基于齒輪 － 滾珠絲杠傳動的浮力調節裝置的設計
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 設計了一種微型直流電機驅動的基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞結構的浮力調節裝置。分析了裝置的結構及其工作原理，給出了裝置中主要力學參數的計算公式。該裝置利用微型直流電機產生動力，經過齒輪 － 滾珠絲杠傳動系統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行連接，進而實現活塞向油囊中吸注液壓油。該裝置具有結構緊湊，易于控制，運動精確，調節精度高等特點?？稍谝欢ǚ秶鷥扰c海洋傳感器組合，實現海洋數據剖面實時采集。
關鍵詞 齒輪 滾珠絲杠 浮力調節 剖面采集
0.引言
目前，在海洋數據獲取方面，應用較普遍的方法主要包括來自船只( 商業、海軍、研究) 的測量或觀測數據，系泊浮標和漂浮浮標數據，海岸站點數據以及其他海洋臺站數據［1］，這些方法獲取的海洋觀測數據具有成本高、海域范圍窄等缺點。而一種自持式剖面浮標可以用于海洋環境水文要素( 溫度、鹽度、水深) 的調查，其具有體積小、質量輕、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 水深的海洋相關數據的海洋環境監測設備的齒輪 － 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感器以便獲取海洋數據。在本文中對本裝置的原理以及相關參數的選擇進行重點介紹。
1 .原理與結構
基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞機構的雙層油囊浮力調節裝置的結構原理圖如圖 1 所示。如圖 1 所示，電機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，以達到改變設備體積的目的，進而實現設備在海洋中做沉浮運動。
圖 1 浮力調節裝置的結構原理圖
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，通過滾珠絲杠、滾珠螺母與滾珠組成的滾動螺旋傳動，將旋轉運動轉換為活塞的直線運動。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，增大液壓缸中的空間，從油囊中抽油，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，從而可以使搭載的傳感器采集到 0 ～ 2 000 m 水深的海洋數據。
由于直流微型電機在額定轉速范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電動機供給動力，同時采用減速比較大的齒輪傳動作為傳動機構，一方面，通過減速結構達到降低轉速增大輸出轉矩的作用; 另一方面，克服在 2 000 m 水深、壓力為 20 MPa 時引起的反轉問題。
2.力學計算
下面對本裝置中傳動機構所涉及的主要參數軸向平均載荷和驅動轉矩進行計算。
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，兩者之間的關系如圖 2 所示。因此，作用于滾珠絲杠的軸向負荷是變載荷，有必要求出軸向平均負荷，以便滾珠絲杠型號的選擇和其他參數的計算。
圖 2 海水壓力與深度之間的關系圖
從圖 2 中可以得出海水壓力與深度的關系約為0. 01 MPa / m，為了設計中留有安全系數以及方便計算，假設壓力在選定的每個階段( 如 10 m 內) 保持為一個恒定值。負荷按階段變化時，可以由以下計算軸向平均負荷公式［3］得出。
2. 2 驅動轉矩
本裝置中滾珠絲杠傳動系統將回轉運動轉換成滾珠螺母的勻速線性運動，絲杠所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面的具體計算從略。
3.實驗測試
根據以上分析以及設計，最后應用實物圖如圖3。將設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工作狀況進行測試，測試結果如表 1 所列。實驗測試結果表明在承受外部最大壓力 20 MPa 時，電機的最大電流均未超出所選微型直流電機的額定電流 0. 6 A; 經過測試后用于實際應用中，齒輪 － 滾珠絲杠傳動系統并未出現故障，裝置運行穩定。
圖 3 裝置實物圖
表 1 電機電流測試結果
4.總結
提出的基于齒輪 － 滾珠絲杠與活塞結構的浮力調節裝置，具有結構緊湊，易于控制，運動精確，調節精度高等特點。該結構可以根據需要與海洋傳感器進行一定的組合，從而實現該裝置在海洋數據采集方面的廣泛應用。目前，裝置已經成功應用在公司研發的 Argo 浮標中，并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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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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