谭 华

（宜昌测试技术研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

人类生活与海洋息息相关，海洋资源非常丰富，其开发利用和管理已受到各国的普遍重视。新世纪以来，海洋已成为国家利益拓展和安全空间延伸的一个重要战略领域。目前，来自海洋方面的多种安全威胁日益严重。为更好地对海洋环境进行探测和观察，收集海洋相关数据与资料，各类应用于海洋环境监测的水下平台相继研发成功并投入使用［1］。然而海洋监测平台在工作过程中一旦不能正常回收，将造成监测数据的丢失及重大经济损失，因此各种类型的水下设备回收装置也得到相继开发，但因其工作环境恶劣、受海水等诸多因素的影响，其工作可靠性低。一旦解脱机构动作不可靠或失灵，致使容器盖不能及时打开，将使容器内的海洋监测设备无法正常工作或损坏且不能回收，造成损失。目前国内外通常采用的解脱机构是采用熔断或爆断螺钉连接方式，其分离方式是工作任务完成后准备回收前，启动控制线路使可断螺钉熔断或爆断，使回收装置浮出水面，但该装置需单独配置电源与控制单元，结构庞大复杂且不可靠［2］。

本文主要针对基于活塞式气动解脱机构的气囊回收装置进行研究，详细介绍其结构组成及工作方式，为同类产品的设计及研究提供参考。

1 气囊回收装置系统组成

一种基于活塞式气动解脱机构的气囊回收装置主要由旋转销、控制单元、容器盖、高压安全阀、气囊、高压气瓶、活塞式气动解脱机构、深度传感器、电磁阀和充气阀等组成，其总体结构示意图如图1所示。其中活塞式气动解脱机构与容器盖未解脱的局部放大结构示意图如图2所示。在容器盖与活塞式气动解脱机构解脱连接后，容器盖能绕旋转销旋转，可使气囊正常涨大，以增加回收装置的气囊浮力，从而确保设备的正常回收；控制单元在回收装置入水后实时采集深度传感器的数据，一旦检测到超过回收装置设定的工作深度，控制单元将开启电磁阀对气囊充气，确保回收装置安全回收。高压气瓶内可充空气、氮气、二氧化碳等气体，根据回收装置的工作深度、高压气瓶容积及气囊容积等参数，可计算出高压气瓶内储存气体的压力。高压气瓶通过充气阀进行充气，为保证充气过程及使用过程中的安全，在高压气瓶上设计有高压安全阀，当充气压力大于高压安全阀的设计值时，将自动卸压，保证高压气瓶不被充爆，确保工作人员安全。

图1 气囊回收装置总体结构示意图

图2 活塞式气动解脱机构与容器盖未解脱的局部放大图

活塞式气动解脱机构主要由联接球铰销、O形密封圈、V形组合动密封圈、密闭气室壳体、活塞、弹簧、盖板和充气连接孔等组成，其结构示意图如图3所示。气囊存放在容器中，通过联接球铰销与容器盖上的耳环连接。当气囊内充气向上推动容器盖时，因联接球铰销能旋转一定角度，因此不会出现卡滞，能可靠解脱。为防止海水从活塞与密封气室壳体的间隙进入到密闭气室内部，设计了O形密封圈。同时设计了2个V形组合动密封圈以确保气室的密封性能。

图3 活塞式气动解脱机构结构示意图

气囊主要由安全卸压阀、橡胶密封气囊和接头体组成，其结构示意图如图4所示。气囊上设计有安全卸压阀及接头体，其中接头体与橡胶密封气囊通过二次硫化技术硫化为一体，其作为气囊的进气接口，通过管路与电磁阀的出口连通。为保证橡胶密封气囊的耐压性，在其制作过程中设计有夹布层，以防止充气时橡胶密封气囊扩张而产生变形，对其造成损坏。橡胶材料采用丁腈橡胶，与其他的橡胶材料相比，它具有良好的耐候性、耐海水性［3］。安全卸压阀用于在回收装置上浮过程中调节气囊中的压力，使其与外界不断保持一定的压力平衡，使设备最终上浮到水面而便于回收，防止出现气囊胀破的现象。其工作原理是：随着回收装置在水中上下运动，安全卸压阀会自动开启与关闭，当气囊内外压差为0.35MPa～0.4MPa时，安全卸压阀在水压的作用下会自动开启向水中放气；当气囊内外压差低于0.1MPa时，安全卸压阀恢复至原位，此时低压安全阀密闭。安全卸压阀的特点是既具有良好的密封性能，同时还具备灵敏的排气功能，安全卸压阀中弹簧力的选择要合理，且预紧力可调。

图4 气囊结构示意图

2 系统工作过程

本回收装置可通过快速卡环等安装在海洋监测设备上，并随之一起入水。工作时，当海洋监测设备因意外不能正常工作或其他不明原因下沉超过一定深度时，控制单元给出指令，开启电磁阀，高压气瓶中的高压气体一路充入活塞式气动解脱机构中的密闭气室，另一路充入气囊内部。此时由于密闭气室体积小，其内压强迅速增大，从而压缩弹簧推动活塞运动，达到解脱容器盖与活塞式气动解脱机构连接的目的。容器盖在气囊内气体的压力作用下绕旋转销旋转（见图5），活塞式气动解脱机构与容器盖解脱的局部放大结构示意图如图6所示。当高压气瓶继续放气时，活塞运动到位并在O形圈的作用下保证密封，高压气瓶中的气体全部充到气囊中，气囊充气后浮力增大，在浮力作用下携带海洋监测设备浮出水面，如图7所示。任务完成后，将密闭气室内的气体放出，活塞在弹簧的作用下复位，可重复使用。

图5 活塞式气动解脱机构与容器盖解脱后的结构示意图

图6 活塞式气动解脱机构与容器盖解脱后的局部放大图

图7 气囊浮出到水面的 状态示意图

3 气囊回收装置的主要特点

基于活塞式气动解脱机构的气囊回收装置依靠其自身携带的气源作为动力来实现快速打开容器盖与容器连接的功能，其结构简单、密封可靠，主要特点如下：

（1）利用活塞与密闭气室壳体组成一封闭气室，结构紧凑。由于密闭气室容积小，充气时气室内部压强迅速增大，推动活塞运动，动态响应速度快。

（2）该机构在水下一定深度工作时，推动活塞运动，迅速打开容器盖，使用完毕后，放出气体，活塞在弹簧的作用下自动复位，可多次使用。

（3）联合使用V形组合动密封圈与O形密封圈，V形组合动密封圈在充气时借助密闭气室内的气体使其膨胀，达到动态密封性能要求。

4 结论

本文主要介绍了一种基于活塞式气动解脱机构的气囊回收装置，对其系统组成及工作过程进行了详细描述，设计的活塞式气动解脱机构由于其结构紧凑、动态响应快、密封性能高、工作可靠等特点，解决了目前水下回收装置系统庞大、可靠性低等难题，为同类产品的设计及研究提供参考。

［1］贾宏春.水下物体回收装置的研究与应用［J］.机械管理开发，2009，24（6）：63－64.

［2］陈兵，赵治平，高频，等.水下物体打捞、回收装置：中国，200820068481X［P］.2009－05－13.

［3］陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用 ［M］.北京：机械工业出版社，1992.