海洋XBT投放系統中探頭插銷自動拔取機構設計

董磊，雷卓，賀海靖，陳光源

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學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，在海洋科學考察、海洋環境檢測和軍事海洋學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)是常用的海洋監測設備之一，具有測量實時、快速、大面積的特點[3-4]。

XBT通過在船舶走航過程中多次投放測量探頭來獲取數據，并實時傳送至甲板單元[3]，避免了測量數據時停船，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人員在船舷通過手持式單枚投放裝置(發射槍)來完成，人工手持投放方式在數據測量及實際操作方面存在如下缺點：(1)數據測量精度受人為因素影響；(2)一人投放，一人進行上位機操作，浪費人力；(3)操作人員安全缺乏保障。

針對手持式投放方式的缺點，國外一些海洋專業公司及科研院所開展了XBT探頭自動投放系統的研究。如圖1所示，首先將自動投放設備安裝至船舷一側，使釋放導筒處于向下傾斜狀態，然后人工將待釋放探頭一次性裝入自動投放設備，通過船艙內或陸地遠程控制完成XBT探頭的自動釋放及測量。目前，日本的TSK、美國的Sippican[5]等公司均已形成相關設備及產品。

圖1 XBT連續自動投放設備Fig.1 Continuous automatic launcher for Expendable Bathythermograph

近年來，我國的自動投放系統研究也逐步發展起來[6]，如國家海洋技術中心[7]、西安天和防務有限公司、山東省科學院海洋儀器儀表研究所[8-9]等均進行了相關研究。但在已公開發表的文獻資料中均未見關鍵的探頭插銷自動拔取機構的設計研究，大多仍局限于人工拔取插銷后，再將探頭安放至投放設備的工作方式，使設備的自動釋放能力及應用范圍受到限制。為此，山東省科學院海洋儀器儀表研究所開展了相關研究[10]，以杠桿機構[11]為核心設計，重點解決了插銷自動拔取問題，實現走航過程中XBT探頭的全自動連續投放。

1 探頭插銷受力分析

在實際的XBT探頭筒內，插銷穿過探頭尾翼上的小孔將探頭固定在探頭筒內，使探頭處于懸置狀態。當XBT探頭筒安裝入自動投放裝置后，XBT探頭及外筒呈45°角向下傾斜狀態，如圖2所示。其中插銷拉環位于探頭筒下方，自動釋放過程中，需將插銷垂直于圖2中斜面向下被拉出。為此，需對初始狀態下探頭插銷進行受力分析，使釋放結構的設計滿足插銷拔取所需的受力條件，實現探頭的自動投放。

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

為了確定插銷自動拔取機構中的拔取力大小，需對固定于XBT探頭導筒中的插銷受力情況進行分析。旋轉笛卡爾坐標系，建立如圖2所示坐標系統，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。在旋轉后的笛卡爾坐標系中，分析插銷在與斜面相交點O處的受力情況。

2 總體方案設計

基于上述插銷拔取力分析，考慮XBT探頭自動投放系統的實際需求，設計探頭固定插銷的自動拔取裝置。本設計中的XBT探頭插銷自動拔取機構以杠桿結構設計為核心，初始拔取拉力由電磁鐵提供，在與杠桿機構的配合作用下，實現探頭插銷的固定、拔取及釋放。能夠在最小的有效行程范圍內，將拔取拉力轉化至最大可用程度，在實現插銷自動拔取的同時，節省該機構在整個自動投放系統中所占空間。

2.1 自動拔取機構設計

本文設計的XBT探頭插銷自動拔取機構剖面結構如圖3所示，實物圖如圖4所示，按自動拔取流程順序主要分為初始階段、探頭安裝階段及自動拔取階段。在系統初始狀態下，杠桿1-2的上端與釋放機構1-1活性相連，杠桿上端對釋放機構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釋放機構，在人工推力的作用下，探頭固定插銷1-6推動連接鎖緊機構1-8活動端打開，插銷進入連接鎖緊機構內。隨后，連接鎖緊機構活動端在內置彈簧力的作用下自動閉合，完成探頭插銷的連接鎖緊。其中，為了便于插銷的推進和釋放后的自動滑落，連接鎖緊機構的外形設計為水滴形卡扣形狀，以減少插銷運動中受到的摩擦阻力。接收甲板單元控制命令后，機構進入探頭插銷自動釋放階段，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構脫離，如圖3所示。此時，在彈簧彈力F的作用下，插銷1-6被向下拔取出來，脫離探頭，實現自動釋放。

1-1釋放機構;1-2杠桿;1-3彈簧;1-4彈簧導槽;1-5彈簧導桿;1-6插銷;1-7支點架;1-8連接結構;1-9電磁鐵;1-10探頭導筒;1-11導筒端蓋;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 自動拔取機構剖面結構圖Fig.3 The structure of automatic drawing mechanism

圖4 自動投放設備實物圖Fig.4 The installation and debug of automatic launcher of XBT probes

2.2 機構釋放力分析

在機構設計過程中，需根據上述插銷拔取力分析及自動投放裝置的空間限制，確定釋放機構中的彈簧相關參數及杠桿支點位置。其中，彈簧相關參數可由胡可定律求得，下面主要討論杠桿支點位置的確定。

在拔取過程中，杠桿上端需要克服的主要是圖3中釋放機構1-1對其產生的摩擦力。該摩擦力由壓縮彈簧作用于釋放機構的彈力產生。因此，可以根據彈簧釋放后的彈力計算杠桿與預緊機構連接一端所需產生的釋放力。在本設計中考慮海洋設備的防銹防腐需求，杠桿的上端，即非電磁鐵連接一端的材料采用304不銹鋼。在滑動摩擦時，該材料無潤滑情況下的摩擦系數為0.3～0.4，由此可求得杠桿上端與釋放機構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構的摩擦力，μ為摩擦系數，F1為圖3中釋放機構1-1與杠桿1-2接觸面上釋放機構對杠桿產生的正壓力，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。固定規格的電磁鐵磁力為已知，因此可知杠桿下端受力情況。

3 實驗結果及結論

目前，該拔取機構已應用于山東省科學院海洋儀器儀表研究所自行研制的探頭自動釋放設備中。在青島近海實驗中，共投放探頭24次，成功投放并獲取實驗數據23次，投放成功率較高，達到95%以上。自動投放設備完成24次投放共需時間約30 min，與原有的人工投放作業方式相比，投放平均時間節省50%以上，能夠滿足快速投放及數據采集需求。

通過實驗結果表明，該機構可靠有效，能夠在實際海試工作中有效避免人為因素對測量的干擾，保障操作人員安全。得出主要結論如下：

(1)以杠桿對力的放大原理為核心，進行插銷拔取過程中的受力分析，保證在有限行程內對彈簧釋放力的有效放大，進而實現插銷自動拔取；

(2)從整體到局部詳細分析了插銷自動拔取機構的主要結構特性和作用，充分考慮了海洋設備現場作業的需求和特點，實用性較強；

(3)該插銷拔取機構在設計過程中盡可能減少活性連接結構的使用，從而有效減少誤差及故障累積，在山東省海洋環境檢測技術重點實驗室進行的整機振動測試實驗證明，該機構的可靠性較高，具有廣泛的應用前景。

在后續的研究中，需進一步改進結構設計，使自動投放裝置能夠區分識別不同類型的溫鹽深設備探頭，實現XBT、XCTD(投棄式溫鹽深儀)的混合投放，提高工作效率。

參考文獻：

[1]雷卓,賀海靖,曲君樂，等.投棄式溫鹽測量儀高精度測溫電路設計[J].山東科學,2014,27(4):8-11.

[2]徐金隨,程浩,相冰，等.XBT探頭外形數值模擬及實驗研究[J].海洋技術學報,2017,36(2):60-64.

[3]KIZU S,HANAWA K.Recorder-dependent temperature error of expendable bathythermograph [J].Journal of Oceanography,2002,58(3):469-476.

[4]CHENG L J,ABRAHAM J,GONI G,et al.XBT Science: assessment of instrumental biases and errors[J].Bulletin of the American Meteotological Society,2015,97(6): 923-933.

[6]張平,唐鎖夫,屈科,等.國產XBT海上測試及實際使用效果分析[J].聲學技術,2012,31(6): 570- 573.

[7]門雅彬,方芳,李興岷,等.多枚XBT自動投放與測量系統數據采集控制單元設計[J].計算機測量與控制,2013,21(6): 1697-1699.

[8]陳維山,劉孟德,雷卓.投棄式溫深計探頭海水中下落深度計算方法研究[J].山東科學,2012,25(5):25-29.

[9]任國興,王曉影,杜立彬.高精度快響應海洋測溫系統設計[J].儀表技術與傳感器,2011(2):45-47.

[10]陳光源,曲君樂,雷卓，等.投棄式探頭投放系統中插銷自動拔取機構：中國，ZL 2016 2 0864656.2[P].2017-02-08.

[11]曹曉瑞,張世軍,劉濤，等.連桿機構偏差建模與分析[J].機械設計與研究,2017,33(1):7-11.doi: 10.13952/j.cnki.jofmdr.2017.0002．