姜?jiǎng)P，李建偉，高凡

(青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東 青島 266106)

0 引言

隨著人類科學(xué)文明的進(jìn)步，水下場(chǎng)景探測(cè)、資源勘察等方面的技術(shù)亟需發(fā)展。水下微型潛器的設(shè)計(jì)目前仍處于起步階段，在許多關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)上，依然面臨設(shè)計(jì)難點(diǎn)。在微型潛器連接線這個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上，主流設(shè)計(jì)采用的是剛性連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微型潛器水下無(wú)位移旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且數(shù)據(jù)信息傳輸不穩(wěn)定，極大地限制了微型潛器的運(yùn)動(dòng)性能。本文針對(duì)這一技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)，旨在解決如何提高水下潛器移動(dòng)靈敏性的問(wèn)題，同時(shí)可提高設(shè)備的使用壽命。

目前市場(chǎng)上主流的導(dǎo)電滑環(huán)根據(jù)環(huán)的分布不同可分為軸式、盤式、差動(dòng)式3大類。 軸式滑環(huán)中的環(huán)面沿軸向分布，由多個(gè)環(huán)堆疊起來(lái)，環(huán)與環(huán)之間通過(guò)絕緣片隔離。此類滑環(huán)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但體積較大。盤式滑環(huán)的轉(zhuǎn)子通過(guò)多圈同心圓環(huán)來(lái)承載電流和信號(hào)，同心圓環(huán)之間用絕緣物質(zhì)隔離，電刷作為定子分布在同心圓環(huán)的頂部。此類滑環(huán)體積小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、工藝要求高。差動(dòng)滑環(huán)通過(guò)差動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用環(huán)芯來(lái)導(dǎo)通上、下兩層相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的觸點(diǎn)。此類滑環(huán)體積小、有限空間可提供的通路數(shù)多，但環(huán)芯的制作難、內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、成本高。針對(duì)微型潛艇應(yīng)用環(huán)境條件的特點(diǎn)，本文在潛艇接線處設(shè)計(jì)了一種連接穩(wěn)定、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的導(dǎo)電滑環(huán)。經(jīng)過(guò)方案論證，導(dǎo)電滑環(huán)位于潛艇底部，并處于質(zhì)心線與機(jī)體下表面的交匯處。導(dǎo)電滑環(huán)中的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)直接與連接線進(jìn)行固定連接(在滑動(dòng)軸承內(nèi)部，連接線與滑動(dòng)軸承上的凸起觸點(diǎn)直接固定連接)。套筒與滑動(dòng)軸承通過(guò)C形滑環(huán)[1]滑槽嚴(yán)密地扣合，當(dāng)潛艇旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定于潛艇頂部的套筒與固定連接于連接線的滑動(dòng)軸承發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。套筒結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有2個(gè)滑槽，定子結(jié)構(gòu)直接位于滑槽內(nèi)部。每當(dāng)潛艇旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)軸承上的凸起觸點(diǎn)在滑槽內(nèi)部滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，與滑槽內(nèi)部的定子直接接觸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)電路連接，使?jié)撏г谵D(zhuǎn)向定位時(shí)不會(huì)受到連接線的扭轉(zhuǎn)力，獲得了較高的靈活機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)也不會(huì)對(duì)有線的連接處造成損壞[2-3]。凸起觸點(diǎn)通過(guò)滑槽穩(wěn)定地與定子接觸，保證了電信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸送[4]。

針對(duì)潛艇在水下的應(yīng)用環(huán)境，通過(guò)三維建模，繪制模擬出了潛艇整體的三維立體結(jié)構(gòu)。對(duì)產(chǎn)品外部構(gòu)造、內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，三維建模如圖1所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)

1 導(dǎo)電滑環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)電滑環(huán)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)位于連接線與潛艇的連接部分，在該連接處采用導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由滑動(dòng)軸承和套筒兩部分組成，用于潛艇供電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，解決了連接線和滑動(dòng)軸承由于剛性連接降低水下微型潛艇活動(dòng)靈活性的難題。

連接線連接在固定軸承上(圖2)，在前全剖視圖中可直觀地看出，連接線直接與滑動(dòng)軸承上的凸起觸點(diǎn)固定連接，套筒與潛艇的底部固定連接。潛艇在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)連接線與滑動(dòng)軸承靜止不動(dòng)，潛艇圍繞固定軸承自由無(wú)限制地旋轉(zhuǎn)。在局部剖圖處，旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)采用C形滑環(huán)滑槽組合相扣的密封處理方法。由于潛艇在正常工作時(shí)，滑動(dòng)軸承與套筒相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速極小，故在套筒與固定軸承之間，對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)實(shí)行油封。

圖2 導(dǎo)電滑環(huán)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 滑動(dòng)軸承接線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滑動(dòng)軸承上側(cè)，連接線與滑動(dòng)軸承固定連接。在滑動(dòng)軸承內(nèi)部，4根連接線分別與4個(gè)凸起觸點(diǎn)直接連接固定?；瑒?dòng)軸承分別在1、2兩個(gè)平面上各有2個(gè)凸起球觸點(diǎn)均勻分布，保證質(zhì)心在軸承圓心處，保證了潛艇在旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電滑環(huán)的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

1.3 套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

套筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部有2個(gè)滑槽。潛艇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，由于凸起觸點(diǎn)在滑槽內(nèi)的滑動(dòng)，使滑動(dòng)軸承與套筒發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中凸起觸點(diǎn)總是與軸承式套筒內(nèi)壁的定子直接接觸發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，既保證了其信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，又保證了穩(wěn)定性。套筒的內(nèi)部構(gòu)造要求有良好的密封性，為了防止套筒進(jìn)水，在套筒內(nèi)部塞滿油脂，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)電滑環(huán)的套筒結(jié)構(gòu)

2 相對(duì)損耗下導(dǎo)電滑環(huán)的壽命計(jì)算

當(dāng)微型潛艇在水中工作，只有潛艇轉(zhuǎn)向時(shí)，導(dǎo)電滑環(huán)才會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)際工作，故潛艇該處結(jié)構(gòu)每天最多實(shí)際工作時(shí)間遠(yuǎn)低于潛艇的工作時(shí)間，約3.5h，且實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景所要求導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)速極低，約10r/min。導(dǎo)電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)約6500000r。在滑動(dòng)軸承和套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承上的凸起觸點(diǎn)和套筒上的定子直接接觸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于接觸摩擦產(chǎn)生微量的損耗[5]，損耗量可以通過(guò)測(cè)量體積得到。為了保證導(dǎo)電滑環(huán)在水下微型潛艇中正常工作時(shí)的使用壽命[6]能夠達(dá)到基本要求，轉(zhuǎn)子的損耗量必須控制在一定范圍之內(nèi)，定子與轉(zhuǎn)子之間為點(diǎn)接觸且充滿油脂，起潤(rùn)滑作用，相對(duì)摩擦極小。

(1)

式中：k是導(dǎo)電滑環(huán)正常工作條件下的工作年限[7]；ΔP是每個(gè)定子的質(zhì)量可損耗范圍(1.9 g≤ΔP≤2 g)；ε是滑動(dòng)軸承每天相對(duì)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)(ε≤2000r/d)；ω是定子每旋轉(zhuǎn)1圈所消耗的質(zhì)量(ω=0.3μg/r)。

(2)

式中:kmin是導(dǎo)電滑環(huán)最短的工作年限范圍；εmax是滑動(dòng)軸承與套筒平均每天發(fā)生旋轉(zhuǎn)的最多圈數(shù)(取導(dǎo)電滑環(huán)的日平均旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為εmax=2000r/d)。若要校核計(jì)算導(dǎo)電滑環(huán)的最短工作年限[7]，根據(jù)微型潛艇在水中的特殊應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)導(dǎo)電滑環(huán)的日平均極限工作狀態(tài)為εmax=2000r/d，則通過(guò)校核計(jì)算滑環(huán)正常工作，得微型潛艇使用年限最短的范圍kmin=8.7～9.1年，滿足水下微型潛艇的年限使用要求。

3 實(shí)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)在潛艇中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)電滑環(huán)的位置對(duì)微型潛艇的穩(wěn)定性影響、導(dǎo)電滑環(huán)的密封性處理、潛艇實(shí)際工作深度試驗(yàn)驗(yàn)證這3個(gè)方面對(duì)潛艇實(shí)際產(chǎn)品的可行性有直接影響。

1) 對(duì)微型潛艇整體的穩(wěn)定性做相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滑環(huán)結(jié)構(gòu)位于微型潛艇底部質(zhì)心處，導(dǎo)電滑環(huán)頂部的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)與連接線直接固定連接，大大降低了連接線對(duì)潛艇的牽引力，避免了連接線對(duì)潛艇靈敏運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)重干擾。

2) 針對(duì)微型潛艇的工作水域體積和下潛深度，考慮到微型潛艇的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率和下潛深度較低的因素，在導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)軸承與套筒之間加入油脂，對(duì)密封性做了調(diào)試和檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)的試驗(yàn)證明，當(dāng)微型潛艇的下潛極限深度為15m時(shí)，潛艇的密封性完全滿足正常實(shí)用要求。

3) 對(duì)密封及動(dòng)力部分進(jìn)行了部分修改，經(jīng)過(guò)改進(jìn)完善，生產(chǎn)出實(shí)物如圖5所示，經(jīng)過(guò)實(shí)際水體測(cè)試證明，潛艇的水下實(shí)際工作最大深度為10～15m。

該微型潛艇可實(shí)際應(yīng)用于水族業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、水下勘探等行業(yè)。目前產(chǎn)品通過(guò)電源適配器與家用電連接，可以持續(xù)操作10h，通過(guò)持續(xù)操作按鍵可以實(shí)現(xiàn)水中懸停、同深度直線潛航、原地360°調(diào)轉(zhuǎn)功能。潛水艇內(nèi)部設(shè)有吸水艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸水、排水，已實(shí)現(xiàn)垂直方向穩(wěn)定下潛和上浮運(yùn)動(dòng)。項(xiàng)目主要任務(wù)已經(jīng)完成，微型潛艇已經(jīng)實(shí)現(xiàn)搭載視覺(jué)及紅外傳感器，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)與用戶手持設(shè)備進(jìn)行交互，并通過(guò)Wifi橋接技術(shù)并入互聯(lián)網(wǎng)。

圖5 實(shí)體外觀圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于水下微型潛器的導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了定位轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足了水中作業(yè)時(shí)潛艇無(wú)限制旋轉(zhuǎn)的要求。該設(shè)計(jì)提高了整體移動(dòng)的靈活性，增強(qiáng)了信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性，能夠滿足更復(fù)雜的水下作業(yè)要求，大大提高了水下微型潛器的綜合性能。該水下潛器應(yīng)用范圍廣、限制低、性能高，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。