基于齒輪 － 滾珠絲杠傳動的浮力調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計
2017-6-7 來源：青島海山海洋裝備有限公司 作者：孫偉志 譚華
摘要 設(shè)計了一種微型直流電機(jī)驅(qū)動的基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞結(jié)構(gòu)的浮力調(diào)節(jié)裝置。分析了裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理，給出了裝置中主要力學(xué)參數(shù)的計算公式。該裝置利用微型直流電機(jī)產(chǎn)生動力，經(jīng)過齒輪 － 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)帶動滾珠螺母線性運動。由于滾珠螺母與活塞通過活塞蓋進(jìn)行連接，進(jìn)而實現(xiàn)活塞向油囊中吸注液壓油。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制，運動精確，調(diào)節(jié)精度高等特點。可在一定范圍內(nèi)與海洋傳感器組合，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)剖面實時采集。
關(guān)鍵詞 齒輪 滾珠絲杠 浮力調(diào)節(jié) 剖面采集
0.引言
目前，在海洋數(shù)據(jù)獲取方面，應(yīng)用較普遍的方法主要包括來自船只( 商業(yè)、海軍、研究) 的測量或觀測數(shù)據(jù)，系泊浮標(biāo)和漂浮浮標(biāo)數(shù)據(jù)，海岸站點數(shù)據(jù)以及其他海洋臺站數(shù)據(jù)［1］，這些方法獲取的海洋觀測數(shù)據(jù)具有成本高、海域范圍窄等缺點。而一種自持式剖面浮標(biāo)可以用于海洋環(huán)境水文要素( 溫度、鹽度、水深) 的調(diào)查，其具有體積小、質(zhì)量輕、易于布放、成本低等特點［2］。文中我們提出了一種可用來獲取 0 ～ 2 000 m 水深的海洋相關(guān)數(shù)據(jù)的海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的齒輪 － 滾珠絲杠與活塞機(jī)構(gòu)的雙層油囊浮力調(diào)節(jié)裝置，該裝置可以用來搭載海洋傳感器以便獲取海洋數(shù)據(jù)。在本文中對本裝置的原理以及相關(guān)參數(shù)的選擇進(jìn)行重點介紹。
1 .原理與結(jié)構(gòu)
基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞機(jī)構(gòu)的雙層油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示。如圖 1 所示，電機(jī)主軸通過平鍵與小齒輪相連，小齒輪與大齒輪相嚙合，大齒輪與滾珠絲杠軸通過平鍵相連，絲杠與螺母的滾道之間放置適量的滾珠，轉(zhuǎn)動時，滾珠沿著螺母中滾道滾動，由于絲杠一端通過軸承、螺母等固定，從而使得與螺母連接的活塞蓋和活塞在液壓缸內(nèi)做直線運動，并通過堵頭、連接螺釘、T 型螺母處的油道向油囊中抽注液壓油，以達(dá)到改變設(shè)備體積的目的，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備在海洋中做沉浮運動。
圖 1 浮力調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖
具體工作原理為: 電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，通過平鍵將電機(jī)旋轉(zhuǎn)力傳遞給小齒輪，小齒輪通過齒輪傳動把傳動力傳遞給大齒輪，大齒輪再通過平鍵把旋轉(zhuǎn)力傳遞給與其相連的滾珠絲杠，通過滾珠絲杠、滾珠螺母與滾珠組成的滾動螺旋傳動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞的直線運動。電機(jī)正轉(zhuǎn)時，活塞向右運動，通過減小液壓缸中密閉空間的體積往油囊中注油，使設(shè)備體積變大，浮力增加，設(shè)備上浮; 電機(jī)反轉(zhuǎn)時，活塞向左運動，增大液壓缸中的空間，從油囊中抽油，減小設(shè)備體積，使設(shè)備下沉。如此可以實現(xiàn)設(shè)備在 0 ～ 2 000 m 水深的海水中做上下沉浮運動，從而可以使搭載的傳感器采集到 0 ～ 2 000 m 水深的海洋數(shù)據(jù)。
由于直流微型電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出額定轉(zhuǎn)矩較小，本設(shè)計采用帶有減速箱的直流微型電動機(jī)供給動力，同時采用減速比較大的齒輪傳動作為傳動機(jī)構(gòu)，一方面，通過減速結(jié)構(gòu)達(dá)到降低轉(zhuǎn)速增大輸出轉(zhuǎn)矩的作用; 另一方面，克服在 2 000 m 水深、壓力為 20 MPa 時引起的反轉(zhuǎn)問題。
2.力學(xué)計算
下面對本裝置中傳動機(jī)構(gòu)所涉及的主要參數(shù)軸向平均載荷和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計算。
2. 1 軸向平均載荷
由于海水壓力隨著海水深度的增加而變大，兩者之間的關(guān)系如圖 2 所示。因此，作用于滾珠絲杠的軸向負(fù)荷是變載荷，有必要求出軸向平均負(fù)荷，以便滾珠絲杠型號的選擇和其他參數(shù)的計算。
圖 2 海水壓力與深度之間的關(guān)系圖
從圖 2 中可以得出海水壓力與深度的關(guān)系約為0. 01 MPa / m，為了設(shè)計中留有安全系數(shù)以及方便計算，假設(shè)壓力在選定的每個階段( 如 10 m 內(nèi)) 保持為一個恒定值。負(fù)荷按階段變化時，可以由以下計算軸向平均負(fù)荷公式［3］得出。
2. 2 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩
本裝置中滾珠絲杠傳動系統(tǒng)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成滾珠螺母的勻速線性運動，絲杠所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算公式為［4］
的分析與計算，在設(shè)計過程中所涉及到的其他方面的具體計算從略。
3.實驗測試
根據(jù)以上分析以及設(shè)計，最后應(yīng)用實物圖如圖3。將設(shè)計完成的裝置連接到壓力測試臺上，對裝置在不同壓力下的電機(jī)工作狀況進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表 1 所列。實驗測試結(jié)果表明在承受外部最大壓力 20 MPa 時，電機(jī)的最大電流均未超出所選微型直流電機(jī)的額定電流 0. 6 A; 經(jīng)過測試后用于實際應(yīng)用中，齒輪 － 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)并未出現(xiàn)故障，裝置運行穩(wěn)定。
圖 3 裝置實物圖
表 1 電機(jī)電流測試結(jié)果
4.總結(jié)
提出的基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞結(jié)構(gòu)的浮力調(diào)節(jié)裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制，運動精確，調(diào)節(jié)精度高等特點。該結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要與海洋傳感器進(jìn)行一定的組合，從而實現(xiàn)該裝置在海洋數(shù)據(jù)采集方面的廣泛應(yīng)用。目前，裝置已經(jīng)成功應(yīng)用在公司研發(fā)的 Argo 浮標(biāo)中，并成功布放到相關(guān)海域中，布放的浮標(biāo)工作穩(wěn)定，性能可靠。
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