海洋XBT投放系統(tǒng)中探頭插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

董磊，雷卓，賀海靖，陳光源

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001

海水的溫度和深度是海洋水文核心參數(shù)，在海洋科學(xué)考察、海洋環(huán)境檢測(cè)和軍事海洋學(xué)中具有非常廣泛的用途[1-2]。投棄式溫度深度剖面儀(expendable bathythermograph,XBT)是常用的海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備之一，具有測(cè)量實(shí)時(shí)、快速、大面積的特點(diǎn)[3-4]。

XBT通過(guò)在船舶走航過(guò)程中多次投放測(cè)量探頭來(lái)獲取數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳送至甲板單元[3]，避免了測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)停船，可以適用于多種類型的船舶。但目前投棄式探頭的投放大多由專業(yè)人員在船舷通過(guò)手持式單枚投放裝置(發(fā)射槍)來(lái)完成，人工手持投放方式在數(shù)據(jù)測(cè)量及實(shí)際操作方面存在如下缺點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)測(cè)量精度受人為因素影響；(2)一人投放，一人進(jìn)行上位機(jī)操作，浪費(fèi)人力；(3)操作人員安全缺乏保障。

針對(duì)手持式投放方式的缺點(diǎn)，國(guó)外一些海洋專業(yè)公司及科研院所開展了XBT探頭自動(dòng)投放系統(tǒng)的研究。如圖1所示，首先將自動(dòng)投放設(shè)備安裝至船舷一側(cè)，使釋放導(dǎo)筒處于向下傾斜狀態(tài)，然后人工將待釋放探頭一次性裝入自動(dòng)投放設(shè)備，通過(guò)船艙內(nèi)或陸地遠(yuǎn)程控制完成XBT探頭的自動(dòng)釋放及測(cè)量。目前，日本的TSK、美國(guó)的Sippican[5]等公司均已形成相關(guān)設(shè)備及產(chǎn)品。

圖1 XBT連續(xù)自動(dòng)投放設(shè)備Fig.1 Continuous automatic launcher for Expendable Bathythermograph

近年來(lái)，我國(guó)的自動(dòng)投放系統(tǒng)研究也逐步發(fā)展起來(lái)[6]，如國(guó)家海洋技術(shù)中心[7]、西安天和防務(wù)有限公司、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所[8-9]等均進(jìn)行了相關(guān)研究。但在已公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料中均未見關(guān)鍵的探頭插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，大多仍局限于人工拔取插銷后，再將探頭安放至投放設(shè)備的工作方式，使設(shè)備的自動(dòng)釋放能力及應(yīng)用范圍受到限制。為此，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所開展了相關(guān)研究[10]，以杠桿機(jī)構(gòu)[11]為核心設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決了插銷自動(dòng)拔取問題，實(shí)現(xiàn)走航過(guò)程中XBT探頭的全自動(dòng)連續(xù)投放。

1 探頭插銷受力分析

在實(shí)際的XBT探頭筒內(nèi)，插銷穿過(guò)探頭尾翼上的小孔將探頭固定在探頭筒內(nèi)，使探頭處于懸置狀態(tài)。當(dāng)XBT探頭筒安裝入自動(dòng)投放裝置后，XBT探頭及外筒呈45°角向下傾斜狀態(tài)，如圖2所示。其中插銷拉環(huán)位于探頭筒下方，自動(dòng)釋放過(guò)程中，需將插銷垂直于圖2中斜面向下被拉出。為此，需對(duì)初始狀態(tài)下探頭插銷進(jìn)行受力分析，使釋放結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足插銷拔取所需的受力條件，實(shí)現(xiàn)探頭的自動(dòng)投放。

圖2 探頭固定插銷受力分析圖Fig.2 Force analysis of the XBT probe latch

為了確定插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)中的拔取力大小，需對(duì)固定于XBT探頭導(dǎo)筒中的插銷受力情況進(jìn)行分析。旋轉(zhuǎn)笛卡爾坐標(biāo)系，建立如圖2所示坐標(biāo)系統(tǒng)，使x軸平行于三角斜面，正方向沿三角斜面向下；使y軸垂直于三角斜面，正方向沿三角斜面法向方向向下。在旋轉(zhuǎn)后的笛卡爾坐標(biāo)系中，分析插銷在與斜面相交點(diǎn)O處的受力情況。

2 總體方案設(shè)計(jì)

基于上述插銷拔取力分析，考慮XBT探頭自動(dòng)投放系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)探頭固定插銷的自動(dòng)拔取裝置。本設(shè)計(jì)中的XBT探頭插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)以杠桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，初始拔取拉力由電磁鐵提供，在與杠桿機(jī)構(gòu)的配合作用下，實(shí)現(xiàn)探頭插銷的固定、拔取及釋放。能夠在最小的有效行程范圍內(nèi)，將拔取拉力轉(zhuǎn)化至最大可用程度，在實(shí)現(xiàn)插銷自動(dòng)拔取的同時(shí)，節(jié)省該機(jī)構(gòu)在整個(gè)自動(dòng)投放系統(tǒng)中所占空間。

2.1 自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的XBT探頭插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示，按自動(dòng)拔取流程順序主要分為初始階段、探頭安裝階段及自動(dòng)拔取階段。在系統(tǒng)初始狀態(tài)下，杠桿1-2的上端與釋放機(jī)構(gòu)1-1活性相連，杠桿上端對(duì)釋放機(jī)構(gòu)的支持力垂直于二者接觸面，方向向上，大小與彈簧1-3彈力相等。在探頭安裝階段，人工將XBT探頭及其外筒沿圖2中箭頭所示方向裝入自動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)，在人工推力的作用下，探頭固定插銷1-6推動(dòng)連接鎖緊機(jī)構(gòu)1-8活動(dòng)端打開，插銷進(jìn)入連接鎖緊機(jī)構(gòu)內(nèi)。隨后，連接鎖緊機(jī)構(gòu)活動(dòng)端在內(nèi)置彈簧力的作用下自動(dòng)閉合，完成探頭插銷的連接鎖緊。其中，為了便于插銷的推進(jìn)和釋放后的自動(dòng)滑落，連接鎖緊機(jī)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)為水滴形卡扣形狀，以減少插銷運(yùn)動(dòng)中受到的摩擦阻力。接收甲板單元控制命令后，機(jī)構(gòu)進(jìn)入探頭插銷自動(dòng)釋放階段，釋放端電磁鐵1-9通電，瞬間磁力增大，作用于杠桿1-2的下端。通過(guò)杠桿作用，在杠桿上端得到放大后的力N。在N的作用下，杠桿上端沿垂直杠桿方向與釋放機(jī)構(gòu)脫離，如圖3所示。此時(shí)，在彈簧彈力F的作用下，插銷1-6被向下拔取出來(lái)，脫離探頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)釋放。

1-1釋放機(jī)構(gòu);1-2杠桿;1-3彈簧;1-4彈簧導(dǎo)槽;1-5彈簧導(dǎo)桿;1-6插銷;1-7支點(diǎn)架;1-8連接結(jié)構(gòu);1-9電磁鐵;1-10探頭導(dǎo)筒;1-11導(dǎo)筒端蓋;1-12固定塊剖面；2-1 固定塊;2-2插銷安裝槽;2-3電磁鐵安裝架。圖3 自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of automatic drawing mechanism

圖4 自動(dòng)投放設(shè)備實(shí)物圖Fig.4 The installation and debug of automatic launcher of XBT probes

2.2 機(jī)構(gòu)釋放力分析

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)上述插銷拔取力分析及自動(dòng)投放裝置的空間限制，確定釋放機(jī)構(gòu)中的彈簧相關(guān)參數(shù)及杠桿支點(diǎn)位置。其中，彈簧相關(guān)參數(shù)可由胡可定律求得，下面主要討論杠桿支點(diǎn)位置的確定。

在拔取過(guò)程中，杠桿上端需要克服的主要是圖3中釋放機(jī)構(gòu)1-1對(duì)其產(chǎn)生的摩擦力。該摩擦力由壓縮彈簧作用于釋放機(jī)構(gòu)的彈力產(chǎn)生。因此，可以根據(jù)彈簧釋放后的彈力計(jì)算杠桿與預(yù)緊機(jī)構(gòu)連接一端所需產(chǎn)生的釋放力。在本設(shè)計(jì)中考慮海洋設(shè)備的防銹防腐需求，杠桿的上端，即非電磁鐵連接一端的材料采用304不銹鋼。在滑動(dòng)摩擦?xí)r，該材料無(wú)潤(rùn)滑情況下的摩擦系數(shù)為0.3～0.4，由此可求得杠桿上端與釋放機(jī)構(gòu)1-1脫離所需力N滿足的條件：

(2)

其中，N1為杠桿上端與釋放機(jī)構(gòu)的摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)1為圖3中釋放機(jī)構(gòu)1-1與杠桿1-2接觸面上釋放機(jī)構(gòu)對(duì)杠桿產(chǎn)生的正壓力，方向垂直于二者接觸面向下，大小等于彈簧彈力。

在插銷拔取過(guò)程中，杠桿下端受電磁鐵磁力作用，該力垂直于杠桿下端向左。固定規(guī)格的電磁鐵磁力為已知，因此可知杠桿下端受力情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

目前，該拔取機(jī)構(gòu)已應(yīng)用于山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自行研制的探頭自動(dòng)釋放設(shè)備中。在青島近海實(shí)驗(yàn)中，共投放探頭24次，成功投放并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)23次，投放成功率較高，達(dá)到95%以上。自動(dòng)投放設(shè)備完成24次投放共需時(shí)間約30 min，與原有的人工投放作業(yè)方式相比，投放平均時(shí)間節(jié)省50%以上，能夠滿足快速投放及數(shù)據(jù)采集需求。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)可靠有效，能夠在實(shí)際海試工作中有效避免人為因素對(duì)測(cè)量的干擾，保障操作人員安全。得出主要結(jié)論如下：

(1)以杠桿對(duì)力的放大原理為核心，進(jìn)行插銷拔取過(guò)程中的受力分析，保證在有限行程內(nèi)對(duì)彈簧釋放力的有效放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)插銷自動(dòng)拔取；

(2)從整體到局部詳細(xì)分析了插銷自動(dòng)拔取機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)特性和作用，充分考慮了海洋設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的需求和特點(diǎn)，實(shí)用性較強(qiáng)；

(3)該插銷拔取機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能減少活性連接結(jié)構(gòu)的使用，從而有效減少誤差及故障累積，在山東省海洋環(huán)境檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的整機(jī)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)構(gòu)的可靠性較高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在后續(xù)的研究中，需進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使自動(dòng)投放裝置能夠區(qū)分識(shí)別不同類型的溫鹽深設(shè)備探頭，實(shí)現(xiàn)XBT、XCTD(投棄式溫鹽深儀)的混合投放，提高工作效率。

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