鋼球式分離機構設計探討

張云海，谷 泉

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

近年來，海洋無人裝備因使用廣泛、低成本、可執行多類任務等優點，越來越受到關注。海洋無人裝備在布放或回收過程中，大都會用到分離機構。水下分離機構的驅動力除了可采用氣動或爆炸力、電磁（機）力等形式外，還可以直接利用一定深度的水壓力驅動，這樣可以使結構更簡單、安全性更高。一般情況下，氣動、爆炸力、電磁力可利用極小的電能產生較高的瞬時動能，因而可直接利用其驅動構件做分離動作。水壓力則隨深度不斷變化，用作分離驅動力時一是動作精度難以保障，二是需要一些控制件和彈簧來作對運動件限制的約束。鋼球因其幾何形態及摩擦學方面的獨特性質，在各類機械設備和產品中用途廣泛。鋼球作為力與運動傳遞的媒介可與許多構件組合為功能獨特的機構[1]，成為水下分離機構中控制件的首選。

鋼球式分離機構是一類采用鋼球作為運動控制件水下自動動作裝置，既可以作為連接件將各部分組合成整體，也可以在平臺或載體上配置一定負荷，滿足其工作條件時，完成分離分解功能。其工作原理主要是依靠若干鋼球承受連接載荷，通過球形的幾何特性，利用鋼球不同接觸部位和接觸面不同的圓錐角產生的法向力及摩擦力，來傳遞力和控制機構運動。此類機構最重要的特征是可用極小的支撐力（幾N），控制分離件上承受成千上萬倍的連接力，一旦控制力消失或施加，機構可迅速完成分離分解動作。2種典型結構示意見圖1。

圖1 鋼球式分離機構常見結構Fig.1 Normal structures of steel ball type separation mechanism

圖1（a）所示的水壓式分離機構工作原理是利用基體（8）、控制桿（9）和頂桿（11）形成一個感受水壓的密封腔體，控制桿（9）用控制片（10）限位于初始態，使控制鋼球（7）卡在基體（8）的凹槽內，滑套（3）無法向左移動，分離頭（1）螺孔連接上吊環與下吊環呈各種連接態，根據設計尺寸大小該機構可承受數10 kN拉力。當機構有外壓作用時，控制桿（9）向空腔運動，使控制片（10）形變，當外壓作用力超過控制片（10）的剪切力時，控制片（10）被剪切，控制桿（9）向左運動，控制鋼球（7）在彈簧（4）的作用下從基體（8）槽內脫落，滑套（3）開始向左運動，在拉力和彈簧力的作用下，承力鋼球（2）從分離頭（1）的凹槽內被擠出，完成分離動作。其中控制片的材料和結構形式經專業設計和測試，能保證各動作深度值誤差不大于6%。

圖1（b）所示的電磁鐵式分離機構的動作過程為：當水下無人裝備在一定深度上需要拋載或投放設備時，電磁鐵（1）產生的驅動力，使外滑環（3）克服彈簧（8）支撐向右移動一定距離，解除對鋼球（5）的限位，內滑環（7）在壓簧（10）的作用下向左運動，解除對鋼球（6）的限位，伸縮桿（14）、（11）在水壓的作用下向左運動，縮回基體（12）、（13）內，實現拋載和投放功能。為了做到在陸地上整體不拆卸狀態下多次重復使用和性能測試，增加了回拉桿（2）和復位彈簧（9），通過簡單工裝可以實現機構動作后的復位。已完成設計的分離機構采用行程5 mm，動作力25 N的電磁鐵，可實現在深海4 000 m環境下的拋載或其它功能需求。

1 受力分析

上述圖例中均涉及 2級鋼球控制的受力結構形式，通過接觸鋼球部位和角度等結構分析計算設計表明，能將數10 kN的連接力或數km深海水壓力轉化成數牛或數10 N的控制力，來實現水下精確分離動作，為純粹的機械（如水壓）控制設計提供了理論基礎。

1.1 承力鋼球力學方程

以圖1（a）為例，作用在分離頭上的拉力及彈簧力F（包括拉及彈簧力），通過數顆均布承力鋼球傳遞到滑套和基座上，圖2是單顆承力鋼球受力示意圖（未考慮鋼球重力），理想情況下鋼球每個接觸點受力均為通過球心的法向力Na/b/c和相應的切向摩擦力fa/b/c[2]。

圖2 承力鋼球受力Fig.2 Stress of bear ball

在分離前，有承力鋼球受力平衡方程組：

式中：F為作用在分離頭上的拉力及彈簧力之和；Na、Nb、Nc為各接觸點鋼球法向力；fa 、fb 、fc為各接觸點鋼球切向力；μa、μb、μc為各接觸點鋼球與接觸面靜摩擦系數；α、β、θ為鋼球與接觸面法向力角度；n為承力鋼球數量（均布）。

當滑套（3）受力F’=n（fbcosβ-Nbsinβ）大于彈簧（4）的預壓力時，滑套（3）將始終不會向左移動，保持在鎖定位置。分析計算中以此作為彈簧（4）預壓力設計輸入，為保證動作可靠，還可取2-3倍安全系數作為保障。

1.2 控制鋼球力學方程

圖3是單顆控制鋼球受力示意圖。作用在滑套（3）上的彈簧力克服F’后，加載到均布的控制鋼球（7）上，使控制鋼球（7）和基體（8）凹槽 2點接觸，形成角度φ上的向內推力，鋼球向內擠壓控制桿（9），不考慮鋼球的重力，同樣控制鋼球每個接觸點受力均為通過球心的法向力N1/2/3和切向摩擦力f1/2/3。

圖3 控制鋼球受力Fig.3 Stress of control ball

此時，有力平衡方程式

式中：W為彈簧初始作用力；N1、N2、N3為控制鋼球各接觸點法向力；f1、f2、f3為控制鋼球各接觸點切向力；μ1、μ2、μ3為控制鋼球與各接觸面靜摩擦系數；φ為控制鋼球與接觸點法向力角度；n為控制鋼球數量（均布）。

可解算出控制鋼球對控制桿的鎖緊力即靜摩擦力為n×f3，因此作為控制機構動作的外力，在機構需要動作時應大于靜摩擦力n×f3。

2 算例

按圖1（a）分離頭受到極限載荷50 kN為例，計算當承力鋼球數量為 10顆，控制鋼球數量為 3顆，鋼球直徑10 mm的各部分不同接觸角度和斜面彈簧及控制片受力情況。為簡化計算工作量，彈簧初始作用力均按理論最小彈簧力的2倍取值，計算結果見表1。

表1 不同接觸角度和工作斜面下鋼球受力計算值Table 1 Calculated force values of steel ball under different contact angles and working inclined surfaces

表1（續）

3 計算結果討論

表 1按鋼與鋼靜摩擦系數 0.15為例，計算了承力鋼球不同的受力接觸角α、β、θ時滑套受力及彈簧最小設計值。結果顯示：

1）當α角一定時，增加β、θ角度，滑套受的正壓力Nb減小，相應的摩擦力隨之減小，并會出現負值情況，表明鋼球已從有向外運動趨勢變為有向內運動趨勢，發生自鎖。因此，適當的鋼球接觸面優化設計，可提升動作性能，并減小彈簧最小設計值，使機構動作更可靠。

2）當β、θ角一定時，α角度與滑套受的正壓力Nb呈正比關系，設計時α必須大于鋼球與接觸面的靜摩擦系數自鎖角。即設計時α必須大于鋼球與接觸面的靜摩擦系數自鎖角，即但不宜過大，若α太大，相應的正壓力Nb、摩擦力也會很大，所需彈簧力設計值、控制力也會增加，結構將更龐大。

3）鋼球式連接分離機構一般選用高強度結構鋼作為基材，進行防腐耐磨處理。此時，影響摩擦系數的因素有法向載荷大小、材料表面硬度、粗糙度以及接觸形式、銹蝕潤滑情況等[3]。摩擦臨界角（自鎖角）會在一個范圍內波動。李文平等[4]在對不銹鋼球的摩擦學特性研究中，發現 GCrl5球、陶瓷球在與不同材料球座配副的摩擦系數均會出現一定程度的波動，摩擦系數在整個試驗周期內均呈逐漸上升趨勢，見圖4。理論上鋼與鋼靜摩擦系數μ=0.15～0.21，所對應的摩擦自鎖角約為8.53°～ 11.86°[5]。若機構長時間承力連接不動作，且未潤滑時，實際考慮干摩擦因素的影響。林乃明等[6]通過電化學處理對316不銹鋼摩擦學性能的影響研究表明，316不銹鋼基材與GCrl5和Si3N4陶瓷球對磨時，摩擦系數在0.55～0.56之間小幅波動。若采用鋼球作為力或者運動控制媒介，在長期貯存后需要經常維護保養，否則在設計時應考慮的動作角度比計算值要更大一些。

4）Si3N4陶瓷球維氏硬度為 14 000～17 000 N/mm2，軸承鋼的維氏硬度為 7 000～8 000 N/mm2，具有硬度高、耐熱性好、耐蝕性強和重量輕等許多優良特點，更適合于海洋環境下動作機構設計，王泉等[7]進行的Si3N4陶瓷球磨削和精研加工工藝的研究，已研制出 G5級陶瓷球。彭潤玲等[8]通過對 Si3N4陶瓷球、GCrl5鋼球與 TiNi60合金配副的摩擦系數對比研究，發現陶瓷球摩擦學性能優異，更適合作為低速輕載軸承用于摩擦學領域。因此，開展陶瓷球分離機構研究試驗或將避免目前水雷武器裝備在長期儲存后導致的許多問題。

5）鋼球式連接分離機構中由于鋼球硬度遠大于接觸面材料硬度，若外載荷或施加的力矩過大，會引起與鋼球接觸零件出現局部形變，從而改變受力方向，導致設計動作角的變化。因此，設計時應對與鋼球作用部位進行接觸強度校核，通過提高與鋼球接觸的零件表面硬度、尺寸及形位公差精度要求，以及避免尖銳棱角接觸或采用多鋼球均勻受力減小接觸應力等方式，提升機構動作性能。

4 結束語

本文對鋼球式分離機構多級控制常用的組合結構進行了受力分析計算，通過設計參數的優選，可使該類連接-分離自動轉換機構獲得較穩定的力學放大（縮減）效應，能實現用極小的力控制較大的連接載荷分離，達到四兩撥千斤的效果。該類機構安全性和可靠性較高，結構簡單、性價比高，可廣泛在深海裝備中推廣應用。