2. 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819;
3. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110016
2. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
3. Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
随着海洋拖曳系统技术的逐渐完善,水下拖曳体在海洋扫测方面的应用日渐广泛[1]。水下拖曳体属于拖曳式无人水下航行器,完全依靠水面母船来拖曳推进[2]。目前水下拖曳体作业主要依托的搭载平台为大型军用和民用舰船,不具有模块性,需要占用很大的空间并且需要多个工作人员参与布放和回收,人力资源成本和设备成本非常高,这对水下拖曳体的应用有着很大的限制。由于近年来无人水面艇得到了快速的发展与应用,如何将无人艇与水下拖曳体结合作业,也逐渐成为研究的热点。
本文研究主要考虑如何快速、稳定的布放和回收水下拖曳体,调研了目前关于水下潜器的水面布放回收回收方式主要有:吊臂式布放回收[3]、月池吊放式布放回收、滑道式布放回收[4-5]和A形门架式布放回收[6-8]等,这些布放回收方式为本文研究提供了参考。
目前国外研究成果较为突出的有:美国诺斯罗普.格鲁曼公司生产的AQS-24B无人自主海上扫雷系统用了类似于滑道式布放回收水下拖曳体[9],通过远程操控水面无人艇的方式实现布放和回收及拖曳作业;法国ECA公司设计的水面无人艇反水雷系统则是利用了垂直吊放和滑道式回收的方式来布放回收缆绳牵引的AUV[10],垂直吊放方式重心高,布放时适用于母船静止并且海况良好的情况;韩国海洋大学设计的一种水下拖曳体收放装置则是采用了滑道式布放回收方式[11],但还处于研究阶段,并未投入应用。国内相关研究较少,中船重工海声科技有限公司设计的回转拖曳体布放回收装置则是采用吊放式布放和回收[12],相对来说这种方式整体重心较高,其布放和回收需要复杂的辅助稳定装置。由此可见,国外的相关研究已经有了一定的成果,一部分已经进入应用阶段,而国内的相关研究进度还是很慢,很多成果只是停留在原理阶段或者试验验证性阶段,并没有得到实际的应用,所以目前需要加快相关技术的研究。
为满足海上无人系统的全方位、全天候、超视距侦察和探测,并满足现代化海上作战中的信息化控制以及海空天一体化的作战要求[13],本文设计了一种基于无人水面艇的水下拖曳体自主布放回收以及拖曳作业装置,其可以应用于小型船舶、水面无人艇等装备上。与传统的有人布放回收方式相比,该装置自动化程度高、模块性强、体积小、适应性强、无需操作人员的介入,能够极大降低应用成本,并能够完成一些敏感和危险海域的探查等任务。
1 布放回收装置主要功能和特性该套装置首先要满足的就是在水下拖曳体的布放回收过程的快速性和稳定性。为了实现“蛙跳式”的作业模式,就要解决布放回收载体过程的快速性。所谓“蛙跳式”就是间歇性的连续作业模式,即在同一片海域的不同位置连续作业。其次,还需要考虑载体在布放回收过程的稳定性,这就需要在结构设计上有针对性的创新。
2 布放回收装置总体方案研究调研有关资料可以发现,将无人艇与水下拖曳体相结合作业模式的研究尚不成熟,还有很多问题值得研究。
1)该套装置应用在无人条件下,拖体的布放与回收以及拖曳过程没有人员的参与,自主性较高,需要控制系统根据相关传感器传回的控制信息做出判断和决策;
2)为了保证装置工作的效率,需要选择合适的布放回收方式节省作业时间;
3)为了保证装置的可靠性,在无人环境下工作装置的结构设计既要结构简单紧凑,需要具有足够的安全裕度,同时还应具有充分的应急措施。
2.1 布放回收装置方案设计本文设计一种3级变幅机构作为布放回收装置的主体机构。设计有滑台机构,其作用是在布放和回收水下拖曳体时,对载体进行保护和限位。布放回收装置采用滑道式布放回收,降低了整个布放回收装置的重心,母船的摇摆也得以降低[14]。避免了采用吊方式的悬空状态,不需要复杂的减摆技术和波浪补偿技术[15]。装置整体采用液压驱动,具有缆绳张力检测功能,防止因缆绳张力过大导致缆绳断裂或者收放装置发生破坏。
2.2 布放回收过程逻辑分析为了保证工作效率和装置的安全,需要制定一套完整的布放回收逻辑过程。收放装置工作过程包括水下拖曳体的布放、探测、回收3个过程。
2.2.1 布放流程无人艇航行至预定海域后,调整到预定航速,开始布放水下拖曳体。控制系统控制各液压缸按照预定的指令驱动3级变幅机构,并根据传感器返回的信息实时判断液压缸是否到位。解锁机构解锁,并在缆绳布放到一定程度后收回各级液压缸,将缆绳布放到指定长度后开始拖曳作业,具体布放流程如图1所示。
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图 1 布放流程图 Fig. 1 Distribution flow chart |
拖体布放并达到工作条件后,开始执行探测任务。
1)拖体到达预定位置后,绞车处于锁定状态(设置有超力保护),固定电缆长度进行拖体拖曳探测。
2)拖体实时反馈深度和姿态信息,根据这一信息控制液压系统绞车进行收放缆操作,使拖体始终维持在一定深度范围内工作。
2.2.3 回收流程拖体一次探测结束后开始回收,回收过程与布放过程类似。为防止回收过程拖体被卡主以至于拖缆被拉断,加入了张力检测功能,当拉力超过阈值便进行放缆重新回收,具体回收流程如图2所示。
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图 2 回收流程图 Fig. 2 Recycling flow chart |
布放回收装置主要由底盘、3级变幅机构、滑台、绞车、液压站和其他辅助机构组成,如图3所示。整套装置长6 474 mm,宽2 250 mm,高1 919 mm。
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图 3 自主布放回收装置 Fig. 3 Autonomous distribution and recycling device |
由于采用滑道式布放回收水下拖曳体,根据拖体的特征和工作环境,设计一种3级变幅机构作为布放回收的主体结构(见图4),与底盘一起安装在水面无人艇的尾甲板处,进行布放回收及拖曳作业。主体机构采用框架式结构,框架和承力结构件以铝合金为主,同时其表面采取电化学氧化、喷漆、加挂牺牲阳极等抗海水和海洋大气腐蚀的措施。
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图 4 三级变幅机构 Fig. 4 Three-stage luffing mechanism |
根据无人艇结构限制以及布放回收时拖体的姿态,确定3级结构如下:一级为起升机构,由2个液压缸同步驱动,将起升架抬升至与水平面成60°夹角,布放时使拖体能够经滑道滑落入水,并且在回收时可以将载体沿滑道拉回;二级液压缸驱动滑道的运动,目的是在布放拖体的时候保证拖体能够入水,在回收时保证滑台机构入水与载体进行对接;三级液压缸驱动滑台机构与载体进行对接,对拖体起到保护和限位的作用。
3.2 布放回收装置滑台机构设计为了在回收和布放以及运输过程中有效保护拖曳体,设计了一种滑台机构,其上有载体回收到位传感器和液压缸锁紧机构,如图5所示。滑台机构借助滑块能够在滑道内滑动,用于完成拖体的布放和回收。滑台机构上设计有锁紧机构,由液压缸驱动2组对称安装的杠杆机构与载体上的承力拖头配合,实现对拖曳体的主动锁紧和解锁,有效保护拖体。同时,滑台上还设计有一V形罩,同样对拖曳体起到了保护与限位的作用。
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图 5 滑台机构 Fig. 5 Slide mechanism |
绞车通过缆绳与拖体连接,具有收放和牵引拖体的作用。绞车的主要结构特征如图6所示,主要包括绞车固定架、液压马达、减速器、滚筒、滑环、圧缆器、轴承以及轴承座等。其中马达减速器为绞车的动力元件,滚筒为承缆结构,借助压缆器使缆线排列整齐。滑环安装在绞车上,当绞车绞盘转动时可以实现干端和湿端之间电源和数据的不断传输,其一端与拖缆相连,另一端与干端连接线缆对接。根据公式
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图 6 绞车机构 Fig. 6 Winch mechanism |
$ {L_n} = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{L \cdot {\text{π}} \left[ {D + (2i - 1) \cdot d} \right]}}{{1000 \cdot (d + 2)}}} $ |
可以计算出该绞车所能容纳的缆绳的长度。其中:n为缆绳的层数,L为滚筒的长度,d为拖缆的直径。
3.4 布放回收装置液压系统设计布放回收装置中执行机构的驱动方式采用液压动力驱动。液压驱动相对于其他驱动形式的绞车来说,具有结构紧凑、功率重量比高、驱动力矩大、起动平稳、调速方便、使用安全可靠等一系列优点,近年来得到迅速发展并获得了广泛运用。
根据动作需求,在液压回路上采用5个支路并联分别控制5个执行机构动作,各个执行动作不相互影响。一级同步起升机构、二级收放机构、三级收放机构及锁紧机构支路采用电磁换向阀实现液压缸伸出和缩回,采用节流阀来调节各执行机构运动速度,采用液压锁来实现液压缸位置的保持。绞车支路采用比例换向阀实现速度调节和正反转控制,利用平衡阀保证布放回收水下拖曳体过程中的安全可靠,利用两位四通换向阀组单独控制减速机制动机构,实现绞车的制动,在缆绳张力过大时,平衡阀溢流,可有效保护缆绳,液压马达具有较长的使用寿命,具有大惯性,可实现低速大负载启动[16]。
4 计算仿真为了验证所设计的及机构能否按照预期的动作时序完成整个布放回收以及拖曳作业,整个运动过程是否存在机构原理不合理的现象,以及计算出液压元件选型的主要参数,本文利用多体动力学仿真软件Adams进行模型搭建以及相应的仿真。
4.1 模型搭建将三维图导入进Adams软件之后,进行布尔运算和材料指定,考虑到重量和强度要求,整体选用铝合金5A06和7075,在保证轻量化的前提下保证装置满足使用要求。模型如图7所示。
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图 7 装置物理模型图 Fig. 7 Device physical model diagram |
利用Adams软件中的STEP函数[17],使装置的3级变幅机构按照预期完成了布放与回收的动作,验证了整个运动过程机构原理的正确性和可行性。
由于收放装置安装在无人艇的尾甲板,距海面还有900 mm的高度,所以布放时需要一级起升机构抬起,并且拖体的尾部能够入水,此时放缆绳完成布放,如图8所示。起升过程中拖体尾部距甲板的高度变化如图9所示。由图可见,起升后拖体尾部距甲板高度最大为1 291 mm,能够保证此时拖体入水。
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图 8 布放拖体 Fig. 8 Distribute the underwater towed vehicle |
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图 9 布放时拖体尾部距甲板高度 Fig. 9 The height of the tail from the deck |
在回收拖体时,由于拖体的拖点比较靠后,在距首部900 mm处,而且在拖曳过程中拖体姿态保持水平,所以托架与拖体之间会有一个角度,这就需要在回收时滑台机构能够入水,并且通过缆绳、滑道和滑台的配合使拖体进入滑台的V形罩内并锁紧。通过仿真计算,当3级液压缸分别到达指定行程之后,滑台机构能够入水完成回收。当拖体在缆绳回收时会进入滑台机构的V形罩内,并在锁紧液压缸的驱动下实现锁紧,如图10所示。在驱动装置准备回收拖体的过程中,滑台机构距甲板高度变化如图11所示。可知,最大高度为1 290 mm,在回收拖体时,滑台机构已经入水,能够保证回收的稳定性。
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图 10 回收拖体 Fig. 10 Recycling the underwater towed vehicle |
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图 11 滑台距甲板的高度 Fig. 11 The height of the slide from the deck |
为了计算液压缸的压力与流量,需要知道每一级液压缸的最大负载。通过仿真计算得到了布放回收程中3级液压缸的受力情况。在整个运动过程中,3级液压缸的受力情况分别如图12~图14所示。所得结果可以作为液压缸选型计算的有力参考,同时也为收放装置关键零件的校核提供了依据。
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图 12 1级液压缸受力 Fig. 12 The force of the first stage hydraulic cylinder |
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图 13 2级液压缸受力 Fig. 13 The force of the second stage hydraulic cylinder |
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图 14 3级液压缸受力 Fig. 14 The force of the third stage hydraulic cylinder |
由以上结果可知,2个一级同步缸受力最大为7 429 N,二级缸受力最大为3 419 N,三级缸最大受力为1 937 N,3级起升机构与底盘铰接处的最大受力为10 553 N。由于该结果是在理想工况下得到的,在受到波浪影响时收放装置会随着母船做升沉运动,此时各液压缸以及关键零件的受力会更接近实际情况。为了研究这一变化规律,在仿真过程对布放回收装置施加了一个激励模拟母船的升沉运动。假设波浪为正弦波,波浪的周期为T,波浪幅值为H,母船升沉位移与波浪幅值的比值为μ,μ取值一般小于0.5,母船的运动周期同样为T,所以母船的升沉位移可以用以下公式来描述[18]:
$ {y_0} = \frac{{\mu H}}{2}\sin \left( {\frac{{2{\text{π}} t}}{T}} \right)\text{。} $ |
将4级海浪激励加到Adams后,可以得到在布放回收过程中各级液压缸以及铰接处力的最大值,与理想状态下的对比如表1所示。
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表 1 各处受力大小 Tab.1 Force of each position |
通过仿真计算,验证了布放回收逻辑的准确性,以及各机构原理的可行性。得出的各级液压缸在布放回收过程中的最大负载,为液压缸的计算选型提供了参考。
5 结 语本文在调研目前国内外有关自主布放回收水下拖曳体的有关资料后,针对目前已有的无人水面艇和水下拖曳体进行了自主布放回收装置的设计与研究。采用3级滑道式布放回收,并且创新性设计了具有锁紧限位和保护功能的滑台机构,保证了布放回收时的稳定性。经过Adams多体动力学仿真软件验证了该布放回收方式的可行性,并计算了布放回收过程中液压缸的行程以及在极限位置时液压缸的受力,为液压系统的计算选型及关键零件的校核提供了依据。
与传统的拖曳作业模式相比,将无人艇和水下拖曳体结合起来的作业模式效率高,人力资源成本和设备成本低,隐蔽性好,具有一定的研究价值和工程价值。
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