水中自动浮降装置设计分析

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水下探测设备布放过程中要求定位尽量准确 ，即在指定地点投放后 ，其位置偏差不宜过大。由于水中流向的不确定性 ，水下探测设备布放入水下沉过程中 ，如果时间过长 ，布放深度较大时 ，在水流作用下 ，水下探测设备会偏离布放点很远 ，无法保证探测设定条件。水中自动傅装置作为水下探测设备的载体 ，要求其布放后能快速沉人水底 ，且能在水底固定点长时间停留 ，当探测结束后 ，能够自动浮出水面 ，以便船上人员捕捞。

因水下探测设备都安装在傅装置的上部 ，为保护设备在升降过程中不被损坏 ，傅装置在上浮与下降过程中还要保证水中姿态的稳定性 ，即不能发生上下翻转。

1结构分析1.1材料选取水中自动傅装置作为水下探测设备载体 ，由于探测要求的不同 ，每次探测所使用的探测设备也不尽相同 ，为保证大部分探测设备的使用条件 ，水中自动傅装置应采用无磁、无电 ，最好是非磁、非电材料为好 ；水下自动傅装置材料本身还要具有-定防腐性能 ，能够适应不同的使用情况 ；考虑到使用条件及使用周期的问题 ，水下自动傅装置材料本身还要有-定的强度 ，能够确保其有-定的使用寿命。

12结构形式根据水中自动傅装置1二作要求 ：入水即下沉、自动上涪上浮与下沉过程中不发生上下翻转 ，其结构应具有如下特点 ：1)下沉过程中 ，重心在下部 ，且重力大于浮力 ；2)上浮过程中 ，浮心在上部 ，浮力大于重力。3)重心与浮心应在同-直线上。

实现这种功能可以有三种方法 ：第-种 ，浮力不变 ，改变水中自动傅装置的重力 ，使其可以变化 ；第二种 ，重力不变 ，改变水中自动傅装置的浮力 ，使其可以变化 ；第三种 ，改变水中自动傅装置的重力和浮力 ，使其都可以变化 ，至于采用那- 种方法 ，可根据水下探测设备的布放及具体要求选定。

2计算分析2.1重力重心与浮力浮心的计算重力重心与浮力浮心的计算是保证水中自动傅装置下沉与上浮过程中不发生上下翻转的前提条件 ，即下沉过程中重心要低于浮心 ，重力要大于浮力 ；上浮过程中浮心要高于重心 ，浮力要大于重力。

22下沉时间计算水中自动傅装置下沉过程中 ，南于水流作用 ，为保证水中自动傅装置不偏离布放点过大 ，必须进行下沉时间的计算 ，以保证水中自动傅装置沉入水底位置在允许的偏差范围内。

2.3水底停留条件计算水中自动傅装置在水下长时间停留时 ，必须保证在水流的冲击下 ，能够依靠自身与水底的摩擦力保持位置不动 ，以保证水下探测设备获取数据的准确性。

3实例分析下面结合-种水中自动傅装置实例进行具体分析。

该水中自动傅装置如图 1所示 ，该装置采用PVC材料制成 ，采用改变傅装置重力的结构形式。其怪为两层 ，上层为水下探测设备固定体 ，用于芭水下探测设备 ；下层为带有l水下探测设备固定体 2.供气管路3.高压气瓶4.浮力舱5支腿6.蓄电池冈1水中自动傅装置结构图表 1重力、体积、重心高度表符 号 序号 名称重力 体积 重心高1 水下探测设备固定体 G1 V1 H1- - 2 供气管路 G2 V2 H23 高压气瓶 G3 V3 H34 浮力舱 G4 V4 [t45 支腿 G5 V5 H5L 6 蓄电池 G6 V6 H62013年第11期总第131期SILIC0N VALLEY支腿的浮力舱 ，其中浮力舱上部平台上布置有高压气瓶及供气管路 ，用于装置的上浮 ，下部支腿内芭有蓄电池 ，用于水下探测设备的供电 ；浮力舱为中空结构 ，下沉时 ，内部充满水 ，上浮时 ，内部充满空气。

各部件的重力、体积如表 1所示。浮力舱的容积为R，各部件的重心高度如图 1所示。

3.1重力重心与浮力浮心计算重心计算公式如下 ：X：- - G EGixi 1- - ( )G浮心计算公式如下 ：X：- - F yvixi 2- - ( )浮力计算公式如下 ：F pgV (3)其中 ：x 表示装置重心 ，单位为mm；Gi表示装置部件重量 ，单位为N；xi表示装置部件重心 ，单位为mm；G表示装置重量 ，单位为 N；x 表示装置浮心 ，单位为mm；vi表示装置部件浮力 ，单位为m ；xi表示装置部件浮心 ，单位为 mm；v表示装置容积 ，单位为m ；表示水密度 ，单位为kg/m。；g表示系数9.8，单位为 N/kg。

水中自动傅装置重心 (浮力舱未注水 )：.： !： ± ± ± ± ± !G1G2G3G4G5G6(4)水中自动傅装置重心 (浮力舱已注水 )：， ： g ± ± ± ± ± ±GlG2G]G4 G6pRg(5)其中 ：p表示水密度 ，单位为kg/m ；g表示系数 9.8，单位为 N/kg。

水中自动傅装置浮心 ：- H4V3 X丝I xHs XH2 水中自动傅装置浮力 ：F ( )水中自动傅装置重力 (浮力舱未注水 )： Gl G4 G6水中自动傅装置重力 (浮力舱已注水 )：(6)(7)(8)3.2下沉时间计算水中自动傅装置入水时刻下沉速度为零 ，则-： a 。 (10)2其中 ：S 表示水面距水底垂直距离 ，单位为m；a 表示加速度 ，单位为m/s ；t表示水中自动傅装置沉入水底时间 ，单位为 S。

( -F)X / (11)由式 10和式 11可得 ：： 二万 (12)： × (13)其中 ：S 表示水中自动傅装置横向移动距离 ，单位为m；V 表示水流速度 ，单位为 m/s；a 表示加速度 ，单位为m/s。。

a Fw X g/G； (14)水中自动傅装置水中下沉时间应满足使S 不大于布放偏差设定值。

3.3水底停留条件计算水中自动傅装置在水中受到的水流力为 C X/9/2×vo x A (15 J其中 ：F 表示水流力 ，单位为N；C 表示水流阻力系数 ；A表示装置与流向垂直平面上的投影面积 ，单位为 m 。

水中自动傅装置在水中受到的摩擦力为 ： ( -F)X/a (16)其中 ：F 表示水中自动傅装置与水底摩擦力 ，单位为N；表示摩擦系数。

水中自动傅装置在水中能够稳定停留必须保证 F ≥F ，即式 16≥式 15，可得 ：vof( -F)×/aX2、C ×A f l7)由此可以确定 ，当水流速度小于多少时 ，水中自动傅装置在水下是稳定的。

4结论通过对水中自动傅装置结构及其计算的分析 ，对水中自动傅装置水中姿态、下沉时间、水底停留条件给出计算公式 ，作为同行设计参考 ，同时对水中自动傅装置水中姿态分析仅为单坐标轴分析 ，实际设计中应进行三坐标轴分析。

GlG2G3G4G5G6pRg r 9、若满足水中自动傅装置下沉应满足G >F，即式 9>式7；若满足下沉过程中不发生上下翻转 ，应满足 。：