水下機器人壓載釋放裝置的設計

唐　娟，付佳杰

(中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

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水下機器人壓載釋放裝置的設計

唐娟，付佳杰

(中國船舶重工集團公司 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，分析了應急拋載成功的關鍵因素，提出了壓載釋放裝置的設計方法。針對實際使用中發現的問題，對壓載釋放裝置的設計進行了優化。

應急；直線電動機；釋放壓載

海洋世界蘊藏著豐富的資源，近幾十年來，人類對海洋的探索工作在不斷地深入。深海能源開采、海底科學研究、海洋救助與打撈等深海作業的迅速發展，必然會對水下機器人提出更高的需求。為了有效利用海洋豐富的資源，世界各國都在大力開展深海探測技術的研究[1-3]。

水下機器人由于工作環境的未知性，在作業過程中很容易遇到各種突發的緊急狀況，此時需要機器人具有可靠的應急處理能力。一般通過壓載釋放裝置拋棄重物，使水下平臺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，自動釋放壓載與本體脫離，從而獲得正浮力上浮，起到應急保護的作用[4-5]。

1　結構組成與工作原理

1.1結構組成

水下機器人在水中航行時，壓載釋放裝置是一種由于某種故障而導致失控的應急手段。當壓載釋放裝置在滿足條件或接收到指令后將迅速執行釋放壓載的動作，使運載平臺快速上浮。在突發緊急狀況時，壓載與殼體的分離是水下機器人獲得正浮力最重要的手段之一，工作可靠性要求很高；壓載釋放裝置的動作失敗，將會導致水下機器人無法上浮，而其誤動作將出現不應有的上浮動作。因此，壓載釋放裝置的設計應充分保證其工作的可靠性和及時性。

整個裝置主要包括密封蓋、安裝架、直線電動機、電動機驅動板、釋放軸、鋼球以及電纜密封件等。在遇到緊急狀況時，接收到控制系統發送的釋放指令，則釋放壓載。整個裝置結構如圖1所示。

圖1　壓載釋放裝置結構組成

1.2工作原理

壓載裝載過程：壓載向上裝入釋放裝置到位后，由控制系統給電動機驅動板上電，控制電動機帶動釋放軸向下運動，利用其端部的錐度，可輕松地將鋼球推向外側使之進入壓載的凹槽。此時，釋放軸頂著鋼球，鋼球緊靠釋放軸外側，壓載被鎖定，完成裝載。

壓載釋放過程：遇到緊急狀況時電動機驅動板接收控制系統釋放指令，控制電動機帶動釋放軸向上運動，運動行程達到一定值時，鋼球解鎖，壓載在自身重力作用下脫落。

2　零部件設計

2.1釋放軸設計

根據釋放壓載的質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。

2.2直線電動機設計

根據釋放壓載的質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，釋放軸上O型圈所受的摩擦力可忽略不計，則電動機軸的最大工作負載為：

F=F1-Fs

根據計算所得的電動機負載，選擇合適的直線電動機。直線電動機由電動機驅動板內部的程序控制，電動機的運行行程可自行設定，從而滿足裝載和釋放的功能要求。

2.3密封蓋厚度計算

在進行密封蓋耐壓殼體設計時，應確保殼體強度和穩定性要求，但密封蓋耐壓殼體受海水壓力的外壓作用，屬外壓容器，它往往不是因為強度不足被破壞，而是當外壓增大到一定值時，殼體喪失其穩定性，從而造成耐壓殼體的破壞，即失穩現象；因此，在計算受外壓的密封蓋耐壓殼體時，可不必用薄殼理論的復雜計算公式計算強度，而只進行保證殼體穩定性的計算就能滿足實用要求。

密封蓋常用材料有鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、復合材料、玻璃鋼和有機玻璃等。通過比較常用耐壓殼體材料的性能，并考慮輕質、高強度和耐腐蝕等要求，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計算如下：

根據結構及加工實際情況，選取殼體厚度最小值。

2.4密封蓋穩定性校核

密封蓋的尺寸參數一般屬于短圓筒結構，因此，其穩定性校核按照短外壓圓筒計算。根據拉姆公式計算短圓筒的穩定性：

式中，Pcr2是失穩破壞壓力；E是材料彈性模量；L是密封蓋長度；D是密封蓋外徑。

當Pj

2.5其他零部件設計

1)對于壓載質量較大的鋼球應進行強度校核。

2)安裝架強度應進行校核，其受力情況簡化為圓環板受力分析。整個平板上作用均勻載荷，大小按最大工作水壓計算。

3　結語

本文設計的壓載釋放裝置結構簡單，安全性好，且工作可靠。該型裝置可應用于水下機器人的拋載系統，當在水底作業出現緊急狀況時，發送命令控制壓載釋放裝置拋棄壓載，可使運載平臺獲得正浮力上浮至安全水域。

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2000.

[2]金碧霞，彭阿靜.某水下機器人電池組固定方式改進設計[J]. 新技術新工藝, 2014(7):58-60.

[3] 朱繼懋.潛水器設計[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[4] 唐榮慶，曹智裕，張希賢.“探索者”號自治式水下機器人拋載系統的研制[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計[J].機械工程師，2010(7)：35-37.

責任編輯鄭練

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，主要從事水下機器人等方面的研究。

2016-12-25