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基於齒輪－滾珠絲杠（gàng）傳動的浮力（lì）調節裝置的設計

2017-6-7 來源：青島海山海（hǎi）洋裝備有限公司（sī）作者：孫偉誌（zhì）譚華

摘要設計了一種微型直流電機驅動（dòng）的基於齒輪－滾珠絲杠與（yǔ）活塞結構的（de）浮力調節裝置。分析了裝置的結構及其（qí）工作原理，給出了裝置中（zhōng）主要力學參（cān）數的計算公式。該裝置利用微型直流電機（jī）產生動力，經過齒輪－滾珠絲杠傳動係統帶動（dòng）滾珠螺母線性運動。由於滾珠螺（luó）母與活塞通過活塞蓋進行連接，進而實現活塞（sāi）向油囊中吸注（zhù）液壓油。該（gāi）裝（zhuāng）置（zhì）具有結構緊湊（còu），易於控製，運動精確，調節精度高等特點。可在一定範（fàn）圍內（nèi）與海洋傳感器組合，實現海洋數據剖麵（miàn）實時采集。

關鍵詞 齒輪滾珠絲杠浮力調節剖麵采集

0.引言

目前（qián），在海洋（yáng）數據獲取方麵，應用較普（pǔ）遍的方法主要（yào）包括（kuò）來自船隻( 商業、海軍、研究) 的測量或觀測數據，係（xì）泊浮標和漂浮浮標數據，海岸站點數據以及其他海洋台站數據［1］，這（zhè）些方法獲取的海洋觀測（cè）數據具有成本高、海域範圍窄等缺點。而（ér）一種自持式剖麵浮標可以用於海洋環境水文要素( 溫度、鹽（yán）度、水（shuǐ）深) 的調查，其具有體積（jī）小（xiǎo）、質量輕、易於布放、成本低等特點［2］。文中我們（men）提出了一種可用來（lái）獲取 0 ～ 2 000 m 水深的（de）海洋相關數據的（de）海洋環境監（jiān）測設備的（de）齒輪－滾珠絲杠與活塞機構的雙層油囊浮力調節裝置，該裝置可以用來搭載海洋傳（chuán）感器（qì）以便獲（huò）取海洋數據（jù）。在本文中（zhōng）對本裝置的原理以及（jí）相關參數的選擇進行重點介紹。

1 .原理與結（jié）構

基於齒輪－滾珠絲（sī）杠與活塞機構的雙（shuāng）層油囊浮力調節裝置的結構原（yuán）理圖如（rú）圖 1 所示。如圖 1 所示，電機主軸通過平鍵（jiàn）與小齒輪相連，小齒輪與大齒輪相齧合，大齒輪與滾珠絲杠軸通過平鍵相連，絲（sī）杠與螺母（mǔ）的滾道之間放置適量的滾珠，轉動時，滾珠沿（yán）著螺母中滾道滾（gǔn）動，由於絲杠一端通過軸承（chéng）、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（gāng）內做直線運（yùn）動，並通過堵頭、連接螺釘、T 型螺母處的油道向油囊中抽注液壓油，以達到改變設備體積的目的，進而實現設（shè）備在海洋中做沉浮運動（dòng）。

圖 1 浮力調節裝置的結構原理（lǐ）圖

具體工作原理為: 電機旋轉時，通過平鍵將電機旋轉力傳遞給小（xiǎo）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力傳遞給與其相連的滾珠絲杠，通過（guò）滾珠（zhū）絲杠、滾珠螺母與（yǔ）滾珠組成（chéng）的滾動螺旋傳（chuán）動（dòng），將旋轉運動轉換為活塞的直（zhí）線運動。電機正轉時，活塞向右運動，通過減小液壓缸中密閉空（kōng）間的體積往油囊中注油，使設備體積變大，浮力增加，設備上浮; 電機反轉時，活塞向左運動（dòng），增（zēng）大液壓缸中的空間，從油囊中（zhōng）抽油，減小設備體積，使設備下沉。如此可以實現設備在 0 ～ 2 000 m 水深的海水中做上下沉浮運動，從而（ér）可以使搭載的傳感器采集到 0 ～ 2 000 m 水深的海洋數據。

由於直流微型電機在額定轉速範圍內的輸出額定轉矩較小，本設計采用帶有減速箱的直流微型（xíng）電動機（jī）供給動力，同時采用減速比較大的齒（chǐ）輪傳動作為傳動機構，一方麵，通（tōng）過減速結構達到（dào）降低轉速增大輸出轉矩的（de）作用; 另一方麵，克服在 2 000 m 水深（shēn）、壓力（lì）為 20 MPa 時引起的反轉問題。

2.力學計算

下麵對本（běn）裝置中傳動機構所涉及的主要參（cān）數軸向平均載荷和驅動轉矩進行計算。

2. 1 軸（zhóu）向平（píng）均載（zǎi）荷

由（yóu）於海水壓力隨著海水深度的增（zēng）加而變（biàn）大，兩（liǎng）者之間的（de）關係如圖 2 所示。因（yīn）此，作用於滾珠絲杠的軸向負（fù）荷是（shì）變載荷，有必要求出軸向平均負荷，以便（biàn）滾珠絲杠（gàng）型號的選擇和其他參數的計算。

圖 2 海（hǎi）水壓力（lì）與深度之間（jiān）的（de）關係圖

從圖 2 中可以得出海水（shuǐ）壓力（lì）與深度的關係約為0. 01 MPa / m，為了設計中留有安全係數以及方（fāng）便計算，假設壓力在選（xuǎn）定的（de）每（měi）個階（jiē）段( 如 10 m 內) 保持為一個恒定值。負荷按階段變化時，可以（yǐ）由（yóu）以（yǐ）下計算軸向平均負荷公式［3］得出。

2. 2 驅動轉矩

本裝置（zhì）中滾珠絲杠傳動係統將回轉運動轉（zhuǎn）換成滾珠螺母的勻速線（xiàn）性運動，絲杠所（suǒ）需的驅動轉矩計算公式為［4］

的分析與計算，在設計過程中所涉及到的其他方麵的具體計算從略。

3.實驗（yàn）測試（shì）

根據以上分析以及設計，最後應用實（shí）物（wù）圖如圖3。將設計完成的裝置連接到壓力測試台上，對裝（zhuāng）置（zhì）在不同壓力下的電機工作狀（zhuàng）況進（jìn）行測試，測試結果（guǒ）如表 1 所列。實驗測試結果表明在承（chéng）受外部最大壓力 20 MPa 時，電機的最大電流（liú）均未超出所選微型直流電機的額定電流 0. 6 A; 經過（guò）測試後用於實際應用中，齒（chǐ）輪－滾珠絲杠傳動係統並未出現故障（zhàng），裝置運行穩定。

圖 3 裝置實物圖

表（biǎo） 1 電機電流測試結果

4.總結

提出的基於齒輪－滾珠（zhū）絲杠與活（huó）塞結構的浮力調節裝置，具有結（jié）構緊湊，易（yì）於控製，運動精（jīng）確，調節精（jīng）度高等特點。該（gāi）結構可以根據需要與海洋傳感器進行（háng）一定的（de）組合，從而實（shí）現該裝置在海洋數據采集方麵的廣泛應用。目前，裝置已經成功應用在公司研（yán）發的 Argo 浮標中，並成功布放到相關海域中，布放的浮標工作穩定，性能可靠。

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