一種新型氣控潛水設備設計

孫旭光，單世延，王 冰

（1.淮海工學院 機械工程學院，連云港 222000；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，徐州 221000）

一種新型氣控潛水設備設計

孫旭光1，單世延2，王 冰2

（1.淮海工學院 機械工程學院，連云港 222000；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，徐州 221000）

0 引言

21世紀被稱為海洋世紀，隨著人們對海洋資源開發(fā)的深入，人們將會更多地從事水下作業(yè)因此也就期待著在技術上提供更加便捷、廉價和可靠的受控潛水設備。目前，實現(xiàn)潛水作業(yè)的潛水設備大都采用增加壓艙物下潛，拋棄壓艙物上浮和采用電渦輪驅動實現(xiàn)浮動和行走控制，軍事上的潛水艇采用的是數(shù)個金屬倉壓水或充氣排水的方式來實現(xiàn)其下潛或上浮，和采用電渦輪機驅動方式實現(xiàn)行走的控制[1,2]。上述無論有人或無人，有纜或無纜的受控潛水物，從民用上來考慮，其設備普遍存在著結構復雜、造價高的缺點，難于獲得普遍性的民用推廣。

目前，水下潛水設備大都采用水下電力驅動，還有個別液壓驅動[3]。隨著水下氣動技術、新型耐海水腐蝕材料的發(fā)展，采用水下氣壓傳動技術的新型潛水設備將進一步拓展水下潛水設備驅動和控制的研究和應用領域。

1 設計要求

新型氣控潛水設備要達到以下設計要求：

1）最大工作深度：水下200m；

2）最大潛浮調節(jié)速度：3L/min；

3）最大浮力調節(jié)能力：30kgf；

4）外形尺寸：700mm×500mm×550mm；

5）總質量：25kg；

6）系統(tǒng)總體結構在滿足深水壓力的條件下，重量與排水體積的比值盡可能小；

7）系統(tǒng)要密封良好，維護方便，可拆性好，便于改裝和加減設備。

2 潛水設備關鍵部件設計

本文所設計的氣控皮囊式潛水設備是以壓縮空氣作為動力源，來實現(xiàn)設備的下潛、上浮以及姿態(tài)調整的，它是由儲氣筒、彈性皮囊及配重等構成的一種簡單的潛水設備。

2.1 耐壓儲氣筒的設計

水下潛水設備的耐壓儲氣筒是用來存儲動力能源——壓縮氣體的，也是潛水設備主要浮力的主要提供者，它的結構形式、強度、密封性對于整個系統(tǒng)是非常重要的。由于所設計的潛水設備最大潛深為200m，作業(yè)深度小于800m。根據(jù)已有經(jīng)驗，結構采用半球型封頭的圓柱形耐壓殼體[5]。材料選用高強度低合金鋼。

儲氣筒最大壓力選擇為最大水深對應壓力的2倍，即400米深度下的壓力4Mpa。儲氣筒直徑選擇為0.3米，則滿足強度要求的儲氣筒厚度為：

式中，P為壓縮氣體壓力（MPa），4MPa；

Di為計算球體直徑（mm），300mm；為許用應力（MPa），普通碳鋼為133MPa；

φ為焊接系數(shù)，取0.8。

計算得：δ=4.03mm，鑒于安全等方面的考慮，選取鋼板厚度為6mm；

儲氣筒球面積S=4πR2=0.2826(m2)；

計算儲氣筒球重量：

筒球浮力F浮=4/3πR3×ρ水，取海水重度ρ水取為1.1g/cm3；

儲氣筒球體積：V= 4/3πR3=0.01413(m3)；則儲氣筒球浮力：

2.2 浮體設計

浮體是重要的浮力來源，應該滿足質量體積比越小越好，本文設計選擇的浮體材料為彈性橡膠皮囊，具有耐磨性、耐腐蝕性耐老化性等優(yōu)點。彈性皮囊是機器人的浮力調整機構，設計上該體積不可過大，過大會使得充氣時間過長，并且過大在機器人布置上也存在不合理問題，但該體積也不能過小，過小會使得機器人設計上自身重量要求小，機器人帶超載能力低。氣囊的總內體積方案可為選取V的1/2左右。考慮到機器人需要姿態(tài)調整選取彈性皮囊數(shù)量為4個，并分別安放在儲氣筒的四個角上，如圖1所示。

圖1 皮囊布置方案

對應于潛深300米～1000米范圍內，工作介質都為氣體狀態(tài)的，不可能為液態(tài)。

取皮囊的體積為儲氣筒體積的1/2，則皮囊全體積為：0.01413/2m3；

四個彈性皮囊總共可提供的最大浮力為：77.5N；

每一個皮囊提供的最大浮力為：19.4N；

半充氣狀態(tài)四個彈性皮囊總共可提供的最大浮力為：39N。

液面深度附近機器人皮囊處于半壓縮狀態(tài)皮囊及儲氣筒提供的合成浮力為：

200米深度時，皮囊受200米水壓作用的總體積為：

200米深度時皮囊總浮力F囊：77.5÷20=3.875(N)；

200米深度時機器人由儲氣筒和皮囊提供的總浮力F總：155+3.875=159(N)；

200米深度時皮囊重新充氣到1/2體積時，提供的總浮力=232.5(N)；

機器人其他重量的補充：

壓縮空氣質量為：

式中：P為最大水深h產(chǎn)生的絕對單位靜水壓強，MPa；

R為克拉伯龍常數(shù)，8314帕·升/摩爾·K；

T為環(huán)境水絕對溫度，K。

因此，計算得：

皮囊自身材料體積為皮囊總體積1/5，皮囊密度為1.36g/cm3，則皮囊的總質量：

取管路、皮囊壓縮彈簧系統(tǒng)、儀表控制倉的重量M其他為4.0kg，則液面附近提供的總重為：

液面附近浮力F與設備重力G之差：

F-G差即為液面附近潛水設備達到重力和浮力平衡時需加的配重量，此時設備的重量為：

因此可選擇超載重量m超為潛水設備設計要求重量減去上述重量：

此超載重量對應的皮囊需半體積后再膨脹體積為：

上述體積占皮囊的全體積的比率：

經(jīng)上述計算分析校核得知：

1）自由液面附近的儲氣筒加1/2皮囊提供的總浮力＞潛水設備總重量；

潛水設備提供的總浮力232.5N ＞總重力96N；

2）機器人超載重量可選為1.7kg，滿足不小于1.5kg的設計要求；

3）設計的機器人總重量滿足不大于25kg的要求；

4）在200米液下，皮囊恢復到1/2+5.5%體積時，機器人即可上浮，皮囊膨脹體積在合理范圍；

5）設計方案在滿足設計要求的指標下，其重量、強度、下潛上浮等方面均可行合理。

所設計的潛水設備載體采用的框架式，載體的總體布局比較合理，增減和拆裝設備儀器都比較方便，而且框架還起到了圍護、支撐和保護設備在水下運動時免遭到碰撞的作用。為了減小在水下的阻力，減少動力消耗，該水下機器人的主體部件采用了流線體型，整個系統(tǒng)的結構設計基本上是一個左右、前后對稱的外形，四角處各有一個氣囊，為了防止在水中運行時碰到障礙物，以致?lián)p壞氣囊，所以氣囊外圍都加固了一層不銹鋼的保護欄[6]。在設備總重量不變的情況下，通過氣囊的充排氣來實現(xiàn)系統(tǒng)的上下沉浮。其外形結構簡如圖2所示。

圖2 潛水設備外形結構簡圖

3 潛水設備功能的實現(xiàn)過程

根據(jù)設計要求，該設備系統(tǒng)控制回路包括：潛浮控制回路、水平運動控制回路、姿態(tài)調整回路和氣缸進退回路，設計原理圖如圖3所示。

圖3 潛水設備的氣動系統(tǒng)原理圖

潛水設備在下潛之前，各充氣支路和排氣支路上的電磁閥均處于斷電常閉狀態(tài)，氣囊是處于未充高壓氣的狀態(tài)。

在下潛階段，隨著深度的增加，4壓力傳感器感受到海水的壓力作用反饋到計算機，當設備下沉到預定的深度時，位于6氣囊充氣支路上的四個5二位二通電磁閥通過PLC控制被同時通電打開，儲存在2高壓儲氣筒內的壓縮空氣經(jīng)過3減壓閥的調壓，輸出符合要求的壓縮空氣，電磁開關閥的閥門開啟，壓縮空氣逐漸充入氣囊，由于所用的二位二通電磁閥的開關頻率是受PLC的控制，所以氣體是間歇性的充入氣囊，壓力傳感器也能測量出充入氣囊內的氣體壓力，從而反饋到計算機。

氣囊充氣后逐漸膨脹，體積增加，整個設備的浮力也隨之增加，當設備浮力等于設備自身的重力時，整個系統(tǒng)懸浮于水中，此時通過PLC控制關閉充氣支路上的四個5電磁開關閥，打開姿態(tài)調整支路上的控制渦輪a、b的電磁開關閥a、b，壓縮空氣通過電磁開關閥輸入到10氣動馬達，氣動馬達將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能，帶動渦輪旋轉，從而推動整個系統(tǒng)前進。當關閉電磁開關閥a、b，控制渦輪c和d的電磁開關閥c、d通電打開后，氣動馬達帶動渦輪c和d旋轉，推動整個系統(tǒng)向著與之前運動的反方向運動，即后退。當電磁開關閥a通電打開，b關閉，電磁開關閥d打開，d關閉，整個系統(tǒng)就會做旋轉運動。整個系統(tǒng)的前進、后退及旋轉的速度均由9節(jié)流閥控制。

為了探索，觀察海底的狀況，整個系統(tǒng)還配有照明燈和水下攝像頭，照明燈和水下攝像頭均是由8氣缸控制的，當PLC控制的電磁開關閥通電打開后，壓縮空氣通過閥門進入到氣缸的下腔，推動氣缸的活塞桿向上運動，從而推動照明攝像設備向上運動，由于系統(tǒng)本身能夠做姿態(tài)調整，照明攝像設備也可隨著系統(tǒng)本身轉動，以便觀測其周圍的狀況，當關閉電磁開關閥后，活塞桿退回，照明攝像設備向下返回依附于機電室旁邊，以免碰撞，以致?lián)p壞設備。

潛水設備在上浮階段，PLC控制的氣囊充氣支路上的5電磁開關閥通電打開，壓縮空氣繼續(xù)往氣囊里充氣，氣囊體積繼續(xù)膨脹，設備浮力增加，當設備浮力大于設備自身的重力時，整個系統(tǒng)開始上浮，當壓力傳感器檢測出氣囊內氣體壓力的上限時，關閉充氣支路上的電磁開關閥，停止對氣囊充氣，此時，整個系統(tǒng)還是處于上浮階段，當上浮到預先設定的高度后，PLC控制的四個氣囊的7排氣電磁閥通電打開，儲存在氣囊中的壓縮空氣通過氣囊排氣電磁閥向低壓排氣筒內排氣，氣囊體積縮小，浮力隨之減小，當浮力小于設備自身重力后，設備開始下沉，整個系統(tǒng)處于下潛階段，到達下潛深度下限時，氣囊排氣電磁閥關閉，氣囊停止排氣。因此，該設備就會被控制在設定的下潛上限與下潛上限之間浮沉，即實現(xiàn)了設備的液下沉浮控制，又實現(xiàn)了設備液下定位控制和姿態(tài)控制。當下潛確定的沉浮時間到達時，用PLC控制的氣囊充氣電磁閥通電打開，氣囊排氣電磁閥關閉， 高壓儲氣筒中的壓縮空氣通過氣囊充氣管路對四個氣囊進行充氣，設備開始上浮，直至浮出水面。

4 結論

設計研究了一種新型潛水設備，該設備具有以下優(yōu)點：

1）采用自帶的廉價的高壓儲氣筒、低壓排氣筒以及充、排氣彈性氣囊構成的調節(jié)浮力系統(tǒng)，可實現(xiàn)下潛、上浮和懸浮定位的基本功能，載體系統(tǒng)結構簡單，造價低廉，可靠性高特點，具有很高的實用價值。

2）非常適用于海底搜索、水樣調查、海生物識別等，即經(jīng)濟實惠、可操作性強又安全可靠。

3）結構簡單、質量輕、尺寸小、造價低、活動范圍大、潛水深度可調、不需要龐大的水面支持系統(tǒng)，運行和維護費用都比較低，有利于推廣使用，有著很大的使用價值和經(jīng)濟價值。

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The design of a new type of pneumatic control equipment

SUN Xu-guang1, SHAN Shi-yan2, WANG Bing2

針對現(xiàn)有潛水設備結構復雜等問題，設計了一種新型氣控皮囊式潛水設備，該設備由浮體框架、氣囊、配重、高低壓儲氣筒等構成，其最大下潛深度為200m，該潛水設備具有結構簡單、造價低廉和可靠性高等優(yōu)點，具有明顯的民用推廣價值。

潛水設備；氣控；皮囊

孫旭光（1960 -），男，教授，博士，研究方向為流體傳動與控制工程研究。

TH122

A

1009-0134(2015)12(上)-0102-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.30

2015-07-17