機械式超深拋載裝置的設計

唐娟

（中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北宜昌443003）

機械式超深拋載裝置的設計

唐娟

（中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北宜昌443003）

介紹了機械式超深拋載裝置的工作原理及用途，根據功能需求設計了一種可用于超深保護的純機械式超深拋載裝置，該型機械式超深拋載裝置由水壓觸發，當水下機器人所處的深度超過其工作深度時自動釋放壓載，從而達到超深保護的功能要求。

超深；壓力片；釋放；彈簧；壓載

0 引言

海洋世界蘊藏著豐富的資源，近幾十年來，人類對海洋的探索工作在不斷地深入。深海能源開采、海底科學研究、海洋救助與打撈等深海作業的迅速發展，必然對水下機器人提出了更高的需求。為了探索和開發海洋，各國都大力進行深海探測器技術的開發［1］。

如何保證水下機器人作業時的安全可靠，是圓滿完成各項海底作業的基本保障。水下機器人由于工作環境的未知性，在作業過程中很容易超出其工作水深范圍。超深拋載裝置的主要功能是在超過設定工作水深時自動釋放壓載與本體脫離，使水下機器人獲得正浮力上浮，從而起到超深保護的作用。超深拋載裝置要獨立于潛航體，以確保在工作時不因系統設備故障等因素影響而失效。

1 結構組成與工作原理

壓載與殼體的脫離是水下機器人獲得正浮力最重要的手段之一，拋載裝置釋放壓載功能的實現主要采用電觸發、液壓驅動以及爆炸螺栓幾種方式。其中電觸發拋載方式需要配備電源供應，能耗高。液壓驅動需要配備一套液壓工作系統，結構復雜，成本高。而爆炸螺栓是火工品，安全性低，對安裝、使用要求高。拋載裝置是保證水下機器人獲得正浮力的重要機構，對其工作可靠性要求高。以上幾種拋載方式都需要相應的電氣控制，不能很好地保證電子元件可靠性。拋載裝置的動作失敗將會導致水下機器人無法上浮，而其誤動作將會導致不應有的上浮動作。

圖1 超深拋載裝置結構組成

機械式超深拋載裝置則具有結構簡單、安全性好、工作可靠等顯著優點。整個裝置由水壓缸、壓力片、彈簧、釋放軸、壓桿及安裝架等組成，結構如圖1所示。而拋載越重，平時需要的約束力也越大，拋載時釋放它們需要的能量也越大。為了解決這個矛盾，除了考慮在能量上如何“蓄能”，關鍵問題在機構上如何設計一只體積小、重量輕、所需釋放力小可靠性又高的“鉤子”［1］。

本裝置中設計的“鉤子”由釋放軸、安裝架及鋼球組成。當裝有壓載時，釋放軸頂著鋼球的外半側，迫使鋼球緊靠釋放軸外側。而鋼球受釋放軸的限位，卡住制動。工作時，水的靜壓和彈簧的預緊力作用在釋放軸的下端，釋放軸的上端則由壓桿及壓力片頂住。當達到設定工作水深時，壓力片在釋放軸與壓桿的剪切力作用下被破壞，釋放軸往上回縮。運動行程達到一定值時，鋼球解鎖，壓載在自身重量作用下脫落，達到釋放壓載的目的。安裝時，首先將鋼球、壓載依次裝配到位，往下輕推釋放軸，利用其端部的錐度，就很容易把鋼球推向外側，壓載即被鎖住。通過設計不同的彈簧和壓力片，可以實現動作水深的設定。

2 主要零部件功能

1）水壓缸。水壓缸與壓桿、釋放軸一起組成一密封空間，提供壓力片破壞所需水壓力。同時，水壓缸設計有釋放軸的止位臺階。

2）壓桿。壓桿通過壓環安裝在水壓缸一端，另一端的定位臺階將壓力片限位，與釋放軸一起作用形成剪切力。當達到壓力片的破斷水深時，壓力片被剪切。

3）釋放軸。通過O形圈與水壓缸配合，壓力片安裝在釋放軸的凹槽內。釋放軸對壓力片的作用力為彈簧及水壓力之和。裝載時，將鋼球頂入壓載的凹槽內，從而鎖定壓載。當壓力片在釋放軸與壓桿的剪切作用力下被破壞，釋放軸回縮。當運動行程達到一定值時，鋼球解除鎖定，同時壓載釋放。

4）彈簧。根據不同的工作水深要求，設計不同調節量的彈簧。同時，壓力片在破壞的瞬間，彈簧為釋放軸提供推力，克服了初始摩擦力，保證了釋放軸的可靠動作。彈簧要求耐腐蝕性強，且具有良好的韌性以及合適的強度，材料選用彈簧用不銹鋼絲1Cr18Ni9。

5）壓力片。壓力片是超深拋載裝置的核心部分，決定其工作精度。通過壓環安裝在釋放軸凹槽內，受壓桿與釋放軸形成的剪切力作用。壓力片設計有梯形槽，根據工作水深要求設計相應的槽深獲得合適的應力集中效應，使其在一定的水深下被破壞。破壞時需要的剪切力由彈簧及釋放軸所受水壓力共同決定。

可以設計多檔壓力片，再配合不同彈簧，實現工作水深的多級調節。壓力片的材料選擇非常關鍵，太軟或太硬的材料都不能達到良好的剪切效果，經過對多種材料的試驗比較，最后選用硬鋁2A12。

6）安裝架。為其他功能件提供安裝平臺，也是超深拋載裝置與釋放壓載的連接件。同時，安裝架上留有進水孔。

3 結論

本文根據超深拋載的功能要求，進行了機械式超深拋載裝置原理樣機的設計。該型裝置可應用于水下機器人的拋載系統，當它在水底作業，超過安全工作水深時，超深拋載裝置即自動拋棄壓載，使水下機器人獲得正浮力上浮至安全水域。

［1］ 唐榮慶，曹智裕，張希賢.“探索者”號自治式水下機器人拋載系統的研制［J］.海洋工程，2001,19（2）：85-87.

［2］ 王璇，高波，劉濤，等.一種水下固體拋載裝置的設計［J］.機械工程師，2010（7）：35-37.

［3］ 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2000.

［4］ 朱繼懋.潛水器設計［M］.上海：上海交通大學出版社，1992.

（編輯：立 明）

TP 242

B

1002－2333（2014）04－0271－02

唐娟（1982—），女，碩士，工程師，研究方向為水下機器人。

2014-01-03