一种水下装载释放装置设计

付佳杰 彭阿静

（中国船舶重工集团公司 第七一〇研究所，宜昌 443003）

海洋资源越来越受到重视，作为探索内空间的最重要手段之一的水下机器人技术与探索外空间的运载火箭技术有同等重要的意义，海洋强国都在研究通过水下机器人携带和布放勘探、监测设备来进行水下资源勘探、环境监测[1]。这些载荷通常需要一种装载和释放装置将其固定在水下机器人上，当水下机器人携带载荷航行到指定海域时再将其释放。装载释放装置是实现水下机器人水下作业的重要系统，随着水下机器人逐步由观察型向作业型过渡，大多数水下机器人均将设有此装置[2]。目前，水下机器人领域通常采用爆炸螺栓方式来实现载荷的挂载和释放，但是爆炸螺栓涉及火工品，具有一定的危险性，而且存在释放噪音大、不能重复装载释放的缺点。另外，通过记忆合金受热变形来完成装载与释放功能也正在研究，但是应用于水下机器人领域还不够成熟可靠[3]。因此，研究采用成熟可靠的电机驱动形式的装载释放装置很有必要。

1 结构组成及工作原理

1.1 总体结构

水下装载释放装置主要由释放机构、预紧机构、箍带和释放块等组成，图1为水下装载释放装置结构组成图。

图1 水下装载释放装置结构组成图

1.2 释放机构

释放机构集成了水下装载释放装置的动力源和动作执行机构，是水下装载释放装置的核心机构，主要由安装架、挂放轴、传动轴、耐压壳体、电机、减速器、凸轮微动开关、齿轮副以及通信电缆等组成。释放机构结构如图2所示。

1.3 预紧机构

预紧机构和箍带主要作用是联合释放机构将载荷与水下机器人固定在一起，如图1所示。预紧机构主要由上连接轮、下连接轮和预紧螺杆组成，其结构简图如图3所示。预紧螺杆设有上、下两段旋向相反的螺纹，上、下连接轮分别设有与预紧螺杆配合的螺纹孔，可通过力矩扳手拧紧或旋松预紧螺杆来调整上、下连接轮距离的远近，从而实现对载荷预紧力的控制。

图2 释放机构结构图

图3 预紧机构结构简图

1.4 工作原理

释放机构通过两侧安装架采用螺钉连接方式固定在水下机器人设定位置。预紧机构上连接轮通过螺栓与水下机器人连接在一起，预紧机构下连接轮、箍带、释放块和挂放轴依次连接成环形，从而将载荷固定于水下机器人内部。每套释放机构对应两套预紧机构、两根箍带和两个释放块。被搭载的载荷轴向重心位于两根箍带之间。

释放机构采用电机驱动，通过齿轮副传动后带动传动轴转动，伸出耐压壳体的传动轴再带动两侧的挂放轴转动。固定在传动轴上的凸轮随传动轴一起转动，凸轮微动开关结构简图如图4所示。凸轮每转动90°，将改变一次微动开关的状态，控制器接收到微动开关状态改变信号后控制电机停机。即电机每动作一次，传动轴转动90°，挂放轴也转动90°。

挂放轴转动至水平状态时，由于释放块缺口宽度小于挂放轴直径，释放块被锁紧在挂放轴上，该状态对应载荷的装载状态，如图5（a）释放机构动作示意图装载状态所示，载荷装载到位后，可通过力矩扳手控制预紧机构的预紧力来完成载荷的可靠装载；挂放轴转动90°后即变为竖直状态，由于释放块缺口宽度略大于挂放轴窄边宽度，自动从挂放轴上解脱，载荷在重力作用下完成与水下机器人的分离，如图5（b）释放机构动作示意图释放状态所示。基于这一原理，该水下装载释放装置可以重复装载与释放。

图4 凸轮微动开关结构简图

图5 释放机构动作示意图

2 主要零部件结构设计计算

2.1 挂放轴设计计算

挂放轴两端安装在安装架内，中间部位受到载荷集中拉力作用，设计时主要考虑挂放轴在承受载荷拉力作用时不发生弯曲变形，挂放轴的直径可由轴强度公式得出[4]：

式中，D1为挂放轴最小直径；M为作用在挂放轴上的弯矩，可根据载荷作用在挂放轴上的拉力和挂放轴的跨距计算出来；[σ-1]为轴的许用弯曲应力，不同材料的许用弯曲应力可根据材料手册查出。

2.2 传动轴设计计算

载荷的重力和预紧机构的预紧力通过箍带和释放块传递到挂放轴上，要满足挂放轴转动，挂放轴的转动力矩必须克服释放块与挂放轴之间的转动摩擦转矩，作用在挂放轴上的转矩为：

式中，TL为作用在输出挂放轴上的转矩；μ为转动摩擦系数，不同材料之间的转动摩擦系数不同，可根据材料手册选取；F为箍带上的张力和预紧力，可根据载荷的重量和预紧力得出。

挂放轴的转动是依靠传动轴的转动而带动的，传动轴转矩直接传给挂放轴，按照转矩计算轴径的公式[4]：

式中，D2为传动轴最小直径；[τ]为轴的许用扭应力，不同材料的许用弯曲应力可根据材料手册查出。设计释放轴时，最小直径需满足式（3）的要求。

2.3 释放电机设计计算

根据输出轴上的转矩，可以计算传动轴上的额定功率为：

式中，PL为传动轴上的额定功率；n为经减速器输出后的电机转速，可根据实际完成载荷释放需要的时间得出。

则电机功率为：

式中，P为电机输出功率；η1为减速箱效率，根据机械设计手册结合实际使用情况选取；η2为传动效率，根据机械设计手册结合实际使用情况选取；η3为轴承、O形密封圈等效率，根据机械设计手册结合实际使用情况选取。根据此公式，可以计算出电机的额定功率，实际选取时可取1.5～2倍的安全系数。

2.4 预紧机构设计计算

预紧机构设计时，主要考虑预紧螺杆强度满足要求，根据预紧联接单个螺栓强度计算公式[4]：

式中，FΣ为螺栓所受轴向载荷，取载荷重力在螺栓轴向的分力加上预紧力，预紧力可通过力矩扳手设置；[σ]为许用拉应力，不同材料许用拉应力查材料手册选取；螺杆直径满足式（6）要求即可。

2.5 耐压壳体设计

耐压壳体除了为内部设备提供支撑和安装接口外，最主要作用是在水下机器人工作范围内水深条件下，为内部电机及电路部分提供干燥的环境，设计时要保证耐压壳体在水下机器人工作水深范围内的密封和结构稳定性。考虑到海水环境下防腐蚀及结构强度要求，壳体材料选用不锈钢。为了增大耐压壳体内部容积及减轻壳体结构重量，耐压壳体采用圆柱结构。耐压壳体设计计算可参照建造规范进行[5]。

3 结语

本文所述的水下装载释放装置采用电机驱动方式，可重复装载与释放，具有可靠性高、适配性好的优点，目前已成功应用于某水下机器人，成功装载和释放过多种载荷，载荷重量从几十千克至上千千克，具有一定的工程推广价值。