基于齿轮 － 滚珠丝杠传动的浮力调节装置的设计
2017-6-7 来源：青岛海山海洋装备有限公司 作者：孙伟志 谭华
摘要 设计了一种微型直流电机驱动的基于齿轮 － 滚珠丝杠与活塞结构的浮力调节装置。分析了装置的结构及其工作原理，给出了装置中主要力学参数的计算公式。该装置利用微型直流电机产生动力，经过齿轮 － 滚珠丝杠传动系统带动滚珠螺母线性运动。由于滚珠螺母与活塞通过活塞盖进行连接，进而实现活塞向油囊中吸注液压油。该装置具有结构紧凑，易于控制，运动精确，调节精度高等特点。可在一定范围内与海洋传感器组合，实现海洋数据剖面实时采集。
关键词 齿轮 滚珠丝杠 浮力调节 剖面采集
0.引言
目前，在海洋数据获取方面，应用较普遍的方法主要包括来自船只( 商业、海军、研究) 的测量或观测数据，系泊浮标和漂浮浮标数据，海岸站点数据以及其他海洋台站数据［1］，这些方法获取的海洋观测数据具有成本高、海域范围窄等缺点。而一种自持式剖面浮标可以用于海洋环境水文要素( 温度、盐度、水深) 的调查，其具有体积小、质量轻、易于布放、成本低等特点［2］。文中我们提出了一种可用来获取 0 ～ 2 000 m 水深的海洋相关数据的海洋环境监测设备的齿轮 － 滚珠丝杠与活塞机构的双层油囊浮力调节装置，该装置可以用来搭载海洋传感器以便获取海洋数据。在本文中对本装置的原理以及相关参数的选择进行重点介绍。
1 .原理与结构
基于齿轮 － 滚珠丝杠与活塞机构的双层油囊浮力调节装置的结构原理图如图 1 所示。如图 1 所示，电机主轴通过平键与小齿轮相连，小齿轮与大齿轮相啮合，大齿轮与滚珠丝杠轴通过平键相连，丝杠与螺母的滚道之间放置适量的滚珠，转动时，滚珠沿着螺母中滚道滚动，由于丝杠一端通过轴承、螺母等固定，从而使得与螺母连接的活塞盖和活塞在液压缸内做直线运动，并通过堵头、连接螺钉、T 型螺母处的油道向油囊中抽注液压油，以达到改变设备体积的目的，进而实现设备在海洋中做沉浮运动。
图 1 浮力调节装置的结构原理图
具体工作原理为: 电机旋转时，通过平键将电机旋转力传递给小齿轮，小齿轮通过齿轮传动把传动力传递给大齿轮，大齿轮再通过平键把旋转力传递给与其相连的滚珠丝杠，通过滚珠丝杠、滚珠螺母与滚珠组成的滚动螺旋传动，将旋转运动转换为活塞的直线运动。电机正转时，活塞向右运动，通过减小液压缸中密闭空间的体积往油囊中注油，使设备体积变大，浮力增加，设备上浮; 电机反转时，活塞向左运动，增大液压缸中的空间，从油囊中抽油，减小设备体积，使设备下沉。如此可以实现设备在 0 ～ 2 000 m 水深的海水中做上下沉浮运动，从而可以使搭载的传感器采集到 0 ～ 2 000 m 水深的海洋数据。
由于直流微型电机在额定转速范围内的输出额定转矩较小，本设计采用带有减速箱的直流微型电动机供给动力，同时采用减速比较大的齿轮传动作为传动机构，一方面，通过减速结构达到降低转速增大输出转矩的作用; 另一方面，克服在 2 000 m 水深、压力为 20 MPa 时引起的反转问题。
2.力学计算
下面对本装置中传动机构所涉及的主要参数轴向平均载荷和驱动转矩进行计算。
2. 1 轴向平均载荷
由于海水压力随着海水深度的增加而变大，两者之间的关系如图 2 所示。因此，作用于滚珠丝杠的轴向负荷是变载荷，有必要求出轴向平均负荷，以便滚珠丝杠型号的选择和其他参数的计算。
图 2 海水压力与深度之间的关系图
从图 2 中可以得出海水压力与深度的关系约为0. 01 MPa / m，为了设计中留有安全系数以及方便计算，假设压力在选定的每个阶段( 如 10 m 内) 保持为一个恒定值。负荷按阶段变化时，可以由以下计算轴向平均负荷公式［3］得出。
2. 2 驱动转矩
本装置中滚珠丝杠传动系统将回转运动转换成滚珠螺母的匀速线性运动，丝杠所需的驱动转矩计算公式为［4］
的分析与计算，在设计过程中所涉及到的其他方面的具体计算从略。
3.实验测试
根据以上分析以及设计，最后应用实物图如图3。将设计完成的装置连接到压力测试台上，对装置在不同压力下的电机工作状况进行测试，测试结果如表 1 所列。实验测试结果表明在承受外部最大压力 20 MPa 时，电机的最大电流均未超出所选微型直流电机的额定电流 0. 6 A; 经过测试后用于实际应用中，齿轮 － 滚珠丝杠传动系统并未出现故障，装置运行稳定。
图 3 装置实物图
表 1 电机电流测试结果
4.总结
提出的基于齿轮 － 滚珠丝杠与活塞结构的浮力调节装置，具有结构紧凑，易于控制，运动精确，调节精度高等特点。该结构可以根据需要与海洋传感器进行一定的组合，从而实现该装置在海洋数据采集方面的广泛应用。目前，装置已经成功应用在公司研发的 Argo 浮标中，并成功布放到相关海域中，布放的浮标工作稳定，性能可靠。
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