基于电磁力驱动的海洋调查装备抛载机构设计_任玉刚.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.006基于电磁力驱动的海洋调查装备抛载机构设计任玉刚1，2，景春雷1，刘延俊2（1.国家深海基地管理中心，山东青岛266237；2.山东大学机械工程学院，山东济南250061）摘要：针对目前我国大洋科考活动中急需的科考仪器设备吊装布放需求，结合传统的吊装释放器特点，本文设计了一种新型的基于电磁驱动法的红外遥控式海洋装备甲板吊放释放机构，提出了微小电磁力控制重型吊载力的杠杆式设计吊装及抛载设计方法，并针对作业工况和结构特点，引入了计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（ComputerAided Engineering，CAE）技术，进行了机构设计，采用有限元法对承载结构进行了结构力学分析，对比分析了 3 种材料力学性能，给出了材料选取方案，以期为大洋仪器设备设计提供借鉴和创新性方案指导。关键词：磁力驱动；释放机构；海洋调查装备中图分类号：P71文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0053-08收稿日期：2022-05-18基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2020QD041）；国家重点研发计划资助项目（2021YFC2801605）；国家自然科学基金资助项目（52175018）作者简介：任玉刚（1987），男，硕士，高级工程师，主要从事深海探测技术装备应用技术研究。E-mail：通讯作者：刘延俊（1963），男，博士，教授，主要从事深海探测技术装备应用技术研究。E-mail：深海大洋是一个连接全球各大陆的巨大空间，拥有浩瀚的水体气候资源、海底矿产资源和丰富的生物基因资源。人类一直开展深海大洋科学探索，而通过海洋仪器是开展科学探索的重要技术载体。海洋科考仪器可搭载一系列专业化的传感检测器、物理量探测设备进入深海预定位置现场完成测量、分析、评估和探测作业1-2，获得高价值科学样品与数据，实现突破性科学发现。目前，海洋科考仪器多搭载于海洋科考船舶，多为专业仪器设备，通常需要在海上进行现场布放。由于海上海况条件、船舶条件不同，海上布放机构是实现科考仪器在现场实现作业的重要仪器设备，也是海洋科考设备的必备工具3-4。应用于深海大洋的仪器受探测及作业深度的增加，其重量普遍较大，人力布放及回收已不现实。海上布放通常采用船载吊放设备进行作业，而抛载释放机构则较为简单，大部分采用船载折臂吊机将仪器吊装，仪器与吊机通过一个机械式安全销轴释放机构连接。布放时拨出安全销，释放机构处于活动状态，其触发机构与一根绳子连接，由专人松紧绳子，当吊机回转至指定海域，人工拉动绳子，在仪器自身重力作用下，触发释放器，从而实现释放。上述释放机构优点是结构简单，但在整个布放及回收过程中，实际释放机构始终处于活动状态。考虑到海上涌浪船舶摇摆等情况，布放极易造成脱钩，形成安全事故，主要问题包括：布放过程存在安全隐患，海上恶劣海况极易造成仪器坠落造成人员及仪器的安全隐患；布放效率低下，耗费大量海上宝贵时间，对布放人员经验要求高，存在技术门槛；触发机构设计精度高，给制造工艺、材料选择带来困难，造价高昂，目前考虑到制作工艺水平基本采用国外进口，无法解决“卡脖子”问题。海洋技术学报第42卷为解决上述问题，本文基于“蛟龙”号载人潜水器科学应用航次过程中的现场任务需要，开展了“一种基于电磁驱动的红外遥控式海洋装备甲板吊装释放机构”设计研究，进行了机械结构设计，采用杠杆式机构设计，实现微小电磁力控制重型吊载力的原理；提出了远程红外光谱遥控触发的控制策略，从而极大降低了人工触发带来的危险性和失败率；触发机构采用电磁式吸附设计，相对于以往机械式释放机构具备触发冗余度高的特点，同时具备两套独立触发释放能力，保证了成功率，同时良好应用前景。1国内外研究现状海洋装备抛载机构主要分为水下和水面两种5-6，其中水下抛载机构主要用于运载器的上浮下潜调节、深海探测工具的抛载等，水面抛载机构主要用于海洋科考仪器在甲板的吊装抛载释放，即为水面的抛载作业，将调查设备布放至海底。1.1水下抛载机构1.1.1美国 Alvin 载人潜水器美国 Alvin 载人潜水器是目前世界使用效率最高、应用效果最为显著的载人潜水器，其水下抛载机构采用了机械式抛载形式7。如图 1 所示，抛载机构主要由销轴、挂钩、凸轮、弹簧等部件组成，主要工作原理为潜航员通过舱内操作，驱动机构带动销轴动作，销轴连带驱动凸轮转动，当凸轮转动达到 90时，搭钩机构闭合，随机实现挂钩的脱开。1.1.2日本 Shinkai 6500 载人潜水器日本 Shinkai 6500 载人潜水器采用电磁液压驱动形式，其控制端由一个电磁式三位阀组实现抛载动作8，如图 2 所示。当三位电磁阀左得电时，液压系统驱动使重块与潜水器本体保持连接；当三位电磁阀右得电时，液压系统驱动使重块脱离潜水器本体；当电磁阀失电时，阀处于中位，压载重块在自重作用下自行脱离潜水器，该装置可实现三重保险，具有高可靠性能。图 1Alvin 抛载机构1.释放轴；2.载人球；3.后端壳体。123图 2Shinkai 6500 抛载机构1.脱离螺栓；2.油压扭矩调节器。21上浮压载重块下潜压载重块上浮压载重块下潜压载重块压力油电磁阀单元54第1期1.1.3法国“鹦鹉螺”号载人潜水器“鹦鹉螺”号抛载机构采用了电磁力吸附原理实现抛载8，如图 3 所示。抛载箱采用漏斗形结构形式，内缠绕有通电线圈，当线圈通电时，随即产生强力磁场，在磁力吸附下，抛载箱内的磁性铁丸被吸附住；当需要抛载时，潜航员操作使线圈断电，磁场消失，铁丸在自身重力作用下抛载。1.1.4中国“蛟龙”号载人潜水器我国“蛟龙”号载人潜水器可弃压载抛弃装置主要用于装载压载重块，并通过吊挂机构、重块导向机构挂于潜水器中，通过潜水器抛载电磁阀释放压载重块从而改变潜水器自身重力及浮力，以保证潜水器在下潜、上浮过程中的正常运行。载人潜水器的可弃压载配重装置由吊挂和释放机构、压载重块等机构组成，如图 4 所示，下潜压载（297 mm 197 mm 318 mm），上浮压载（298 mm 298 mm 650mm），其中下潜压载铁重量为 135145 kg，上浮压载铁重量为 225235 kg，根据潜航员情况每次进行配重调整。1.2水面抛载机构目前水面抛载机构主要采用机械式释放钩，如图 5 所示。该类型释放钩目前已完全市场化，多采用优质高强度合金钢（316L）为承载主体，配有热处理加强技术，具有结构简单、重量轻便、承载能力强等优点，已广泛应用于深海调查潜标及海床基等设备的释放，已成为海洋科考的必备工具之一。然而该设备也存在一定缺点：在作业过程中需拔掉安全销，抛载机构存在受船舶涌浪摇摆抛载释放安全隐患；对表面工艺处理要求极高，普遍采用国外进口产品；对作业人员要求较高。图 3“鹦鹉螺”号抛载机构1.软铁；2.线圈；3.出口；4.漏斗。3214图 4“蛟龙”号可弃压载抛弃装置吊挂与释放机构下潜压载块150 kg上浮压载块500 kg重块导向机构任玉刚，等：基于电磁力驱动的海洋调查装备抛载机构设计55海洋技术学报第42卷2技术需求分析及结构设计2.1工况分析与技术指标大洋科考过程中，受极端海况影响，船舶在涌浪影响下经常出现较大的升沉幅度，同时伴随横纵摇运动，这对海上工作带来一定挑战。海上吊装布放的科考仪器普遍在 200600 kg，采用船载折臂吊开展吊装作业，利用释放器完成布放工作。主要工作流程包括：布放前将顶部吊钩与折臂吊的吊钩用 U 型环连接，手动旋出触发保险螺钉；通过无线控制器启动电源，电磁吸附装置产生不低于 50 N的吸附力；将设备吊至水面以上 12 m 处（视海况情况），触发无线控制器按钮，打开杠杆限位，完成释放动作。基于工况分析，抛载释放机构的技术指标包括：最大负载能力 2 000 kg；控制方式采用远红外控制方式，具备无接触的优势；电磁耦合驱动吸附力不小于 50 N；动力源采用自容式设计，锂电池供电；整机重量小于 10 kg。2.2总体结构设计及工作原理针对复杂多变、高温、高盐、高湿等海上作业的特点及海上仪器设备布放需求，基于“蛟龙”号载人潜水器可弃抛载机构设计基础，提出了一种基于电磁驱动的红外遥控式海洋装备甲板吊装释放机构设计，该机构主要采用杠杆基本原理，通过机构限位的方式实现小力控制大力的效果，机构由电磁吸附机构、承载及机械释放机构和执行机构组成。左右两侧为独立的电磁吸附、电源及无线控制模块，左右两侧模块互为备用，可独立使用；中部为吊装承载及机械释放模块；每个模块由结构复杂的机构组合而成，各个子模块均可实现海上组装与更换，总体结构如图 6 所示。基于电磁驱动的红外遥控式海洋装备甲板吊装释放机构工作原理如图 7 所示，主要执行结构由电磁吸附机构、杠杆（触发连接杆）、吊钩组成，在工作前或处于吊装状态时，左右吊钩处于闭合状态，从而承担吊装工作，当需要释放时手动触发红外遥控器，无线控制器收到命令信号后触发电源开启，电磁铁上电并产生不低于 50 N 的吸附力，电磁力向内挤压杠杆，在杠杆作用下，另一端向外侧产生移动，杠杆发生转动，与此同时转动转轴在吊装力作用下，产生位移，当转动超过一定幅度后，销轴脱离，对吊钩限位作用消失，从而最终实现了抛载。2.3电磁吸附动力机构电磁吸附动力机构如图 8 所示，左右两侧电磁吸附、电源及无线控制模块主要包括一个电磁铁、吸铁、触发拉杆、一套独立供电电源、一套无线控制器，外部罩有聚四氟乙烯的透明保护罩。工作过程中红外无线控制器收到命令信号，给独立电源一个模拟量信号，控制电源开启与关闭，电源开启时，电磁铁上电，从而产生不低于 50 N 的吸附力，电磁吸附联动块产生动作，触发连接杆与电磁吸附联动块连接在一起，同时也产生动作，从而完成触发随动挡销转动限位及触发杠杆限位。2.4承载及机械释放机构承载及机械释放机构是整套抛弃装置的核心部分，其外形如图 9 所示。顶部吊钩、左支撑板、右支撑板及中部支撑销轴，承担了主要的承重作用，同时中部右支撑臂及左支撑臂由中部支撑销轴串联组成，共同组成了吊装钩，具备被动的承重作用；顶部吊钩、左支撑板、右支撑板及中部支撑销轴图 5机械式释放钩图 6总体结构可移动电源电磁吸附机构右支撑板顶部吊钩左支撑板遥控天线杠杆式连接机构复合材料保护罩底部左右释放吊钩无线控制模块56第1期图 7电磁驱动的红外遥控式海洋装备甲板吊装释放机构工作原理释放状态V杠杆杠杆支点F吊装F磁铁F吊装水平分力F吊装垂直分力电磁铁吊装状态吊钩杠杆采用 316L 加工而成，通过调整钢材厚度满足 5005 000 kg 吊装的需求。2.5执行机构左触发杠杆、右触发杠杆、触发随动挡销、压缩弹簧等组成了执行机构，如图 10 所示。工作时压缩弹簧由于触发连接杆的动作处于被压缩状态，使得触发杠杆被触发随动挡销限位，当触发时，由于压缩弹簧的回复力使得触发随动挡销转动限位打开，随之触发杠杆限位打开，由于底部吊钩的重力使触发随动挡销转动产生转动，从而触发杠杆动作，完成了释放动作。图 8电磁吸附动力机构图 9吊装承载及机械释放机构吊装钩中部支撑销轴左支撑板右触发臂左触发臂顶部吊钩吊装钩中部支撑销轴右侧电磁吸附装置触发连接杆顶部吊钩杠杆转动销轴左侧电磁吸附装置触发杠杆右支撑板左支撑板图 10执行机构电磁吸附装置触发保险右支撑板右触发杠杆触发随动挡轴压缩弹簧触发连接杆电磁吸附联动块杠杆式连接机构左触发杠杆左支撑板杠杆转动销轴任玉刚，等：基于电磁力驱动的海洋调查装备抛载机构设计V销轴57海洋技术学报第42卷3力学分析3.1释放器材料选择由于释放器主要在海上开展吊放工作，应充分兼顾到海上高盐、高温、高湿等极端情况，同时受海况影响还应考虑高冲击载荷等因素9-10，拟采用尼龙（PA66）、铝合金（AL6061）、钛合金（TC4）作为备选材料，根据 机械设计手册 查询其力学参数如表 1 所