CN103318390A - 水下运载器空间对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供水下运载器空间对接装置，包括动态对接机构、锁紧机构、对接导引机构；动态对接机构包括对接裙口，对接裙口的上裙口与水下运载器固定在一起，对接裙口的下裙口上安装密封圈，下裙口的下方设置动环，动环下方设置蘑菇头半球锁，对接裙口的外侧设置对接液压缸，对接液压缸的上端连接水下运载器，对接液压缸的下端安装在动环上；对接导引机构包括导引板，导引板为中空的环形结构，锁紧机构包括外锁板、内锁板，外锁板位于导引板内部并与导引板固连，内锁板位于外锁板里并与外锁板形成用于放置蘑菇头半球锁的环形空隙，外锁板和内锁板上安装锁紧机构电磁铁。本发明可实现±30°倾角的对接、对中及密封。

Description

水下运载器空间对接装置

技术领域

本发明涉及的是一种对接装置，具体地说是水下对接装置。

背景技术

我们面临着陆地资源的不断消耗的现状，使得海洋资源的开发与利用成为了各国竞相投资研发的科研项目，人们在海洋中活动的范围越来越大，活动的时间也越来越长。水下运载器和海洋空间站的研发与研究增加了研制新型运载器间水下对接装置的迫切性。潜器间动态对接技术是海底探测、沉船打捞、水下工厂、海洋工作站，援潜救生和军事等领域的关键技术，为未来深海空间站在开发海洋油气资源、矿场资源，天然气水化合物以及工业化工开采等方面创造良好的开发条件，提供可靠的技术支持。随着海洋开发的不断深入以及国防方面需要的逐渐增加，潜器间物资与人员的交换将日益频繁，水下对接技术将成为海洋开发和利用的关键问题之一。

目前，水下对接技术主要用于潜器间以及海洋开发作业时海底工作人员及物资的交换和转移。早期的水下运载器对接装置有固定式对接裙和转动式对接裙，虽然有各自的优点，但在未知海况下，对接作业成功率低，且不能主动地实现对接。尤其是对接实现初连接后，由于没有可靠地机械锁紧机构，还会导致对接的失败。

发明内容

本发明的目的在于提供实现有倾角作业时的水下运载器的对接作业的水下运载器空间对接装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明水下运载器空间对接装置，其特征是：包括动态对接机构、锁紧机构、对接导引机构；动态对接机构包括对接裙口，对接裙口的上裙口与水下运载器固定在一起，对接裙口的下裙口上安装密封圈，下裙口的下方设置动环，动环下方设置蘑菇头半球锁，对接裙口的外侧设置对接液压缸，对接液压缸的上端连接水下运载器，对接液压缸的下端安装在动环上；对接导引机构包括导引板，导引板为中空的环形结构，锁紧机构包括外锁板、内锁板，外锁板位于导引板内部并与导引板固连，内锁板位于外锁板里并与外锁板形成用于放置蘑菇头半球锁的环形空隙，外锁板和内锁板上安装锁紧机构电磁铁，锁紧机构电磁铁使得外锁板内缩、内锁板外扩从而锁紧蘑菇头半球锁；被对接潜器平台位于导引板和锁紧机构的下方。

本发明还可以包括：

1、还包括盖板启闭机构，盖板启闭机构包括左盖板、右盖板、电机、第一-第二锥齿轮、第一-第二不完全齿轮、第一-第二圆柱齿轮、凸轮、顶杆，第一-第二不完全齿轮为复合齿轮，即上半部为不完全齿区，下半部为全齿区，电机与第一锥齿轮相连，第一锥齿轮连接第二锥齿轮，第二锥齿轮与第一不完全齿轮同轴，第一不完全齿轮的下半部与第二不完全齿轮啮合，第一不完全齿轮的上半部与第一圆柱齿轮啮合，第二不完全齿轮的上半部与第二圆柱齿轮啮合，第一-第二圆柱齿轮上分别安装有顶杆，凸轮与第一不完全齿轮或第二不完全齿轮同轴，凸轮的表面设置两条廓线，两个顶杆与两条廓线相配合，左盖板与第一圆柱齿轮同轴，右盖板与第二圆柱齿轮同轴；

对接导引机构还包括导引板升降电缸、导引板升降电磁铁及导引板弹簧，导引板升降电磁铁安装在被对接潜器平台上，导引板升降电缸的缸体与导引板相连，导引板升降电缸的活塞端为自由状态，导引板弹簧的两端分别与潜器平台及导引板固连；

水下运载器与被对接潜器平台对接之前，导引板位于左盖板和右盖板的下方，外锁板的上平面低于内锁板的上平面，对接时，左盖板和右盖板在电机的带动下左右张开，外锁板和导引板在导引板升降电缸、导引板升降电磁铁及导引板弹簧的作用下上升使得外锁板的上平面与内锁板的上平面平齐。

2、还包括对接缓冲机构，对接缓冲机构包括液压缓冲缸、液压缓冲器、导轨，液压缓冲器和导轨安装在被对接潜器平台上，液压缓冲缸连接液压缓冲器并安装在导轨上，当液压缓冲器处于起点位置时，液压缓冲缸位于内锁板的下方，液压缓冲器伸长后可使液压缓冲缸位于导引板的下方。

3、所述的不完全齿轮的有齿区和无齿区的比例为2.36:1。

4、所述的对接液压缸有6个，为六自由度Stewart并联机构实现有倾角的对接。

本发明的优势在于：本发明结构简单，在完成要求的水下对接任务时可以实现快速、准确的主动初对接，通过液压缸的行程实现±30°倾角的对接、对中及密封。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为辅助对接锁紧机构初始状态图；

图3为本发明初始对接主视图；

图4为本发明盖板启闭机构图；

图5a为盖板启闭机构齿轮传动部分示意图a，图5b为盖板启闭机构齿轮传动部分示意图b；

图6为本发明蘑菇头锁紧机构图；

图7为本发明对接缓冲机构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明主要由上半部动态对接机构和下半部辅助对接锁紧机构两部分组成。具体包括水下运载器1、动态对接机构2、对接导引机构3、对接缓冲机构4、蘑菇头锁紧机构5、盖板启闭机构6。动态对接机构2共有6个相同型号对接液压缸14，对称分布在对接裙口18外侧，液压缸上端通过上球铰19与水下运载器1的网状支架连接，下端通过下球铰17与动环15相连，动环非对接状态为自由的，动环下表面对称分布有3个蘑菇头半球锁16。对接裙口18的上群口与水下运载器1通过法兰固连在一起，下裙口安装有密封圈，实现对接完成后密封功能。对接作业过程中，盖板启闭机构6使盖板打开，对接导引机构3通过导引板升降电缸30、导引板升降电磁铁34及弹簧35共同作用实现导引板的升降。导引板升降电磁铁34安装于潜器平台7上；导引板升降电缸30的刚体与导引板10固接，活塞端自由状态；弹簧35的两端分别与潜器平台7及导引板10固接。蘑菇头半球锁16通过接触导引机构实现初连接。初连接实现后，蘑菇头锁紧机构5通过锁紧机构电磁铁33控制内外锁板831夹紧，实现机构的机械锁紧，以便实现运载器间的可靠连接，对接过程中的缓冲任务由对接缓冲机构4实现。

本发明的初始状态结合图2、图6，盖板处于关闭状态，如左盖板11所示，和被对接潜器平台7以及被对接潜器舱门9处于同一平面上，以保证潜器表面的光滑平整，减小航行器中阻力。为了与初始状态进行对比，图2中右盖板12是处于上升、半打开状态。初始状态时，导引板10在盖板的下方，液压缓冲器37处于零行程位置，位于内锁板8所在的内环的下方；弹簧35处于压缩状态，导引板10靠自重自锁，此时，导引板升降电磁铁34处于断电状态，导引板升降电缸30与导引板升降电磁铁34处于对正状态，以便电磁铁给电时可以准确的吸住电缸活塞，实现导引板升降。初始状态内锁板8处于缩回状态，外锁板31处于伸张状态并和导引板10一起升降。当导引板10升到工作位置时，内外锁板处于同一平面上，即其工作位置。

本发明的工作状态结合图1、图3、图4，图5，水下运载器1到达对接平台上方，由运载器接收被对接潜器发生装置所发出的信号来确定对接平台的相对位置，通过计算机控制运载器的推进机构，使水下运载器悬停在适当位置。对接作业时，先是被对接潜器平台7的盖板启闭机构6动作来实现盖板的打开。盖板启闭机构6主要利用不完全齿轮传动和凸轮机构的特性，使两盖板能够延时向相反方向开启。电机25与锥齿轮27共轴，锥齿轮24与不完全齿轮22共轴，不完全齿轮323与凸轮20共轴。不完全齿轮23与22均为复合齿轮，沿轴向有两种齿形，下半部为全齿区，相互啮合，上半部为不完全齿区，有齿区和无齿区的比例为2.36:1，也即无齿区占107°。齿轮23的上半部与圆柱齿轮28啮合，齿轮22的上半部与圆柱齿轮21啮合。圆柱齿轮21、28上分别固连一个与凸轮20廓线相配合的顶杆29。凸轮20的圆柱表面设计有两条廓线，通过型锁合与顶杆29配合。工作过程如下：电机25驱动直齿锥齿轮27，锥齿轮27通过与锥齿轮24的啮合把运动传到了锥齿轮24所在的轴，锥齿轮24和不完全齿轮22同轴，运动通过不完全齿轮22传递到不完全齿轮23，同时带动凸轮20转动，此时为不完全齿轮23、22的无齿区与圆柱齿轮21、28接触，因此圆柱齿轮21、28周向不转动，但在顶杆带动下，沿凸轮廓线轴向上升50mm，使盖板下表面升至被对接表面之上。此时，不完全齿轮23、22的上半部为有齿区与圆柱齿轮21、28周向接触啮合，盖板缓慢转动，左右盖板开合角度设计均为85°。最终实现盖板先升起后打开。在安装盖板启闭机构时，必须正确安装两个不完全齿轮、两个圆柱齿轮及凸轮，使两顶杆能够错开一定角度与圆柱凸轮接触，达到延时打开的目的，同时能够精简机构。盖板启闭机构的机架26固定在被对接潜器平台上。

结合图6、图7，盖板打开后，是导引机构3的升起动作。具体动作过程是：导引板升降电磁铁34得电吸住导引板升降电缸30的活塞端，电缸的活塞伸出，使得导引板10在电缸以及初始状态被压缩的弹簧35所储存的弹性势能的共同作用下上升230mm至工作位置。当导引板10升至工作要求的位置时，下方缓冲液压缸36由液压缓冲器37的电缸提供动力，缓冲液压缸36按照设计好的导轨38移置工作位置处，其行程为150mm，使其顶端移到导引板下方，起到支撑与缓冲作用，防止对接过程中两潜器接触冲击对对接过程的影响。液压缓冲装置共有四个，对称分布在被对接潜器平台的下方，靠着机架固连在平台上；对接过程中由导引板升降电缸30和处于拉伸状态的弹簧35提供预紧力，保证导引板10坐在缓冲液压缸36的上方，维持其在工作位置。弹簧共有八个，每两个一组分别对称分布在两个液压缓冲装置的之间，弹簧的上下两端分别连接在被对接平台和导引板10上。导引板10与外锁板31固连在一起，导引板升起同时带动外锁板上升至工作位置，与内锁板8处于同一平面。

结合图1、图6、图7，对接过程采用液压驱动实现，水下运载器收到辅助对接锁紧机构中导引板10到达指定位置的信号后，运载器自带的液压系统开始工作，驱动6个对接液压缸14动作。液压缸的上端与裙口18通过上球铰19连接在一起，在动态对接时，液压缸通过下球铰17带动动环15。开始时动环15表面与对接裙口18的下表面平行，对接中动环15缓慢靠近被对接平台表面，通过导引板10的辅助导引作用，能够在预定的作业空间内更快的搜索到目标。动环下表面对称分布有3个相同的蘑菇头半球锁16。对接中，当有蘑菇头半球锁16接触到导引板10后，调整六个对接液压缸14的行程，使3个蘑菇头半球锁16通过与导引板10相接触并且不断的调整最终实现动环与被对接平台中心的对中，并使其顺利的落入辅助对接锁紧平台上设计的半球锁槽中，然后内锁板8在电磁铁作用下外扩、外锁板31在电磁铁作用下内缩，达到工作状态，蘑菇头半球锁则被内外锁板831正确锁紧，实现水下运载器的初连接；接到锁紧机构锁紧信号后，液压系统再次工作，驱动6个液压缸14，调整对接裙口的空间位姿状态，直至对接裙口18的轴线与被对接平台轴线共线，并且对接裙口18下平面与被对接平台表面平行，完成对中作业。最后缓慢同步回缩6个液压缸，拉近运载器与被对接平台表面的相对位置，使对接裙口下表面与被对接潜器对接平台接触并实现密封。水下对接作业完成。

对接实现后，运载器自带液压泵开始工作，将对接裙口内海水抽空，打开两潜器间各自的舱门，形成一常压通道，以进行物资及人员的交换。

在完成物资与人员的交换后，水下运载器将离开被对接潜器。具体作业过程如下：内外锁板831靠锁紧机构电磁铁33失去信号而回到初始位置，动态对接机构2中的6个对接液压缸14收回，达到初始作业状态，运载器与被对接潜器脱离。然后，依靠处于拉伸状态的弹簧35所储存的弹性势能、同时导引板升降电缸30与失电的导引板升降电磁铁34脱离，导引板10在自重提供的动力下下降至初始位置，盖板启闭机构6实现盖板的下降和关闭，至此完成一次完整的水下对接作业。

Claims (8)

1.水下运载器空间对接装置，其特征是：包括动态对接机构、锁紧机构、对接导引机构；动态对接机构包括对接裙口，对接裙口的上裙口与水下运载器固定在一起，对接裙口的下裙口上安装密封圈，下裙口的下方设置动环，动环下方设置蘑菇头半球锁，对接裙口的外侧设置对接液压缸，对接液压缸的上端连接水下运载器，对接液压缸的下端安装在动环上；对接导引机构包括导引板，导引板为中空的环形结构，锁紧机构包括外锁板、内锁板，外锁板位于导引板内部并与导引板固连，内锁板位于外锁板里并与外锁板形成用于放置蘑菇头半球锁的环形空隙，外锁板和内锁板上安装锁紧机构电磁铁，锁紧机构电磁铁使得外锁板内缩、内锁板外扩从而锁紧蘑菇头半球锁；被对接潜器平台位于导引板和锁紧机构的下方。

2.根据权利要求1所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：还包括盖板启闭机构，盖板启闭机构包括左盖板、右盖板、电机、第一-第二锥齿轮、第一-第二不完全齿轮、第一-第二圆柱齿轮、凸轮、顶杆，第一-第二不完全齿轮为复合齿轮，即上半部为不完全齿区，下半部为全齿区，电机与第一锥齿轮相连，第一锥齿轮连接第二锥齿轮，第二锥齿轮与第一不完全齿轮同轴，第一不完全齿轮的下半部与第二不完全齿轮啮合，第一不完全齿轮的上半部与第一圆柱齿轮啮合，第二不完全齿轮的上半部与第二圆柱齿轮啮合，第一-第二圆柱齿轮上分别安装有顶杆，凸轮与第一不完全齿轮或第二不完全齿轮同轴，凸轮的表面设置两条廓线，两个顶杆与两条廓线相配合，左盖板与第一圆柱齿轮同轴，右盖板与第二圆柱齿轮同轴；

对接导引机构还包括导引板升降电缸、导引板升降电磁铁及导引板弹簧，导引板升降电磁铁安装在被对接潜器平台上，导引板升降电缸的缸体与导引板相连，导引板升降电缸的活塞端为自由状态，导引板弹簧的两端分别与潜器平台及导引板固连；

水下运载器与被对接潜器平台对接之前，导引板位于左盖板和右盖板的下方，外锁板的上平面低于内锁板的上平面，对接时，左盖板和右盖板在电机的带动下左右张开，外锁板和导引板在导引板升降电缸、导引板升降电磁铁及导引板弹簧的作用下上升使得外锁板的上平面与内锁板的上平面平齐。

3.根据权利要求1或2所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：还包括对接缓冲机构，对接缓冲机构包括液压缓冲缸、液压缓冲器、导轨，液压缓冲器和导轨安装在被对接潜器平台上，液压缓冲缸连接液压缓冲器并安装在导轨上，当液压缓冲器处于起点位置时，液压缓冲缸位于内锁板的下方，液压缓冲器伸长后可使液压缓冲缸位于导引板的下方。

4.根据权利要求2所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：所述的不完全齿轮的有齿区和无齿区的比例为2.36:1。

5.根据权利要求2所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：还包括对接缓冲机构，对接缓冲机构包括液压缓冲缸、液压缓冲器、导轨，液压缓冲器和导轨安装在被对接潜器平台上，液压缓冲缸连接液压缓冲器并安装在导轨上，当液压缓冲器处于起点位置时，液压缓冲缸位于内锁板的下方，液压缓冲器伸长后可使液压缓冲缸位于导引板的下方；

所述的不完全齿轮的有齿区和无齿区的比例为2.36:1。

6.根据权利要求1或2所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：所述的对接液压缸有6个，为六自由度Stewart并联机构实现有倾角的对接。

7.根据权利要求3所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：所述的对接液压缸有6个，为六自由度Stewart并联机构实现有倾角的对接。

8.根据权利要求4或5所述的水下运载器空间对接装置，其特征是：所述的对接液压缸有6个，为六自由度Stewart并联机构实现有倾角的对接。

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