一種水下裝載釋放裝置設計

付佳杰 彭阿靜

（中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，宜昌 443003）

海洋資源越來越受到重視，作為探索內空間的最重要手段之一的水下機器人技術與探索外空間的運載火箭技術有同等重要的意義，海洋強國都在研究通過水下機器人攜帶和布放勘探、監測設備來進行水下資源勘探、環境監測[1]。這些載荷通常需要一種裝載和釋放裝置將其固定在水下機器人上，當水下機器人攜帶載荷航行到指定海域時再將其釋放。裝載釋放裝置是實現水下機器人水下作業的重要系統，隨著水下機器人逐步由觀察型向作業型過渡，大多數水下機器人均將設有此裝置[2]。目前，水下機器人領域通常采用爆炸螺栓方式來實現載荷的掛載和釋放，但是爆炸螺栓涉及火工品，具有一定的危險性，而且存在釋放噪音大、不能重復裝載釋放的缺點。另外，通過記憶合金受熱變形來完成裝載與釋放功能也正在研究，但是應用于水下機器人領域還不夠成熟可靠[3]。因此，研究采用成熟可靠的電機驅動形式的裝載釋放裝置很有必要。

1 結構組成及工作原理

1.1 總體結構

水下裝載釋放裝置主要由釋放機構、預緊機構、箍帶和釋放塊等組成，圖1為水下裝載釋放裝置結構組成圖。

圖1 水下裝載釋放裝置結構組成圖

1.2 釋放機構

釋放機構集成了水下裝載釋放裝置的動力源和動作執行機構，是水下裝載釋放裝置的核心機構，主要由安裝架、掛放軸、傳動軸、耐壓殼體、電機、減速器、凸輪微動開關、齒輪副以及通信電纜等組成。釋放機構結構如圖2所示。

1.3 預緊機構

預緊機構和箍帶主要作用是聯合釋放機構將載荷與水下機器人固定在一起，如圖1所示。預緊機構主要由上連接輪、下連接輪和預緊螺桿組成，其結構簡圖如圖3所示。預緊螺桿設有上、下兩段旋向相反的螺紋，上、下連接輪分別設有與預緊螺桿配合的螺紋孔，可通過力矩扳手擰緊或旋松預緊螺桿來調整上、下連接輪距離的遠近，從而實現對載荷預緊力的控制。

圖2 釋放機構結構圖

圖3 預緊機構結構簡圖

1.4 工作原理

釋放機構通過兩側安裝架采用螺釘連接方式固定在水下機器人設定位置。預緊機構上連接輪通過螺栓與水下機器人連接在一起，預緊機構下連接輪、箍帶、釋放塊和掛放軸依次連接成環形，從而將載荷固定于水下機器人內部。每套釋放機構對應兩套預緊機構、兩根箍帶和兩個釋放塊。被搭載的載荷軸向重心位于兩根箍帶之間。

釋放機構采用電機驅動，通過齒輪副傳動后帶動傳動軸轉動，伸出耐壓殼體的傳動軸再帶動兩側的掛放軸轉動。固定在傳動軸上的凸輪隨傳動軸一起轉動，凸輪微動開關結構簡圖如圖4所示。凸輪每轉動90°，將改變一次微動開關的狀態，控制器接收到微動開關狀態改變信號后控制電機停機。即電機每動作一次，傳動軸轉動90°，掛放軸也轉動90°。

掛放軸轉動至水平狀態時，由于釋放塊缺口寬度小于掛放軸直徑，釋放塊被鎖緊在掛放軸上，該狀態對應載荷的裝載狀態，如圖5（a）釋放機構動作示意圖裝載狀態所示，載荷裝載到位后，可通過力矩扳手控制預緊機構的預緊力來完成載荷的可靠裝載；掛放軸轉動90°后即變為豎直狀態，由于釋放塊缺口寬度略大于掛放軸窄邊寬度，自動從掛放軸上解脫，載荷在重力作用下完成與水下機器人的分離，如圖5（b）釋放機構動作示意圖釋放狀態所示。基于這一原理，該水下裝載釋放裝置可以重復裝載與釋放。

圖4 凸輪微動開關結構簡圖

圖5 釋放機構動作示意圖

2 主要零部件結構設計計算

2.1 掛放軸設計計算

掛放軸兩端安裝在安裝架內，中間部位受到載荷集中拉力作用，設計時主要考慮掛放軸在承受載荷拉力作用時不發生彎曲變形，掛放軸的直徑可由軸強度公式得出[4]：

式中，D1為掛放軸最小直徑；M為作用在掛放軸上的彎矩，可根據載荷作用在掛放軸上的拉力和掛放軸的跨距計算出來；[σ-1]為軸的許用彎曲應力，不同材料的許用彎曲應力可根據材料手冊查出。

2.2 傳動軸設計計算

載荷的重力和預緊機構的預緊力通過箍帶和釋放塊傳遞到掛放軸上，要滿足掛放軸轉動，掛放軸的轉動力矩必須克服釋放塊與掛放軸之間的轉動摩擦轉矩，作用在掛放軸上的轉矩為：

式中，TL為作用在輸出掛放軸上的轉矩；μ為轉動摩擦系數，不同材料之間的轉動摩擦系數不同，可根據材料手冊選取；F為箍帶上的張力和預緊力，可根據載荷的重量和預緊力得出。

掛放軸的轉動是依靠傳動軸的轉動而帶動的，傳動軸轉矩直接傳給掛放軸，按照轉矩計算軸徑的公式[4]：

式中，D2為傳動軸最小直徑；[τ]為軸的許用扭應力，不同材料的許用彎曲應力可根據材料手冊查出。設計釋放軸時，最小直徑需滿足式（3）的要求。

2.3 釋放電機設計計算

根據輸出軸上的轉矩，可以計算傳動軸上的額定功率為：

式中，PL為傳動軸上的額定功率；n為經減速器輸出后的電機轉速，可根據實際完成載荷釋放需要的時間得出。

則電機功率為：

式中，P為電機輸出功率；η1為減速箱效率，根據機械設計手冊結合實際使用情況選取；η2為傳動效率，根據機械設計手冊結合實際使用情況選取；η3為軸承、O形密封圈等效率，根據機械設計手冊結合實際使用情況選取。根據此公式，可以計算出電機的額定功率，實際選取時可取1.5～2倍的安全系數。

2.4 預緊機構設計計算

預緊機構設計時，主要考慮預緊螺桿強度滿足要求，根據預緊聯接單個螺栓強度計算公式[4]：

式中，FΣ為螺栓所受軸向載荷，取載荷重力在螺栓軸向的分力加上預緊力，預緊力可通過力矩扳手設置；[σ]為許用拉應力，不同材料許用拉應力查材料手冊選取；螺桿直徑滿足式（6）要求即可。

2.5 耐壓殼體設計

耐壓殼體除了為內部設備提供支撐和安裝接口外，最主要作用是在水下機器人工作范圍內水深條件下，為內部電機及電路部分提供干燥的環境，設計時要保證耐壓殼體在水下機器人工作水深范圍內的密封和結構穩定性。考慮到海水環境下防腐蝕及結構強度要求，殼體材料選用不銹鋼。為了增大耐壓殼體內部容積及減輕殼體結構重量，耐壓殼體采用圓柱結構。耐壓殼體設計計算可參照建造規范進行[5]。

3 結語

本文所述的水下裝載釋放裝置采用電機驅動方式，可重復裝載與釋放，具有可靠性高、適配性好的優點，目前已成功應用于某水下機器人，成功裝載和釋放過多種載荷，載荷重量從幾十千克至上千千克，具有一定的工程推廣價值。