孫旭光,單世延,王 冰
(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,連云港 222000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,徐州 221000)
一種新型氣控潛水設(shè)備設(shè)計(jì)
孫旭光1,單世延2,王 冰2
(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,連云港 222000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,徐州 221000)
21世紀(jì)被稱(chēng)為海洋世紀(jì),隨著人們對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)的深入,人們將會(huì)更多地從事水下作業(yè)因此也就期待著在技術(shù)上提供更加便捷、廉價(jià)和可靠的受控潛水設(shè)備。目前,實(shí)現(xiàn)潛水作業(yè)的潛水設(shè)備大都采用增加壓艙物下潛,拋棄壓艙物上浮和采用電渦輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)和行走控制,軍事上的潛水艇采用的是數(shù)個(gè)金屬倉(cāng)壓水或充氣排水的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其下潛或上浮,和采用電渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)行走的控制[1,2]。上述無(wú)論有人或無(wú)人,有纜或無(wú)纜的受控潛水物,從民用上來(lái)考慮,其設(shè)備普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高的缺點(diǎn),難于獲得普遍性的民用推廣。
目前,水下潛水設(shè)備大都采用水下電力驅(qū)動(dòng),還有個(gè)別液壓驅(qū)動(dòng)[3]。隨著水下氣動(dòng)技術(shù)、新型耐海水腐蝕材料的發(fā)展,采用水下氣壓傳動(dòng)技術(shù)的新型潛水設(shè)備將進(jìn)一步拓展水下潛水設(shè)備驅(qū)動(dòng)和控制的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。
新型氣控潛水設(shè)備要達(dá)到以下設(shè)計(jì)要求:
1)最大工作深度:水下200m;
2)最大潛浮調(diào)節(jié)速度:3L/min;
3)最大浮力調(diào)節(jié)能力:30kgf;
4)外形尺寸:700mm×500mm×550mm;
5)總質(zhì)量:25kg;
6)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足深水壓力的條件下,重量與排水體積的比值盡可能?。?/p>
7)系統(tǒng)要密封良好,維護(hù)方便,可拆性好,便于改裝和加減設(shè)備。
本文所設(shè)計(jì)的氣控皮囊式潛水設(shè)備是以壓縮空氣作為動(dòng)力源,來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的下潛、上浮以及姿態(tài)調(diào)整的,它是由儲(chǔ)氣筒、彈性皮囊及配重等構(gòu)成的一種簡(jiǎn)單的潛水設(shè)備。
水下潛水設(shè)備的耐壓儲(chǔ)氣筒是用來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)力能源——壓縮氣體的,也是潛水設(shè)備主要浮力的主要提供者,它的結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度、密封性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)是非常重要的。由于所設(shè)計(jì)的潛水設(shè)備最大潛深為200m,作業(yè)深度小于800m。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)采用半球型封頭的圓柱形耐壓殼體[5]。材料選用高強(qiáng)度低合金鋼。
儲(chǔ)氣筒最大壓力選擇為最大水深對(duì)應(yīng)壓力的2倍,即400米深度下的壓力4Mpa。儲(chǔ)氣筒直徑選擇為0.3米,則滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的儲(chǔ)氣筒厚度為:
式中,P為壓縮氣體壓力(MPa),4MPa;
Di為計(jì)算球體直徑(mm),300mm;為許用應(yīng)力(MPa),普通碳鋼為133MPa;
φ為焊接系數(shù),取0.8。
計(jì)算得:δ=4.03mm,鑒于安全等方面的考慮,選取鋼板厚度為6mm;
儲(chǔ)氣筒球面積S=4πR2=0.2826(m2);
計(jì)算儲(chǔ)氣筒球重量:
筒球浮力F浮=4/3πR3×ρ水,取海水重度ρ水取為1.1g/cm3;
儲(chǔ)氣筒球體積:V= 4/3πR3=0.01413(m3);則儲(chǔ)氣筒球浮力:
浮體是重要的浮力來(lái)源,應(yīng)該滿(mǎn)足質(zhì)量體積比越小越好,本文設(shè)計(jì)選擇的浮體材料為彈性橡膠皮囊,具有耐磨性、耐腐蝕性耐老化性等優(yōu)點(diǎn)。彈性皮囊是機(jī)器人的浮力調(diào)整機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)上該體積不可過(guò)大,過(guò)大會(huì)使得充氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng),并且過(guò)大在機(jī)器人布置上也存在不合理問(wèn)題,但該體積也不能過(guò)小,過(guò)小會(huì)使得機(jī)器人設(shè)計(jì)上自身重量要求小,機(jī)器人帶超載能力低。氣囊的總內(nèi)體積方案可為選取V的1/2左右??紤]到機(jī)器人需要姿態(tài)調(diào)整選取彈性皮囊數(shù)量為4個(gè),并分別安放在儲(chǔ)氣筒的四個(gè)角上,如圖1所示。
圖1 皮囊布置方案
對(duì)應(yīng)于潛深300米~1000米范圍內(nèi),工作介質(zhì)都為氣體狀態(tài)的,不可能為液態(tài)。
取皮囊的體積為儲(chǔ)氣筒體積的1/2,則皮囊全體積為:0.01413/2m3;
四個(gè)彈性皮囊總共可提供的最大浮力為:77.5N;
每一個(gè)皮囊提供的最大浮力為:19.4N;
半充氣狀態(tài)四個(gè)彈性皮囊總共可提供的最大浮力為:39N。
液面深度附近機(jī)器人皮囊處于半壓縮狀態(tài)皮囊及儲(chǔ)氣筒提供的合成浮力為:
200米深度時(shí),皮囊受200米水壓作用的總體積為:
200米深度時(shí)皮囊總浮力F囊:77.5÷20=3.875(N);
200米深度時(shí)機(jī)器人由儲(chǔ)氣筒和皮囊提供的總浮力F總:155+3.875=159(N);
200米深度時(shí)皮囊重新充氣到1/2體積時(shí),提供的總浮力=232.5(N);
機(jī)器人其他重量的補(bǔ)充:
壓縮空氣質(zhì)量為:
式中:P為最大水深h產(chǎn)生的絕對(duì)單位靜水壓強(qiáng),MPa;
R為克拉伯龍常數(shù),8314帕·升/摩爾·K;
T為環(huán)境水絕對(duì)溫度,K。
因此,計(jì)算得:
皮囊自身材料體積為皮囊總體積1/5,皮囊密度為1.36g/cm3,則皮囊的總質(zhì)量:
取管路、皮囊壓縮彈簧系統(tǒng)、儀表控制倉(cāng)的重量M其他為4.0kg,則液面附近提供的總重為:
液面附近浮力F與設(shè)備重力G之差:
F-G差即為液面附近潛水設(shè)備達(dá)到重力和浮力平衡時(shí)需加的配重量,此時(shí)設(shè)備的重量為:
因此可選擇超載重量m超為潛水設(shè)備設(shè)計(jì)要求重量減去上述重量:
此超載重量對(duì)應(yīng)的皮囊需半體積后再膨脹體積為:
上述體積占皮囊的全體積的比率:
經(jīng)上述計(jì)算分析校核得知:
1)自由液面附近的儲(chǔ)氣筒加1/2皮囊提供的總浮力>潛水設(shè)備總重量;
潛水設(shè)備提供的總浮力232.5N >總重力96N;
2)機(jī)器人超載重量可選為1.7kg,滿(mǎn)足不小于1.5kg的設(shè)計(jì)要求;
3)設(shè)計(jì)的機(jī)器人總重量滿(mǎn)足不大于25kg的要求;
4)在200米液下,皮囊恢復(fù)到1/2+5.5%體積時(shí),機(jī)器人即可上浮,皮囊膨脹體積在合理范圍;
5)設(shè)計(jì)方案在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)下,其重量、強(qiáng)度、下潛上浮等方面均可行合理。
所設(shè)計(jì)的潛水設(shè)備載體采用的框架式,載體的總體布局比較合理,增減和拆裝設(shè)備儀器都比較方便,而且框架還起到了圍護(hù)、支撐和保護(hù)設(shè)備在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)免遭到碰撞的作用。為了減小在水下的阻力,減少動(dòng)力消耗,該水下機(jī)器人的主體部件采用了流線(xiàn)體型,整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本上是一個(gè)左右、前后對(duì)稱(chēng)的外形,四角處各有一個(gè)氣囊,為了防止在水中運(yùn)行時(shí)碰到障礙物,以致?lián)p壞氣囊,所以氣囊外圍都加固了一層不銹鋼的保護(hù)欄[6]。在設(shè)備總重量不變的情況下,通過(guò)氣囊的充排氣來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上下沉浮。其外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)如圖2所示。
圖2 潛水設(shè)備外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該設(shè)備系統(tǒng)控制回路包括:潛浮控制回路、水平運(yùn)動(dòng)控制回路、姿態(tài)調(diào)整回路和氣缸進(jìn)退回路,設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。
圖3 潛水設(shè)備的氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖
潛水設(shè)備在下潛之前,各充氣支路和排氣支路上的電磁閥均處于斷電常閉狀態(tài),氣囊是處于未充高壓氣的狀態(tài)。
在下潛階段,隨著深度的增加,4壓力傳感器感受到海水的壓力作用反饋到計(jì)算機(jī),當(dāng)設(shè)備下沉到預(yù)定的深度時(shí),位于6氣囊充氣支路上的四個(gè)5二位二通電磁閥通過(guò)PLC控制被同時(shí)通電打開(kāi),儲(chǔ)存在2高壓儲(chǔ)氣筒內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)3減壓閥的調(diào)壓,輸出符合要求的壓縮空氣,電磁開(kāi)關(guān)閥的閥門(mén)開(kāi)啟,壓縮空氣逐漸充入氣囊,由于所用的二位二通電磁閥的開(kāi)關(guān)頻率是受PLC的控制,所以氣體是間歇性的充入氣囊,壓力傳感器也能測(cè)量出充入氣囊內(nèi)的氣體壓力,從而反饋到計(jì)算機(jī)。
氣囊充氣后逐漸膨脹,體積增加,整個(gè)設(shè)備的浮力也隨之增加,當(dāng)設(shè)備浮力等于設(shè)備自身的重力時(shí),整個(gè)系統(tǒng)懸浮于水中,此時(shí)通過(guò)PLC控制關(guān)閉充氣支路上的四個(gè)5電磁開(kāi)關(guān)閥,打開(kāi)姿態(tài)調(diào)整支路上的控制渦輪a、b的電磁開(kāi)關(guān)閥a、b,壓縮空氣通過(guò)電磁開(kāi)關(guān)閥輸入到10氣動(dòng)馬達(dá),氣動(dòng)馬達(dá)將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),從而推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)前進(jìn)。當(dāng)關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)閥a、b,控制渦輪c和d的電磁開(kāi)關(guān)閥c、d通電打開(kāi)后,氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)渦輪c和d旋轉(zhuǎn),推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)向著與之前運(yùn)動(dòng)的反方向運(yùn)動(dòng),即后退。當(dāng)電磁開(kāi)關(guān)閥a通電打開(kāi),b關(guān)閉,電磁開(kāi)關(guān)閥d打開(kāi),d關(guān)閉,整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的前進(jìn)、后退及旋轉(zhuǎn)的速度均由9節(jié)流閥控制。
為了探索,觀察海底的狀況,整個(gè)系統(tǒng)還配有照明燈和水下攝像頭,照明燈和水下攝像頭均是由8氣缸控制的,當(dāng)PLC控制的電磁開(kāi)關(guān)閥通電打開(kāi)后,壓縮空氣通過(guò)閥門(mén)進(jìn)入到氣缸的下腔,推動(dòng)氣缸的活塞桿向上運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)照明攝像設(shè)備向上運(yùn)動(dòng),由于系統(tǒng)本身能夠做姿態(tài)調(diào)整,照明攝像設(shè)備也可隨著系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)動(dòng),以便觀測(cè)其周?chē)臓顩r,當(dāng)關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)閥后,活塞桿退回,照明攝像設(shè)備向下返回依附于機(jī)電室旁邊,以免碰撞,以致?lián)p壞設(shè)備。
潛水設(shè)備在上浮階段,PLC控制的氣囊充氣支路上的5電磁開(kāi)關(guān)閥通電打開(kāi),壓縮空氣繼續(xù)往氣囊里充氣,氣囊體積繼續(xù)膨脹,設(shè)備浮力增加,當(dāng)設(shè)備浮力大于設(shè)備自身的重力時(shí),整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始上浮,當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)出氣囊內(nèi)氣體壓力的上限時(shí),關(guān)閉充氣支路上的電磁開(kāi)關(guān)閥,停止對(duì)氣囊充氣,此時(shí),整個(gè)系統(tǒng)還是處于上浮階段,當(dāng)上浮到預(yù)先設(shè)定的高度后,PLC控制的四個(gè)氣囊的7排氣電磁閥通電打開(kāi),儲(chǔ)存在氣囊中的壓縮空氣通過(guò)氣囊排氣電磁閥向低壓排氣筒內(nèi)排氣,氣囊體積縮小,浮力隨之減小,當(dāng)浮力小于設(shè)備自身重力后,設(shè)備開(kāi)始下沉,整個(gè)系統(tǒng)處于下潛階段,到達(dá)下潛深度下限時(shí),氣囊排氣電磁閥關(guān)閉,氣囊停止排氣。因此,該設(shè)備就會(huì)被控制在設(shè)定的下潛上限與下潛上限之間浮沉,即實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的液下沉浮控制,又實(shí)現(xiàn)了設(shè)備液下定位控制和姿態(tài)控制。當(dāng)下潛確定的沉浮時(shí)間到達(dá)時(shí),用PLC控制的氣囊充氣電磁閥通電打開(kāi),氣囊排氣電磁閥關(guān)閉, 高壓儲(chǔ)氣筒中的壓縮空氣通過(guò)氣囊充氣管路對(duì)四個(gè)氣囊進(jìn)行充氣,設(shè)備開(kāi)始上浮,直至浮出水面。
設(shè)計(jì)研究了一種新型潛水設(shè)備,該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)采用自帶的廉價(jià)的高壓儲(chǔ)氣筒、低壓排氣筒以及充、排氣彈性氣囊構(gòu)成的調(diào)節(jié)浮力系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)下潛、上浮和懸浮定位的基本功能,載體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,可靠性高特點(diǎn),具有很高的實(shí)用價(jià)值。
2)非常適用于海底搜索、水樣調(diào)查、海生物識(shí)別等,即經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可操作性強(qiáng)又安全可靠。
3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、尺寸小、造價(jià)低、活動(dòng)范圍大、潛水深度可調(diào)、不需要龐大的水面支持系統(tǒng),運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用都比較低,有利于推廣使用,有著很大的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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The design of a new type of pneumatic control equipment
SUN Xu-guang1, SHAN Shi-yan2, WANG Bing2
針對(duì)現(xiàn)有潛水設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型氣控皮囊式潛水設(shè)備,該設(shè)備由浮體框架、氣囊、配重、高低壓儲(chǔ)氣筒等構(gòu)成,其最大下潛深度為200m,該潛水設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),具有明顯的民用推廣價(jià)值。
潛水設(shè)備;氣控;皮囊
孫旭光(1960 -),男,教授,博士,研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制工程研究。
TH122
A
1009-0134(2015)12(上)-0102-03
10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.30
2015-07-17