0 引言

海洋电磁探测技术 (Marine MT) 通过采集海底天然场源和人工的可控源电磁场信号，对被测信息进行反演解释，进而推断地下岩层电性特征分布的规律，已经成为地质勘探的主要方法之一，该方法在海底油气、天然气水合物、矿产资源调查、海洋基础地学研究中正在发挥越来越大的作用 (何继善和鲍力知, 1999；李金铭，2005；王猛等, 2013, 2015；殷长春等，2014).在海上作业过程中，海洋电磁接收机被放置于海底，用于采集海底电磁场信号，工作水深可达4000 m (邓明等，2003；陈凯等，2013；景建恩等，2016).该仪器的正常释放和回收是获取采集数据的基本保障，而回收过程离不开声学释放装置 (魏文博等，2009；邓明等，2013；陈凯等，2013).

目前国外使用较多的一种是靠电机驱动吊钩的回旋旋转释放方式 (陈雄洲等，2008)，另一种是利用高压燃气推动柱销运动的气动分离释放方式，还有一种是燃线分离式.在电机驱动吊钩的回旋旋转释放装置中，电机控制较为复杂 (常宗瑜等，2010)，另外，电机旋转轴运动过程中的密封部分 (动密封) 一直以来都是核心技术，该技术取决于材料和加工工艺，涉及到释放载荷、最大工作水深、可靠性等性能 (邹波，2008)；气动分离释放在每次使用前都需要更换气动源，需要打开密封舱，操作复杂，同时给水密带来隐患 (陈雄洲等，2008)；燃线分离式成本相对较低，但这种释放方式熔断时间长 (一般为20~60 min)，受海水温度、盐度、海底水质、海底淤泥深度、安装位置、熔断丝的材质、熔断丝加工工艺等因素影响很大，成功率难以保证.我国制造的声学释放器的分离解脱方式大都和国外类似，但可靠性不高，因此，国内涉海单位所用的释放器大都依靠进口.

为解决上述问题，本文提出了一种基于无密封水下电磁铁的新型声学释放装置，该装置将电机驱动吊钩的回旋旋转释放机构更改为电磁铁驱动的连杆机构，并采用无密封的方式将电磁铁及机械释放装置直接置于海水当中，因此，避免了回旋旋转释放中直接从舱内引出机械装置的动密封问题，有效地减小了装置本身的体积，同时也减小了承压密封舱的体积，使装置简单灵巧，造价较低.目前，国内从事该方面研究的人员较少，王欣 (2003)曾尝试开展了CDT电控多瓶采水器中电磁式释放机构设计与试验.

1 设计方案

海洋电磁接收机释放系统由水上机和水下机组成.水上机由甲板控制单元、水密电缆和声学换能器等组成 (张佳，2009；贾立双等，2015).水下机由声学换能器、海洋电磁接收机承压密封舱 (内含信号解码模块、电磁铁驱动模块、声学装置控制电路、电池包，海洋电磁接收机信号采集模块与声学释放控制电路共用一个舱)、水密电缆、电磁铁、机械释放装置等组成.其中，本文所要讨论的新型声学释放装置主要包括电磁铁驱动模块、分线结、电磁铁及其机械释放装置，其示意图如图 1所示.

海洋电磁接收机在海底工作时，其顶部安装浮球，利用声学释放装置在底部悬挂配重块.由甲板控制单元发出释放指令，通过水密电缆和水上机的声学换能器将指令由电信号转换为声信号并发送至海下，海下的声学换能器接收到信号后将声信号转换为应答的电信号，通过水密电缆传至承压密封舱内的信号解码模块，声学装置控制电路将解码后的信号传递给电磁铁驱动模块，在电池组的供电下，电磁铁驱动模块启动电磁铁动作，动作过程中产生的驱动力使得机械释放装置上的脱钩滑脱，配重块得以释放，海洋电磁接收机在浮球浮力的牵引下浮至海面.

该新型声学释放装置与传统声学释放装置的区别在于：该装置采用电磁铁来驱动机械部分完成释放.另外，在对电磁铁及机械装置进行防腐处理后即可将其直接置于海水中，避免了动密封的难题，使释放装置简单灵巧，成本较低.表 1是该新型声学释放装置同现有声学释放装置的参数对比结果.

2 可行性分析

海洋环境是一种复杂的环境.海水对于金属来说是一种强的腐蚀介质，同时，波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复的应力和冲击，这都对该装置在海水中的正常工作带来挑战.裸露在深海中的电磁铁能否驱动机械装置完成释放工作，取决于电磁铁的选型、控制、机械释放装置的设计以及整体装置的承压密封等因素.下文将对这些因素逐一展开论述.

2.1 电磁铁的选型

电磁铁作为声学释放机械部分的驱动装置，要求其能提供足够大且易于转换的力 (使机械装置能够完成释放动作)、控制简单、易于固定.直流框架形螺管式电磁铁 (李达等，2010)，具有恒定的磁通，易于控制，其气隙全部在激磁线圈中，能提供较大的吸力，容易实现牵引和制动，并且外形易于固定，因此，它成为声学释放器机械驱动装置的首选.电磁铁由滑杆、盖板、铜管、外壳、线圈、骨架及软磁芯构成.框架形螺管式电磁铁结构断面图如图 2所示.

2.2 电磁铁的控制

本文中，拟采用DC12V框架形螺管式电磁铁.空气和海水的导磁系数μ为4×10^-7 H/m, 该电磁铁线圈电阻R为0.4 Ω，电感为0.64 mH，线圈匝数N为160匝 (40匝×4层)，线圈长度l为5.4 cm, 线圈半径r_w为2.1 cm，铁芯半径r为1.2 cm，气隙长度为δ为1.6 cm，可动铁芯伸入线圈内腔长度x为3.8 cm.

电磁铁提供力的大小是机械释放装置能否成功完成释放动作的关键.以下为螺管式电磁铁的吸力估算 (李达等，2010)，公式为

由上式可计算得一个电磁铁在工作时断面吸力F=10.2 N.

为了远程控制电磁铁的动作并驱动机械释放装置完成释放，电磁铁的电学动态特性是关键.以下是利用Multisim电路仿真软件对电磁铁进行的电学动态特性研究.仿真电路如图 3所示，E为电池包供电电压，C为续流电解电容，K1和K2为开关，R为线圈和回路内阻，大小为0.4 Ω，L为电磁铁线圈感抗，大小为0.64 mH，R和L串联构成电磁铁，D为保护电磁铁的反向吸收二极管，I为流过电磁铁线圈中的电流，由电源提供的电流I₁和续流电容C提供的电流I₂组成.

电磁铁驱动电路开始工作时，先闭合开关K1，给续流电解电容充电；待电容充电完毕后，闭合开关K2，在电流I的作用下，电磁铁瞬间产生强大的拉力驱动机械释放装置完成释放动作；之后，断开开关K1，待电容放电完毕，断开开关K2.开关状态如图 4所示.

基于图 3驱动电路和图 4开关状态控制过程，我们在Multisim中对电解电容的续流作用进行了仿真.仿真结果如图 4下方所示，展示了流过电磁铁线圈的电流I随时间变化的情况，从K1闭合到K2闭合的时间段 (t2-t1) 为10 ms，从K2闭合到K1断开的时间段 (t3-t2) 为10 ms，从K1断开到K2断开的时间段 (t4-t3) 为15 ms.也就是说，电磁铁实际控制中必须保证续流二极管有10 ms的充电时间和15 ms的耗散时间.

2.3 机械驱动连杆机构的设计及分析

本文中的机械释放装置利用电磁铁产生的拉力使自身挂钩脱落，从而使挂钩上悬挂的配重块得以释放，最终完成海试设备的回收.另外该装置采用连杆机构，能在死点处实现自锁，自锁状态下，通过改变连杆机构的受力状态，使得挂钩自身脱落.该装置运用的机械连杆释放装置设计如图 5所示.

当连杆1和连杆2保持相对绝对的直线时，重物重量经上下挂钩减力后完全作用在销上.根据上下挂钩的形状、尺寸、力的作用点至挂钩旋转中心的垂直距离，设计下挂钩短边长l₁为35 mm，长边长l₂为70 mm，上挂钩短边长l₃为20 mm，长边长l₄为80 mm.根据力矩平衡可得上下挂钩的减力比i为

(1)

304钢的剪切强度T约310 MPa，圆柱销直径d为5 mm，根据连杆机构最下方的承压圆柱销剪切强度进行计算，可得出装置承受的力F为

(2)

根据公式 (1) 和公式 (2) 计算得最大可挂重为F/i=15500 N，折合约为1.5 t的重物.由于实际加工及海水运动等原因，连杆1和连杆2不能保持绝对的直线，由此将带来附加脱钩的力.经计算及实验，装置可承受约1.1 t的力，即在实际过程中，释放载荷为1 t.图 6为新型声学释放装置实物图.

2.4 深海环境下的承压密封和防腐漏电分析

海水压强随着海水深度增加而增大，海水本身相当于电解质溶液，可以和不同活性的金属组成原电池发生电化学反应从而腐蚀金属.电磁铁及机械释放装置由各种金属部件构成，在其等待动作的一段时间 (一般为2周) 内，将面临腐蚀、漏电的问题，这些问题决定着声学释放器能否正常工作.下面将分别对这些问题进行讨论.

海洋电磁接收机最深工作于海下4000 m，环境压强相当于400个大气压.因此，将声学释放器置于海水当中，必须考虑装置的耐压问题.对于固体而言，在高压下，只要部件内部没有气泡，无内外压差，在理论上便不存在耐压问题.因此，只要保证电磁铁和机械装置的各个部件内部没有气泡，该装置便可在深海工作.本文中机械释放装置及电磁铁的大多部件均采用304不锈钢，材料内部不存在气泡，因此，其工作水深不受限制.而驱动电磁铁运动的电路板可置于电磁接收机所用的承压密封舱内.而对于承压密封舱及水密接插件的设计则超出本文所要讨论的范围，故在此不做详细的说明.

在海水中，如果不能对电磁铁做好防腐处理，电磁铁的不同部件将会在海水中形成原电池，发生电腐蚀，最终影响电磁铁动作，从而不能驱动机械释放装置完成释放.为防止电磁铁发生腐蚀，电磁铁本身的外壳、骨架、盖板、滑杆可由304钢制成，可在软磁芯 (由低碳钢、纯铁或软铁制成)、线圈的漆包线 (一般为漆包铜线)、铜管等部件表面涂抹防腐材料，目前在实际应用中最有效的手段是镀层防护法，可在磁体表面镀上具有优异耐腐蚀性能且性价比良好的Zn-Ni合金镀层 (刘樱等，2012).另外，也可以辅助涂抹其他材料 (如防锈漆、三防漆、环氧树脂、黄油等).然而深海环境还具有很多未知性，还有很多需要考虑的因素 (刘樱等，2012)，在之后的实验中，将对这些因素进行更深入的研究.

若电磁铁在深海中发生漏电，分为两种情况：一是在构成电磁铁线圈的漆包线破损处发生漏电，二是在连接电磁铁和电路的分线结破损处发生漏电.若漆包线和分线结长期破损，它们极易和海水中的金属粒子构成原电池而发生迅速的电化学反应被腐蚀，造成线圈和水密电缆接触不良或者完全断开，那么电磁铁将不能产生驱动力驱动机械释放装置完成释放动作.若漆包线处短期破损发生漏电，由于海水的高电导率，电流大部分流过线圈，对电磁铁无明显影响；若分线结短期破损发生漏电，尽管电流大部分流过分线结，但仍可能造成电流无法驱动电磁铁运动的现象.因此，需对漆包线、分线结做好绝缘处理.上一段落已提到在漆包线表面涂抹防腐绝缘材料.对于分线结，可用3M2131Scothcast硫化胶进行密封处理.经过长期盐水槽实验，无密封的电磁铁在饱和浓度为3.3%的盐水槽中浸泡一个月后仍可正常工作.

3 结论

声学释放装置是回收海洋电磁接收机的重要设备，本文提出了一种基于无密封水下电磁铁的新型声学释放装置.该装置选用直流框架形螺管式电磁铁作为机械部分的驱动装置；用高容量续流电容增大电磁铁线圈中的瞬间驱动电流，从而增大电磁铁的吸力，使机械驱动更加简单可靠；采用连杆机构使机械释放装置在电磁铁驱动力下脱钩释放1 t的载荷；除电路部分以外的其他机械装置直接裸露在海水当中，无需处理动密封问题便可在海水中正常完成工作.该装置相对于传统的水下声学释放装置具有更小的重量和体积，更低的成本，以及更易于控制等优势，值得深入研究和优化，也为海洋设备的成功回收提供了另外一种选择.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！