陳澤佳，李卓恒，徐健城，陳健民，肖嘉俊，張 靜＊

（1.廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著海洋強國戰(zhàn)略的實施，海水養(yǎng)殖產業(yè)充分利用國土資源成為了合理開發(fā)海洋資源的重要途徑。為實現(xiàn)漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，深遠海網箱養(yǎng)殖成為我國海水漁業(yè)養(yǎng)殖的主要發(fā)展方向。就網箱監(jiān)測而言，一旦網衣出現(xiàn)破損，若無法及時修補，將出現(xiàn)魚類逃逸的問題，這不僅會給養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的經濟損失，而且會產生嚴重的生物物種污染。然而網箱網衣破損的及時修補一直處于技術滯后狀態(tài)。目前養(yǎng)殖過程中針對網衣破損的及時修補，常采用定期換網或專業(yè)潛水員攜帶網針漁線等工具進行水下網目排查修補的方式，其過程較為煩瑣，不僅存在操作效率問題，而且還需要熟練的網衣修補潛水員，對潛水員來說存在極大的安全隱患。因此，網衣的破損能否及時修補及其修補效率已成為影響深海網箱養(yǎng)殖健康發(fā)展的一個關鍵問題。本研究提出一種手持式深海網箱網衣修補氣動釘槍設計，適用于提高潛水員在水下的網箱網衣修補工作效率。

1 網衣修補夾槍的設計思路和方案

1.1 設計思路

深海網箱養(yǎng)殖主要分布在水下10 ～ 200 m 海域內，在此環(huán)境下的水下洋流方向錯綜復雜，且洋流力度較大，給潛水員的網衣檢查修補工作造成極大的干擾。目前針對網衣破損（圖1），潛水員主要采用梭形網針和漁線（圖2）在水下逐個網目排查并進行修補，不僅工作效率低、不易操作且對潛水員在水下進行網衣修補的熟練程度有一定要求。結合深海網箱養(yǎng)殖的特殊環(huán)境因素以及潛水員的人體機能因素，采用氣體活塞驅動和連桿機構傳動原理，深海網箱網衣修補氣動釘槍主要分為儲氣緩沖部分、控氣部分、活塞驅動部分、鉗釘部分和儲釘部分[1]。在確保實現(xiàn)功能的前提下，降低結構的復雜程度，減少設備自身重量并進行一定的輕量化。

圖1 網箱網衣破損

圖2 梭形網針和漁線

1.2 設計方案

潛水員佩戴專業(yè)潛水設備、氧氣瓶和網衣修補夾槍后，潛水對網箱進行排查，在發(fā)現(xiàn)網衣破洞后，通過網衣修補釘槍對網衣進行快速修補。工作時，潛水員將釘槍的鉗口放入待修補的網孔周邊的完好網孔（圖3 中兩個方塊為釘槍鉗的截面圖），然后扣動扳手。由于釘槍通過密封氣管與氧氣瓶內的高壓氣體連接，扣動扳手時，氧氣瓶內的高壓氣體立刻進入釘槍，緊接著通過固定在釘槍內部的密封氣管進入活塞缸前端，隨著氣體的增加，活塞受壓后移，帶動與之固定的連桿機構，進而實現(xiàn)驅動釘槍鉗合閉。由于夾槍前端固定有釘夾，釘夾內的環(huán)型釘受彈簧作用將環(huán)形釘固定在夾槍鉗間，釘槍鉗合閉，環(huán)形釘受力彎曲，從而實現(xiàn)對網衣破洞的修補[2]（圖4）。

圖3 釘槍鉗工作過程中與修補網衣的相對位置示意圖

圖4 原理示意圖

之后潛水員松開扳手，活塞受復位彈簧作用將活塞前端氣體排出，通過出氣管和單向閥將氣體排至儲氣瓶中，至此完成一次水下網衣破洞修補工作。

2 網衣修補釘槍機械結構設計

網衣修補釘槍整體結構分為儲氣緩沖、控氣、活塞驅動、鉗釘和儲釘5 大部分（圖5）。釘槍基本參數(shù)見表1。

圖5 網衣修補氣動釘槍整體結構示意圖

表1 釘槍基本參數(shù)

2.1 儲氣緩沖部分

該部分包括氧氣瓶、閥座、耐高壓密封氣管和儲氣罐。通過閥座與密封氣管實現(xiàn)氧氣瓶和釘槍間的連接，氧氣瓶既能為潛水員提供氧氣，又能為釘槍提供氣壓來源和儲氣。由于氧氣瓶中氣壓相較活塞內部氣壓過大，故通過儲氣罐實現(xiàn)一個緩沖過程，在滿足為氣槍儲氣的同時，還能對進入釘槍內的氣體進行一個緩沖過程，避免因氣壓過大而造成對釘槍的損壞。

使用氣體驅動的好處在于，在滿足對釘槍驅動的同時，還能減輕釘槍重量，為夾槍提供適量的浮力，方便潛水員使用，達到安全環(huán)保的目的。

2.2 控氣部分

為了方便潛水員控制驅動釘槍，設置了控氣部分，主要由控氣缸、扳手復位彈簧、O 型密封圈、扳手、壓縮彈簧、密封套筒和輸氣管組成。受工作環(huán)境影響，控氣部分的防水密封性要求較高，且需同時滿足動靜密封的要求，因此采用有良好密封性能，既可用于靜密封，也可用于動密封的O 型密封圈。未工作時，受高壓氣體和扳手復位彈簧作用，O 型密封圈受壓變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，由于接觸壓力大于海水壓力，因此不發(fā)生泄漏。工作時，潛水員扣動扳手，扳手復位彈簧受力壓縮，控氣缸后端的O 型密封圈不再受壓，氣體沿進氣孔和輸氣管迅速進入活塞缸內。由于控氣缸前端的導氣管內部固定有O 型密封圈、密封套筒和壓縮彈簧，壓縮彈簧通過與扳手后端固定，實現(xiàn)壓縮產生彈力，反作用于導氣管前端的密封套筒和O 型密封圈，使其受力壓縮變形，達到潛水員扣動扳手時仍能保障控氣缸的防水密封性的目的[3]。

2.3 活塞驅動部分

活塞驅動部分通過活塞缸、活塞蓋、密封墊片、活塞桿、密封墊片、密封墊圈、出氣管、活塞復位彈簧和連桿組成。活塞缸作為夾槍的驅動部分，其防水密封性要求高，故采用密封墊片，通過螺栓固定在活塞缸和活塞蓋間，從而提高其氣密性。當潛水員扣動扳手，氣體進入活塞桿前端時，隨著氣體的不斷增加，氣體壓縮活塞桿后退?；钊麠U與連桿通過鉚釘固定連接，帶動連桿后退。當潛水員放松扳手后，活塞缸內氣體不再增加，由于活塞缸后端與活塞桿間固定有活塞復位彈簧，活塞復位彈簧通過對活塞桿反作用，推動活塞桿，將活塞缸內氣體通過出氣管排回至氧氣瓶內。

2.4 鉗釘部分

此部分設計了兩個夾鉗，夾鉗下方均設有與環(huán)形釘配合的凹槽，在固定環(huán)形釘?shù)耐瑫r，便于對環(huán)形釘進行施力彎曲。夾鉗之間通過扭轉彈簧和鉚釘固定連接，通過扭轉彈簧對夾鉗進行定位，同時達到減震和夾緊的功能。工作時，夾鉗通過連桿與活塞連接，驅動夾鉗的開閉，從而實現(xiàn)對環(huán)形釘?shù)氖┝澢_到快速修補網衣破洞的目的。

2.5 儲釘部分

儲釘部分通過釘槍外殼固定于釘槍前端，包括釘夾殼、彈簧、環(huán)形釘復位載體以及環(huán)形釘。工作時，環(huán)形釘復位載體通過彈簧將環(huán)形釘及時送至夾鉗下方凹槽內，為潛水員下一次驅動夾槍做好準備。

2.6 輔助部件

輔助部件為單向閥，通過與出氣管連接固定于釘槍底部，主要由閥芯、閥蓋、閥體、彈簧墊片和彈簧組成。工作時，活塞受復位彈簧作用將活塞缸內氣體通過出氣管排出。為使氣體順利排至儲氣瓶，防止儲氣瓶中的氣體倒流阻礙活塞缸排氣，設計采用單向閥實現(xiàn)出氣管與儲氣瓶的連接，從而保證釘槍不會因儲氣瓶中的氣體倒流而影響工作[3]。

網衣修補氣動釘槍示意圖如圖6 所示。

圖6 網衣修補氣動釘槍示意圖

3 執(zhí)行機構運動仿真驗證

與傳統(tǒng)的人工水下采用網針網線不斷纏繞打結方式修補網衣相比，本設計創(chuàng)新性地運用氣動壓力做功，結合連桿驅動夾鉗運動來進行網衣破洞修補，訂書機式的執(zhí)行機構和氣槍的促發(fā)方式則讓工作人員簡單方便快捷的實現(xiàn)水下補網，擺脫傳統(tǒng)人工低效修補的痛點。

網衣修補釘槍的主要執(zhí)行機構為前端的夾鉗和連桿傳動機構，為進一步了解執(zhí)行機構運動過程中的速度位移等關系，現(xiàn)采用SolidWorks 中所配有的Motion 運動仿真插件，來對執(zhí)行機構在工作時其角位移變化規(guī)律（圖7），連桿位移變化規(guī)律（圖8）進行分析。

由仿真結果可知，執(zhí)行機構的最大角位移為84°，連桿運動近似為平均速度1.5 mm/s 的勻速運動，符合所設計的功能需求和安全性能。

4 結語

隨著我國海洋漁業(yè)的不斷發(fā)展，對深海網箱配套設備的需求日益劇增。盡管網箱配套設備的研制已經初具規(guī)模，但其主要涉及起捕、分級、轉運、檢測、清理，針對水下網衣破損的及時修補卻一直處于技術滯后狀態(tài)，設計了一種手持式深海網箱網衣修補氣動釘槍。該網衣修補氣動釘槍在結構設計上簡單，可靠性高，成本低，具有廣泛的實用價值，對深海網箱水下網衣修補設備的發(fā)展具有一定的參考作用。