莊集超，龐洪臣-4，劉子浪，張德立，江佳濤

?

一種新型深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

莊集超1，龐洪臣1-4，劉子浪1，張德立1，江佳濤1

（1.廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.濟(jì)寧高新區(qū)創(chuàng)業(yè)中心，山東 濟(jì)寧 272023；4.山東水泊焊割設(shè)備制造有限公司，山東 濟(jì)寧 272023）

網(wǎng)衣是深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備的重要組成部分，其上若存有附著物將嚴(yán)重影響水體交換且易使網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)受損。為解決前述問題筆者設(shè)計(jì)了一種新型深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機(jī)器人，擬以歧管式噴盤配以高壓旋轉(zhuǎn)水射流作為清洗動(dòng)力源，采用雙浮筒調(diào)整水下潛浮姿態(tài)以及螺旋推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直行、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，并對(duì)射流噴嘴的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了理論分析。

深海網(wǎng)箱；機(jī)器人；高壓射流；歧管式噴盤

國外大部分網(wǎng)衣清洗機(jī)主要以高壓水清洗為主[1]。國內(nèi)由于較晚引進(jìn)大型深海網(wǎng)箱，對(duì)網(wǎng)衣清洗配套設(shè)備研究不多[2]，但隨著中國深海網(wǎng)箱廣泛應(yīng)用，網(wǎng)衣附著物清洗在深海域養(yǎng)殖過程中成為一個(gè)亟待解決的問題[3]。網(wǎng)衣長時(shí)間得不到有效清洗，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)孔附著大量藻類、貝類附著物，阻礙網(wǎng)箱水體交換，造成養(yǎng)殖魚類質(zhì)量降低，定期處理網(wǎng)衣上附著物還可避免因過多附著物而增加網(wǎng)箱重量。目前，國內(nèi)網(wǎng)衣清洗方式有定期換網(wǎng)法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和機(jī)械清洗法等[4]，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等缺點(diǎn)[5]。筆者設(shè)計(jì)的新型網(wǎng)衣清洗機(jī)器人擬利用高壓旋轉(zhuǎn)水射流對(duì)網(wǎng)衣附著物進(jìn)行沖洗，該設(shè)計(jì)對(duì)以后同類設(shè)備研究具有良好的借鑒意義。

1 深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機(jī)器人方案

1.1 清洗方案選擇

人工清洗與陽光曝曬都屬于較傳統(tǒng)清洗方法，要求工人長時(shí)間作業(yè)或者需要工人潛水清洗，藥物清洗極大可能對(duì)養(yǎng)殖魚類造成一定危害。宋協(xié)法等人[6]采用橡膠硬質(zhì)毛刷結(jié)合高壓水清洗方式，研制出清洗設(shè)備，該設(shè)備使用性能較差、智能化程度低，必須配備潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，且易對(duì)網(wǎng)衣造成一定損壞。據(jù)此，本文擬利用高壓旋轉(zhuǎn)水射流對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行清洗，工作時(shí)噴盤與網(wǎng)衣之間未有直接接觸，兩者之間存有5 mm水隙，但其具有瞬時(shí)打擊力強(qiáng)，清洗面積大等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景良好。

1.2 沉浮方案選擇

目前大部分小型或微型水下機(jī)器人使用螺旋槳來實(shí)現(xiàn)沉浮、橫搖、縱傾這三個(gè)自由度控制[7]。其缺點(diǎn)是：靠螺旋槳一直運(yùn)轉(zhuǎn)來平衡重力與浮力的合力矩功耗大；水下機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，受力情況無法用公式計(jì)算準(zhǔn)確反映，靠螺旋槳的推力平衡合力矩十分困難[8]。壓縮空氣變體積沉浮方案，一般用于大型潛水器。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備震動(dòng)小、噪音低、功耗小，適合長時(shí)間在水下工作[9]。

1.3 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)器人主要由潛浮及姿態(tài)控制裝置、歧管式噴盤、高壓清洗系統(tǒng)、螺旋推進(jìn)裝置、圖像GSM模塊監(jiān)控系統(tǒng)、水下照明裝置、控制倉、分流器、機(jī)架等組成。工作母船將高壓水經(jīng)高壓膠管導(dǎo)流至設(shè)備底部噴盤，噴盤通過自身結(jié)構(gòu)噴射出高壓旋轉(zhuǎn)水射流沖洗網(wǎng)衣。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)電纜傳輸?shù)乃虑逑礌顩r及時(shí)調(diào)整潛浮及姿態(tài)控制裝置和螺旋推進(jìn)裝置，從而改變機(jī)器人清洗軌跡和清洗姿態(tài)，以達(dá)到最佳清洗效果。清洗工作完成后，通過工作母船上小型起重機(jī)將該機(jī)器人回收。

1.水下攝像頭 2.螺旋推進(jìn)器 3.水下強(qiáng)光燈 4.歧管式噴盤 5.單向氣嘴 6.機(jī)架 7.浮筒 8.低速推進(jìn)器9.壓力傳感器 10.緊固件

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 歧管式噴盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的歧管式噴盤的結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴盤通過緊固件固定在機(jī)架底部，利用分流至歧管15高壓水經(jīng)噴嘴2從45°傾斜的前擋板12射流孔射出，在作用力下前擋板12將做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于前擋板12與導(dǎo)流管13相對(duì)靜止，從而使高壓水旋轉(zhuǎn)噴射，形成高壓旋轉(zhuǎn)水射流。

套筒7與后蓋4通過螺釘固定，軸套11對(duì)角接觸軸承6起軸向定位作用，通過螺帽8與后蓋4之間的斯特封9、O型密封圈和密封壓塊10保證二者的密封性，避免軸承因海水浸泡而腐蝕，影響清洗工作。4個(gè)噴孔在圓周方向以90°間隔均勻分布在前擋板上，工作時(shí)產(chǎn)生的射流反沖力由背向推進(jìn)器消除。

2.1.2 設(shè)計(jì)過程水動(dòng)力學(xué)計(jì)算

在計(jì)算時(shí)以一個(gè)噴盤為例，假設(shè)：海水為理想液體（＝1.03 g/cm3），該機(jī)器人的工作深度為15 m，高壓膠管總長為20 m，直徑為20 mm，在膠管入水口和歧管出水口兩個(gè)斷面，根據(jù)伯努利方程可知：

1.O型密封圈 2.噴嘴 3.彎頭 4.后蓋 5.螺釘 6.角接觸軸承7.套筒 8.螺帽9.斯特封 10.壓塊 11.軸套12.前擋板 13.導(dǎo)流管 14.螺母 15.歧管

根據(jù)連續(xù)方程可知：

由上述兩式可得噴嘴壓力為：

式中：為工作深度，m；為噴嘴出口直徑，mm。

在噴嘴出口與入口之間的兩個(gè)斷面（忽略高度差），根據(jù)伯努利方程可知：

根據(jù)連續(xù)方程可知：

聯(lián)立式（4）、式（5）可得：

化簡(jiǎn)得：

聯(lián)立式（5）、式（7）得到噴嘴直徑為：

2.2.1 浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，浮筒內(nèi)雙軸步進(jìn)電機(jī)兩端分別連接電控牙嵌式離合器，再通過圓柱齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)梯形絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩端活塞能夠可控地分別或者同時(shí)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變平臺(tái)重心、浮心位置以及浮力大小。兩浮筒兩端活塞同時(shí)壓縮或擴(kuò)張同樣的體積，則可以設(shè)備保持重心、浮心位置不變，浮力大小改變，使平臺(tái)穩(wěn)定上浮或下潛。一個(gè)浮筒兩端活塞壓縮體積，另一個(gè)浮筒擴(kuò)張同樣的體積，則可以保持重力、浮力大小不變，同時(shí)，浮心位置沿軸反方向位移，產(chǎn)生無法平衡的力矩，使平臺(tái)橫搖。兩浮筒一端活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，另一端活塞向外運(yùn)動(dòng)，兩端的運(yùn)動(dòng)量保持一致，則重力、浮力大小不變。同理，平臺(tái)縱傾。

圖3 浮筒結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 設(shè)計(jì)過程壓強(qiáng)計(jì)算

在計(jì)算時(shí)以一個(gè)浮筒為例，假設(shè)：海水為理想液體（＝1.03 g/cm3），該機(jī)器人的工作深度為15 m，最大的帶負(fù)載能力40 kg?；钊继幱谔帟r(shí)設(shè)備重力、浮力大小相等，設(shè)備從水面放入并開始下潛，如圖4所示。

圖4活塞行程示意圖

活塞可以運(yùn)動(dòng)的距離0＝150 mm

環(huán)境壓力為：

由理想氣體狀態(tài)方程得：

取、、三個(gè)位置工作水深的環(huán)境壓力，可算出活塞處于不同位置時(shí)的浮筒內(nèi)壓，計(jì)算得、、不同位置的浮筒內(nèi)部體積如表1所示，由此可知下水前若活塞處于位置內(nèi)壓取最大值為4.94×105Pa。

表1不同位置的浮筒參數(shù)

位置浮筒內(nèi)壓/Pa內(nèi)部體積/L A3.4×10576.8 B4×10564.8 C4.94×10552.8

3 結(jié)論

本文在綜合考慮深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗工況需求基礎(chǔ)上，以提高其清洗能力、清洗效率以及降低姿態(tài)控制難度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，清洗機(jī)器人采用了實(shí)用性和可靠性較高的高壓旋轉(zhuǎn)水射流清洗方案和壓縮空氣變體積式姿態(tài)沉浮控制方案，對(duì)其關(guān)鍵運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并闡述了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行機(jī)理。但深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的具體尺寸結(jié)構(gòu)、制作成本以及動(dòng)態(tài)分析仍需要根據(jù)實(shí)際使用需求作進(jìn)一步的研究，該設(shè)備對(duì)于后續(xù)的同類產(chǎn)品的研發(fā)具有良好的借鑒意義。

[1]張小明，郭根喜，陶啟友，等. 歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].南方水產(chǎn)，2010（3）：46-51.

[2]郭根喜，陶啟友. 我國深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)及發(fā)展展望（下）[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2004（9）：10-11.

[3]景發(fā)岐. 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 水產(chǎn)科技，2010（3）：9-11.

[4]張小明，郭根喜，陶啟友，黃小華，胡昱. 高壓水射流水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)射流打擊力計(jì)算[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2010（1）：25-28.

[5]劉庭成，程駿. 高壓水射流清洗機(jī)的參數(shù)分析[J]. 洗凈技術(shù)，2004（9）：9-11.

[6]宋協(xié)法，賈瑞，馬玉霞. 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（5）：733-738.

[7]馬金明. 超小型水下機(jī)器人沉浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其控制研究[D]. 上海：上海大學(xué)，2005.

[8]翟宇毅，劉亮，龔振邦. 超小型水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及若干問題探討[J]. 機(jī)床與液壓，2005（2）：1-4.

[9]陳建平. 我國潛水器發(fā)展?fàn)顩r及存在的問題[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，1999（2）：7-9.

Design of a New Deep-sea Net Cage Cleaning Robot

ZHUANG Jichao1，PANG Hongchen1-4，LIU Zilang1，ZHANG Deli1，JIANG Jiatao1

(1.School of Mechanical and Power Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 , China; 2.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 3.Jining High-Tech Zone Venture Center, Jining272023, China; 4.Shandong Shuibo Hange Equipment Manufacturing Corporation, Jining272023, China )

Netting is an important part of deep-sea cage culture equipment, if there is attached material will seriously affect the water exchange and easy to damage the cage structure. In order to solve the above problems, the author designed a new type of deep-sea netting cleaning robot, which is intended to be equipped with high-pressure rotating water jet as a cleaning power source with a manifold spray plate, and a double buoy to adjust the underwater submersible attitude and a spiral propeller The straight and turning of the robot, and the theoretical analysis of the key technical parameters of the jet nozzle.

deep-sea net cages；robots；high pressure jet；schematic manifolds

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.015

1006－0316 (2018) 01－0072－04

2017－05－02

廣東海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（CXXL2016017）；廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程省專項(xiàng)資金支持建設(shè)項(xiàng)目（Q14209）；廣東省工程技術(shù)研究中心——廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目；2016年廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目——面向機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生的人工智能應(yīng)用案例庫建設(shè)（2016QTLXXM_52）

莊集超（1994－），男，廣東陸豐人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

通訊作者：龐洪臣（1977－），男，山東樂昌人，博士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。