用于水下機器人拋載裝置的水下電磁鐵總體設(shè)計

摘 要：拋載裝置是水下機器人的重要安全保障措施，要求具備良好的可靠性和維護性能。與目前廣泛采用的多種拋載方式相比較，采用水下電磁鐵觸發(fā)機械拋載裝置具有動作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維護方便的優(yōu)點。本文通過分析和提出水下機器人對于電磁鐵設(shè)計參數(shù)和使用工況的具體需求，對電磁鐵的各個部分進行了總體設(shè)計。

關(guān)鍵詞：水下機器人 電磁鐵 拋載裝置

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0001-01

水下機器人拋載裝置的作用是拋棄壓載重物，使水下機器人獲得正浮力，研制小型化可靠釋放機構(gòu)對水下機器人的安全運行具有重要意義[1，2，3]。目前已有的各種拋載方式都有一定的技術(shù)局限性和作業(yè)局限性。電磁鐵應(yīng)用于水下機器人具有一定的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，體積小、行程大、安全可靠性高；能源消耗較小；實時觸發(fā)，無延時；更換重物操作簡便，維護需求低。目前采用電磁鐵觸發(fā)拋載的水下機器人系統(tǒng)都根據(jù)自身情況量身定做，不具備通用性，參考資料也少有公開。

本文面向大中型水下機器人的拋載需求，開發(fā)設(shè)計出一種新型、具有模塊化特點、高可靠的通用型水下機器人電磁鐵。該電磁鐵設(shè)計為低壓24 V啟動，盡管這樣增加了線圈的尺寸和重量，但可靠性高，響應(yīng)速度快，而且具有結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化的優(yōu)點。

1 電磁鐵拋載方案的設(shè)計

PKyi86eIxadBF4dpBGv9J0OidRDPX3NPSJKl3DHMYrg=電磁鐵是一種通電后對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，把電磁能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。電磁鐵的應(yīng)用范圍很廣，而且結(jié)構(gòu)不十分復雜，制造簡單，也便于后續(xù)加工。電磁鐵一般由線圈、鐵心和銜鐵三個主要部分所組成。其工作原理在于給線圈通以一定數(shù)值的電流后，在鐵心、銜鐵和氣隙之間產(chǎn)生一定數(shù)量的磁通Φ。在磁通的作用下，產(chǎn)生一定大小的電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心，將他們之間的氣隙減到最小。由此可知，線圈是電磁鐵獲得電磁能量的源泉，通了電流的線圈就會產(chǎn)生一定的磁勢。本文選用螺管式電磁鐵，在對螺管式電磁鐵通電后，催動銜鐵發(fā)生直線位移，從而打開釋放鎖。

由于此次設(shè)計的電磁鐵會應(yīng)用于水下機器人中，工作的環(huán)境是成分復雜同時具有腐蝕性的海水中，因而必須對電磁鐵系統(tǒng)進行一定的密封和抗腐蝕設(shè)計。

基于上述考慮，結(jié)合實際拋載要求，初步確定拋載系統(tǒng)的工況參數(shù)：拋載重物為30 kg；銜鐵行程為20 mm；推力為2 kg。

圖1為該裝置的外觀圖。該方案將電磁線圈、銜鐵、鐵心都容納到鋁合金艙體中，鐵芯推桿制造成活塞形式以實現(xiàn)往復行程和滑動密封，內(nèi)部充變壓器油實現(xiàn)壓力補償和內(nèi)外壓力平衡。

為了能夠使電磁鐵通電后避免因為補償器處O型密封圈的摩擦力遲滯推桿響應(yīng)速度，壓力補償活塞桿處采用彈簧施加預壓力。為保證完成觸發(fā)行程后推桿能回到初始位置，在后推桿處增加恢復彈簧，以克服回程時的摩擦阻力；前、后推桿上設(shè)計了回油孔，以補償推桿移動時艙體內(nèi)部油液的空間分布變化。

2 電磁鐵的設(shè)計

在確定好方案后，參照電磁鐵的計算步驟和方法，對電磁鐵的各個部分進行初步的計算。根據(jù)水下機器人所使用的電源類型可以確定電磁鐵為直流電磁鐵，額定工作電壓V，由于拋載系統(tǒng)只有在上浮和緊急狀況下才工作，故一般為單次觸發(fā)，工作時間較短；且在海水中散熱條件好，溫升問題不突出，按照短時工作制設(shè)計。

根據(jù)釋放鎖打開棘爪所需要推動距離和克服彈簧的拉力可以確定電磁鐵推桿的工作行程=2 cm，凈推力4 kg。進行電磁鐵關(guān)鍵參數(shù)的計算。

最后，計算線圈工作電流，線圈磁勢和消耗功率，為周邊電路的設(shè)計和電子器件的選擇提供參考。

電壓為額定值時線圈的電流為 A A；電壓為額定值時的線圈磁勢；電壓為額定值時線圈消耗的功率 W。

3 結(jié)語

本文的主要內(nèi)容為水下機器人拋載電磁鐵結(jié)構(gòu)研究和優(yōu)化。本文從研究國內(nèi)外水下機器人拋載裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀入手，提出專用的水下機器人拋載裝置觸發(fā)電磁鐵設(shè)計方案。

該方案考慮了壓力補償機構(gòu)和耐腐蝕性能，使其能夠適應(yīng)深海環(huán)境和長期使用的需求。在此基礎(chǔ)上，本文以20 mm推桿行程和4 kg觸發(fā)力為技術(shù)要求，進行了詳細設(shè)計計算。該方案及其計算過程為同類裝置的設(shè)計提供了參考。

參考文獻

[1] 朱繼懋.潛水器設(shè)計[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[2] （蘇）米特里耶夫，著.深潛器設(shè)計[M].凌水舟，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[3] 封錫盛，劉永寬.自治水下機器人研究開發(fā)的現(xiàn)狀和趨勢[J].高技術(shù)通訊，1999，13（9）：55-59.