一種水下電動清洗裝置的研究設計

宋曉暖， 溫亞楠， 朱建鑫

（青島市光電工程技術研究院，山東青島 266000）

0 引 言

隨著海洋經濟的發展，當今世界各國在海洋研究、港口勘察、海底礦產勘測、水下工程以及海洋牧場等領域研制了大量水下裝備。各類水下裝備幾乎都配有水下攝像和照明系統，如水下機器人、水下監測平臺等，尤其在海洋牧場中水下攝像和照明系統更被大量采用。由于部分水下裝備需要長期在水下工作，故現今水下攝像機系統面臨如下主要難點：由于水下攝像裝置長期工作在水下,尤其是海洋領域，海洋中微生物種類繁多，環境因素復雜多變，造成攝像機透明視窗和照明燈裝置透明視窗很容易被生物附著而影響視頻畫面拍攝。傳統方式是將其打撈到岸上進行定期清潔，不免造成時間消耗從而影響水下監測的進度，同時提高了作業成本[1]。針對解決此類問題的需要，研究開發一種可以長期、連續、可靠地在水下自動清洗攝像和照明等系統玻璃窗口的裝置十分必要，并且應用前景廣闊。

1 系統設計要求

水下電動清洗裝置主要作業對象，是針對長期位于水下工作的攝像和照明系統的玻璃窗口或其他需要清洗的平面結構，因此需要具有以下主要功能：1)較長期、連續、可靠地在水下按預定指令自動完成清洗工作；2）滿足0～1 MPa壓力環境下正常工作；3)具有遠距離實時操控、監控、集成聯網功能；4)具有良好的模塊化、通用化設計和產品適配性；5)物美價廉，適合不同環境下大規模配套使用。

2 系統設計

2.1 系統組成

水下清洗技術的發展分為3個階段:第1階段為手工操作階段，由潛水員下水進行清洗工作；第2階段為機械操作階段，由專用清洗器、涂裝機等機械完成大型船舶的清洗任務，具有較高的工作效率；第3階段為遙控機械或機器人作業階段，為在惡劣海洋環境下開展清洗工作提供了保障[2]。

該水下電動清洗裝置是水下清洗技術發展到第3階段的具體體現，裝置由兩部分組成，一是水上便攜式操控終端，既能實現水下攝像機的視頻數據接收、存儲、播放等功能，也能實現對水下電動清洗裝置的遠程控制；二是位于水下清洗作業的水下電動清洗裝置主機。本文主要針對該水下電動清洗裝置主機部分進行研究設計，其主要由水下電動機、傳動機構、清洗刷以及輔助安裝結構組成。水下電動清洗裝置主機工作狀態示意圖如圖1所示。

圖1 水下電動清洗裝置主機工作狀態示意圖

2.2 水下電動機設計

水下電動機是水下電動清洗裝置主機的關鍵部件。目前，水下電動機的設計主要有以下幾種方法：第一種為“氣球法”，選用普通電動機，根據普通電動機的外形尺寸設計一個外殼，殼體采用靜密封，電動機輸出軸采用動密封，纜線接口采用成熟的水密插頭；第二種為“壓力補償法”，由于壓力改變引起“泵吸現象”(壓力改變所致壓縮和擴張運動會使水通過密封薄弱處的小裂紋漫漫滲入電動機內)，所以將電動機內部注滿油，并利用光導調壓模、內置水壓、油壓循環潤滑裝置和隔膜補償平衡[3]；第三種方法是一體化水下電動機，主要解決電動機的水密和系統體積、重量等問題，針對水下使用要求，根據電動機開發原理，專門研制一型特種電動機。

圖2 水下電動清洗裝置水下電動機結構示意圖

考慮到該水下電動機的可靠性和經濟性，同時縮短開發周期，因此本文選用了一型普通直流有刷電動機封裝成水下電動機的方法，俗稱“氣球法”。選用成熟的陸上普通直流有刷電動機作為封裝對象，主要有以下優勢：1)包括電動機本身以及對應的控制系統成熟、可靠，同時規格多樣；2)封裝后的水下電動機通用性好，可以滿足不同水深下的不同使用需求；3)水下電動機投入的研發成本低、開發周期短，具有良好的價格優勢。

該水下電動機主要由輸出軸、前端蓋、普通直流有刷電動機、控制模塊、輸出軸位置檢測單元、筒體、后端蓋、密封件等主要部分組成，組成該水下電動機的結構零部件均采用防海水腐蝕的金屬材料加工制造。

2.2.1 水下電動機主要參數

該水下電動機的主要物理參數：型號為UM-DPN-24-40-52S-D100；有刷直流型式；額定電壓24 V；額定功率40 W；額定轉速52 r/min；深度等級≥100 m；尺寸為φ65 mm×260 mm；質量約2 kg。

2.2.2 水下電動機密封設計

密封設計是水下電動機設計的關鍵，密封一般分為靜密封和動密封。常見的密封形式有：O形密封圈密封、O形密封圈與聚四氟乙烯滑環組合密封、機械密封和磁流體密封等。

1）靜密封設計。筒體，前、后端蓋構成一個密封殼體，屬于靜密封問題。為此,在前、后端蓋處采取O形密封圈的方法，凡與O形密封圈接觸的地方不得有毛刺及銳角以防O形密封圈被劃傷[4]。O形密封圈的一般通用橡膠材料有：丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠和丁腈橡膠；特種橡膠材料有：乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠等[5]。為了防止海水的強烈腐蝕，所以O形密封圈采用丁腈橡膠材料,以保證接觸海水雜質后不會變形而失去密封效果。

電動機引出線處同樣是靜密封，根據水下環境使用和可靠性要求，此處一般采用成熟水密接插件產品，用于水下電動機與外部電源或者控制終端連接。產品采用橡膠注塑，面板安裝采用黃銅或不銹鋼，具有體積小、質量輕、耐磨、高可靠性，通過螺紋、密封圈安裝在殼體后端面上，既可以很好地實現水下電動清洗裝置的供電和控制，也可靠地實現密封。

2）動密封設計。水下電動機密封中最難解決的問題之一是輸出軸的動密封。因為電動機軸的旋轉，軸與殼體處就有間隙存在，如果仍采取在軸與殼體間加O形密封圈的密封方法，當電動機高速旋轉時，可能會導致O形密封圈的磨損、發熱乃至變形，在較高的水壓下就容易漏水。

針對動密封問題，在此采取組合密封，即O形密封圈與聚四氟乙烯滑環組合密封，俗稱格萊圈密封，實質是將軸與殼體之間的間隙轉換為靜環與動環之間的間隙。旋轉格萊圈由一個橡膠O形密封圈及聚四氟乙烯圈組合而成，最大使用壓力0～30 MPa，依其本身的變形對密封表面產生較高的初始接觸應力，壓力液體通過O形密封圈的彈性變形最大限度地擠壓方形密封圈，使之緊貼密封表面而產生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應力，并與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏。

因此該水下電動機動密封設計的具體方法是在延長輸出軸和前端蓋結合處采用兩道旋轉格萊圈組合密封，并且其中一道是軸用旋轉格萊圈，另一道是孔用旋轉格萊圈，分別安裝在前端蓋中的溝槽里和延長輸出軸的溝槽里，這樣既達到了動密封的目的，也提高了密封的可靠性。

2.2.3 水下電動機耐壓設計

由于水下設備需要長期、持續地承受水下壓力，因此設備的耐壓設計也是一個設計重點。該水下電動機主要通過圓柱筒體，前、后端蓋承受外壓，屬于外壓圓筒設計，可根據相關規范設計。但由于封裝的需要，額外設計增加了一根延長用輸出軸，因此為了保證該水下電動機能夠長期可靠地在水下工作，避免外壓通過延長輸出軸對殼體內的直流電動機產生影響，所以在前端蓋和輸出軸處配有軸向推力球軸承，以保證水下電動機長期使用的可靠性。

2.2.4 水下電動機傳輸控制

對水下電動機的控制，采用水下復合纜，將電源線和控制線經過屏蔽、水密處理復合到一根纜線中。水面控制單元通過復合纜與水下電動機控制模塊連接，同時也可以將水下攝像機和水下照明燈接入到水面控制單元，以實現集成化設計，既能實現水下視頻的傳輸、存儲、播放等，也能實現對水下電動清洗裝置的控制。

2.3 傳動機構和清洗刷設計

水下電動清洗裝置的傳動機構同時也是清洗裝置。刷桿頂端與水下電動機輸出軸固定，實現往復擺動。根據需要刷桿一側一字型布置多個小行星輪并相互嚙合，并且每一個小行星輪連接一個圓盤刷，同時最上端的一個行星輪與固定在水下電動機前端法蘭上的太陽輪嚙合。刷桿在水下電動機的驅動下往復擺動從而帶動行星輪旋轉，也從而帶動了圓盤刷的旋轉。刷桿的往復擺動和圓盤刷的旋轉將與刷毛接觸的玻璃窗口上的雜質或生物掃除，從而使雜質或生物不會在玻璃窗口附著，保持了玻璃窗口的潔凈，從而保證了玻璃窗口的通透性。

3 結語

經過分別對水下電動機和水下電動清洗裝置整機的試驗測試，結果表明該裝置可以長期、連續可靠地在水下環境工作；同時對水下玻璃窗口的清洗效果滿足設計要求。

[參考文獻]

[1] 馬秀芬,初文怡.一種視窗清潔式水下攝像機:CN2016210719044[P].2017-03-15.

[2] 酈智斌,龍彪.船舶水下清洗技術研究[J].中國修船,2011,24(5):33-36.

[3] 王力,楊邦清.水下一體化伺服推進電動機:CN200910211178X[P].2013-06-05.

[4] 劉子俊,崔皆凡.海洋機器人用水下電動機的深水密封研究[J].機器人,1997,19(1):62-64.

[5] 孟永奇,宋宏.淺談潛水電動機動密封技術[J].機械管理開發,2009,24(2):19-20