海洋XBT投放系统中探头插销自动拔取机构设计

董磊，雷卓，贺海靖，陈光源

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001

海水的温度和深度是海洋水文核心参数，在海洋科学考察、海洋环境检测和军事海洋学中具有非常广泛的用途[1-2]。投弃式温度深度剖面仪(expendable bathythermograph,XBT)是常用的海洋监测设备之一，具有测量实时、快速、大面积的特点[3-4]。

XBT通过在船舶走航过程中多次投放测量探头来获取数据，并实时传送至甲板单元[3]，避免了测量数据时停船，可以适用于多种类型的船舶。但目前投弃式探头的投放大多由专业人员在船舷通过手持式单枚投放装置(发射枪)来完成，人工手持投放方式在数据测量及实际操作方面存在如下缺点：(1)数据测量精度受人为因素影响；(2)一人投放，一人进行上位机操作，浪费人力；(3)操作人员安全缺乏保障。

针对手持式投放方式的缺点，国外一些海洋专业公司及科研院所开展了XBT探头自动投放系统的研究。如图1所示，首先将自动投放设备安装至船舷一侧，使释放导筒处于向下倾斜状态，然后人工将待释放探头一次性装入自动投放设备，通过船舱内或陆地远程控制完成XBT探头的自动释放及测量。目前，日本的TSK、美国的Sippican[5]等公司均已形成相关设备及产品。

图1 XBT连续自动投放设备Fig.1 Continuous automatic launcher for Expendable Bathythermograph

近年来，我国的自动投放系统研究也逐步发展起来[6]，如国家海洋技术中心[7]、西安天和防务有限公司、山东省科学院海洋仪器仪表研究所[8-9]等均进行了相关研究。但在已公开发表的文献资料中均未见关键的探头插销自动拔取机构的设计研究，大多仍局限于人工拔取插销后，再将探头安放至投放设备的工作方式，使设备的自动释放能力及应用范围受到限制。为此，山东省科学院海洋仪器仪表研究所开展了相关研究[10]，以杠杆机构[11]为核心设计，重点解决了插销自动拔取问题，实现走航过程中XBT探头的全自动连续投放。

1 探头插销受力分析

在实际的XBT探头筒内，插销穿过探头尾翼上的小孔将探头固定在探头筒内，使探头处于悬置状态。当XBT探头筒安装入自动投放装置后，XBT探头及外筒呈45°角向下倾斜状态，如图2所示。其中插销拉环位于探头筒下方，自动释放过程中，需将插销垂直于图2中斜面向下被拉出。为此，需对初始状态下探头插销进行受力分析，使释放结构的设计满足插销拔取所需的受力条件，实现探头的自动投放。

图2 探头固定插销受力分析图Fig.2 Force analysis of the XBT probe latch

为了确定插销自动拔取机构中的拔取力大小，需对固定于XBT探头导筒中的插销受力情况进行分析。旋转笛卡尔坐标系，建立如图2所示坐标系统，使x轴平行于三角斜面，正方向沿三角斜面向下；使y轴垂直于三角斜面，正方向沿三角斜面法向方向向下。在旋转后的笛卡尔坐标系中，分析插销在与斜面相交点O处的受力情况。

2 总体方案设计

基于上述插销拔取力分析，考虑XBT探头自动投放系统的实际需求，设计探头固定插销的自动拔取装置。本设计中的XBT探头插销自动拔取机构以杠杆结构设计为核心，初始拔取拉力由电磁铁提供，在与杠杆机构的配合作用下，实现探头插销的固定、拔取及释放。能够在最小的有效行程范围内，将拔取拉力转化至最大可用程度，在实现插销自动拔取的同时，节省该机构在整个自动投放系统中所占空间。

2.1 自动拔取机构设计

本文设计的XBT探头插销自动拔取机构剖面结构如图3所示，实物图如图4所示，按自动拔取流程顺序主要分为初始阶段、探头安装阶段及自动拔取阶段。在系统初始状态下，杠杆1-2的上端与释放机构1-1活性相连，杠杆上端对释放机构的支持力垂直于二者接触面，方向向上，大小与弹簧1-3弹力相等。在探头安装阶段，人工将XBT探头及其外筒沿图2中箭头所示方向装入自动释放机构，在人工推力的作用下，探头固定插销1-6推动连接锁紧机构1-8活动端打开，插销进入连接锁紧机构内。随后，连接锁紧机构活动端在内置弹簧力的作用下自动闭合，完成探头插销的连接锁紧。其中，为了便于插销的推进和释放后的自动滑落，连接锁紧机构的外形设计为水滴形卡扣形状，以减少插销运动中受到的摩擦阻力。接收甲板单元控制命令后，机构进入探头插销自动释放阶段，释放端电磁铁1-9通电，瞬间磁力增大，作用于杠杆1-2的下端。通过杠杆作用，在杠杆上端得到放大后的力N。在N的作用下，杠杆上端沿垂直杠杆方向与释放机构脱离，如图3所示。此时，在弹簧弹力F的作用下，插销1-6被向下拔取出来，脱离探头，实现自动释放。

1-1释放机构;1-2杠杆;1-3弹簧;1-4弹簧导槽;1-5弹簧导杆;1-6插销;1-7支点架;1-8连接结构;1-9电磁铁;1-10探头导筒;1-11导筒端盖;1-12固定块剖面；2-1 固定块;2-2插销安装槽;2-3电磁铁安装架。图3 自动拔取机构剖面结构图Fig.3 The structure of automatic drawing mechanism

图4 自动投放设备实物图Fig.4 The installation and debug of automatic launcher of XBT probes

2.2 机构释放力分析

在机构设计过程中，需根据上述插销拔取力分析及自动投放装置的空间限制，确定释放机构中的弹簧相关参数及杠杆支点位置。其中，弹簧相关参数可由胡可定律求得，下面主要讨论杠杆支点位置的确定。

在拔取过程中，杠杆上端需要克服的主要是图3中释放机构1-1对其产生的摩擦力。该摩擦力由压缩弹簧作用于释放机构的弹力产生。因此，可以根据弹簧释放后的弹力计算杠杆与预紧机构连接一端所需产生的释放力。在本设计中考虑海洋设备的防锈防腐需求，杠杆的上端，即非电磁铁连接一端的材料采用304不锈钢。在滑动摩擦时，该材料无润滑情况下的摩擦系数为0.3～0.4，由此可求得杠杆上端与释放机构1-1脱离所需力N满足的条件：

(2)

其中，N1为杠杆上端与释放机构的摩擦力，μ为摩擦系数，F1为图3中释放机构1-1与杠杆1-2接触面上释放机构对杠杆产生的正压力，方向垂直于二者接触面向下，大小等于弹簧弹力。

在插销拔取过程中，杠杆下端受电磁铁磁力作用，该力垂直于杠杆下端向左。固定规格的电磁铁磁力为已知，因此可知杠杆下端受力情况。

3 实验结果及结论

目前，该拔取机构已应用于山东省科学院海洋仪器仪表研究所自行研制的探头自动释放设备中。在青岛近海实验中，共投放探头24次，成功投放并获取实验数据23次，投放成功率较高，达到95%以上。自动投放设备完成24次投放共需时间约30 min，与原有的人工投放作业方式相比，投放平均时间节省50%以上，能够满足快速投放及数据采集需求。

通过实验结果表明，该机构可靠有效，能够在实际海试工作中有效避免人为因素对测量的干扰，保障操作人员安全。得出主要结论如下：

(1)以杠杆对力的放大原理为核心，进行插销拔取过程中的受力分析，保证在有限行程内对弹簧释放力的有效放大，进而实现插销自动拔取；

(2)从整体到局部详细分析了插销自动拔取机构的主要结构特性和作用，充分考虑了海洋设备现场作业的需求和特点，实用性较强；

(3)该插销拔取机构在设计过程中尽可能减少活性连接结构的使用，从而有效减少误差及故障累积，在山东省海洋环境检测技术重点实验室进行的整机振动测试实验证明，该机构的可靠性较高，具有广泛的应用前景。

在后续的研究中，需进一步改进结构设计，使自动投放装置能够区分识别不同类型的温盐深设备探头，实现XBT、XCTD(投弃式温盐深仪)的混合投放，提高工作效率。

参考文献：

[1]雷卓,贺海靖,曲君乐，等.投弃式温盐测量仪高精度测温电路设计[J].山东科学,2014,27(4):8-11.

[2]徐金随,程浩,相冰，等.XBT探头外形数值模拟及实验研究[J].海洋技术学报,2017,36(2):60-64.

[3]KIZU S,HANAWA K.Recorder-dependent temperature error of expendable bathythermograph [J].Journal of Oceanography,2002,58(3):469-476.

[4]CHENG L J,ABRAHAM J,GONI G,et al.XBT Science: assessment of instrumental biases and errors[J].Bulletin of the American Meteotological Society,2015,97(6): 923-933.

[6]张平,唐锁夫,屈科,等.国产XBT海上测试及实际使用效果分析[J].声学技术,2012,31(6): 570- 573.

[7]门雅彬,方芳,李兴岷,等.多枚XBT自动投放与测量系统数据采集控制单元设计[J].计算机测量与控制,2013,21(6): 1697-1699.

[8]陈维山,刘孟德,雷卓.投弃式温深计探头海水中下落深度计算方法研究[J].山东科学,2012,25(5):25-29.

[9]任国兴,王晓影,杜立彬.高精度快响应海洋测温系统设计[J].仪表技术与传感器,2011(2):45-47.

[10]陈光源,曲君乐,雷卓，等.投弃式探头投放系统中插销自动拔取机构：中国，ZL 2016 2 0864656.2[P].2017-02-08.

[11]曹晓瑞,张世军,刘涛，等.连杆机构偏差建模与分析[J].机械设计与研究,2017,33(1):7-11.doi: 10.13952/j.cnki.jofmdr.2017.0002．