基于活塞式解脫機(jī)構(gòu)的回收裝置設(shè)計(jì)與研究

譚 華

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

人類生活與海洋息息相關(guān)，海洋資源非常豐富，其開發(fā)利用和管理已受到各國(guó)的普遍重視。新世紀(jì)以來(lái)，海洋已成為國(guó)家利益拓展和安全空間延伸的一個(gè)重要戰(zhàn)略領(lǐng)域。目前，來(lái)自海洋方面的多種安全威脅日益嚴(yán)重。為更好地對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行探測(cè)和觀察，收集海洋相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，各類應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的水下平臺(tái)相繼研發(fā)成功并投入使用［1］。然而海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)在工作過(guò)程中一旦不能正常回收，將造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的丟失及重大經(jīng)濟(jì)損失，因此各種類型的水下設(shè)備回收裝置也得到相繼開發(fā)，但因其工作環(huán)境惡劣、受海水等諸多因素的影響，其工作可靠性低。一旦解脫機(jī)構(gòu)動(dòng)作不可靠或失靈，致使容器蓋不能及時(shí)打開，將使容器內(nèi)的海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法正常工作或損壞且不能回收，造成損失。目前國(guó)內(nèi)外通常采用的解脫機(jī)構(gòu)是采用熔斷或爆斷螺釘連接方式，其分離方式是工作任務(wù)完成后準(zhǔn)備回收前，啟動(dòng)控制線路使可斷螺釘熔斷或爆斷，使回收裝置浮出水面，但該裝置需單獨(dú)配置電源與控制單元，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜且不可靠［2］。

本文主要針對(duì)基于活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)的氣囊回收裝置進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹其結(jié)構(gòu)組成及工作方式，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及研究提供參考。

1 氣囊回收裝置系統(tǒng)組成

一種基于活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)的氣囊回收裝置主要由旋轉(zhuǎn)銷、控制單元、容器蓋、高壓安全閥、氣囊、高壓氣瓶、活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)、深度傳感器、電磁閥和充氣閥等組成，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)與容器蓋未解脫的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在容器蓋與活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)解脫連接后，容器蓋能繞旋轉(zhuǎn)銷旋轉(zhuǎn)，可使氣囊正常漲大，以增加回收裝置的氣囊浮力，從而確保設(shè)備的正常回收；控制單元在回收裝置入水后實(shí)時(shí)采集深度傳感器的數(shù)據(jù)，一旦檢測(cè)到超過(guò)回收裝置設(shè)定的工作深度，控制單元將開啟電磁閥對(duì)氣囊充氣，確保回收裝置安全回收。高壓氣瓶?jī)?nèi)可充空氣、氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w，根據(jù)回收裝置的工作深度、高壓氣瓶容積及氣囊容積等參數(shù)，可計(jì)算出高壓氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存氣體的壓力。高壓氣瓶通過(guò)充氣閥進(jìn)行充氣，為保證充氣過(guò)程及使用過(guò)程中的安全，在高壓氣瓶上設(shè)計(jì)有高壓安全閥，當(dāng)充氣壓力大于高壓安全閥的設(shè)計(jì)值時(shí)，將自動(dòng)卸壓，保證高壓氣瓶不被充爆，確保工作人員安全。

圖1 氣囊回收裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)與容器蓋未解脫的局部放大圖

活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)主要由聯(lián)接球鉸銷、O形密封圈、V形組合動(dòng)密封圈、密閉氣室殼體、活塞、彈簧、蓋板和充氣連接孔等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。氣囊存放在容器中，通過(guò)聯(lián)接球鉸銷與容器蓋上的耳環(huán)連接。當(dāng)氣囊內(nèi)充氣向上推動(dòng)容器蓋時(shí)，因聯(lián)接球鉸銷能旋轉(zhuǎn)一定角度，因此不會(huì)出現(xiàn)卡滯，能可靠解脫。為防止海水從活塞與密封氣室殼體的間隙進(jìn)入到密閉氣室內(nèi)部，設(shè)計(jì)了O形密封圈。同時(shí)設(shè)計(jì)了2個(gè)V形組合動(dòng)密封圈以確保氣室的密封性能。

圖3 活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

氣囊主要由安全卸壓閥、橡膠密封氣囊和接頭體組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。氣囊上設(shè)計(jì)有安全卸壓閥及接頭體，其中接頭體與橡膠密封氣囊通過(guò)二次硫化技術(shù)硫化為一體，其作為氣囊的進(jìn)氣接口，通過(guò)管路與電磁閥的出口連通。為保證橡膠密封氣囊的耐壓性，在其制作過(guò)程中設(shè)計(jì)有夾布層，以防止充氣時(shí)橡膠密封氣囊擴(kuò)張而產(chǎn)生變形，對(duì)其造成損壞。橡膠材料采用丁腈橡膠，與其他的橡膠材料相比，它具有良好的耐候性、耐海水性［3］。安全卸壓閥用于在回收裝置上浮過(guò)程中調(diào)節(jié)氣囊中的壓力，使其與外界不斷保持一定的壓力平衡，使設(shè)備最終上浮到水面而便于回收，防止出現(xiàn)氣囊脹破的現(xiàn)象。其工作原理是：隨著回收裝置在水中上下運(yùn)動(dòng)，安全卸壓閥會(huì)自動(dòng)開啟與關(guān)閉，當(dāng)氣囊內(nèi)外壓差為0.35MPa～0.4MPa時(shí)，安全卸壓閥在水壓的作用下會(huì)自動(dòng)開啟向水中放氣；當(dāng)氣囊內(nèi)外壓差低于0.1MPa時(shí)，安全卸壓閥恢復(fù)至原位，此時(shí)低壓安全閥密閉。安全卸壓閥的特點(diǎn)是既具有良好的密封性能，同時(shí)還具備靈敏的排氣功能，安全卸壓閥中彈簧力的選擇要合理，且預(yù)緊力可調(diào)。

圖4 氣囊結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)工作過(guò)程

本回收裝置可通過(guò)快速卡環(huán)等安裝在海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備上，并隨之一起入水。工作時(shí)，當(dāng)海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備因意外不能正常工作或其他不明原因下沉超過(guò)一定深度時(shí)，控制單元給出指令，開啟電磁閥，高壓氣瓶中的高壓氣體一路充入活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)中的密閉氣室，另一路充入氣囊內(nèi)部。此時(shí)由于密閉氣室體積小，其內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大，從而壓縮彈簧推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，達(dá)到解脫容器蓋與活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)連接的目的。容器蓋在氣囊內(nèi)氣體的壓力作用下繞旋轉(zhuǎn)銷旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖5），活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)與容器蓋解脫的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。當(dāng)高壓氣瓶繼續(xù)放氣時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)到位并在O形圈的作用下保證密封，高壓氣瓶中的氣體全部充到氣囊中，氣囊充氣后浮力增大，在浮力作用下攜帶海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備浮出水面，如圖7所示。任務(wù)完成后，將密閉氣室內(nèi)的氣體放出，活塞在彈簧的作用下復(fù)位，可重復(fù)使用。

圖5 活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)與容器蓋解脫后的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)與容器蓋解脫后的局部放大圖

圖7 氣囊浮出到水面的 狀態(tài)示意圖

3 氣囊回收裝置的主要特點(diǎn)

基于活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)的氣囊回收裝置依靠其自身攜帶的氣源作為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)快速打開容器蓋與容器連接的功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠，主要特點(diǎn)如下：

（1）利用活塞與密閉氣室殼體組成一封閉氣室，結(jié)構(gòu)緊湊。由于密閉氣室容積小，充氣時(shí)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)迅速增大，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

（2）該機(jī)構(gòu)在水下一定深度工作時(shí)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，迅速打開容器蓋，使用完畢后，放出氣體，活塞在彈簧的作用下自動(dòng)復(fù)位，可多次使用。

（3）聯(lián)合使用V形組合動(dòng)密封圈與O形密封圈，V形組合動(dòng)密封圈在充氣時(shí)借助密閉氣室內(nèi)的氣體使其膨脹，達(dá)到動(dòng)態(tài)密封性能要求。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)的氣囊回收裝置，對(duì)其系統(tǒng)組成及工作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，設(shè)計(jì)的活塞式氣動(dòng)解脫機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、密封性能高、工作可靠等特點(diǎn)，解決了目前水下回收裝置系統(tǒng)龐大、可靠性低等難題，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及研究提供參考。

［1］賈宏春.水下物體回收裝置的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（6）：63－64.

［2］陳兵，趙治平，高頻，等.水下物體打撈、回收裝置：中國(guó)，200820068481X［P］.2009－05－13.

［3］陳德才，崔德容.機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.