研究创新设计在机械结构设计中的应用

研究创新设计在机械结构设计中的应用

发表时间：2020-03-24T05:57:58.957Z 来源：《防护工程》2019年21期作者：张榜军[导读] 其最大下潜深度为200m，该潜水设备具有结构简单、造价低廉和可靠性高等优点，具有明显的民用推广价值。

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摘要：针对现有潜水设备结构复杂等问题，设计了一种新型气控气囊式潜水设备，该设备由浮体框架、气囊、配重、高低压储气筒等构成，其最大下潜深度为200m，该潜水设备具有结构简单、造价低廉和可靠性高等优点，具有明显的民用推广价值。关键词：潜水设备；气控；气囊

引言

21世纪被称为海洋世纪，随着人们对海洋资源开发的深入，人们将会更多地从事水下作业因此也就期待着在技术上提供更加便捷、廉价和可靠的受控潜水设备。目前，实现潜水作业的潜水设备大都采用增加压舱物下潜，抛弃压舱物上浮和采用电涡轮驱动实现浮动和行走控制，军事上的潜水艇采用的是数个金属仓压水或充气排水的方式来实现其下潜或上浮，和采用电涡轮机驱动方式实现行走的控制。上述无论有人或无人，有缆或无缆的受控潜水物，从民用上来考虑，其设备普遍存在着结构复杂、造价高的缺点，难于获得普遍性的民用推广。目前，水下潜水设备大都采用水下电力驱动，还有个别液压驱动。随着水下气动技术、新型耐海水腐蚀材料的发展，采用水下气压传动技术的新型潜水设备将进一步拓展水下潜水设备驱动和控制的研究和应用领域。

一、潜水设备设计要求

新型气控潜水设备要达到以下设计要求：

1）最大工作深度：水下200m；

2）最大潜浮调节速度：3L/min；

3）最大浮力调节能力：30kgf；4）外形尺寸：700mm×500mm×550mm； 5）总质量：25kg；

6）系统总体结构在满足深水压力的条件下，重量与排水体积的比值尽可能小； 7）系统要密封良好，维护方便，可拆性好，便于改装和加减设备。

二、潜水设备关键部件设计

本文所设计的气控气囊式潜水设备是以压缩空气作为动力源，来实现设备的下潜、上浮以及姿态调整的，它是由储气筒、弹性气囊及配重等构成的一种简单的潜水设备。

2.1耐压储气筒的设计水下潜水设备的耐压储气筒是用来存储动力能源——压缩气体的，也是潜水设备主要浮力的主要提供者，它的结构形式、强度、密封性对于整个系统是非常重要的。由于所设计的潜水设备最大潜深为200m，作业深度小于800m。根据已有经验，结构采用半球型封头的圆柱形耐压壳体[5]。材料选用高强度低合金钢。储气筒最大压力选择为最大水深对应压力的2倍，即400米深度下的压力4Mpa。储气筒直径选择为0.3米，则满足强度要求的储气筒厚度为：

式中，P为压缩气体压力（MPa），4MPa；

Di为计算球体直径（mm），300mm；

为许用应力（MPa），普通碳钢为133MPa；

φ为焊接系数，取0.8。

计算得：δ=4.03mm，鉴于安全等方面的考虑，选取钢板厚度为6mm；储气筒球面积S=4πR2=0.2826(m2)；

计算储气筒球重量：

M=6.0/1000×0.2826×7.8×1000=13.2(kg)；

筒球浮力F浮=4/3πR3×ρ水，取海水重度ρ水取为1.1g/cm3；

储气筒球体积：V=4/3πR3=0.01413(m3)；

则储气筒球浮力：F浮=0.01413×1.1×1000=15.5(kg)。

2.2浮体设计

浮体是重要的浮力来源，应该满足质量体积比越小越好，本文设计选择的浮体材料为弹性橡胶气囊，具有耐磨性、耐腐蚀性耐老化性等优点。弹性气囊是机器人的浮力调整机构，设计上该体积不可过大，过大会使得充气时间过长，并且过大在机器人布置上也存在不合理问题，但该体积也不能过小，过小会使得机器人设计上自身重量要求小，机器人带超载能力低。气囊的总内体积方案可为选取V的1/2左右。考虑到机器人需要姿态调整选取弹性气囊数量为4个，并分别安放在储气筒的四个角上，如图1所示。

式中：P为最大水深h产生的绝对单位静水压强，

MPa；R为克拉伯龙常数，

8314帕·升/摩尔·K；

T为环境水绝对温度，K。因此，计算得：

m空=4×106×(0.01413)/(287.4×283.15)=0.69(kg)；

气囊自身材料体积为气囊总体积1/5，气囊密度为1.36g/cm3，则气囊的总质量：

m囊=(1/3×0.01413)/(2×1.36×1000)=1.9(kg)；

取管路、气囊压缩弹簧系统、仪表控制仓的重量M其他为4.0kg，则液面附近提供的总重为： G=132+19+40+6.9=198(N)

液面附近浮力F与设备重力G之差：

F-G=232.5-198=34.5(N)；

F-G差即为液面附近潜水设备达到重力和浮力平衡时需加的配重量，此时设备的重量为： 19.8+3.45=23.3(kg)

因此可选择超载重量m超为潜水设备设计要求重量减去上述重量：

25-23.3=1.7(kg)

此超载重量对应的气囊需半体积后再膨胀体积为：

1.7/(1.1×1000)(m3)

上述体积占气囊的全体积的比率：

1.7/(1.1×1000)/0.01413/2=5.5%

经上述计算分析校核得知：

1）自由液面附近的储气筒加1/2气囊提供的总浮力>潜水设备总重量；潜水设备提供的总浮力232.5N>总重力96N；

2）机器人超载重量可选为1.7kg，满足不小于1.5kg的设计要求；

3）设计的机器人总重量满足不大于25kg的要求；

4）在200米液下，气囊恢复到1/2+5.5%体积时，机器人即可上浮，气囊膨胀体积在合理范围；

5）设计方案在满足设计要求的指标下，其重量、强度、下潜上浮等方面均可行合理。所设计的潜水设备载体采用的框架式，载体的总体布局比较合理，增减和拆装设备仪器都比较方便，而且框架还起到了围护、支撑和保护设备在水下运动时免遭到碰撞的作用。为了减小在水下的阻力，减少动力消耗，该水下机器人的主体部件采用了流线体型，整个系统的结构设计基本上是一个左右、前后对称的外形，四角处各有一个气囊，为了防止在水中运行时碰到障碍物，以致损坏气囊，所以气囊外围都加固了一层不锈钢的保护栏[6]。在设备总重量不变的情况下，通过气囊的充排气来实现系统的上下沉浮。其外形结构简如图2所示。

潜水设备在下潜之前，各充气支路和排气支路上的电磁阀均处于断电常闭状态，气囊是处于未充高压气的状态。

在下潜阶段，随着深度的增加，4压力传感器感受到海水的压力作用反馈到计算机，当设备下沉到预定的深度时，位于6气囊充气支路上的四个5二位二通电磁阀通过PLC控制被同时通电打开，储存在2高压储气筒内的压缩空气经过3减压阀的调压，输出符合要求的压缩空气，电磁开关阀的阀门开启，压缩空气逐渐充入气囊，由于所用的二位二通电磁阀的开关频率是受PLC的控制，所以气体是间歇性的充入气囊，压力传感器也能测量出充入气囊内的气体压力，从而反馈到计算机。

气囊充气后逐渐膨胀，体积增加，整个设备的浮力也随之增加，当设备浮力等于设备自身的重力时，整个系统悬浮于水中，此时通过PLC控制关闭充气支路上的四个5电磁开关阀，打开姿态调整支路上的控制涡轮a、b的电磁开关阀a、b，压缩空气通过电磁开关阀输入到10气动马达，气动马达将压缩空气的压力能转化为机械能，带动涡轮旋转，从而推动整个系统前进。当关闭电磁开关阀a、b，控制涡轮c和d 的电磁开关阀c、d通电打开后，气动马达带动涡轮c和d旋转，推动整个系统向着与之前运动的反方向运动，即后退。当电磁开关阀a通电打开，b关闭，电磁开关阀d打开，d关闭，整个系统就会做旋转运动。整个系统的前进、后退及旋转的速度均由9节流阀控制。