一种多关节潜器的布放回收装置
阅读说明：本技术 一种多关节潜器的布放回收装置 (Laying and recycling device of multi-joint submersible vehicle ) 是由 孟庆浩 刘科显 徐雪寒 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多关节潜器的布放回收装置,包括基础承载结构、折叠门结构、开门机构、电气与传动系统,折叠门结构包括两套,每一套分为顶门和尾门两部分,两门之间通过重型弹性铰链连接,两个顶门与基础承载结构之间采用重型铰链连接,在每个顶门均设置有导轨和滑块,与开门机构相连接；开门机构包括转盘、拉杆A和推杆A、拉杆B和推杆B,转盘通过输出轴连接在电气传动系统与基础承载结构之间,拉杆A和推杆A、拉杆B和推杆B对称连接在转盘两侧,拉杆A和拉杆B分别通过销轴连接在转盘上,拉杆A和拉杆B可绕转盘上销轴转动。(The invention relates to a laying and recovering device of a multi-joint submersible vehicle, which comprises a basic bearing structure, a folding door structure, a door opening mechanism and an electric and transmission system, wherein the folding door structure comprises two sets, each set is divided into a top door and a tail door, the two doors are connected through a heavy elastic hinge, the two top doors are connected with the basic bearing structure through the heavy hinge, each top door is provided with a guide rail and a slide block and is connected with the door opening mechanism; the door opening mechanism comprises a rotary table, a pull rod A, a push rod A, a pull rod B and a push rod B, the rotary table is connected between an electric transmission system and a basic bearing structure through an output shaft, the pull rod A, the push rod A, the pull rod B and the push rod B are symmetrically connected to two sides of the rotary table, the pull rod A and the pull rod B are connected to the rotary table through pin shafts respectively, and the pull rod A and the pull rod B can rotate around the pin shafts on the rotary table.)
技术领域
本发明涉及深海水下航行器(也称水下潜器)
技术领域
，特别是涉及一种用于自主式水下航行器布放回收装置。背景技术
海洋科学研究与资源探索已成为世界主要国家的基础战略之一。随着探索和研究进程的不断深入，人们的关注重点已逐渐从近海转向深海，为此科研机构和相关领域的企业已经推出了各种用于深海探测的遥控无人潜水器(ROV)、自主水下航行器(AUV)和浮标等设备及相关配套设施。布放回收方案是ROV和AUV等水下潜器能否正常作业的关键，对于大型ROV和AUV等探测装备，一般通过在设备本体设置吊点并采用吊装方式开展布放和回收作业，或者通过笼子、渔网等整体包裹的方式。但是，尚未有针对水下潜器的较为成熟的自动化布放与回收方案。
目前，国内外研究机构提出了一些用于大型水下潜器或者类似海洋设备的布放回收方案。上海中车艾森迪海洋装备有限公司发明了一种用于ROV的回收设备和对应的控制方法{CN111625009A}，该方案具有较高的自动化能力，节省甲板操作人员，提升工作效率。但该方案需要被回收的设备搭载超短基线等定位设备，且需要对回收设备进行大量调试，不适用于AUV类水下潜器的回收。大连海事大学发明了一种用于小型AUV集群的布放回收系统{CN111516805A}，该系统可有效且可靠地批量布放小型AUV设备，但该系统回收AUV时需要依靠ROV或者其他机械手辅助，回收需要的条件较高，并且只适用于布放小型AUV，无法布放回收中大型AUV。
现有针对水下潜器布放回收方式存在以下不足：
(1)针对于小型AUV等水下潜器的自动化回收装置或方案较多，但对于大型水下潜器的布放与回收装置或方案，普遍缺少自动化功能，且布放回收的方式较为复杂；
(2)针对大型水下潜器的布放回收，普遍采用(在潜器上设置吊点)吊装方式或者笼子、网兜等工具，在布放回收阶段一般需要人员辅助，作业方式复杂且具有一定风险；
(3)传统通过笼子回收的方式需要水下潜器具备自主回坞的功能，或者辅助人员在母船上通过遥操作的方式控制水下潜器进入笼子，整个回收过程繁琐且有失败风险；
(4)现有的笼子回收、网兜回收和吊装回收方式，均需要潜器自主运动到指定位置，并保持回收装置与母船相对位置不变，这一作业过程中只有潜器具备机动能力，布放回收装置并不具备机动能力；
(5)传统布放装置的夹持机构或者其他需要动作的机构多采用油缸等设备，布置油路复杂，同时需要配套液压站等设备，难以切换到手动状态进行调试。
目前，对于大型水下潜器的布放回收方案较少，现有方案并不具备自动化功能，回收方式较为困难，且流程繁琐。
发明内容
针对现有用于水下潜器的布放回收装置或方案存在的问题，本发明提供了一种多关节潜器的布放回收装置。本发明所采用的技术方案是：
一种多关节潜器的布放回收装置，包括基础承载结构、折叠门结构、开门机构、电气与传动系统，所述开门机构和电气与传动系统固定在基础承载结构上，电气与传动系统为开门机构提供动力，其中，
基础承载结构主体，用以放置多关节潜器；
折叠门结构包括两套，每一套分为顶门和尾门两部分，两门之间通过重型弹性铰链连接，两个顶门与基础承载结构之间采用重型铰链连接，在每个顶门均设置有导轨和滑块，与开门机构相连接；
开门机构包括转盘、拉杆A和推杆A、拉杆B和推杆B，转盘通过输出轴连接在电气传动系统与基础承载结构之间，拉杆A和推杆A、拉杆B和推杆B对称连接在转盘两侧，拉杆A和拉杆B分别通过销轴连接在转盘上，拉杆A和拉杆B可绕转盘40上销轴转动；
推杆A设置有3个铰支点，分别与拉杆A、基础承载结构、折叠门结构的一个滑块连接；推杆B设置有3个铰支点，分别与拉杆B、基础承载结构、折叠门结构的另一个滑块连接；
电气与传动系统采用密封箱体封装需要防水的电机、控制器、电磁离合器；电机输出轴通过联轴器B连接小锥齿轮轴B，大锥齿轮B与小锥齿轮轴B啮合，在大锥齿轮B上连接有电磁离合器，电磁离合器与驱动轴之间采用平键连接；
大锥齿轮A连接至开门机构的转盘上，在大锥齿轮A上连接有离合器，其中一个半离合器螺纹连接至大锥齿轮A上，另外一个半离合器通过设置在输出轴上的导向平键实现在输出轴上滑动，实现离合器的啮合与分离；电机输出轴通过联轴器C与驱动轴连接。
进一步地，在顶门上设置有滑轮、缆绳固定点；所述的布放回收装置还包括舱体夹紧结构，所述的舱体夹紧结构设置在基础承载结构上，其主体通过两侧的转接板接入轴承座A，在转接板和轴承座A之间设置有复位扭簧，舱体夹紧结构主体上设置有夹紧环和转动扳手，转动扳手通过缆绳与顶门上的缆绳固定点连接，并通过滑轮支撑缆绳。
进一步地，在基础承载结构上设置有可以拆卸的锁紧槽；在转盘上设置有锁定杆安装孔，锁定杆的一端能够通过锁定杆安装孔固定连接在转盘上，另一端能够连接到锁紧槽，在锁紧槽的限制下使得锁紧转盘不能旋转。
进一步地，所述基础承载结构主体为V型槽，折叠门结构的两个顶门分别通过重型铰链连接在V型槽的槽顶。
进一步地，基础承载结构尾部根据需要设置有锁紧用电磁铁，用于吸合折叠门尾门；尾门设置有与基础承载结构尾部的锁紧用电磁铁位置相对应的电磁铁衔铁。
进一步地，在基础承载结构尾部设置有锁紧用小电磁铁和大电磁铁，在尾门侧边和底部分别设置有小电磁铁衔铁和大电磁铁衔铁。
进一步地，所述的布放回收装置还包括位置微调系统，所述的位置微调系统包括置于基础承载结构上的至少一个推进器，通过调整推进器的推力实现布放回收装置在水面上位置微调，配合潜器回收；基础承载结构底部设置有带有刹车功能的万向重型脚轮。
进一步地，所述的布放回收装置，还包括小锥齿轮轴A和手动开启扳手，小锥齿轮轴A与大锥齿轮A啮合，小锥齿轮轴A通过联轴器A连接一根手动开启扳手，在布放回收装置处于手动模式时通过手动开启扳手开关折叠门。
进一步地，与大锥齿轮B连接的电磁离合器为牙嵌式电磁离合器。
进一步地，与大锥齿轮A连接的离合器为牙嵌式离合器；两个半离合器啮合时采用锁紧螺丝紧固，当需要分离两个半离合器时，旋转顶出螺丝实现分离。
本发明的有益效果是：
(1)该装置为自动化设备，缓解传统水下潜器放回收方案中大量的人工作业，有效提升布放回收效率；
(2)该装置设有位置微调系统，在回收阶段可以配合潜器入坞方向，降低回收作业难度并提升工作效率；
(3)该装置完全展开时整体呈“V”型结构，具有较大的容纳空间，布放时潜器可以较为容易的驶出装置，回收时也有较大的回收范围，降低潜器回收难度；
(4)该装置在吊运过程中，可以保持为全封闭状态，确保潜器不会从装置中滑出；
(5)该装置具备舱体夹紧结构，可以进一步固定潜器不在装置中晃动；
(6)该装置除推进器外，所有驱动电机、电源均位于设备前部，便于集中做防水处理，采用连杆、缆绳牵引以及电磁铁吸合等方案，使整体结构更为紧凑，便于维护；
(7)该装置采用箱内和箱外两套牙嵌式离合器，正常工作情况下，通过密封箱体内部的牙嵌式电磁离合器切换电动或手动模式，在电气系统出现故障时，紧急情况下可以通过旋进顶出螺丝手动分开外部的牙嵌式离合器将设备切换至手动模式，当外部牙嵌式离合器也无法使用时，紧急情况下可以通过搬动锁定杆强行开启或者关闭布放回收装置的折叠门。
(8)该装置采用一个驱动电机即可实现折叠门开关和舱体夹紧结构的驱动需求，降低驱动电机的数量，从而降低电气系统的复杂度。
附图说明
图1为布放回收装置打开状态
图2为布放回收装置关闭状态
图3为吊装结构
图4为基础承载结构
图5为折叠门结构
图6为舱体夹紧结构示意图
图7舱体夹紧结构安装示意图
图8为电气与传动系统和开门机构的安装示意图
图9为开门机构示意图
图10为电气与传动系统剖面示意图
图11为密封箱体内部布局图
图12为外部手动式牙嵌式离合器结构图
图13为布放作业实施示意图
图14为回收作业实施示意图
图15为多关节潜器入坞和出坞示意图
具体实施方式
参照图1-图2，本发明提出的一种用于深海多关节潜器的具有手动/电动转换功能的布放回收装置，包括吊装结构1、基础承载结构5、顶门2、尾门8、开门机构3、电气与传动系统4、舱体夹紧结构6、位置微调系统7以及重型铰链9，多关节潜器10放置于基础承载结构5搭建的V型槽内。在装置前侧设置有手动开启扳手11和锁定杆12。顶门2和舱体夹紧结构6之间采用缆绳14连接，在顶门2上侧设置有固定滑轮组13，用以支撑并引导缆绳14。
所述位置微调系统7由四组推进器组成，安装在基础承载结构5底部的推进器安装位上，推进器完全内置于基础承载结构5内部，线缆沿基础承载结构边缘布置，避免出现碰撞和缠线等隐患。
参照图3，所述吊装结构1为焊接钢结构形式，在四角焊接四个小U型环，通过起重带与基座结构四个吊点，在吊装结构上端焊接两个大U型环，通过一根起重带与A型架或其他起重设备相连。
参照图4，所述的基础承载结构5一般采用铝合金型材拼接而成，亦可采用焊接钢结构形式。容纳设备处为基础承载结构5的主体，呈“V”型结构，可对圆筒外形的潜器起到定位作用。在基础承载结构5前端设置有锁紧槽15，电气与传动系统安装位16，在承载结构的底部设置有位置微调系统安装位21，在基础承载结构5最外围四个点设置四个吊点18，用于安装起重带，在底部安装四对带有刹车的重型脚轮17。在承载结构尾部上端对称设置两个小电磁铁20，在尾部底端设置一个大电磁铁19。
参照图5，所述的折叠门主体结构分为顶门2和尾门8，一般采用铝合金型材拼接而成，亦可采用焊接钢结构形式。在顶门2上侧并排设置一对固定滑轮组13，用来承载并引导缆绳14走向，在顶门两根长方管之间前后设置有两个把手23。顶门2和尾门8之间采用重型弹性铰链24连接，在尾门侧边和底部分别设置有小电磁铁衔铁25和大电磁铁衔铁26。在顶门2前端设置有导轨22。当布放回收设备开启时，在重力和重型弹性铰链24的作用下，顶门2和尾门8相对位置从90°夹角变成同一平面，此时小电磁铁20上电吸住尾门8。当布放回收设备关闭时，由于尾门8重力大于重型弹性铰链24的弹簧力，尾门8贴紧基础承载结构5尾端，此时大电磁铁19上电，吸住尾门8。
参照图6-图7，所述的舱体夹紧结构6对称安装在基础承载结构5底部两侧，其主体为双槽铝型材31，通过T型螺母在双槽铝型材31上安装两个夹紧环29和一个转动扳手30，在铝型材31两端安装有转接板32，转接板32外侧为光轴，与轴承座A27配合，从而可以绕轴转动，在轴承座A 27和转接板32之间设置有复位扭簧28。转动扳手30通过缆绳14与顶门2连接，当顶门2关闭时，在缆绳14的牵引下向上拉扯转动扳手30，带动双槽铝型材31旋转，从而使夹紧环29夹住舱体；当顶门2开启时，在复位扭簧28的作用下，双槽铝型材31反向转动，夹紧环29离开舱体。
参照图8-图12，所述开门机构3和电气与传动系统4通过密封箱体43和轴承座E50安装在基础承载结构5前端，电气与传动系统4为开门机构3提供动力。开门机构3整体为连杆机构，拉杆A33两端为关节轴承，并通过销轴连接在转盘40上。拉杆A33可绕转盘40上销轴转动，推杆A35通过铰支点34与拉杆A33连接，通过固定铰支点36与基础承载结构5连接，通过滑块37与导轨22连接，推杆B38与拉杆B39连接方式与推杆A35和拉杆A33同理，并对称安装。
当转盘40处于图8所示的初始位置时，即设备处于关闭状态，顶门2和尾门8处于封闭状态。当转盘40转动时，牵引拉杆A33和拉杆B39移动，拉动推杆A35和推杆B38绕固定在基础承载结构5上的固定铰支点转动，带动滑块37在导轨22上移动，进而推动顶门2绕着重型铰链9移动，从而打开顶门2和尾门8。当转盘40转回初始位置时，拉杆A33、拉杆B39、推杆A35和推杆B38等零部件作用下，使得顶门2和尾门8恢复到关闭状态。
转盘40上安装有锁定杆安装座49。当设备处于关闭状态时，可以在锁定杆安装座49上旋入锁定杆12，在锁紧槽15的限制下锁紧转盘40使之不能旋转，进而实现顶门2和尾门8锁紧，避免收到运输颠簸等情况下使得顶门2和尾门8不受控开启。当正式使用设备时，应旋出锁定杆12。当遇到特殊情况时，电动开启机构和其他开启方式都无法使用的情况下，卸下锁紧槽15，用力搬动锁定杆12带动转盘旋转，也可以在紧急情况下开启顶门2和尾门8。
将大锥齿轮A41螺纹连接至转盘40上，小锥齿轮轴A48与大锥齿轮A41啮合，轴承座B46螺纹连接至密封箱体43前板上，小锥齿轮轴A48穿过轴承座B46，并通过联轴器A47与手动开启扳手11连接。在密封箱体43内部的牙嵌式电磁离合器57或者外部的牙嵌式离合器42处于分离状态时，此时装置处于手动模式，搬动手动开启扳手11，带动小锥齿轮轴A48转动，进而带动大锥齿轮A41和转盘40转动，实现顶门2和尾门8的手动开启和关闭。
所述的电气与传动系统4主要分为密封箱体43内部和外部两部分。密封箱体43采用6块铝板拼接而成，其中前板为主要承载结构，具有较高的强度和刚度，顶板设置水密接头45，用于调试设备、烧写程序、控制设备、充电或者供电，为了方便维护，在后板上开设手孔，并用手孔盖44封住手孔。密封箱体43各组成铝板之间采用密封圈加密封胶组合密封方案。
主控制器64、电池组65和轴承座C53通过螺纹固定在密封箱体43的前板上，电机51通过螺纹安装在轴承座C53上，小锥齿轮轴B54穿过轴承座C52，通过联轴器B52与电机51相连。大锥齿轮B58与小锥齿轮C54啮合，牙嵌式电磁离合器57通过螺纹安装在大锥齿轮B58上。牙嵌式电磁离合器57与驱动轴59通过平键连接，在驱动轴59与密封箱体前板43之间设置两道旋转动密封60。驱动轴59和输出轴61之间通过联轴器C56连接。联轴器C56内置于轴承座D55中。设置在外部的牙嵌式离合器42固定的半离合器与大锥齿轮A41螺纹连接，可活动的半离合器通过设置在输出轴61上的导向平键在输出轴61上滑动，活动的半联轴器上设置顶出螺丝62，旋转顶出螺丝62可以实现两个半联轴器分离。当需要两个半联轴器啮合时，拧入锁紧螺丝63连接两个半联轴器，避免两个半联轴器因为颠簸等其他原因分离。
牙嵌式电磁离合器57处于连接状态时，驱动轴59和大锥齿轮B58之间具有刚性连接，电机51带动小锥齿轮轴B54转动，进而带动大锥齿轮B58转动，驱动轴59转动，输出轴61输出动力，设备处于电动状态。
牙嵌式电磁离合器57处于分离状态时，驱动轴59与大锥齿轮B58之间无刚性连接，电机51的动力无法传递到驱动轴59上，此时可以通过手动开启扳手11实现设备开启和关闭，设备处于手动状态。
正常工况下使用牙嵌式电磁离合器57切换设备的手动和电动状态。如果出现电气系统故障，或者密封箱体43漏水等特殊情况，且此时牙嵌式电磁离合器57未处于分离状态。可以分开密封箱体43外部牙嵌式离合器42，将装置状态切换成手动模式。如果外部牙嵌式离合器42出现咬死或者由于其他故障而无法分离，此时卸下锁紧槽15，用力搬动锁定杆12，强制开启顶门2和尾门8，取出装置内部的设备。
参照图13-图15，本发明的工作过程如下：
布放作业时，将多关节潜器10放置于布放基础承载结构5上，关闭顶门2和尾门8，基础承载结构5底部尾端的大电磁铁19上电，吸附住尾门8。A架或者其他起重设备吊起吊装结构1，将装置缓慢置于水中。当多关节潜器10接触水面后，大电磁铁19下电，电气与传动系统4驱动开门机构3打开顶门2和尾门8，在重力和重型弹性铰链24的作用下，尾门8和顶门2的相对位置将从关闭状态下的90°夹角变成同一平面，与此同时舱体夹紧结构6在复位扭簧28的作用下脱离潜器舱体。在顶门2和尾门8完全展开后，基础承载结构5上部尾端两侧的小电磁铁20上电，吸附住尾门8。缓慢将装置继续下放，直至完全没入水中，此时多关节潜器10在自身浮力作用下脱离布放回收设备，启动多关节潜器10推进器，向前缓慢开出布放回收装置所在区域。之后将布放回收装置吊回甲板并维护。
回收作业时，先将布放回收装置在关闭状态下吊至水面，当装置中部处于水面后，电气与传动系统4驱动开门机构3打开顶门2和尾门8，装置处于打开状态，舱体夹紧结构6张开，小电磁铁20上电吸住尾门8。此时继续下放装置，直至只有顶门2和尾门8的最上端处于水面上。此时操控多关节潜器10缓慢驶入指定区域，在止荡绳以及位置微调系统7的作用下，将装置尾部开口方向对向多关节潜器10前进方向。当多关节潜器10刚进入布放回收装置区域后，立即缓缓向上吊起布放回收装置，直至顶门2和尾门8完全处于水面之上。在此过程中继续操作多关节潜器10驶向布放回收装置内部，直至多关节潜器10头部触碰到基础承载结构5前端的横梁上，之后停止多关节潜器10推进器，缓慢向上吊起布放回收装置，直至多关节潜器10刚脱离水面。此时小电磁铁20下电，电气与传动系统4驱动开门机构3关闭顶门2和尾门8，舱体夹紧结构6在缆绳14的牵引下夹紧舱体，尾门8在重力的作用下贴紧基础承载结构5尾部，大电磁铁19上电吸住尾门8。检查无误后，将布放回收装置吊回甲板，取出多关节潜器10并维护装置。
一种用于深海多关节潜器具有手动/电动转换功能的布放回收装置，当调试布放回收装置，或者装置出现故障需要临时采用手动开启和关闭时，可采用3种办法实现装置的手动和电动模式切换。
当电气与系统4正常工作时，密封箱体43内部的牙嵌式电磁离合器57断电，驱动轴59和电机51之间将没有刚性连接，此时可以通过搬动手动开启扳手11实现装置的开启和关闭。
当电气与传动系统4出现故障，或密封箱体43进水等其他原因无法正常启动电气与传动系统4，造成装置不能正常工作时，且牙嵌式电磁离合器57未处于分离状态。此时松开外部牙嵌式离合器42上的锁紧螺丝63，向内旋进顶出螺丝62，分离牙嵌式离合器42两个半离合器，此时转盘40与输出轴61之间无刚性连接。可以通过搬动手动开启扳手11带动大锥齿轮41以及转盘40转动，实现装置的开启和关闭。
当电气与传动系统4不能正常工作，其外部牙嵌式离合器42由于咬死或者其他原因无法分离时，紧急情况下，卸掉锁紧槽15，用力搬动锁紧杆12，转动转盘40，从而实现布放回收装置的开启和关闭。
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