胡寿根

前混合磨料水射流水下排除爆炸物装置技术

王敬涛;张沙

【摘要】为了解决常用切割技术不适宜在水下作业的难题,从工程应用出发,运用数

学建模分析、软件模拟仿真等方法,对前混合磨料水射流系统的水下切割技术进行

了相关研究和仿真.研究表明,在预设加紧力200N的条件下,设计的装置可以搭载喷

枪进行水射流水下排爆作业,水射流过程具有高能、冷态、点割、非接触等特点,可

以对各种材料进行任意切割,尤其适合切割各种压敏、热敏材料以及在易燃易爆场

合进行切割作业,为下一步实验奠定了理论基础.%Tosolvetheproblemthatthe

frequentlyudcuttechnologyisnotsuitableforunderwaterprojects,

underwatercuttechnologybadonpre-minedabrasivewaterjetsystem

wasrearchedandemulatedbymathematicalmodelinganalysisand

chshowsthat

undertheconditionof200Nforce,thedesigneddevicecancarrythe

nozzletoexcludetheexplosionunderwaterandthecutprocesshasthe

featuresofhighenergy,coldconditions,

waterjetcutcancutvariousmaterials,especiallypressnsitiveandhot

nsitivematerials,andworkontheinflammableandexplosiveoccasion.

Therearchhastablishedtheoreticalfoundationfornextexperiments.

【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2011(012)004

【总页数】4页(P393-396)

【关键词】前混合;磨料水射流;水下切割

【作者】王敬涛;张沙

【作者单位】解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学

工程兵工程学院,江苏南京210007

【正文语种】中文

【中图分类】TP69

磨料水流切割具有高能、冷态、点割、非接触等特点,因此可以对各种软、硬质材

料进行任意切割,尤其适合于切割各种压敏、热敏材料及在易燃易爆场合进行切割

[1]。杨清文等[2]对磨料水射流切割弹药外壳材料的安全性和效能进行了相关研究,

刘鹏安[3]通过实验作了弹体表面处理的可行性论证。由于磨料水射流水下切割的

作业情况复杂,因此所需考虑的因素众多。

首先,爆炸物的种类较多,形状比较复杂。爆炸物中有Φ260～500mm的航弹,也有

Φ180～250mm的水雷,重量也大小不一,有些航弹重达650kg,给切割工作带来了

极大的困难。其次,由于水下淤泥的存在,爆炸物在水下的存在形态不一。第三,水下

切割不同于水上,由于水压、腐蚀、海流、潮汐、浪涌等特定水下因素的存在,因此

必须考虑在整套装置中加装一套水下监视装置,便于进行远程监控和操作。

本文在此基础上对前混合高压水射流水下切割技术进行了相关研究,并成功设计了

一套适应于水下作业的工作装置,以切割排除水下未爆航弹为例进行了研究。

1整体设计及分析

整套工作机构由夹持装置(图1)、切割装置(图2)和监视系统3部分组成。首先用

夹持装置将各种形态下的航弹夹持稳定,然后再利用由切割装置固定好的磨料水射

流切割枪对航弹进行切割,实现各种切割动作。工作时通过监视系统监视。

图1夹持装置Fig.1Equipmentofclamp

图2切割装置结构Fig.2Structureofcuttingmanipulator

1.1夹持装置

夹持装置部分共设有5个自由度,依次有底座的回转、大臂的俯仰、小臂的俯仰、

小臂的回转及腕关节俯仰。由于液压驱动具有响应快、输出力大、密封方便的特点,

整个夹持部分采用液压驱动的方式,可以自由完成对航弹的夹持动作。夹持装置的

夹钳安装有力觉传感器,满足各种规格的爆炸物夹持要求。

(1)运动学分析

用4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系[4],建立运动学方程。为了分析

方便,在各个连杆处建立了空间坐标系{xi,yi,zi},连杆变换通式

式中:αi-1表示从zi-1到zi绕xi-1旋转的角度,di表示从xi-1到xi沿zi测量的

距离,θi表示从xi-1到xi绕zi旋转的角度,ai-1表示连杆i-1的长度。

将各个连杆变换i-1iT(i=1,2,…,n)相乘,得

是n个关节变量di、θi的函数,表示末端连杆坐标系{n}相对于基坐标系{0}的描述。

根据各关节位置传感器的输出,得到各关节变量的值,即可求出0iT。

(2)动力学分析

拉格朗日动力学描述是基于系统能量的概念的。对于任何机械系统,拉格朗日函数

L定义为系统总的动能Ek与总的势能Ep之差,即

式中:q=(q1q2…qn)为动能和势能的广义坐标矩阵,˙q=(˙q1˙q2…˙qn)为相应的广

义速度矩阵。操作臂所具有的动能是n个连杆的动能之和:

等式右边第一项表示连杆质心线速度引起的动能,第二项是由于连杆角速度产生的

动能。vci和wi是臂关节变量q和关节速度˙q的函数,因此操作臂的动能是关节

变量和关节速度的标量函数,记为

式中,D(q)是n×n阶的操作臂惯性矩阵,为正定矩阵。连杆i具有的势能

式中:g是重力加速度向量,pci是连杆i质心的位置矢量。由于位置矢量pci是关

节变量的函数,因此势能也为q的标量函数,记为Ep(q)。

利用拉格朗日函数L,系统的动力学方程为:

式中,τ是n×1的关节驱动力矩矢量。由于势能Ep不显含˙q,因此动力学方程变为:

1.2切割部分

由于切割手本身不需承载太大负荷,为使结构紧凑,减小机械手尺寸和重量,本身又与

夹持装置部分独立控制,宜采用电气驱动。一般用于水下机械手的电气驱动元件有

步进电机、直流力矩电机和直流伺服电机,其各自的适用性能如下:(1)步进电机不需

要位置反馈就可以实现开环位置控制,但步进电机的输出力矩一般比较小,要想获得

大的驱动力矩,电机的尺寸和重量都将比较大;(2)直流力矩电机驱动力矩较大,相应速

度也较快,需要通过闭环实现位置控制,但直流力矩电机的径向尺寸一般比较大;(3)直

流伺服电机的速度较高、结构紧凑,一般与减速器、编码器集成在一起,构成伺服机

组,减速器的规格有标准的系列,可以根据需要的减速比和输出力矩选配。因此,本文

采用内置减速器的无刷直流伺服电机组件作为驱动部件,可在夹持部分夹持稳定后

独立完成对航弹的各种动作的切割工作。

1.3监视系统

监视系统主要由3个部分构成:前端部分、显示部分、传输及控制部分[5]。将前端

摄像头分别固定在夹持及切割装置上,选用适合高质量视频[6]传输需要的模拟微波

无线传输方式,将信息传输回水上显示器,以便于进行航弹的夹持及切割工作。图3

为监视系统组成系统示意图,图4为串口通信流程图。

图3监视系统组成示意图Fig.3Formsofthemonitoringsystem

图4串口通信流程图Fig.4Processofstringcommunication

2整体布置

工作机构中夹持部分工作的范围为以底座为中心的Φ1250～1950mm,相应切割

装置机械手最大的伸展范围为Φ2000mm,以满足切割需要。在整套机构最底部,

为将切割装置及夹持装置连接到大回转盘,可将整套机构与爆炸物的角度调为最佳

后,对夹持及切割装置各自的底盘回转副进行调节,以达到成功夹持及切割的目的。

回转盘后夹持与切割装置的背后,是增加的配重、液压油箱以及添加了金刚砂的压

缩水箱。需要说明的是,夹持机械手夹持时要考虑给切割机械手预留切割空间。

下面论证一下整套装置的稳定性。

由图4可知,整套装置重心在空载荷的状态下,居于底盘外缘以内,可保持稳定状态。

当夹持手夹持航弹时,应满足

式中:G1为航弹自重,f1为航弹本身所受浮力,h1为航弹重心到支撑点的力臂,G2

为装置自重,f2为整套装置本身所受浮力,h2为装置重心到支撑点的力臂。

由式(2),可计算出在最大载荷状态下为保持装置稳定性所需要的装置自重,进而可通

过在装置尾部增加配重、增大液压油箱等方法来满足要求,达到整体稳定的目的。

本文通过catia三维软件[7]进行建模,并读出各个机构的重心G位置和质量以及联

接点Port的坐标值(即输入各机构的位置坐标信息),然后通过amesim软件建立机

械手局部模型,如图5所示。该模型由一个三位四通的比例阀控制机械手夹持液压

缸,通过夹持手上的力传感器,动态反馈实时夹持力,通过PID控制器进行控制,因此

能够实现对夹持力进行精确控制,预设加紧力仿真曲线如图6所示(预设的加紧力为

200N)。

图5Amesim模型Fig.5Theamesimmodel

图6预设加紧力仿真曲线Fig.6Clampingforceoftheprejudication

3结论

(1)进行了夹持装置结构设计的运动学分析和动力学分析,建立了相关数学模型;

(2)对切割装置中作业电机的选择原则进行了分析,提出本系统采用内置减速器的无

刷直流伺服电机组件作为驱动部件;

(3)设计了水下视频监控系统,建立了视频数据的串口通信系统,便于作业的实时观测

和对紧急情况的处理;

(4)建立了系统模型,并进行了仿真,结果表明利用此工作装置在预设加紧力条件下能

满足作业相关要求。

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