一種水下模擬載荷的設(shè)計(jì)與工作原理

劉賀軍 蔣龍杰

摘 ?要：本文主要研究了一種水下模擬載荷裝置，該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)自身搭載和釋放拋載，最終可以實(shí)現(xiàn)水面回收。

關(guān)鍵詞：模塊化;延時(shí);拋載

1 系統(tǒng)組成

基于模塊化設(shè)計(jì)思想，模擬載荷可以分為主體結(jié)構(gòu)模塊、動(dòng)力推進(jìn)模塊、功能模塊和能源控制模塊四個(gè)主要部分。

主體結(jié)構(gòu)模塊主要包含1個(gè)獨(dú)立密封艙段，材料選用PVC材料，相對(duì)密度在1.4（1.2-1.7）左右。密封艙兩端采用鋁制端蓋，端蓋與密封艙之間利用O型圈密封。動(dòng)力推進(jìn)模塊包含螺旋槳和直流電機(jī)。功能模塊包含拋載系統(tǒng)（利用電磁鐵吸附和釋放重物）和感知系統(tǒng)（壓力傳感器和深度計(jì)）。能源控制模塊包含能源電池和主控部分（電路設(shè)計(jì)、程序?qū)懭耄?/p>

2 工作原理

當(dāng)模擬載荷系統(tǒng)中壓力傳感器檢測(cè)到發(fā)射艙內(nèi)壓力增大到之前設(shè)置的閾值，且滿足延時(shí)條件后，啟動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，電機(jī)開始工作，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生推力，模擬載荷開始運(yùn)動(dòng)出筒;載荷運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，拋載系統(tǒng)拋出重物塊，滿足一定時(shí)間條件后，螺旋槳停車，模擬載荷利用自身浮力向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到水面后，回收模擬載荷。

3 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1主尺度

模擬載荷的長(zhǎng)度為2000mm，直徑為177mm，質(zhì)量為40kg，排水量為40kg。

3.2推進(jìn)方式選擇

水下常見的推進(jìn)方式有螺旋槳推進(jìn)器和以負(fù)排量泵，如軸流泵、混流泵為核心的噴水推進(jìn)器，噴水推進(jìn)利用噴射管噴出的高速水流的反作用提供推力。考慮到實(shí)際情況及安裝要求，由于模擬載荷在發(fā)射筒中速度較低，考慮到推進(jìn)效率，選用螺旋槳推進(jìn)方式。

3.3阻力計(jì)算

3.4浮力計(jì)算

設(shè)計(jì)模擬載荷浮力與重力之差為0，使模擬載荷可以懸浮在水中。

3.5拋載系統(tǒng)

現(xiàn)有水下釋放工具的驅(qū)動(dòng)方式主要為爆破式、電機(jī)式和電磁鐵式。爆破式釋放機(jī)構(gòu)通常采用爆炸螺栓，不可重復(fù)利用，且危險(xiǎn)性較高;電機(jī)式釋放機(jī)構(gòu)通常采用力矩電機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)水密性要求較高[2];因此本文采用以電磁鐵為核心設(shè)計(jì)水下模擬搭載裝置的釋放機(jī)構(gòu)。

對(duì)電磁鐵選型時(shí)主要考慮以下參數(shù)：

（1） 電磁鐵外形尺寸（長(zhǎng)、寬、高）;

（2） 電磁鐵行程大小、吸附力大小;

（3） 供電電源類型、電源電壓大小、電流特性;

（4） 最長(zhǎng)通電時(shí)間、連續(xù)兩次通電之間最短時(shí)間間隔。

設(shè)計(jì)釋放機(jī)構(gòu)時(shí)按照以下思路：

（1） 安裝方便;連接壓載塊與釋放單元時(shí)只需一個(gè)動(dòng)作，限位機(jī)構(gòu)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)自鎖。

（2） 未通電狀態(tài)下有一個(gè)吸力，維持釋放機(jī)構(gòu)鎖住壓載塊，在通電狀態(tài)下，這個(gè)吸力消失，釋放機(jī)構(gòu)釋放壓載塊，降低能耗。

通電率是電磁鐵一個(gè)比較重要的參數(shù)，通電率即通電時(shí)間除以一個(gè)周期的時(shí)間，通電率的通俗叫法為占空比。本文中所述釋放機(jī)構(gòu)不需要電磁鐵不間斷的上電工作，只需電磁鐵一次可靠上電即可完成釋放任務(wù)，因此對(duì)通電率的要求不高，現(xiàn)有電磁鐵的技術(shù)參數(shù)完全可以滿足要求。

為降低裝置功耗，本文選用吸盤式失電電磁鐵，該種電磁鐵使用與上電式電磁鐵相反的工作方式：失電狀態(tài)下，電磁鐵能夠?qū)Υ判圆牧袭a(chǎn)生吸引力;當(dāng)給電磁鐵線圈通以與內(nèi)置永久磁鐵固有磁力極性相反的電流時(shí)，吸力相互抵消使電磁鐵整體表現(xiàn)為不產(chǎn)生吸引力;當(dāng)給電磁鐵線圈通以與內(nèi)置永久磁鐵固有磁力極性相同的電流時(shí)，吸力相互增強(qiáng)，產(chǎn)生更大的吸引力。

在安裝拋載壓載鐵時(shí)，電磁鐵吸附位置必須處于壓載鐵的中心位置，保證吸附力與壓載鐵的重力在同一條直線上，否則會(huì)使電磁鐵與重物接觸面之間存在切向力，導(dǎo)致電磁鐵不能達(dá)到最大吸附力。同時(shí)還應(yīng)注意電磁鐵與重物接觸面的平整光潔，減小兩者之間的氣隙，使電磁鐵吸附力達(dá)到最大。

3.6供電系統(tǒng)

能源選擇鋰電池組，具體參數(shù)如下：

1）輸出電壓：標(biāo)稱電壓DC14.4V，輸出電壓范圍11.2V～16.8V;

2）最大工作電流：≥20A;

3）標(biāo)稱容量：≥40.8AH（能量轉(zhuǎn)換效率，90%）;

4）體積：≤￠125×200mm;

5）重量：4kg±1kg（參考值）;

6）放電工作溫度：-10～+55℃;

7）充電工作溫度：0～+50℃;

8）充電時(shí)間：≤4.5小時(shí)。

3.7控制模塊硬件設(shè)計(jì)

控制模塊不僅控制電磁鐵通斷電以釋放壓載鐵，而且讀取深度傳感器的數(shù)據(jù)，控制水下推進(jìn)器電機(jī)的工作。本文采用模塊以stm32單片機(jī)為主控芯片設(shè)計(jì)的外圍電路，最小系統(tǒng)確保了單片機(jī)的基本功能。

電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路由三極管 9013、電磁繼電器 G5V-1-24VD、1.8K 電阻和二極管 IN4007G 組成。當(dāng)單片機(jī) P1.1 口輸出高電平，三極管 9013 導(dǎo)通，VCC_5V 對(duì)繼電器供電，繼電器線圈通電產(chǎn)生磁力吸引簧片 K2 導(dǎo)通，電磁鐵通電，釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作;當(dāng) P1.1 輸出低電平，三極管 9013 截止，繼電器斷電，繼電器內(nèi)部線圈失電，K 斷開，電磁鐵斷電，釋放機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。繼電器內(nèi)部線圈斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反復(fù)震蕩的感應(yīng)電流，加入二極管 SS14 可以加速線圈電流的單向釋放，提高釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性。

4 總結(jié)

為了滿足水下模擬載荷的實(shí)際應(yīng)用，本文在分析國(guó)內(nèi)外水下搭載和釋放技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一種水下模擬載荷裝置，該裝置能夠通過(guò)功能模塊感知外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)延時(shí)啟動(dòng)，并能通過(guò)拋載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自身的回收，從而提高了水下模擬載荷的工作能力。

參考文獻(xiàn)

[1] ?劉愉強(qiáng)等。潛標(biāo)系統(tǒng)靜態(tài)力學(xué)分析計(jì)算及其應(yīng)用程序開發(fā)[J]。海洋技術(shù)，2010，29（3）。

[2] ?黃壽康。面向AUV的水下模擬搭載裝置研制[D]。武漢：華中科技大學(xué)，2015.