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

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.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221000）

0 引言

21世紀(jì)被稱為海洋世紀(jì)，隨著人們對海洋資源開發(fā)的深入，人們將會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)動實(shí)現(xiàn)浮動和行走控制，軍事上的潛水艇采用的是數(shù)個金屬倉壓水或充氣排水的方式來實(shí)現(xiàn)其下潛或上浮，和采用電渦輪機(jī)驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)行走的控制[1,2]。上述無論有人或無人，有纜或無纜的受控潛水物，從民用上來考慮，其設(shè)備普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高的缺點(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，還有個別液壓驅(qū)動[3]。隨著水下氣動技術(shù)、新型耐海水腐蝕材料的發(fā)展，采用水下氣壓傳動技術(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)動和控制的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

1 設(shè)計要求

新型氣控潛水設(shè)備要達(dá)到以下設(shè)計要求：

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)在滿足深水壓力的條件下，重量與排水體積的比值盡可能??；

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。

2 潛水設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計

本文所設(shè)計的氣控皮囊式潛水設(shè)備是以壓縮空氣作為動力源，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的下潛、上浮以及姿態(tài)調(diào)整的，它是由儲氣筒、彈性皮囊及配重等構(gòu)成的一種簡單的潛水設(shè)備。

2.1 耐壓儲氣筒的設(shè)計

水下潛水設(shè)備的耐壓儲氣筒是用來存儲動力能源——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、密封性對于整個系統(tǒng)是非常重要的。由于所設(shè)計的潛水設(shè)備最大潛深為200m，作業(yè)深度小于800m。根據(jù)已有經(jīng)驗，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。

儲氣筒最大壓力選擇為最大水深對應(yīng)壓力的2倍，即400米深度下的壓力4Mpa。儲氣筒直徑選擇為0.3米，則滿足強(qiáng)度要求的儲氣筒厚度為：

式中，P為壓縮氣體壓力（MPa），4MPa；

Di為計算球體直徑（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。

計算得：δ=4.03mm，鑒于安全等方面的考慮，選取鋼板厚度為6mm；

儲氣筒球面積S=4πR2=0.2826(m2)；

計算儲氣筒球重量：

筒球浮力F浮=4/3πR3×ρ水，取海水重度ρ水取為1.1g/cm3；

儲氣筒球體積：V= 4/3πR3=0.01413(m3)；則儲氣筒球浮力：

2.2 浮體設(shè)計

浮體是重要的浮力來源，應(yīng)該滿足質(zhì)量體積比越小越好，本文設(shè)計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)計上該體積不可過大，過大會使得充氣時間過長，并且過大在機(jī)器人布置上也存在不合理問題，但該體積也不能過小，過小會使得機(jī)器人設(shè)計上自身重量要求小，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。考慮到機(jī)器人需要姿態(tài)調(diào)整選取彈性皮囊數(shù)量為4個，并分別安放在儲氣筒的四個角上，如圖1所示。

圖1 皮囊布置方案

對應(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)。

取皮囊的體積為儲氣筒體積的1/2，則皮囊全體積為：0.01413/2m3；

四個彈性皮囊總共可提供的最大浮力為：77.5N；

每一個皮囊提供的最大浮力為：19.4N；

半充氣狀態(tài)四個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)皮囊及儲氣筒提供的合成浮力為：

200米深度時，皮囊受200米水壓作用的總體積為：

200米深度時皮囊總浮力F囊：77.5÷20=3.875(N)；

200米深度時機(jī)器人由儲氣筒和皮囊提供的總浮力F總：155+3.875=159(N)；

200米深度時皮囊重新充氣到1/2體積時，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)境水絕對溫度，K。

因此，計算得：

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需加的配重量，此時設(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)計要求重量減去上述重量：

此超載重量對應(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)上述計算分析校核得知：

1）自由液面附近的儲氣筒加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，滿足不小于1.5kg的設(shè)計要求；

3）設(shè)計的機(jī)器人總重量滿足不大于25kg的要求；

4）在200米液下，皮囊恢復(fù)到1/2+5.5%體積時，機(jī)器人即可上浮，皮囊膨脹體積在合理范圍；

5）設(shè)計方案在滿足設(shè)計要求的指標(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)動時免遭到碰撞的作用。為了減小在水下的阻力，減少動力消耗，該水下機(jī)器人的主體部件采用了流線體型，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上是一個左右、前后對稱的外形，四角處各有一個氣囊，為了防止在水中運(yùn)行時碰到障礙物，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，通過氣囊的充排氣來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上下沉浮。其外形結(jié)構(gòu)簡如圖2所示。

圖2 潛水設(shè)備外形結(jié)構(gòu)簡圖

3 潛水設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)設(shè)計要求，該設(shè)備系統(tǒng)控制回路包括：潛浮控制回路、水平運(yùn)動控制回路、姿態(tài)調(diào)整回路和氣缸進(jìn)退回路，設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 潛水設(shè)備的氣動系統(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算機(jī)，當(dāng)設(shè)備下沉到預(yù)定的深度時，位于6氣囊充氣支路上的四個5二位二通電磁閥通過PLC控制被同時通電打開，儲存在2高壓儲氣筒內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過3減壓閥的調(diào)壓，輸出符合要求的壓縮空氣，電磁開關(guān)閥的閥門開啟，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，壓力傳感器也能測量出充入氣囊內(nèi)的氣體壓力，從而反饋到計算機(jī)。

氣囊充氣后逐漸膨脹，體積增加，整個設(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，整個系統(tǒng)懸浮于水中，此時通過PLC控制關(guān)閉充氣支路上的四個5電磁開關(guān)閥，打開姿態(tài)調(diào)整支路上的控制渦輪a、b的電磁開關(guān)閥a、b，壓縮空氣通過電磁開關(guān)閥輸入到10氣動馬達(dá)，氣動馬達(dá)將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，從而推動整個系統(tǒng)前進(jìn)。當(dāng)關(guān)閉電磁開關(guān)閥a、b，控制渦輪c和d的電磁開關(guān)閥c、d通電打開后，氣動馬達(dá)帶動渦輪c和d旋轉(zhuǎn)，推動整個系統(tǒng)向著與之前運(yùn)動的反方向運(yùn)動，即后退。當(dāng)電磁開關(guān)閥a通電打開，b關(guān)閉，電磁開關(guān)閥d打開，d關(guān)閉，整個系統(tǒng)就會做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。整個系統(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控制的電磁開關(guān)閥通電打開后，壓縮空氣通過閥門進(jìn)入到氣缸的下腔，推動氣缸的活塞桿向上運(yùn)動，從而推動照明攝像設(shè)備向上運(yùn)動，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，以便觀測其周圍的狀況，當(dāng)關(guān)閉電磁開關(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電磁開關(guān)閥通電打開，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，整個系統(tǒng)開始上浮，當(dāng)壓力傳感器檢測出氣囊內(nèi)氣體壓力的上限時，關(guān)閉充氣支路上的電磁開關(guān)閥，停止對氣囊充氣，此時，整個系統(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控制的四個氣囊的7排氣電磁閥通電打開，儲存在氣囊中的壓縮空氣通過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)備開始下沉，整個系統(tǒng)處于下潛階段，到達(dá)下潛深度下限時，氣囊排氣電磁閥關(guān)閉，氣囊停止排氣。因此，該設(shè)備就會被控制在設(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)下潛確定的沉浮時間到達(dá)時，用PLC控制的氣囊充氣電磁閥通電打開，氣囊排氣電磁閥關(guān)閉， 高壓儲氣筒中的壓縮空氣通過氣囊充氣管路對四個氣囊進(jìn)行充氣，設(shè)備開始上浮，直至浮出水面。

4 結(jié)論

設(shè)計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）采用自帶的廉價的高壓儲氣筒、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)簡單，造價低廉，可靠性高特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價值。

2）非常適用于海底搜索、水樣調(diào)查、海生物識別等，即經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可操作性強(qiáng)又安全可靠。

3）結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、尺寸小、造價低、活動范圍大、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，有著很大的使用價值和經(jīng)濟(jì)價值。

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The design of a new type of pneumatic control equipment

SUN Xu-guang1, SHAN Shi-yan2, WANG Bing2

針對現(xiàn)有潛水設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，設(shè)計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)簡單、造價低廉和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的民用推廣價值。

潛水設(shè)備；氣控；皮囊

孫旭光（1960 -），男，教授，博士，研究方向為流體傳動與控制工程研究。

TH122

A

1009-0134(2015)12(上)-0102-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.30

2015-07-17