活塞式浮沉系统机构

1、一、 引言伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下机器人的研究和发展日趋活跃。同时，伴随着对资源的日益需求和科学技术水平的不断提高，人类已经把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用已经成为决定一个国家兴衰的基本因素之一。这些都使得水下机器人具有更加广阔的应用前景。水下机器人设计是一项综合性的复杂工程，技术密度高，是公认的高科技，它的研制水平体现了一个国家的综合技术力量。21世纪将是水下机器人广泛应用的世纪。本文论述的的活塞式沉浮系统在水下机器人的隐蔽性、平稳性、降噪方面有所改进。二、 活塞式浮沉系统结构水下机器人浮沉控制又称为垂直面控制，通常是通过纵倾角的变化

2、来改变潜水器的深度或高度，一旦倾角发生改变，其深度高度将也有变化。 大型潜水器中，一般使用空气压缩式变体积沉浮系统。其优点是：能够产生均匀的升力或者下降力，不易造成潜水器前后或水平倾斜；设备重量轻，功耗小；能经受一定水流波动的影响等等。缺点是：体积庞大，对整体的震动影响较大，甚至会产生共振现象等等。小型或微型潜水器中，一般使用螺旋桨式沉浮系统。其优点是：体积小，灵活性强，沉浮速度调节范围大。缺点是：电机一直处于运转状态，功率消耗大，出于推进器受水流的反力矩作用，常配对使用，但沉浮力很难使潜水器保持平衡。在转速上的控制往往不尽如人意等等。综合空气压缩式浮沉系统与螺旋桨式浮沉系统的优点，并且结合该

3、潜水器体积小的特征，最终设计出一种“活塞式”沉浮系统。它对潜水器整体几乎不会产生震动，使潜水器受力均匀，能够在上升或下降时保持很好的稳定性，并且控制灵活，能给整体提供部分浮力。但是活塞式排水沉浮系统的缺点是：体积大，并且这部分是暴露在耐压壳体的外部，必然在进行中产生一定的流体阻力。由于对该潜水器的要求不在于运行速度的快慢。而是在于整体平稳性与摄像质量的优劣，从这两点上来看。“活塞式”沉浮系统能够很好的满足设计的要求，具有可选择性。沉浮装置的作用主要是通过其内部活塞的运动，产生体积的变化，使潜水器整体的浮力减少或增加，从而产生下降或上升的作用力。潜水器在水中能保持稳定必须满足两个条件：一是浮心必

4、须位于重心在垂直方向的上方；二是潜水器的重心与其浮心必须在同一竖直方向上。由于沉浮装置整体在水中产生的浮力低于自身的重量，因此把它安装在潜水器的最下部分，使潜水器整体的浮心升高，从而增加其稳心高，有利于潜水器在水中垂直方向上更加稳定，即满足稳定的第一个条件。另外，浮筒也可以坐轴向的局部调整，以满足稳定的第二个条件。沉浮装置的外形也是一个圆筒形，其长度与耐压壳体的圆柱部分长度相当，这样有利于在进行中保持潜水器的水平方向上的平衡，不至于前后颠簸，影响稳定与摄像质量。工作原理及其传动装置因为潜水器的沉浮运动受到如艇身的外形，艇载设备重量因素的影响，所以具体设计该沉浮机构时，需要考虑壳体外形，综合分析

5、。在进行外形尺寸设计时，要综合考虑到潜水器沉浮速度、活塞尺寸、负载、电机尺寸、电机功率和最大扭矩，安装工艺性等多方面问题。以上各个要素互相制约，是多种矛盾的组合体。潜水器的沉浮速度，由活塞运动产生的盈余浮力提供，盈余浮力直接与活塞面积和活塞行程有关；活塞尺寸和下潜深度直接决定了轴向负载大小，而负载大小直接决定了电机最大功率和扭矩，也就决定了所选电机尺寸，电机尺寸又受到浮筒内径，也就是活塞直径的制约。所以，为了使其结构紧凑，尽量选用尺寸小，扭矩大的电机，再电机尺寸的浮筒内径不干涉也就是安装可行的情况下，再对其他方面进行分析。其主要工作原理：如图，电动机通过垂直交错圆锥齿轮传动，带动螺杆转动。螺杆用轴承连接固定在底座上，轴承安装在靠近电机一侧，轴承端面用挡圈进行轴向约束。丝杠轴心与活塞轴心即浮筒轴心存在偏心，从而可以防止活图 1塞转动，保证活塞能够沿浮筒内侧作轴向往复运动。传动机构安装在图中弧形底座上，下端用螺钉固紧在浮筒上，并保证密封。两端活塞先在外面与三根拉杆和螺母安装好。然后，从两头压入，当螺母和丝杆端部接触后，可开动电机，将其旋入，完成安装。于是就形成了下面的传动链：潜水器沉浮运动活塞直线运动丝杆螺母传动齿轮转动电机转动由此，活塞的压缩与扩张运动，形成了体积的变化，从而相应地增加浮力或减少浮力，达到上升或下降的效