深海刚柔组合负压吸附装置的力学特性与吸附效果分析

杨宇航， 张增猛， 陈英龙， 弓永军

(大连海事大学 救助与打捞工程辽宁省重点实验室， 辽宁 大连 116026)

引言

近年来，我国逐渐重视海洋事业发展，随之而来产生了对水下爬壁机器人[1]、水下开孔抽油机器[2-3]、水库大坝表面检测机器[4]等固定需求。负压吸附可以利用深海环境压力，提供较大的吸附力，而且不受吸附表面材料的限制，是一种较为适合应用于深海的附着固定方式，而目前水下负压吸附装置应用环境通常为浅海，所提供的吸附力有限，如ZHU等[5]设计了一种水下涡流吸力装置，通过产生水旋流形成负压，产生的吸附力为大约300 N。目前国内外将负压吸附原理应用于深海的研究很少，这是由于目前的研究均采用真空泵装置使吸盘内腔产生负压，对于深海环境，一是需要解决能源传输问题，设计难度较大；二是泵的扬程要求较高。因此针对深海环境需要设计一种不需要使用真空泵的负压吸附装置。

YOSHIDA Y等[6]设计了一种爬壁机器人，该机器人不需要真空泵，而是设计了启动吸附和脱离吸附的机构，利用2个扭簧在俯仰方向产生扭矩，从而将吸盘紧紧地推到壁面上实现吸附，此外每个吸盘都设计有一个突起，通过1根金属丝与后吸盘底座连接，当一个处于吸附状态的吸盘到达后滑轮时，会被金属丝的拉力拉起并从壁面上分离，启动吸附结构、分离吸附结构分别如图1a、图1b所示。该装置虽然不需要使用真空泵，但也因此对吸盘的设计要求较高，吸盘的设计直接影响装置的吸附性能，对其进行研究具有重要意义。

图1 吸盘启动吸附与分离吸附的装置[6]

目前负压吸附所使用的吸盘可分为柔性吸盘和刚性吸盘，其中柔性吸盘通常由硅橡胶、聚氨酯、氟橡胶、丁腈橡胶等柔软的材料制成[7-10]。吸盘材料的选择要根据工作环境对吸盘耐油、耐水、耐磨、耐热、耐寒等性能的要求，选择最合适的一种[11]。对于深海环境来说，主要考虑的是柔性材料的耐寒性和耐水性，同时考虑到吸盘的成本，丁腈橡胶是合适的材料。图2所示为3种常用类型柔性吸盘，聂俊峰等[12]对3种吸盘进行了试验，发现随着真空度的增加，平底吸盘与波纹吸盘会产生较大形变，导致吸附力迅速降低，而带沟吸盘由于表面带有筋条，可以有效地防止吸盘吸附过程中发生变形，从而在真空度较大的情况下可以牢牢的吸附。对于深海环境，吸盘内外压差远远大于陆上环境，因此更应注意吸盘变形导致吸盘吸附能力的下降，需要设计结构限制柔性吸盘变形，刚性吸盘通常使用金属等刚性材料[13]。金属等材料能抵抗深海压力而不发生变形，但是刚性吸盘本身不具备密封能力，因此深海负压装置可以采用刚柔组合的吸盘形式，采用柔性吸盘密封，刚性吸盘限制变形保持吸附能力。

图2 3种类型柔性吸盘实物图[12]

对于柔性吸盘的设计还需要考虑两点，一是吸盘的预紧力，这是由于橡胶密封属于挤压型密封，需要施加一定的预紧力，使其密封唇变形，贴紧密封面实现密封。考虑到吸盘使用的环境为深海，可以通过水下遥控机器人(ROV)螺旋桨为其提供预紧力，但中型ROV螺旋桨推进力通常不超过500 N，而吸盘的直径等尺寸与吸盘预紧力相关，因此在设计吸盘尺寸的时候需要考虑吸盘变形所需的预紧力；二是吸盘的密封性能，邱昆[14]通过有限元分析和试验确定了吸盘的接触应力越大，则吸盘的贴附程度越大，同时吸盘应力值较大且分布均衡的部分，更容易形成较为紧密的密封环，利于密封的形成。

通过综合考虑柔性吸盘的良好密封特性及刚性吸盘内腔不可变形的特性，本研究设计了由刚柔结构组合的吸盘形式，通过有限元仿真分析了吸盘的密封性能和预紧力情况，确定了吸盘的尺寸与选型，并对吸盘进行了试验。

1 深海负压吸附装置总体设计

1.1 吸附系统基本原理

负压吸附装置的系统原理图如图3所示，由1个吸盘、1个气囊式蓄能器和2个开关阀组成，蓄能器的预充气压力低于外界海水压力。具体工作过程如下：首先，吸盘贴合作业壁面后(可由ROV进行操作)，打开开关阀1，使吸盘内部与气囊式蓄能器接通，蓄能器预充压力可根据外界环境压力和需要的吸附力进行调节，最小为0.1 MPa，此时吸盘内海水压力高于蓄能器内气体压力，蓄能器与吸盘内部海水压力进行平衡，吸盘内部压力降低，吸盘内部与外界环境形成压差，从而产生吸附力实现吸附固定。当作业完成后，关闭开关阀1，打开开关阀2，使吸盘与外界环境接通，此时吸盘的内部压力等于环境压力，吸盘内外不存在压差，吸盘脱离作业壁面。

1.气囊式蓄能器 2.开关阀1 3.开关阀2 4.吸盘

1.2 吸盘设计

刚柔组合吸盘的结构如图4a所示，由柔性吸盘、刚性吸盘及卡箍组成。组合吸盘通过外部柔性吸盘进行密封，吸盘密封端面如图4b所示，通过内部刚性吸盘限制柔性吸盘的变形，保持吸附能力，通过卡箍将柔性吸盘和刚性吸盘组合在一起。外部柔性吸盘为平底吸盘，这是由于平底吸盘吸附接触面积大，与吸附对象贴合紧密，密封性较好，吸盘材料为丁腈橡胶，硬度选取HA50；为了保证吸盘的防腐性能，刚性吸盘和卡箍的材料均选取304不锈钢。

图4 刚柔组合吸盘实物图

2 吸盘有限元分析

2.1 吸盘模型建立

借助三维绘图软件SolidWorks对吸盘进行建模，并将其导入Abaqus软件进行分析。柔性吸盘使用的丁腈橡胶材料作为一种近似不可压缩的超弹性材料，在Abaqus中采用二参数Mooney-Rivlin模型来表征[15]。

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中，W—— 应变能密度

C10，C01—— Mooney-Rivlin系数

I1，I2—— 第1和第2 Green应变不变量

建立吸盘与支持面的有限元模型并划分网格，如图5所示。在模型中，柔性吸盘采用C3D10H单元类型[16]，刚性吸盘和支持面采用C3D10单元类型，刚性吸盘与支持面的材料为不锈钢304，弹性模量为1.94×105MPa，泊松比为0.28，密度为7.9×10-6kg/mm3。

图5 吸盘与支持面的有限元模型

2.2 加载边界条件

首先沿刚柔吸盘连接部分的径向施加压力载荷，模拟卡箍连接柔性吸盘与刚性吸盘的过程，然后为吸盘表面施加11 MPa压力载荷，模拟1100 m水深的环境压力，接着约束支持面所有自由度，指定吸盘一定的位移，使其缓慢地到达支持面位置，模拟柔性吸盘预紧变形的过程，最后将吸盘内侧压力改为1 MPa，模拟吸盘内部接通蓄能器的过程(蓄能器预充1 MPa压力)。

2.3 仿真结果

1) 柔性吸盘等效应力情况

柔性吸盘等效应力的情况如图6a所示，其最大等效应力为4.54 MPa，没有超过丁腈橡胶的屈服强度25 MPa，说明柔性吸盘没有发生屈服失效。

2) 柔性吸盘接触应力情况

柔性吸盘接触应力的情况如图6b所示，可以看出，柔性吸盘密封面刚柔吸盘连接处的最大接触应力分别为11.38 MPa和12.44 MPa，大于吸盘内外的压差10 MPa，且两处应力值较大的部分的应力分布较为均衡，说明柔性吸盘具有很好的密封性能。

3) 柔性吸盘预紧力情况

柔性吸盘的预紧力仿真结果如图6c所示，柔性吸盘完全变形所需要的预紧力约为475 N， 中型以上ROV的推进力可以满足吸盘的预紧要求。

图6 柔性吸盘仿真结果

3 吸盘预紧力与吸附效果试验

3.1 吸盘预紧力试验

吸盘预紧力试验采用CTM8010万能试验机，该试验机采用伺服电机驱动系统使横梁上下运动，实现试验加载过程，其载荷位移传感器可测量物体在相应变形下的载荷，其最大载荷范围10000 N，载荷和位移的最大误差不超过测试值的±0.01%和±0.1%，试验设备的连接如图7所示。通过钢板接触挤压柔性吸盘，万能试验机控制柔性吸盘0～1，1～2，2～3，3～4，4～5 mm的位移，得到柔性吸盘变形情况如图8a所示，并测试了柔性吸盘变形x与预紧力Fn的关系，如图8b所示。可以看出，柔性吸盘变形为5 mm，即柔性吸盘完全变形时所需要的预紧力为390 N，试验值与仿真值对比误差约为17%。

图7 吸盘预紧力试验设备

图8 柔性吸盘变形情况及变形与预紧力的关系

3.2 吸盘密封性能与吸附力试验台设计

吸盘密封性能与吸附力试验台的作用是测试吸盘的密封时间及吸盘吸附力的大小，试验台连接情况及试验台液压原理图分别如图9和图10所示。试验台主要包括环境压力模拟器、蓄能器、水压系统、加载系统、采集系统等，环境压力模拟器用于模拟并维持深海压力环境，应满足试验加载的强度、刚度及密封要求，吸盘放置于环境压力模拟器缸体内部，通过两端加工螺纹的管路与三通接头下端接通，三通接头左右两端分别接通压力表与蓄能器，其上端通过螺栓连接拉压力传感器，拉压力传感器的型号为MSE-2t，量程为±2 t(即19600 N，受压为正)，精度为±0.05%，拉压力传感器的上端通过杆端关节轴承与加载油缸的伸出杆连接；气囊式蓄能器的型号为BNXQ A20/10-F-Y，容积为20 L，公称压力为10 MPa，在试验前为蓄能器预充1 MPa的气体压力。在蓄能器管路出口处连接压力变送器，型号为CYYZ11-H-17-DZ-14-S-G2-D，量程为0～10 MPa，精度为0.1%，用于测量吸盘内部压力变化；水压系统为环境压力模拟器提供高压水源，水压系统采用芬兰某公司制造的综合性水液压试验平台，型号为HPU90.160-37，最大压力可达16 MPa，在水压系统泵源出口处连接压力变送器，型号为CYYZ11-H-19-DZ-14-S-G2-D，量程为0～20 MPa，精度为0.1%，用于测量环境压力；加载系统采用独立的油压系统，泵源选用额定压力为28 MPa的柱塞变量泵A10VSO28DFR1，加载液压缸固定于环境压力模拟器上方，设计最高输出拉力至少为19600 N，根据计算可选用柱塞直径50 mm，伸出杆直径36 mm的单出杆液压缸，当液压缸有杆腔压力为23 MPa，无杆腔压力(背压)为0.7 MPa 时，不考虑摩擦力，液压缸可输出拉力为20400 N，满足吸盘试验要求。

1.油压系统 2.采集系统 3.水压系统 4.蓄能器 5.液压缸 6.环境压力模拟器

1、13.安全阀 2.水泵 3、14.比例溢流阀 4、9.手动开关阀 5.环境压力模拟器 6.吸盘 7.压力表 8.三通接头 10.气囊式蓄能器 11.液压缸 12.三位四通阀 15.油泵

3.3 吸盘吸附性能试验

通过调节水压系统与加载系统，同时测量并记录环境压力、吸盘内部水压及吸盘受力随时间变化的情况，得到吸盘吸附试验结果如图11所示。

图11 吸盘密封性能与吸附力试验结果

试验过程可分为ab，bc，cd，de，ef等阶段。ab段：调节水压系统为环境压力模拟器加压到10 MPa左右，此时吸盘内部水压与环境压力保持一致，同时发现拉压力传感器有数值变化，这是由于水压对于三通接头存在力的作用，作用力约为2500 N；bc段：调节油压系统，通过液压缸为吸盘施加预紧力，发现吸盘受力有一个激增，这是由于吸盘在接触支持面时存在冲击现象，数值稳定后的作用力约为2900 N， 此时b，c点传感器数值的差值即为吸盘受到的预紧力，约为400 N，此时柔性吸盘完全变形；cd段：在d点开启手动开关阀9，接通蓄能器与吸盘内部， 此时吸盘内部水压迅速下降到1 MPa(蓄能器预充压力)；de段：在此阶段可以看到吸盘内部水压没有变化，说明吸盘没有发生泄漏现象，可以看出吸盘在15 min内没有发生泄漏；ef段：调节油压系统，为吸盘施加拉力，根据吸附力公式：

(2)

式中,F—— 吸盘吸附力

D—— 刚性吸盘外径，52 mm

d—— 连接吸盘与蓄能器的管路外径尺寸，28 mm

p1—— 环境压力，11 MPa

p2—— 吸盘内部水压，1 MPa

计算得到吸盘最大吸附力至少为15000 N。吸盘在f点脱离支持面，从试验结果可以看出吸盘最大吸附力超过15000 N。

4 结论

(1) 基于负压吸附原理设计了一种深海吸附装置，介绍了装置主体结构和工作过程，绘制了吸附系统原理图，并对吸附装置的吸盘进行了设计，吸盘由柔性吸盘、刚性吸盘及卡箍组成；

(2) 对吸盘预紧力进行了试验，预紧力为390 N时柔性吸盘完全变形，试验值与仿真值对比误差约为17%；

(3) 搭建了吸附试验台，对吸盘的密封性能和吸附力进行了试验。结果表明：吸盘在外界环境压力为11 MPa，吸盘内部压力为1 MPa的情况下，15 min内没有发生泄漏，且可以提供至少15000 N的吸附力。