集成式抽真空装置设计及应用

0 引 言

随着海洋资源越来越受到重视，无人潜水器(Unmanned Underwater Vehicle，简称UUV)通过携带各种载荷来探测海洋得到了广泛关注[1]。载荷可以是水下勘探设备、监测设备和各种潜标浮标等[2]。这种UUV是由载荷和运载平台组成的一个多体系统[3-4]。载荷作为UUV的一部分，其被释放后，UUV一般会由于浮力发生变化而瞬间失去平衡，若该浮力变化没有及时得到补偿，UUV的水中状态会失控，发生危险。因此，必须对释放载荷后的UUV进行浮力补偿。目前，常用的浮力补偿方法是通过UUV内部补偿容器进水来实现[5-6]。为了提高补偿容器进水量和进水速率，从而提高UUV的浮力补偿效率，需要对UUV补偿容器进行预先抽真空处理，该集成式抽真空装置就是针对某UUV补偿容器抽真空设计的。

1 结构组成及工作原理

1.1 总体结构

抽真空装置主要由真空泵、底板、箱体、电控柜、脚轮、真空计、控制面板、电气接口、排气口、进气口、注油口、扶手等组成。抽真空装置结构组成图如图1所示。

图1 抽真空装置结构组成图

抽真空装置主要作用是抽除UUV补偿容器内部空气，使得补偿容器能够以较快的速度进满水。通过进水补偿试验测试得出，当补偿容器内部绝对真空度为500 Pa，UUV在水下15 m水深启动进水补偿时，补偿时间约为3.9 s，进水量可达到补偿容器容积的99.1%，满足UUV总体指标要求。根据真空度要求，真空泵选用市场上常用的直联旋片式真空泵[7]。针对UUV水中工作环境，补偿容器进水后，内部会残留少许水分，选用带有气镇阀的直连旋片式真空泵，可以在抽真空的同时抽除容器内部残留的水蒸气。真空计采用微机型数显电阻真空计，通过测量电阻的变化来测量相应的真空度，经真空计内部微处理器非线性处理、运算，最后送到真空计的数码显示器显示。

箱体和底版由不锈钢板折弯组成1个框架，将真空泵、真空计、电控柜等固定在合适的位置。由于真空泵在工作时，电机需要散热，在箱体靠近真空泵一侧开有百叶窗，在底板上开有散热小孔。箱体的前面板和右面板分别开有活动门板，可开、关操作。箱体右边上部设有工具箱，方便储存电缆、抽气管路等附件。前门板上设有一长方形透明窗口，用来观察真空泵油位。在箱体的上部开有进气口、注油口，左面板上开有排气口。控制面板设置在箱体的前面板上，包括1个电源开关旋钮、1个急停按钮和2个指示灯。电气接口放置在箱体的右面板上，包含1个380 V市电接插件和1个真空计信号接插件。

箱体和底板上分别设置有扶手和4个脚轮，其中，前面2个脚轮为万向脚轮，后面2个为定向脚轮，方便抽真空装置整体移动。考虑到吊装方便，在箱体上方4个角部分别设置有吊环螺钉，可方便穿绳挂钩起吊。

1.2 工作原理

抽真空装置的主体为真空泵和微机型数显电阻真空计。真空泵、真空计与被抽容器之间通过1个三通接头连接在一起，可通过真空计来实时读取被抽容器的真空度。如图2抽真空装置的电气原理图所示，380 V市电经过空气开关后分两路，其中一路经过控制按钮、相序保护器、接触器后连接真空泵电机，另一路经过变压器后将380 V电压转变为220 V电压供真空计使用。

图2 抽真空装置电气原理图

直联旋片式真空泵电机采用三相380V电源供电，电源相序必须正确才能保证电机旋向正确，否则真空泵无法正常工作，因此，在真空泵电机前级电路上设有相序保护器。在不知道初始相序是否正确的情况下，启动真空泵电源旋钮，相序保护器自动检测相序是否符合，若相序错误，相序保护器自动关停真空泵，同时控制面板上的红色指示灯点亮，此时反方向旋转真空泵电源旋钮，自动转换相序，真空泵会正常启动，控制面板上的绿色指示灯点亮。真空计与电阻规通过信号电缆连接，可实时显示与真空规连接的被抽容器内部的绝对真空度。

2 技术特性

该集成式抽真空装置的主要技术参数如表1。

表1 集成式抽真空装置技术参数

3 应 用

如图3抽真空装置抽真空示意图所示，不锈钢波纹管一端通过快卸连接器[8]连接抽真空装置的进气口，另一端通过快卸连接器连接三通的上端口，三通的右端口和下端口分别通过快卸连接器连接真空计和被抽补偿容器的真空接口。接通抽真空装置电源开始抽真空，真空计通过信号电缆可将被抽补偿容器内部的真空度实时传输到抽真空设备的真空计显示面板上。达到要求的真空度后，关闭被抽补偿容器的真空接口，再关停抽真空装置即可。该型补偿容器的容积约为145 L，在打开真空泵的气镇阀情况下，将补偿容器内部真空度抽取到典型工况200 Pa时，所用时间约为2 min，操作方便快捷。

图3 抽真空装置抽真空示意图

4 结 语

抽真空装置的设计将带有气镇阀的直联旋片式真空泵和电阻真空计集成在一个不锈钢框架内，移动方便；并在电路上加入了相序保护器，接线简单，能避免因相序错误导致真空泵异常运转。目前已成功应用于某型号UUV补偿容器的抽真空，具有工程应用价值。