【文章內容簡介】 可裝配性差；綜合材料的比強度、可設計性、可生產性、可 裝配性以及經濟性，鋁合金比重小，可以在較低的重量與排水量比值或相同的重量排水量比值下使水下機器人增大負載能力或增大作業(yè)深度，因此本文選擇便于加工和裝配的高強度 LY12（ 2A12） 鋁合金型材作為水下機器人的框架材料。 按照水下構筑物清刷檢測機器人的作業(yè)要求和便于設備安裝調試的原則，本文設計框架結構為長方體，尺寸為 86 0 56 0 45 0 mm?? ，如圖 所示，為了便于設備安裝、吊裝方便和加強結構，在長方體框架上布置了起吊鉤、側支撐柱、橫梁等結構。 圖 框架結構圖 河海大學工學碩士論文 水下構筑物清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 14 框架結構有限元分析 水下構筑物清刷檢測機器人所有設備安裝后，整備質量接近 25kg，而在起吊出水時，浮力會迅速減小，重力迅速增加，此時框架會承受較大的沖擊力，最大可達整備質量的 2~4倍，所以必須對框架和起吊勾處進行應力分析，本文采用有限元軟件 ANSYS 進行分析計算。 首先，在三維軟件 UG 中建立結構的三維模型，通過 UG與 ANSYS 的接口將模型導入ANSYS 中，整個結構采用 Solid45 單元來模擬，為了模型的簡化，采用 Mass21 單元來模擬結構中其他設備的重量，施加于結構底部，有限元模型如圖 所示。該模型中共有 19197 個單元， 12351 個節(jié)點。整個結構所用的材料為 LY12（ 2A12）鋁合金型材 ，材料的彈性模量為 77E GPa? ，泊松比 ?? ， 密度為 32790 /kg m? ? 。 圖 框架結構有限元網格劃分圖 本文選擇出水極限狀態(tài)時受力為 100kgf（整備重量 4 倍的力）作為框架結構受力進行分析，圖 為此時的框架結構的應力分布云圖。由圖中數值可以看出整個結構 的吊鉤的受力相比其他地方比較大，吊鉤 的最上端的應力達到了 ，提手與整個框架連接地方的應力也較大，其余部分的應力均很小，因此可以看出，整個結構能夠滿足強度要求。 圖 為框架結構的受力變形云圖。從變形云圖的分布可以看出吊鉤的最上端的變形最大，逐漸向兩側的結構擴散，變形減小，最大變形值為 ，幾乎沒有變形，因此整體結構設計滿足設計 要求。 第二章 水下機器人總體系統(tǒng)設計 15 圖 框架結構應力分布云圖 （單位： MPa） 圖 框架結構變形分布云圖 （單位： mm） 吸附方式選擇 河海大學工學碩士論文 水下構筑物清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 16 機器人吸附方式一般有真空吸附、磁吸附和背壓吸附三種 [21]。 真空吸附具有不受材料限制的優(yōu)點，但由于吸盤要求較好的密封性，才能產生足夠的吸力，如果吸附表面凹凸不平則吸盤容易脫落，承載能力大大降低。因此，真空吸附常用于表面光滑的壁面，如窗戶玻璃、瓷磚等。 磁吸附又分為永磁吸附和電磁吸附，永磁吸附的優(yōu)點是不用擔心磁力因斷電而突然失去，但吸力沒有電磁吸附吸力大；兩者共同點是要求吸附對象工作面必須是鐵磁性材料，目前多用于鋼鐵制造的大型船舶船底的清刷檢測作業(yè)和大型鋼鐵設施的檢測作業(yè)。哈爾冰工程大學研制的船體表面水下清刷機器人 [22]（如圖 ）就是采用雙履帶式永磁吸附方式。 圖 哈爾冰工程大學研制的船體表面水下清刷機器人 背壓吸附通過在機器人與接觸物體的接觸面背面施加一個具有法向分量的力，使機器人吸附在物體表面，通常采用螺旋槳推力方式。在空氣中由于機器人本身重量遠大于空氣浮力，所以需要很大的吸附力才能保證機器人可靠吸附，這就給控制機器人移動增加了難度。而在水中，我們通常把水下機器人設計為零浮力或者稍稍的正浮力，不存在空氣中的問題困擾，所以采用背壓吸附在需要吸附水下設施表面作業(yè)的水下機器人中應用比較多，因此，本課題選用吸附方式為背壓吸附。 密封裝置設計 雖然密封 件只是水下機器人整體構成中的附件，但是密封好壞對水下機器人能否可靠安全使用和順利完成水下作業(yè)任務至關重要。密封根據相對結合面是靜止還是運動可分為第二章 水下機器人總體系統(tǒng)設計 17 靜密封和動密封，比如本文所設計的水下構筑物清刷檢測機器人中密封艙的密封則屬于靜密封，推進器轉軸的密封則為動密封。 密封艙結構設計 水下機器人的密封艙用于安裝控制板和部分傳感器等電子設備，保證這些設備正常工作，同時給水下機器人提供浮力。這就對密封艙的結構提出了要求：首先，密封艙要有良好的密封性能，保證內部設備的工作環(huán)境；其次，密封艙的構造要便于布置控制板等設 備，且便于拆裝；另外，密封艙工作于水下，所以還要有一定的抗壓能力。通常密封艙按照結構形狀劃分有球形、圓柱形、橢圓形和長方形等，其中球形的密封艙具有最佳的重量 —— 排水量比，但是內部布置難度大，且流體阻力大。由于本文所設計的水下構筑物清刷檢測機器人的最大下潛深度為 100 米，此時密封艙所承受的工作壓力差為10MP，因此為了便于整體結構設計和水下設備的布置，本文密封艙的結構選擇圓柱體結構，材料選擇為工程塑料，為了拆裝方便，圓柱體端頭部分設計為可拆卸式，外部直徑為 200mm，長度為 400mm。 密封艙和電纜 的密封 本文所設計的密封艙的密封問題主要是密封艙可拆卸端頭的靜密封和電纜進出密封艙的密封問題。 O 型圈密封 [18][23]是密封系統(tǒng)中使用最為廣泛的一種密封件，既可用于靜密封也可用于動密封，既可單獨使用也可作為密封裝置的組成部分使用。本文密封艙可拆卸端頭的密封方式就選擇 O 型圈密封方式，在設計安裝使用 O 型圈密封件時在使用中需要注意兩點：一是擠壓力適中，一方面需要一定的擠壓力，保證足夠的密封接觸面，另一方面擠壓力不能太大，盡量避免 O 型圈永久變形；二是接觸面光滑，保證 O 型圈密封沒有死點。另外在裝配 O 型圈密封件時可以 在密封圈和裝配槽上均勻涂上硅脂，這樣做不僅可以保護密封圈，而且安裝、拆卸都更加容易。 . 電纜的密封：電纜密封包括電纜進出密封艙和進出電機的密封。電纜的密封與密封艙端頭的密封不同，電纜在連接時，可伸向各種方向，這就要求有更可靠的密封，且要便于拆卸。因此本文選擇格蘭頭防水密封方式作為電纜的密封方式，并在密封艙的開口部位進行加固，保證密封艙的抗壓能力，圖 為格蘭頭的結構分解圖 [24]。通過實驗證明，選用與電纜相匹配并符合 IP68 防塵防水等級 [25]標準的格蘭頭可以很好的實現電纜的水下密封。 河海大學工學碩士論文 水下構筑物清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 18 圖 格蘭頭結構分解示意圖 動密封的選擇 動密封根據相對運動形式是旋轉運動還是往復運動可分為旋轉密封和往復密封，本文所研究的動密封推進器電機軸的旋轉密封。旋轉運動的密封方式通常有填料密封、 O 型圈密封、機械密封、迷宮式密封 [3]。通過對上述幾種動密封方式性能（表 21）的比較，可以發(fā)現填料密封的滲透量是最大的，而本文要求動密封滲透量要極小，最好是零滲透，因此本文選擇機械動密封的方式。 表 21 幾種常用動密封各項性能表 密封方式 耐壓性 耐速型 耐熱性 耐寒性 耐久性 滲透量 填料密封 O 型圈密封 機 械密封 迷宮式密封 良 可 優(yōu) 良 良 可 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 良 優(yōu) 優(yōu) 良 可 優(yōu) 優(yōu) 可 可 優(yōu) 優(yōu) 較少 少 極少 少 機械密封又有平衡式機械密封（圖 ）和補償式機械密封（圖 ）等形式 [26]，本文選用補償式機械密封。如圖 所示，補償式機械密封由壓蓋 輔助密封圈 靜止環(huán) 旋轉環(huán) 彈簧 彈簧座 緊定螺釘 旋轉環(huán)輔助密封圈 8和防轉銷 9組成。由圖 可以知道，防轉銷 7 固定在壓蓋 9 上以防止靜止環(huán)轉動，流體可能泄露的地方有 A、 B、 C三個泄露點，其中 C 點的密封由于沒有相對運動， 屬于靜密封，B 點的密封是旋轉環(huán) 4 與軸之間的密封，它只有當 A 點磨損時才會跟隨旋轉環(huán) 4 沿軸線做微量的移動，也可以看做為靜密封，而靜密封比較容易實現，最簡單常用的密封件就第二章 水下機器人總體系統(tǒng)設計 19 是 O 型圈密封件，有時也可以采用金屬波紋管結構，本文選用丁晴橡膠 O 型圈。 A 點則是旋轉環(huán) 4與靜止環(huán) 3的相對滑動的動密封，它是補償式機械密封的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。對 A 點的密封實現主要有兩個要素，一是選擇良好的摩擦副材料，二是選擇彈力適當的彈簧 5。摩擦副的材料要選擇相對摩損小的材料組合配對，通常靜止環(huán)的材料硬度要比旋轉環(huán)硬度大，本文 選擇碳化鎢作為靜止環(huán) 3 的材料，碳 石墨作為旋轉環(huán) 4 的材料。彈簧 5 的彈力過大，則 A 點不易形成穩(wěn)定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；彈力過小，則 A 點的壓力過小，容易泄露。 圖 平 衡 式 機 械 密 封 結 構 圖 圖 補償式機械密封結構圖 清刷機構設計 清刷機構系統(tǒng)組成 水下構筑物清刷檢測機器人水下作業(yè)任務主要是清刷和檢測，因此，設計合理的，工作效率高的清刷機構是機器人設計的重要組成部分。由于水下構筑物表面狀況并非完全是水平和光滑的，這就要求清刷機構對水下 構筑物表面具有一定的適應能力，具體要求就河海大學工學碩士論文 水下構筑物清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 20 是刷頭部分在清刷作業(yè)時既能做旋轉清刷運動，同時也應有能力做一定幅度的伸縮越障運動。因此，本文所設計的清刷機構由驅動電機、可伸縮傳動機構、刷子三部分組成，如圖 所示。 圖 清刷機構組成示意圖 水下構筑物清刷檢測機器人在進行清刷作業(yè)時，刷子旋轉會對機器人本體產生旋轉力矩。為了避免旋轉力矩對機器人運動造成干擾，本文所設計的四個刷子，相對于機器人成對稱布置，且相鄰兩個刷子旋轉方向相反，這樣既提高了 清刷質量，也可以避免機器人本體因刷子旋轉力矩而引起的自轉問題 [27]。 刷子結構設計 刷子結構由刷盤和刷絲組成。為了減小刷子的轉動慣量和水下機器人重量，刷盤部分采用 LY11 型鋁合金材料，直徑為 200mm。刷盤一周均勻銑孔，刷絲固定于孔中，并用粘合膠加固。為了保證清刷效果，刷絲必須有一定的硬度和彈性，所以刷絲采用淬火不銹鋼絲，其裸露長度為 30mm，外圓厚度約為 10mm。刷頭具體結構如圖 。 驅動電機 可伸縮 傳動機構 刷 子 第二章 水下機器人總體系統(tǒng)設計 21 圖 刷頭結構示意圖 可伸縮傳動機構設計 可伸縮傳動機構既需要實現 轉矩的傳遞，又需要實現伸縮功能。本文所采用的可伸縮傳動機構結構如圖 ，水下構筑物清刷檢測機器人在清刷作業(yè)時，輸出軸 6 通過傳動鍵 4從輸入軸 1 接受電機輸出軸所傳遞的轉矩，清刷過程中遇到障礙物時，輸出軸 6上的槽道可以沿著輸入軸 1上傳動鍵 4滑行，從而實現刷子的伸縮運動，保證機器人的越障能力。為了保證清刷機構的清刷效果，刷子與構筑物表面要有一定的壓力，而壓力過大由會增加吸附困難，給吸附機構提出更高的要求。因此，所選用的壓縮彈簧 3的彈性系數不宜過大，可以給壓縮彈簧 3施加一定預緊力，從而保證了清刷效果，又減輕了吸附 機構的負擔。本文所選用彈簧的彈性系數為 ，安裝時彈簧預緊力為 5N。 河海大學工學碩士論文 水下構筑物清刷檢測機器人的系統(tǒng)研究 22 輸入軸； 滾動軸承； 壓縮彈簧； 傳動鍵； 緊固螺釘； 輸出軸； 外殼； 滑動軸承； 端頭壓蓋 圖 可伸縮傳動機構結構圖 驅動電機的選擇 清刷機構工作時，刷子旋轉需要克服水的粘性阻力矩、與構筑物表面接觸產生的摩擦阻力矩和刷子旋轉產生的慣性阻力矩的作用 [21]。 其中，水的粘性阻力矩 1M 431 0 .6 1 6 pMR?? ??? （ 21） 式中： ? —— 水的密度，取 10 /kg m? ； pR —— 刷盤半徑，單位 m ； ? —— 水的運動粘性系數，取 10 /ms?? （水溫為 20 攝氏 度時）； 第二章 水下機器人總體系統(tǒng)設計 23 ? —— 刷子旋轉角速度，單位 /rad s 。 摩擦阻力矩 2M 3321212 2 2 22 ( )2( ) 3 ( )Rr F RrM f x d x f FR r R r?? ?? ? ? ???? （ 22） 式中： 1F —— 刷子對水下構筑物表面的正壓力，單位 N ； f —— 刷絲與水下構筑物表面之間的摩擦系數，取 ； R —— 刷絲外圈半徑，單位 m ； r —— 刷絲內圈半徑，單位 m