張?jiān)坪?，?泉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

近年來(lái)，海洋無(wú)人裝備因使用廣泛、低成本、可執(zhí)行多類任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注。海洋無(wú)人裝備在布放或回收過(guò)程中，大都會(huì)用到分離機(jī)構(gòu)。水下分離機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力除了可采用氣動(dòng)或爆炸力、電磁（機(jī)）力等形式外，還可以直接利用一定深度的水壓力驅(qū)動(dòng)，這樣可以使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、安全性更高。一般情況下，氣動(dòng)、爆炸力、電磁力可利用極小的電能產(chǎn)生較高的瞬時(shí)動(dòng)能，因而可直接利用其驅(qū)動(dòng)構(gòu)件做分離動(dòng)作。水壓力則隨深度不斷變化，用作分離驅(qū)動(dòng)力時(shí)一是動(dòng)作精度難以保障，二是需要一些控制件和彈簧來(lái)作對(duì)運(yùn)動(dòng)件限制的約束。鋼球因其幾何形態(tài)及摩擦學(xué)方面的獨(dú)特性質(zhì)，在各類機(jī)械設(shè)備和產(chǎn)品中用途廣泛。鋼球作為力與運(yùn)動(dòng)傳遞的媒介可與許多構(gòu)件組合為功能獨(dú)特的機(jī)構(gòu)[1]，成為水下分離機(jī)構(gòu)中控制件的首選。

鋼球式分離機(jī)構(gòu)是一類采用鋼球作為運(yùn)動(dòng)控制件水下自動(dòng)動(dòng)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(tái)或載體上配置一定負(fù)荷，滿足其工作條件時(shí)，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(guò)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(chǎn)生的法向力及摩擦力，來(lái)傳遞力和控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)構(gòu)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(wàn)倍的連接力，一旦控制力消失或施加，機(jī)構(gòu)可迅速完成分離分解動(dòng)作。2種典型結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 鋼球式分離機(jī)構(gòu)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Normal structures of steel ball type separation mechanism

圖1（a）所示的水壓式分離機(jī)構(gòu)工作原理是利用基體（8）、控制桿（9）和頂桿（11）形成一個(gè)感受水壓的密封腔體，控制桿（9）用控制片（10）限位于初始態(tài)，使控制鋼球（7）卡在基體（8）的凹槽內(nèi)，滑套（3）無(wú)法向左移動(dòng)，分離頭（1）螺孔連接上吊環(huán)與下吊環(huán)呈各種連接態(tài)，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸大小該機(jī)構(gòu)可承受數(shù)10 kN拉力。當(dāng)機(jī)構(gòu)有外壓作用時(shí)，控制桿（9）向空腔運(yùn)動(dòng)，使控制片（10）形變，當(dāng)外壓作用力超過(guò)控制片（10）的剪切力時(shí)，控制片（10）被剪切，控制桿（9）向左運(yùn)動(dòng)，控制鋼球（7）在彈簧（4）的作用下從基體（8）槽內(nèi)脫落，滑套（3）開始向左運(yùn)動(dòng)，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(nèi)被擠出，完成分離動(dòng)作。其中控制片的材料和結(jié)構(gòu)形式經(jīng)專業(yè)設(shè)計(jì)和測(cè)試，能保證各動(dòng)作深度值誤差不大于6%。

圖1（b）所示的電磁鐵式分離機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過(guò)程為：當(dāng)水下無(wú)人裝備在一定深度上需要拋載或投放設(shè)備時(shí)，電磁鐵（1）產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，使外滑環(huán)（3）克服彈簧（8）支撐向右移動(dòng)一定距離，解除對(duì)鋼球（5）的限位，內(nèi)滑環(huán)（7）在壓簧（10）的作用下向左運(yùn)動(dòng)，解除對(duì)鋼球（6）的限位，伸縮桿（14）、（11）在水壓的作用下向左運(yùn)動(dòng)，縮回基體（12）、（13）內(nèi)，實(shí)現(xiàn)拋載和投放功能。為了做到在陸地上整體不拆卸狀態(tài)下多次重復(fù)使用和性能測(cè)試，增加了回拉桿（2）和復(fù)位彈簧（9），通過(guò)簡(jiǎn)單工裝可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作后的復(fù)位。已完成設(shè)計(jì)的分離機(jī)構(gòu)采用行程5 mm，動(dòng)作力25 N的電磁鐵，可實(shí)現(xiàn)在深海4 000 m環(huán)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(jí)鋼球控制的受力結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)接觸鋼球部位和角度等結(jié)構(gòu)分析計(jì)算設(shè)計(jì)表明，能將數(shù)10 kN的連接力或數(shù)km深海水壓力轉(zhuǎn)化成數(shù)?；驍?shù)10 N的控制力，來(lái)實(shí)現(xiàn)水下精確分離動(dòng)作，為純粹的機(jī)械（如水壓）控制設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1.1 承力鋼球力學(xué)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(guò)數(shù)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(gè)接觸點(diǎn)受力均為通過(guò)球心的法向力Na/b/c和相應(yīng)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(diǎn)鋼球法向力；fa 、fb 、fc為各接觸點(diǎn)鋼球切向力；μa、μb、μc為各接觸點(diǎn)鋼球與接觸面靜摩擦系數(shù)；α、β、θ為鋼球與接觸面法向力角度；n為承力鋼球數(shù)量（均布）。

當(dāng)滑套（3）受力F’=n（fbcosβ-Nbsinβ）大于彈簧（4）的預(yù)壓力時(shí)，滑套（3）將始終不會(huì)向左移動(dòng)，保持在鎖定位置。分析計(jì)算中以此作為彈簧（4）預(yù)壓力設(shè)計(jì)輸入，為保證動(dòng)作可靠，還可取2-3倍安全系數(shù)作為保障。

1.2 控制鋼球力學(xué)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(diǎn)接觸，形成角度φ上的向內(nèi)推力，鋼球向內(nèi)擠壓控制桿（9），不考慮鋼球的重力，同樣控制鋼球每個(gè)接觸點(diǎn)受力均為通過(guò)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(shí)，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(diǎn)法向力；f1、f2、f3為控制鋼球各接觸點(diǎn)切向力；μ1、μ2、μ3為控制鋼球與各接觸面靜摩擦系數(shù)；φ為控制鋼球與接觸點(diǎn)法向力角度；n為控制鋼球數(shù)量（均布）。

可解算出控制鋼球?qū)刂茥U的鎖緊力即靜摩擦力為n×f3，因此作為控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作的外力，在機(jī)構(gòu)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)應(yīng)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(jì)算當(dāng)承力鋼球數(shù)量為 10顆，控制鋼球數(shù)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(jiǎn)化計(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

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

表1（續(xù)）

3 計(jì)算結(jié)果討論

表 1按鋼與鋼靜摩擦系數(shù) 0.15為例，計(jì)算了承力鋼球不同的受力接觸角α、β、θ時(shí)滑套受力及彈簧最小設(shè)計(jì)值。結(jié)果顯示：

1）當(dāng)α角一定時(shí)，增加β、θ角度，滑套受的正壓力Nb減小，相應(yīng)的摩擦力隨之減小，并會(huì)出現(xiàn)負(fù)值情況，表明鋼球已從有向外運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變?yōu)橛邢騼?nèi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，發(fā)生自鎖。因此，適當(dāng)?shù)匿撉蚪佑|面優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提升動(dòng)作性能，并減小彈簧最小設(shè)計(jì)值，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作更可靠。

2）當(dāng)β、θ角一定時(shí)，α角度與滑套受的正壓力Nb呈正比關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)α必須大于鋼球與接觸面的靜摩擦系數(shù)自鎖角。即設(shè)計(jì)時(shí)α必須大于鋼球與接觸面的靜摩擦系數(shù)自鎖角，即但不宜過(guò)大，若α太大，相應(yīng)的正壓力Nb、摩擦力也會(huì)很大，所需彈簧力設(shè)計(jì)值、控制力也會(huì)增加，結(jié)構(gòu)將更龐大。

3）鋼球式連接分離機(jī)構(gòu)一般選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為基材，進(jìn)行防腐耐磨處理。此時(shí)，影響摩擦系數(shù)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(rùn)滑情況等[3]。摩擦臨界角（自鎖角）會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。李文平等[4]在對(duì)不銹鋼球的摩擦學(xué)特性研究中，發(fā)現(xiàn) GCrl5球、陶瓷球在與不同材料球座配副的摩擦系數(shù)均會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，摩擦系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)均呈逐漸上升趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。理論上鋼與鋼靜摩擦系數(shù)μ=0.15～0.21，所對(duì)應(yīng)的摩擦自鎖角約為8.53°～ 11.86°[5]。若機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間承力連接不動(dòng)作，且未潤(rùn)滑時(shí)，實(shí)際考慮干摩擦因素的影響。林乃明等[6]通過(guò)電化學(xué)處理對(duì)316不銹鋼摩擦學(xué)性能的影響研究表明，316不銹鋼基材與GCrl5和Si3N4陶瓷球?qū)δr(shí)，摩擦系數(shù)在0.55～0.56之間小幅波動(dòng)。若采用鋼球作為力或者運(yùn)動(dòng)控制媒介，在長(zhǎng)期貯存后需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，否則在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的動(dòng)作角度比計(jì)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(qiáng)和重量輕等許多優(yōu)良特點(diǎn)，更適合于海洋環(huán)境下動(dòng)作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，王泉等[7]進(jìn)行的Si3N4陶瓷球磨削和精研加工工藝的研究，已研制出 G5級(jí)陶瓷球。彭潤(rùn)玲等[8]通過(guò)對(duì) Si3N4陶瓷球、GCrl5鋼球與 TiNi60合金配副的摩擦系數(shù)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷球摩擦學(xué)性能優(yōu)異，更適合作為低速輕載軸承用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。因此，開展陶瓷球分離機(jī)構(gòu)研究試驗(yàn)或?qū)⒈苊饽壳八孜淦餮b備在長(zhǎng)期儲(chǔ)存后導(dǎo)致的許多問(wèn)題。

5）鋼球式連接分離機(jī)構(gòu)中由于鋼球硬度遠(yuǎn)大于接觸面材料硬度，若外載荷或施加的力矩過(guò)大，會(huì)引起與鋼球接觸零件出現(xiàn)局部形變，從而改變受力方向，導(dǎo)致設(shè)計(jì)動(dòng)作角的變化。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)與鋼球作用部位進(jìn)行接觸強(qiáng)度校核，通過(guò)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(yīng)力等方式，提升機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鋼球式分離機(jī)構(gòu)多級(jí)控制常用的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析計(jì)算，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選，可使該類連接-分離自動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)獲得較穩(wěn)定的力學(xué)放大（縮減）效應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)用極小的力控制較大的連接載荷分離，達(dá)到四兩撥千斤的效果。該類機(jī)構(gòu)安全性和可靠性較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，可廣泛在深海裝備中推廣應(yīng)用。