水下升降剖面儀絞車系統結構設計

郭平安，米智楠

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

水下升降剖面儀是用于在海洋中對某監測點垂直水柱溫、鹽、深等各種參數進行剖面觀測的儀器，對科學研究及國防安全等具有重要意義。水下升降剖面儀主要有爬纜式和絞車式。其中，絞車式水下升降剖面儀及其絞車系統在國外的研究起步較早，技術成熟且結構形式多樣，主要研究機構有伍茲霍爾研究所、華盛頓大學、俄勒岡大學等[1-4]。市場化的水下升降剖面儀絞車產品主要有美國Interocean公司的VPS系列，日本NiGk公司的AES系列。目前國內在這方面的研究起步較晚，研究較少，主要研究機構有國家海洋技術中心、中船重工710研究所以及中國海洋大學[5-7]等，但其研究的產品體積較大，結構尺寸不緊湊，且還沒有形成市場化的產品。

絞車式水下升降剖面儀主要依靠絞車系統的收放纜實現整個剖面儀的上升和下降，在上升和下降過程中，剖面儀進行觀測作業，因此絞車系統是整個水下升降剖面儀結構的核心組件。本文將對絞車系統的主要機械結構進行設計，以保證水下升降剖面儀進行順利的升降作業。

1 絞車系統結構總體組成

水下絞車系統是一項海洋工程實用技術，它涉及系留浮體的姿態控制、絞車電機及其控制技術、機電結構系統、收放纜技術以及耐腐蝕等一系列技術，是一個復雜的機電一體化系統[7]。如圖1所示，絞車系統機械結構主要由水下驅動電機、滾筒、排纜機構以及傳動系統等組成。工作時，電機驅動絞車滾筒旋轉，纏繞在滾筒上的纜繩隨著滾筒的旋轉實現收放，同時排纜裝置的導向活銷單元左右平移以實現纜繩在滾筒上的整齊排列，隨著纜繩的收放，整個水下升降剖面儀便實現上浮或者下潛。

圖1 絞車系統結構示意圖

2 絞車滾筒

絞車的滾筒主要用于纜繩的纏繞，其設計所需要考慮的主要有材料、滾筒的長度、直徑以及兩端擋盤的直徑等。對于材料的選擇，一般的水下絞車系統可以選擇使用鋁合金，極少數要求較高的場合可以選擇鈦合金，一些要求較低的場合也可選用不銹鋼[8]。鑒于鈦合金的成本較高以及不銹鋼的重量較重和在海水中耐腐蝕性較低的特性，最終選擇鋁合金作為絞車滾筒材料即可滿足受力、耐腐蝕、輕量化等方面要求。絞車的滾筒主要由三部分組成，分別為滾筒主體（即中間纜繩纏繞區）、兩端擋盤以及滾筒軸，滾筒選用光面滾筒。

如圖2所示，滾筒的基本尺寸有滾筒長度L，滾筒有效寬度B，滾筒直徑D0以及擋盤直徑Dm等。上述基本尺寸可根據結構緊湊性要求以及排纜長度等要求初步選擇，然后進行詳細計算：

計算卷筒可排纜長度l為[9]：

式（1）中，t=d+a（繞距即排纜間距）；d為纜繩直徑，a為圈間間隙；n為纜繩總層數為：

圖2 滾筒示意圖

3 排纜單元

在整個絞車系統中最核心的結構是排纜單元。當纜繩在滾筒上一層層纏繞時，如果沒有專門的排纜單元來引導纜繩在滾筒上的排列，那么纜繩同層之間的繞距（即排纜間距）就會稀疏不均勻，浪費滾筒的繞繩空間，并且同層纜繩之間或者相鄰層纜繩之間會出現相互交叉纏繞，影響順利作業。因此，需要設計一種專門的排纜單元來引導纜繩在滾筒上的整齊緊密排列。排纜單元一般分為手動排纜和自動排纜，水下剖面儀采用自動排纜技術實現纜繩的排放和回收。

如圖3所示，自動排纜單元的基本組成有：導向光桿、雙向絲杠、導向活銷單元、動力單元（傳動系2）等。導向活銷卡在雙向絲杠的螺旋槽中，纜繩從滾筒纏繞后穿過導向活銷單元。當絞車工作時，滾筒和雙向絲杠同時旋轉，在螺旋副的傳動作用下，導向活銷單元沿著導向光桿左右來回移動，且導向活銷單元與纜繩在滾筒上的左右平移同步。

圖3 自動排纜單元結構示意圖

3.1 雙向絲杠與活銷

雙向絲杠是一個具有左右螺旋的螺桿，左右螺旋相互對稱，螺距相同，其溝槽曲線是圓柱面上的螺旋線，溝槽截面為矩形，如圖4所示。在雙向絲杠的兩端連接換向處，必須設計成具有一定半徑的過渡圓弧形式（見圖4），這是為了活銷在通過兩端換向時能夠順利通過，不受阻礙和沖擊；若絲杠兩端設計成如圖5所示的尖角時，會造成對活銷的阻礙，不能順利換向，且產生較大沖擊，嚴重時會損壞活銷頭，甚至扯斷纜繩。

圖4 雙向絲杠（過渡圓弧）

圖5 雙向絲杠（尖角）

雙向絲杠的主要尺寸是外徑d1、內徑d2、螺距p.螺桿的上述尺寸d1、d2和p與活銷對螺桿的包角θ有關，必須統籌考慮。圖4中，左右螺旋在絲杠上每隔一段距離有一個十字交岔口，為了確保活銷能夠順利通過此交岔口，而不致錯道，應使活銷的包角θ滿足條件[10]：

此外，由機械原理知道，任何螺桿的正常運轉條件為：

式（3）和式（4）中，b1為左右螺旋交岔口軸向寬度；αm為絲杠中徑螺旋角；dm為絲杠中徑為摩擦角，ρ=αrctanμ，μ為摩擦系數。綜合式3和式4可得活銷配合的雙向絲杠的螺距p取值范圍為：

根據輪廓外形，適合應用于實際的活銷有圓弧輪廓的活銷和菱形輪廓的活銷。兩種輪廓的活銷相比，圓弧形輪廓的活銷可與槽面更好的相切，且運動中沖擊較少，因此選用圓弧形輪廓的活銷。

如圖6所示，為所設計活銷的主視圖和上視圖，圖中標注了活銷的主要設計計算參數。活銷長度Lb的計算與活銷包角θ和左右螺旋交岔口較長對角線長度有關，由下式計算：

圖6 活銷上視圖和主視圖

r1為絲杠內徑d2的一半；弓形高

活銷寬度b一般取比螺旋槽截面溝槽寬度小0.15～0.3 mm，活銷兩側圓弧的半徑R為：

對絲杠端部過渡曲線的主要要求是其與活銷之間的壓力角應盡量小，通過分析計算求絲杠端部過渡圓弧的半徑Rd如下：

3.2 動力單元

自動排纜單元工作時，基本運動是：雙向絲杠旋轉，通過螺旋副帶動導向活銷單元左右平移。雙向絲杠的驅動方式一般有獨立驅動方式或者與其他運動部件通過傳動系統連接共用動力源。獨立驅動一般是使用獨立的步進電機或者伺服電機與絲杠相連，由電機直接驅動雙向絲杠旋轉。但是這種驅動方式會增加設備成本和結構尺寸以及控制系統的復雜性，對控制系統的精確性要求也較高。由于采用機械傳動將滾筒與絲杠相連，由滾筒的旋轉帶動絲杠旋轉即可滿足使用，且機械傳動的方式安全性較高，成本較低，因此采用此方式驅動雙向絲杠旋轉，如圖1所示的傳動系2.

對于傳動方式的選擇，綜合考慮選擇圓弧齒形的同步帶傳動，傳動系1和2均采用此傳動方式，其除具有一般帶傳動優點外，傳動比穩定，且耐腐蝕能力強，整體重量也可以較輕，是兼具普通V帶、平帶傳動以及鏈傳動優點的一種嚙合性帶傳動圓弧形同步齒形帶傳動。除此之外，相比鏈傳動重量較輕，無噪聲，耐腐蝕性強；相比多級齒輪傳動，結構也較簡單，重量也較輕。在傳動參數的計算中，主要是傳動比的計算，因為這關系到導向活銷單元是否能與纜繩左右平移保持一致。

導向活銷單元軸向平移速度v2為：

將滾筒繞線看成是近似的螺旋傳動，其中螺距p0即等于前文所述排纜間距t，設纜繩沿滾筒軸向平移的速度為v0，欲使導向活銷單元與纜繩左右平移同步，則有 v0=v2，即

其中，n2為雙向絲杠轉速，n1為滾筒轉速，最終得傳動比為：

傳動系統其余參數分析計算參照帶傳動設計手冊進行[11]。

4 三維建模及運動仿真

經過一系列分析計算之后，根據計算的數據結果及整體剖面儀的尺寸分配，在SolidWorks軟件中對絞車結構系統進行三維建模，如圖7所示。使用SolidWorks Motion模塊對模型進行運動仿真，以驗證所設計的絞車結構是否滿足運動規律要求。設定電機轉速為60 r/min，得到滾筒角速度曲線如圖8所示；由于活銷與雙向絲杠之間在模型中的配合是不規則配合，難以進行正常的運動仿真，所以采用單獨的絲杠螺母副模擬活銷單元與雙向絲杠進行運動仿真，近似得到活銷水平位移曲線如圖9所示。

圖7 絞車三維模型

圖8 滾筒角速度曲線

圖9 活銷單元水平位移曲線

通過動畫仿真，絞車傳動系統的運動符合預期，活銷單元在5 s內水平平移了25 mm，根據所設計排纜間距t為10mm，圖8角速度數據，通過公式10計算得出在5 s內滾筒轉了2.47轉，即此時排纜2.47轉，纜繩水平位移為24.7 mm，說明活銷單元與纜繩左右平移基本保持一致。

5 結束語

在水下升降剖面儀絞車系統結構設計中主要面臨的問題有：

（1）在海洋中工作時，對于結構材料的選擇要有較強的抗海水腐蝕的能力，且為了減小整機功率，應盡量選用輕量化的材料，比如鋁合金或者鈦合金等；

（2）在排纜單元設計中，對雙向絲杠根據具體參數詳細設計，絲杠兩端溝槽采用圓弧過渡，保證導向活銷單元能夠平穩順利換向。

通過對設計的絞車采用Solidworks建模及運動仿真可知，所設計的傳動系統符合設計預期，為水下升降剖面儀絞車系統設計提供了借鑒。在后續研究中，還需進一步采用實體試驗驗證該絞車系統的整體性能。

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