付佳杰，楊 屹

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

隨著海洋資源越來越受到重視，無人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle，簡稱UUV)通過攜帶各種載荷來探測海洋得到了廣泛關(guān)注[1]。載荷可以是水下勘探設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備和各種潛標(biāo)浮標(biāo)等[2]。這種UUV是由載荷和運(yùn)載平臺組成的一個多體系統(tǒng)[3-4]。載荷作為UUV的一部分，其被釋放后，UUV一般會由于浮力發(fā)生變化而瞬間失去平衡，若該浮力變化沒有及時得到補(bǔ)償，UUV的水中狀態(tài)會失控，發(fā)生危險。因此，必須對釋放載荷后的UUV進(jìn)行浮力補(bǔ)償。目前，常用的浮力補(bǔ)償方法是通過UUV內(nèi)部補(bǔ)償容器進(jìn)水來實現(xiàn)[5-6]。為了提高補(bǔ)償容器進(jìn)水量和進(jìn)水速率，從而提高UUV的浮力補(bǔ)償效率，需要對UUV補(bǔ)償容器進(jìn)行預(yù)先抽真空處理，該集成式抽真空裝置就是針對某UUV補(bǔ)償容器抽真空設(shè)計的。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

抽真空裝置主要由真空泵、底板、箱體、電控柜、腳輪、真空計、控制面板、電氣接口、排氣口、進(jìn)氣口、注油口、扶手等組成。抽真空裝置結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。

圖1 抽真空裝置結(jié)構(gòu)組成圖

抽真空裝置主要作用是抽除UUV補(bǔ)償容器內(nèi)部空氣，使得補(bǔ)償容器能夠以較快的速度進(jìn)滿水。通過進(jìn)水補(bǔ)償試驗測試得出，當(dāng)補(bǔ)償容器內(nèi)部絕對真空度為500 Pa，UUV在水下15 m水深啟動進(jìn)水補(bǔ)償時，補(bǔ)償時間約為3.9 s，進(jìn)水量可達(dá)到補(bǔ)償容器容積的99.1%，滿足UUV總體指標(biāo)要求。根據(jù)真空度要求，真空泵選用市場上常用的直聯(lián)旋片式真空泵[7]。針對UUV水中工作環(huán)境，補(bǔ)償容器進(jìn)水后，內(nèi)部會殘留少許水分，選用帶有氣鎮(zhèn)閥的直連旋片式真空泵，可以在抽真空的同時抽除容器內(nèi)部殘留的水蒸氣。真空計采用微機(jī)型數(shù)顯電阻真空計，通過測量電阻的變化來測量相應(yīng)的真空度，經(jīng)真空計內(nèi)部微處理器非線性處理、運(yùn)算，最后送到真空計的數(shù)碼顯示器顯示。

箱體和底版由不銹鋼板折彎組成1個框架，將真空泵、真空計、電控柜等固定在合適的位置。由于真空泵在工作時，電機(jī)需要散熱，在箱體靠近真空泵一側(cè)開有百葉窗，在底板上開有散熱小孔。箱體的前面板和右面板分別開有活動門板，可開、關(guān)操作。箱體右邊上部設(shè)有工具箱，方便儲存電纜、抽氣管路等附件。前門板上設(shè)有一長方形透明窗口，用來觀察真空泵油位。在箱體的上部開有進(jìn)氣口、注油口，左面板上開有排氣口?？刂泼姘逶O(shè)置在箱體的前面板上，包括1個電源開關(guān)旋鈕、1個急停按鈕和2個指示燈。電氣接口放置在箱體的右面板上，包含1個380 V市電接插件和1個真空計信號接插件。

箱體和底板上分別設(shè)置有扶手和4個腳輪，其中，前面2個腳輪為萬向腳輪，后面2個為定向腳輪，方便抽真空裝置整體移動?？紤]到吊裝方便，在箱體上方4個角部分別設(shè)置有吊環(huán)螺釘，可方便穿繩掛鉤起吊。

1.2 工作原理

抽真空裝置的主體為真空泵和微機(jī)型數(shù)顯電阻真空計。真空泵、真空計與被抽容器之間通過1個三通接頭連接在一起，可通過真空計來實時讀取被抽容器的真空度。如圖2抽真空裝置的電氣原理圖所示，380 V市電經(jīng)過空氣開關(guān)后分兩路，其中一路經(jīng)過控制按鈕、相序保護(hù)器、接觸器后連接真空泵電機(jī)，另一路經(jīng)過變壓器后將380 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V電壓供真空計使用。

圖2 抽真空裝置電氣原理圖

直聯(lián)旋片式真空泵電機(jī)采用三相380V電源供電，電源相序必須正確才能保證電機(jī)旋向正確，否則真空泵無法正常工作，因此，在真空泵電機(jī)前級電路上設(shè)有相序保護(hù)器。在不知道初始相序是否正確的情況下，啟動真空泵電源旋鈕，相序保護(hù)器自動檢測相序是否符合，若相序錯誤，相序保護(hù)器自動關(guān)停真空泵，同時控制面板上的紅色指示燈點(diǎn)亮，此時反方向旋轉(zhuǎn)真空泵電源旋鈕，自動轉(zhuǎn)換相序，真空泵會正常啟動，控制面板上的綠色指示燈點(diǎn)亮。真空計與電阻規(guī)通過信號電纜連接，可實時顯示與真空規(guī)連接的被抽容器內(nèi)部的絕對真空度。

2 技術(shù)特性

該集成式抽真空裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 集成式抽真空裝置技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng) 用

如圖3抽真空裝置抽真空示意圖所示，不銹鋼波紋管一端通過快卸連接器[8]連接抽真空裝置的進(jìn)氣口，另一端通過快卸連接器連接三通的上端口，三通的右端口和下端口分別通過快卸連接器連接真空計和被抽補(bǔ)償容器的真空接口。接通抽真空裝置電源開始抽真空，真空計通過信號電纜可將被抽補(bǔ)償容器內(nèi)部的真空度實時傳輸?shù)匠檎婵赵O(shè)備的真空計顯示面板上。達(dá)到要求的真空度后，關(guān)閉被抽補(bǔ)償容器的真空接口，再關(guān)停抽真空裝置即可。該型補(bǔ)償容器的容積約為145 L，在打開真空泵的氣鎮(zhèn)閥情況下，將補(bǔ)償容器內(nèi)部真空度抽取到典型工況200 Pa時，所用時間約為2 min，操作方便快捷。

圖3 抽真空裝置抽真空示意圖

4 結(jié) 語

抽真空裝置的設(shè)計將帶有氣鎮(zhèn)閥的直聯(lián)旋片式真空泵和電阻真空計集成在一個不銹鋼框架內(nèi)，移動方便；并在電路上加入了相序保護(hù)器，接線簡單，能避免因相序錯誤導(dǎo)致真空泵異常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前已成功應(yīng)用于某型號UUV補(bǔ)償容器的抽真空，具有工程應(yīng)用價值。

[1] 徐玉如,蘇玉民,龐永杰.海洋空間智能無人運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展展望[J].中國艦船研究,2006,1(3):1-4.

[2] 付佳杰. 一種水下自動回收裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].機(jī)械制造,2016,3(54):24-25.

[3] 余德海,潘 光,邵 成,等.AUV載荷分離運(yùn)動仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006,26(1):625-627.

[4] 潘 瑛,徐德民,宋保維,等.AUV水下分離運(yùn)動及分離方式研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,22(4):505-508.

[5] 潘 光,魏 靜,陳 誠.載荷AUV進(jìn)水過程分析及分離運(yùn)動仿真[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,32(4):576-580.

[6] 付佳杰,胡玉梅,楊海鵬,等.水下彈簧活塞式浮力補(bǔ)償裝置[P].中國:CN201410509841.5,2014-09-28.

[7] 劉玉波.旋片式真空泵的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2010.

[8] GB/T 4982-2003,真空技術(shù)快卸連接器尺寸第1部分：夾緊型[S].