35-37.

責(zé)任編輯鄭練

The Design of Underwater Vehicle Ballast Ejection Device

TANG Juan, FU Jiajie

(710th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Yichang 443003, China)

Introduce the working principle and use of ballast release device, analyze the key success factors for emergence ejection, and put forward the design method of ballast ejection device. In view of the problems found in the actual use, the design of ballast ejection device is optimized.

emergency, linear motor, releasing the ballast

TP 242

B

唐娟(1982-)，女，碩士，主要從事水下機(jī)器人等方面的研究。

2016-12-25