活塞式浮沉系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

1、一、 引言伴隨著人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋、利用海洋資源和保護(hù)海洋資源的進(jìn)程，水下機(jī)器人的研究和發(fā)展日趨活躍。同時(shí)，伴隨著對(duì)資源的日益需求和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人類已經(jīng)把海洋作為生存和發(fā)展的新領(lǐng)域，海洋的開發(fā)與利用已經(jīng)成為決定一個(gè)國(guó)家興衰的基本因素之一。這些都使得水下機(jī)器人具有更加廣闊的應(yīng)用前景。水下機(jī)器人設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的復(fù)雜工程，技術(shù)密度高，是公認(rèn)的高科技，它的研制水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)力量。21世紀(jì)將是水下機(jī)器人廣泛應(yīng)用的世紀(jì)。本文論述的的活塞式沉浮系統(tǒng)在水下機(jī)器人的隱蔽性、平穩(wěn)性、降噪方面有所改進(jìn)。二、 活塞式浮沉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)水下機(jī)器人浮沉控制又稱為垂直面控制，通常是通過縱傾角的變化

2、來改變潛水器的深度或高度，一旦傾角發(fā)生改變，其深度高度將也有變化。 大型潛水器中，一般使用空氣壓縮式變體積沉浮系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是：能夠產(chǎn)生均勻的升力或者下降力，不易造成潛水器前后或水平傾斜；設(shè)備重量輕，功耗??；能經(jīng)受一定水流波動(dòng)的影響等等。缺點(diǎn)是：體積龐大，對(duì)整體的震動(dòng)影響較大，甚至?xí)a(chǎn)生共振現(xiàn)象等等。小型或微型潛水器中，一般使用螺旋槳式沉浮系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是：體積小，靈活性強(qiáng)，沉浮速度調(diào)節(jié)范圍大。缺點(diǎn)是：電機(jī)一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，功率消耗大，出于推進(jìn)器受水流的反力矩作用，常配對(duì)使用，但沉浮力很難使?jié)撍鞅３制胶?。在轉(zhuǎn)速上的控制往往不盡如人意等等。綜合空氣壓縮式浮沉系統(tǒng)與螺旋槳式浮沉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合該

3、潛水器體積小的特征，最終設(shè)計(jì)出一種“活塞式”沉浮系統(tǒng)。它對(duì)潛水器整體幾乎不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，使?jié)撍魇芰鶆?，能夠在上升或下降時(shí)保持很好的穩(wěn)定性，并且控制靈活，能給整體提供部分浮力。但是活塞式排水沉浮系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：體積大，并且這部分是暴露在耐壓殼體的外部，必然在進(jìn)行中產(chǎn)生一定的流體阻力。由于對(duì)該潛水器的要求不在于運(yùn)行速度的快慢。而是在于整體平穩(wěn)性與攝像質(zhì)量的優(yōu)劣，從這兩點(diǎn)上來看?！盎钊健背粮∠到y(tǒng)能夠很好的滿足設(shè)計(jì)的要求，具有可選擇性。沉浮裝置的作用主要是通過其內(nèi)部活塞的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生體積的變化，使?jié)撍髡w的浮力減少或增加，從而產(chǎn)生下降或上升的作用力。潛水器在水中能保持穩(wěn)定必須滿足兩個(gè)條件：一是浮心必

4、須位于重心在垂直方向的上方；二是潛水器的重心與其浮心必須在同一豎直方向上。由于沉浮裝置整體在水中產(chǎn)生的浮力低于自身的重量，因此把它安裝在潛水器的最下部分，使?jié)撍髡w的浮心升高，從而增加其穩(wěn)心高，有利于潛水器在水中垂直方向上更加穩(wěn)定，即滿足穩(wěn)定的第一個(gè)條件。另外，浮筒也可以坐軸向的局部調(diào)整，以滿足穩(wěn)定的第二個(gè)條件。沉浮裝置的外形也是一個(gè)圓筒形，其長(zhǎng)度與耐壓殼體的圓柱部分長(zhǎng)度相當(dāng)，這樣有利于在進(jìn)行中保持潛水器的水平方向上的平衡，不至于前后顛簸，影響穩(wěn)定與攝像質(zhì)量。工作原理及其傳動(dòng)裝置因?yàn)闈撍鞯某粮∵\(yùn)動(dòng)受到如艇身的外形，艇載設(shè)備重量因素的影響，所以具體設(shè)計(jì)該沉浮機(jī)構(gòu)時(shí)，需要考慮殼體外形，綜合分析

5、。在進(jìn)行外形尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮到潛水器沉浮速度、活塞尺寸、負(fù)載、電機(jī)尺寸、電機(jī)功率和最大扭矩，安裝工藝性等多方面問題。以上各個(gè)要素互相制約，是多種矛盾的組合體。潛水器的沉浮速度，由活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的盈余浮力提供，盈余浮力直接與活塞面積和活塞行程有關(guān)；活塞尺寸和下潛深度直接決定了軸向負(fù)載大小，而負(fù)載大小直接決定了電機(jī)最大功率和扭矩，也就決定了所選電機(jī)尺寸，電機(jī)尺寸又受到浮筒內(nèi)徑，也就是活塞直徑的制約。所以，為了使其結(jié)構(gòu)緊湊，盡量選用尺寸小，扭矩大的電機(jī)，再電機(jī)尺寸的浮筒內(nèi)徑不干涉也就是安裝可行的情況下，再對(duì)其他方面進(jìn)行分析。其主要工作原理：如圖，電動(dòng)機(jī)通過垂直交錯(cuò)圓錐齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。螺桿用軸承連接固定在底座上，軸承安裝在靠近電機(jī)一側(cè)，軸承端面用擋圈進(jìn)行軸向約束。絲杠軸心與活塞軸心即浮筒軸心存在偏心，從而可以防止活圖 1塞轉(zhuǎn)動(dòng)，保證活塞能夠沿浮筒內(nèi)側(cè)作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在圖中弧形底座上，下端用螺釘固緊在浮筒上，并保證密封。兩端活塞先在外面與三根拉桿和螺母安裝好。然后，從兩頭壓入，當(dāng)螺母和絲桿端部接觸后，可開動(dòng)電機(jī)，將其旋入，完成安裝。于是就形成了下面的傳動(dòng)鏈：潛水器沉浮運(yùn)動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由此，活塞的壓縮與擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，形成了體積的變化，從而相應(yīng)地增加浮力或減少浮力，達(dá)到上升或下降的效