CN110937086A - 一种凹凸式水下对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种凹凸式水下对接装置，包括伸缩裙、控制伸缩裙运动的伸缩机构、设置在伸缩裙上的初连接环、对接平台、设置在对接平台上的机械手，机械手与初连接环配合，所述伸缩裙包括与潜器连接的潜器连接板、设置在潜器连接板下端的定裙、设置在定裙外的动裙，初连接环设置在动裙外，在定裙下端、动裙下端均设置有截面为梯形的环向凸起，在动裙上端与对接平台上端分别设置有与环向凸起配合的锁紧机构，在动裙与对接平台上的裙口的接触面之间设置有密封机构。本发明保证在未知的海况下，简便、快速、准确、可靠地完成水下的对接作业。

Description

一种凹凸式水下对接装置

技术领域

本发明涉及一种凹凸式水下对接装置，是一种水下连接潜器与海洋空间站之间的一种物资与人员的交换装置，应用于潜器间及海洋开发作业时的水下对接。

背景技术

地球并不是真正的“地”球，而是水球，地球上陆地与海洋的比值大约为0.43。地球大部分面积是海洋，海洋拥有着大量的资源，随着社会的发展，人类需要更多的资源，陆地资源的不断减少，人口基数的增加，对资源的依赖，广阔的海洋在未来的发展中越来越重要。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。潜器、船舶、海洋平台和海底空间站在海洋探索中越来越重要。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。对于海洋的探索安全可靠的水下对接试验平台对海底工作人员的安全至关重要，对我国的海洋事业，国防建设有着重要作用。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。近年来，水下运载器间的对接方法又参照了空间飞行器间的对接，保证了能在大海流、低能见度等不可控制的情况下实现安全、可靠、快速、精确、主动对接。水下对接技术在不断发展。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种可以实现水下空间站与连接潜器进行对接的凹凸式水下对接装置，连接裙可伸缩，保证在未知的海况下，简便、快速、准确、可靠地完成水下的对接作业。

本发明的目的是这样实现的：包括伸缩裙、控制伸缩裙运动的伸缩机构、设置在伸缩裙上的初连接环、对接平台、设置在对接平台上的机械手，机械手与初连接环配合，所述伸缩裙包括与潜器连接的潜器连接板、设置在潜器连接板下端的定裙、设置在定裙外的动裙，初连接环设置在动裙外，在定裙下端、动裙下端均设置有截面为梯形的环向凸起，在动裙上端与对接平台上端分别设置有与环向凸起配合的锁紧机构，在动裙与对接平台上的裙口的接触面之间设置有密封机构。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述机械手有四个，每个机械手包括铰接在对接平台上的伸缩式拉杆式液压缸、设置在伸缩拉杆式液压缸输出端上的连接件、铰接在连接件上的三指手爪、铰接在伸缩拉杆式液压缸缸筒与动裙之间的摆动拉杆式液压缸，三指手爪中的两个在上方、另外一在下方，在下方的手爪与连接件之间设置有小液压缸。

2.所述锁紧机构包括三爪卡盘机构、驱动三爪卡盘机构的液压马达，与定裙上的环形凸起下端面配合三爪卡盘的锁块上端面为斜面，与动裙上的环形凸起上端面配合的三爪卡盘的锁块的下端面为斜面。

3.所述伸缩机构包括对称设置在潜器连接板与动裙之间的三个液压缸。

4.所述伸缩机构包括对称设置在潜器连接板与动裙之间的三个液压缸。

5.导向道与导向板的个数均为三个，且等间距设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.结构简单，容易实现。2.保形设计，使连接潜器的灵活性得到提高。3.在锁紧密封中，锁紧实现定心锁紧，可实现自锁，在锁紧的同时实现通道的密封。4.四支均布的机械手连接组成一个空间的多闭链并联机构，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是一种凹凸式水下对装置的整体结构示意图(非对接时)；

图2是一种凹凸式水下对装置的整体结构示意图(对接完成时)；

图3是主动对接部分的整体结构示意图；

图4是定裙的结构示意图；

图5是被动对接部分的整体结构示意图；

图6是机械手整体结构示意图；

图7是锁紧装置的整体结构示意图一。

图8是锁紧装置的整体结构示意图二。

图中：1、潜器连接板，2、伸缩机构，3、液压马达，4、锁紧机构，5、伸缩裙，6、锁紧机构7、对接平台，8、机械手，9、导向道，10、导向板，11、液压马达托板，12、初连接环，13、凸耳，14、O形密封圈，15、定裙，16、动裙，17、O形密封圈，18、梯形截面环向凸起，19、密封机构(唇形密封圈与格莱圈)，20、液压马达，21、小液压缸，22、伸缩拉杆式液压缸，23、凸耳，24、凸耳，25、摆动拉杆式液压缸，26、凸耳，27、三指手爪，28、外壳，29、锥齿轮，30、锁块，31、卡爪，32、底盖，33、齿盘。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，本发明主要由主动对接和被动对接两部分组成。主动对接部分主要包括潜器连接板1、伸缩裙5(动裙16和定裙15)、伸缩机构、锁紧机构4、密封机构19、对中导向机构；被动对接部分包括对接平台7、机械手8、锁紧机构6。潜器连接板1属于连接潜器部分，用以连接潜器与对接裙的连接，定裙15通过螺栓连接实现对接裙的一端固定，定裙与潜器连接板连接的法兰端通过O形密封胶密封17。伸缩裙5由定裙15和动裙16组成，两裙的相对运动类似于活塞运动，两裙口的配合应该包含密封性和机动性。定裙下端有一个截面为梯形的环向凸起，当动裙运动到固定位置时，锁紧机构的锁块与其接触使其锁紧，并且实现自锁。固定裙的下端法兰的上端面有环形槽，与唇形密封圈配合，在动裙与定裙接触时，压力作用下，密封圈变形，从而实现径向密封的作用，外圆柱面也开有环形槽，配合格莱圈，使动裙与定裙实现轴向密封。动裙下端圆周有一截面为梯形的凸环，和定裙的凸环在作用是一样的，是实现锁紧的。动裙下端法兰盘端面上有一截面为燕尾形的环形密封槽，在对接时与对接平台实现密封。伸缩裙的动力来源是三个均布的液压缸，也即所述的伸缩机构采用圆周上均匀分布的三个液压缸来实现驱动。因为一个液压缸不稳定；两个液压缸工作时，动裙两端会由于受力不均，可能产生倾斜，增加摩擦，使系统不稳定；三个液压缸工作时，三个固定点形成一个面，稳定性好；虽然增加更多的液压缸可以有好的稳定性，但它们之间的同步控制难度会增加很多。锁紧机构4的原理同常见的机床中的三爪卡盘，主要由外壳28、小锥齿轮29、齿盘33、卡爪31、锁块30组成，液压马达3提供动力，使小锥齿转动，锥齿与齿盘啮合，齿盘转动，齿盘与卡爪配合，卡爪向心运动，锁块运动。四个机械手8均布在对接平台上，相隔90度。每个机械手拥有两个自由度，通过两个液压缸实现，伸缩拉杆式液压缸22和摆动拉杆式液压缸25。在对接之前，整个装置有8个自由度。当机械手都抓住目标环，实现初连接后，机械手和动裙连接在一起，四个机械手便连接组成一个空间的多闭链并联机构。锁紧机构参考三爪卡盘的对中夹紧方式进行设计。锁紧机构可以实现定心锁紧，保证自锁安全。采用三个圆弧形的推块并且有一定的斜面角度，可以平稳实现锁紧和自锁。由液压马达提供动力，当三个小锥齿中的任何一个转动时，锥齿轮啮合传动，齿盘运动，带动平面矩形螺纹，螺旋运动使三爪向心运动。密封机构中轴向密封通过T型格莱圈实现，径向密封通过唇形密封圈和O形密封圈实现。凸耳实现液压缸的连接。

对接作业过程中，首先连接潜器运动到指定区域，进行位置的初步调整并悬停；然后连接潜器打开舱门，伸缩机构5工作，伸缩裙进行伸缩运动，动裙16运动，运动到指定位置，锁紧装置4工作，两裙进行锁紧密封，两裙实现刚性连接；之后对接平台收到信息，舱门打开，机械手8做准备运动；下一步四个机械手进行盲抓，在调整之后，当机械手接触到动裙的初连接环12时，机械手锁紧，在调整之后，四个机械手都抓到初连接环，此时通过四个机械手的运动情况，对裙口位置进行定位，调整对中；最后在四个机械手的共同作用下，对对接裙进行牵引，在锁紧装置工作下实现对接平台与动裙的锁紧密封。

结合图1、图3，整个对接装置主要包括主动对接部分和被动对接部分。在初始状态下，主动对接部分是处于连接潜器内部，伸缩裙在回缩状态，这样的保形的设计可以使连接潜器更加灵活。伸缩裙与连接潜器的连接是通过定裙15与潜器连接板1的连接实现，采用螺栓连接，连接法兰端有密封圈17实现密封。伸缩通过伸缩机构实行，伸缩机构由三组均布在圆周上的拉杆式液压缸2组成。为使伸缩裙能实行对中伸缩运动，三点确定同一个平面，三个液压缸可使稳定性和同步性处以最优状态，同时设计导向机构，导向机构由导向道9和导向板10组成，三组均布导向机构大大提高其对中稳定性。在初始状态下，被动对接部分的机械手8回缩，对接平台舱门关闭。

结合图3、图4、图7，主动对接部分开始工作时。连接潜器运动到指定区域，舱门打开，伸缩机构工作，在导向机构的辅助下，动裙16相对定裙15运动。动裙上端法兰与定裙下端法兰接触时，伸缩机构停止工作，动裙已运动到指定位置。进行锁紧密封，锁紧机构4的原理同常见的机床中的三爪卡盘，主要由外壳28、小锥齿轮29、齿盘33、卡爪31、锁块30组成，密封机构19由唇形密封圈和格莱圈组成。工作时，液压马达3工作，通过联轴器使小锥齿轮29转动，小锥齿轮与齿盘33的齿啮合，齿盘转动，齿盘另一端面为螺旋线，其与卡爪31配合，卡爪向心运动，使锁块30运动。小锥齿轮三个均布，使齿盘受力均匀，更加稳定；卡爪三个均布，同时向心运动，使锁紧更加准确和稳定。锁块锁紧受力面有角度，与其配合的梯形截面环向凸起18的斜面配合，角度为3度，可实现自锁，保证锁紧的可靠度。当锁紧使，密封机构同时工作，在挤压下，唇形密封胶实现径向密封，轴向密封通过格莱圈进行密封。最终使两裙实现刚性连接，保证其安全密封性。

结合图5、图6，被动对接部分工作开始时。机械手8主要由摆动液压缸25、伸缩液压缸22和三指手爪27三部分组成。首先开始工作，均布的四只机械手工作到最大的空间范围，摆动拉杆式液压缸25工作使机械手向外摆动最大，伸缩拉杆式液压缸22工作使机械手伸到最远。

结合图3、图5、图6，对接过程中。机械手8开始工作，机械手回摆和收缩，进行盲抓，机械手8与初连接环12配合，当机械手抓到初连接环时，小液压缸21工作使三指抓住处连接环。每个机械手有两个自由度，分别由两个液压缸进行控制，一个伸缩拉杆式液压缸22控制的伸缩自由度，一个摆动拉杆式液压缸25控制的摆动自由度。在对接之前，整个装置有8个自由度，可分别由8个液压缸驱动控制，通过各自驱动从而实现机械手的运动。当机械手都抓住目标环，实现初连接后，机械手和动裙连接在一起，四个机械手便连接组成一个空间的多闭链并联机构。在进行机械手控制时，自由度的数目不同，情况不同时，对于液压缸的驱动数目需要进行分析。原动件大于自由度数目时会使机构卡住，造成机构损害；原动件小于自由度数目时，运动不具有确定性。通过不断的调整，使四只机械手都抓住处连接环，进行对中调整，实现处连接。

结合图2、图3、图5，实现处连接后，进行最后锁紧密封。在机械手8的牵引下，对接裙向对接平台7通道逼近，动裙16的下端法兰接触接口通道，锁紧机构6开始工作，工作原理与两裙的锁紧一样，锁块与梯形截面环向凸起的斜面配合。动裙的下端法兰有密封圈14，密封槽截面为燕尾形，保证密封圈不会脱落，在锁紧时，密封圈在挤压下实现密封。最终实现整个对接工作。

对接实现后，连接潜器自带液压泵开始工作，将对接裙口内海水抽空，打开出口通道的舱门，形成一常压安全通道，以进行物资及人员的交换。

在完成物资及人员交换后，需要关闭通道。首先关闭出口通道舱门，被动对接部分的锁紧机构6工作，液压马达20反转，使动裙16与对接平台7的解锁，在机械手8的辅助下，连接潜器运动到安全位置，机械手的三指手爪27松开，摆动缸25和伸缩缸22工作，机械手回到初始位置。动裙上的锁紧机构工作，使其解锁，伸缩机构2工作，液压缸回缩，在导向机构辅助下回到初始位置，连接潜器关闭舱门，完成一次完整的水下对接作业。

综上，本发明是一种凹凸式水下对接装置，是一个连接潜器与对接平台的常压安全通道。它主要由主动对接和被动对接两部分组成。主动对接部分包括伸缩裙(动裙和定裙)、伸缩液压缸、锁紧机构、密封机构、导向机构；被动对接部分包括对接平台、机械手、锁紧机构。锁紧机构参考三爪卡盘的对中夹紧方式进行设计。密封机构中轴向密封通过T型格莱圈实现，径向密封通过唇形密封圈和O形密封圈实现。四个机械手均布在对接平台上，相隔90度。每个机械手拥有两个自由度，通过两个液压缸实现，一个伸缩液压缸和一个摆动的液压缸。对接工作过程中，首先连接潜器运动到指定区域，对位置进行初步调整并悬停；然后连接潜器舱门打开，伸缩裙工作，动裙运动，伸缩到指定位置，两裙进行锁紧密封，实现刚性连接；之后对接平台收到信息，舱门打开，机械手做抓取准备；下一步四个机械手相当于进行盲爪，当机械手接触到动裙的初连接环时，机械手锁紧，在调整之后，四个机械手都抓到初连接环，此时通过四个机械手的运动情况，对裙口位置进行定位，调整对中；最后在四个机械手的共同作用下，对主动对接部分进行牵引，并在锁紧机构工作下实现锁紧密封。

本发明结构简单、安全可靠，既满足连接潜器的保形设计要求，又可以提高连接潜器对接的灵活性，能够实现倾角为±30°之间的动态对接；在恶劣的海况下，可以快速、准确实施对接作业，实现大深度作业时的可靠连接及密封。

Claims (10)

1.一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：包括伸缩裙、控制伸缩裙运动的伸缩机构、设置在伸缩裙上的初连接环、对接平台、设置在对接平台上的机械手，机械手与初连接环配合，所述伸缩裙包括与潜器连接的潜器连接板、设置在潜器连接板下端的定裙、设置在定裙外的动裙，初连接环设置在动裙外，在定裙下端、动裙下端均设置有截面为梯形的环向凸起，在动裙上端与对接平台上端分别设置有与环向凸起配合的锁紧机构，在动裙与对接平台上的裙口的接触面之间设置有密封机构。

2.根据权利要求1所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：所述机械手有四个，每个机械手包括铰接在对接平台上的伸缩式拉杆式液压缸、设置在伸缩拉杆式液压缸输出端上的连接件、铰接在连接件上的三指手爪、铰接在伸缩拉杆式液压缸缸筒与动裙之间的摆动拉杆式液压缸，三指手爪中的两个在上方、另外一在下方，在下方的手爪与连接件之间设置有小液压缸。

3.根据权利要求1或2所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：所述锁紧机构包括三爪卡盘机构、驱动三爪卡盘机构的液压马达，与定裙上的环形凸起下端面配合三爪卡盘的锁块上端面为斜面，与动裙上的环形凸起上端面配合的三爪卡盘的锁块的下端面为斜面。

4.根据权利要求1或2所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：所述伸缩机构包括对称设置在潜器连接板与动裙之间的三个液压缸。

5.根据权利要求3所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：所述伸缩机构包括对称设置在潜器连接板与动裙之间的三个液压缸。

6.根据权利要求1或2所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：在定裙的外表面上设置有导向道，动裙上端面设置有与导向道配合的导向板。

7.根据权利要求3所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：在定裙的外表面上设置有导向道，动裙上端面设置有与导向道配合的导向板。

8.根据权利要求4所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：在定裙的外表面上设置有导向道，动裙上端面设置有与导向道配合的导向板。

9.根据权利要求5所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：在定裙的外表面上设置有导向道，动裙上端面设置有与导向道配合的导向板。

10.根据权利要求9所述的一种凹凸式水下对接装置，其特征在于：导向道与导向板的个数均为三个，且等间距设置。

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