2.3 自主式深海着陆车结构设计

水下机器人因不同的作业环境、功能需求和性能指标等，有着不同的结构形式和设计标准，但在结构强度、材料选型、耐压密封、抛载系统和防腐防污方案等问题上又具有诸多共性。本节将从通用水下机器人的设计思路入手，阐述自主式深海着陆车系统样机的关键结构设计与系统实现。

2.3.1 底盘结构设计

移动底盘作为爬行式作业装备的重要结构，应具备能多位点转移、本体结构承重能力强和环境适应性好等基本功能，其结构形式与其作业环境也应有一定的适配性。几种典型爬行装备的移动底盘结构包括轮式、足式和履带式等（图2-3），不同结构具有各自的应用特点。

轮式底盘结构简单，行驶阻力小，能够达到较快的行驶速度，但其越障能力较差，通常适用于在较为平坦的硬质路面行驶，在陆地环境中应用广泛。随着应用场景的多样化，出现了多种足式底盘结构，有双足、四足、六足和八足等形式，足式底盘结构采用仿生学的方法，模仿多足生物的行走运动，能够通过各种崎岖的路面，在全地形移动领域有较强的优势。履带式底盘是为了克服轮式底盘无法在松软的泥土、雪地和沼泽等路面行走的缺点而被开发出来的，其具有接地比压小、爬坡和越障能力强等优点，尤其在深海海底高含水率的稀软底质上行走方面有独特的优势。

考虑到深海海底作业环境，自主式深海着陆车选择履带式底盘。履带式底盘的行走机构由“四轮一带”（驱动轮、支重轮、托带轮、导向轮和履带）及张紧装置组成，如图2-4所示。

履带是围绕着轮系的环形链带。根据材质，履带可分为金属履带和橡胶履带2种：金属履带可以承受较大负载，但是质量和运转噪音大，一般用于军事装备和重型的工程机械；橡胶履带相比于金属履带，具有质量小、行驶阻力小及对土壤破坏小等特点，更适用于农业装备和履带机器人等轻型装备。履带设计的主要任务为确定履带的节距、宽度和接地长度，增加履带的宽度和接地长度可以减小履带的接地比压，但接地长度的增加会降低履带的转向性能。

驱动轮是通过轮齿与履带啮合，将驱动机构的力矩传递到履带上以带动履带行走的轮子。齿数是驱动轮最主要的参数之一，齿数越小则传动越不平稳，会产生较大的冲击和振动，一般齿数不小于7。增加齿数能够提高传动的平稳性，但驱动轮直径也会随之增大，导致履带总体尺寸增大。所以，通常是在一定的驱动轮直径范围内，选择较大的齿数，同时，优先选取与履带节数互质的齿数，保障驱动轮与履带的任意一个齿都有机会啮合，使得磨损程度均匀，增加使用寿命。

支重轮是将整个装备的重量传递给地面，起到支撑作用的轮子。支重轮的直径越小、数量越多，履带对地面的压力就越均匀，越适合通过松软的路面，但过多的支重轮会增大滚动阻力。一般取支重轮直径为1.5~3倍节距，支重轮数量根据履带接地长度调整。

托带轮是向上托起履带，减小上方履带的下垂量和行驶中履带的振动，使履带具有一定张紧度的轮子。托带轮的结构与支重轮相似，只是其承受的载荷相比支重轮较小，所以其尺寸一般也小于支重轮。托带轮的数量与上方履带长度有关，上方履带长度小于2 m时可取1个托带轮，大于2 m时可取2个及以上数量的托带轮。

导向轮是引导履带卷绕方向，防止履带跑偏和越轨的轮子。使用过程中，由于橡胶履带会磨损且有延展性，履带会被拉长，影响行走性能，严重时甚至会出现脱带现象。因此，导向轮还会与张紧装置配合使用，使履带能够始终保持适当的张紧度。

如图2-5所示，履带构型主要可分为普通型、双仰角型、三角型和摆臂型。其中，普通型轮系结构简单且操纵方便，接地长度最长，稳定性好，但是受底盘高度限制，越障能力较差；双仰角型接近角和离去角较大，底盘高度有所增加，越障能力有所提高；三角型结构紧凑且离地间隙高，但其接地长度较短，稳定性差；摆臂型增加了摆臂机构，大幅提高了越障能力，但其结构较为复杂，还需要额外的驱动元件，会增加系统能耗。

履带底盘悬挂结构可以分为刚性悬挂、半刚性悬挂和弹性悬挂。刚性悬挂是指直接将支重轮固定在车体上；半刚性悬挂是指将轮系结构和驱动电机安装在履带架上，履带架的一部分与车体铰接，其余部分经弹簧与车体连接；弹性悬挂是指整车重量完全经过弹簧装置传递给支重轮。图2-6所示为几种典型履带底盘悬挂结构。

自主深海着陆车在海底行驶时要具备一定的爬坡和越障能力，能够越过崎岖的地形，因此履带构型选择了双仰角型；考虑到着陆车的行驶速度慢，履带所受冲击较小，且着陆车作业时要保证车身平稳，因此选用刚性悬挂结构。

综上分析，自主式深海着陆车履带式底盘结构设计如图2-7所示。左右两侧分别为独立的履带总成，每侧的履带总成有两块侧板用于安装履带轮组。两侧履带总成经底盘支架连接固定，且车体框架结构安装于底盘支架上。着陆车履带为全橡胶履带，履带内嵌凯夫拉纤维材质，不含金属零件，以避免被海水腐蚀，减轻装备重量。为了在海底稀软底质上爬行，履带外表面设计了高约20 mm的履刺，能够有效增加履带的附着性能。履带总成中的驱动轮布置在后方，下方为6组支重轮，上方为2组托带轮，前方为导向轮与张紧装置。2个履带轮都采用高强度的工程塑料制作，其具有重量轻、耐海水压力和腐蚀等特点，满足深海长期作业需求。

2.3.2 框架结构设计

框架结构设计是自主式深海着陆车整体结构设计中的重要环节之一。作为装备的主要骨架，框架结构既要为内部各个功能组件和仪器设备如履带轮组件、电子舱、分线盒、电池、驱动电机、抛载系统、传感器和科学载荷设备等提供安装的支架，也要为浮力材提供便捷的安装位置；同时，框架结构也是整个系统起吊布放和回收与甲板系固过程中的主要承力部分。因此，框架结构的设计需按照潜水器设计规范的要求，综合考虑潜水器的承载能力、重量、尺寸和加工性能，便于各组件安装、调整、维护及拆卸，同时也要充分考虑所用科考母船吊放系统的作业方式、起吊过程中动载荷冲击强度，以及不同海况下的安全系数，以确保整个系统的安全。

（1）框架结构形式

根据其基本结构形式，水下机器人的框架结构主要可以分为封闭式和开放式2种，如图2-8所示。封闭式框架结构是指除了必须要与外界接触的仪器设备外，其余全部零部件都安装在耐压密封舱体里，由耐压密封舱构成框架的结构。封闭式框架结构在小型AUV和水下滑翔机上使用较多，其外观一体性强，通常采用鱼雷型，具有良好的水动力外形，但框架要承受海水压力，内部安装空间较紧凑，后期难以维护和升级。开放式框架则是将全部零部件都安装在开放的框架上，与外部没有隔断。开放式框架结构易于组装和维护，可以提供较大的安装空间和较强的搭载能力，且框架强度不受海水压力影响，能够在较大深度的海洋中工作，适用于各类大型的、对水动力性能要求不高的装备，如ROV和深海着陆器等。

自主式深海着陆车作为海底自主移动科考平台，根据作业需求搭载不同的载荷，如机械手、传感器或其他试验装置，要求具备足够开阔的安装空间。此外，着陆车还需要进行各类日常维护，如电池组充电、压载铁安装、补偿器充油、控制系统维护升级等，在设计时应考虑操作的便利性。因此，自主式深海着陆车采用了更易于扩展和维护的开放式框架结构，如图2-9所示。

（2）框架结构材料选择

框架结构的常用材料包括特种钢材、铝合金和钛合金，也有一些小型的装备会采用工程塑料。深海装备的框架材料选择应该综合考虑材料强度、材料密度、耐腐蚀性、焊接性能和材料成本等。表2-3为框架结构常用材料性能对比。

材料强度：框架作为主要承载结构，首先要保证其强度满足要求，尤其是起吊结构，必要时可以选择强度更高的材料。材料强度只是影响整体强度的因素之一，最终的结构强度还是需要计算、校核和测试来保证。

材料密度：深海探测装备在水下作业时一般保持零浮力或较小的负浮力，框架的重量需要昂贵的浮力材料去配平，这将增加装备整体重量或降低搭载能力，因此，应在满足强度的条件下尽量选择密度低的材料。

耐腐蚀性：钛合金和工程塑料都具有良好的耐腐蚀性，可以长时间在水下使用。钢材和铝合金在海水中比较容易受到腐蚀，使用时还需要做防腐蚀处理。

焊接性能：框架结构通常会涉及到焊接，焊接性能差的金属材料容易出现裂纹、气孔，对结构强度造成极大影响。因此，做框架结构设计时若有多处焊接，则需要选择焊接性能好的材料。

材料成本：在满足要求的前提下降低成本是工程实践中应该考虑的因素之一。就原材料成本而言，钛合金的成本要高于铝合金和钢材，而实际加工中，结构和工艺的复杂程度、热处理、表面处理等因素也会影响造价，最终的成本需要综合考虑。

通过5种常用材料的对比，可知钛合金材料具有较强的强度，且耐海水腐蚀，因此自主式深海着陆车的框架结构材料选择TA2钛合金。

（3）框架强度分析与测试

框架结构作为深海着陆车的主要承载部件，在设计时需要对其强度进行分析与校核，以保证装备整体良好的安全性。深海着陆车在实际使用过程中，主要有三种状态：甲板放置状态、起吊状态和海底工作状态。着陆车在海底工作时，由于海水浮力的作用，框架受到的合力最小，因此需要重点对甲板放置状态和起吊状态进行强度分析。在甲板放置状态时，着陆车的总体重量由接触在底盘支架上的几根横梁支撑，其可靠性直接决定装备安全性；在起吊状态时，着陆车的总重量将全部由其框架上方的起吊环支撑，且在布放和回收过程中，母船摆动引起的着陆车动载荷状态更需重点考虑。为此，须对深海着陆车框架结构建模，通过仿真计算校核框架结构，在设计上满足强度要求。

对框架结构进行有限元分析，首先需要进行网格划分。目前，常用的网格划分主要有四面体网格和六面体网格等。其中，四面体网格可适应各种形状模型划分，划分搜索算法简洁，网格生成较快，且在结构复杂处会采用曲度和近似尺寸功能对网格细化，但其近似网格密度较高，单元和节点数高于六面体网格，不适用于薄实体和环形体模型的网格划分；六面体网格大多用于形状规则模型的网格划分，划分精度可以满足大部分有限元算例。为了保证计算精度，并提高计算速度，深海着陆车框架的主体部分采用六面体网格，而框架的连接处采用四面体网格进行划分，网格划分结果与载荷分布如图2-10所示。

在甲板放置状态下，对主框架底部的横梁进行各位移方向约束，并在主框架和底盘支架的各位置添加对应零部件载荷。在起吊状态下，将主框架顶部起吊组件的安装点进行各位移方向约束，考虑到深海着陆车在海上的布放和回收受到母船摆动、跨介质、风载荷等因素的影响，按2倍载荷系数进行计算。对作为框架结构材料的TA2钛合金进行强度校核，许用应力取屈服强度的2/3。表2-4为典型的框架结构材料参数表，图2-11所示为结构框架强度有限元分析结果。

由图2-11可见，框架结构在甲板放置状态和起吊状态下最大等效应力都小于许用应力，满足强度要求；最大等效应力集中产生在梁的连接处，因此在加工过程中，需要保证较好的焊接效果，或者适当增加强化结构，以保证框架结构的安全性。

在加工过程中，材料缺陷、加工工艺等问题可能造成强度降低，因此需要对加工完成的框架结构进行测试，以验证其结构强度是否能满足要求。按照强度分析的结果，起吊状态下框架应力最大，特取起吊状态进行测试验证。深海着陆车框架结构吊装测试如图2-12所示。测试时按照着陆车上安装零部件的2倍重量进行加载，负载采用砝码，且负载的分布与实际零部件重量分布尽量一致。加载前首先测量框架上的关键尺寸，与测试后的数据进行对比，判断框架是否存在变形。吊装测试完成后，还需要对框架焊缝进行焊缝探伤，检测是否出现开裂等现象，以保证最终框架的可靠性。

通过有限元分析校核与吊装测试，充分验证了框架结构的强度满足设计要求。而框架结构除了作为装备的主要承载结构外，还具备各种辅助功能，如起吊位置调节、母船甲板系固，以及起吊时防止装备摆动等，在框架结构设计时也需要对相应的局部结构进行分析与校核。

2.3.3 密封舱体设计

密封舱体是深海探测装备的核心部件之一，用于装载各类电子电路、电子仪器等零部件，以保证它们不会因海水压力和腐蚀而损坏，同时也避免海水导致短路等危险。根据其结构，密封舱体可分为耐压密封舱和充油密封舱2种，前者由舱体本身承受海水压力，后者通过充油补偿的方式减小舱体所承受的压力。

如表2-5所示，2种密封舱体各有优缺点。相比于耐压密封舱，充油密封舱有尺寸、重量和空间方面的优势，但由于对舱内元器件有耐油和耐压要求，其适用范围相对较小。在设计时，需根据不同要求来选择合适的密封舱体结构形式。同一台装备上可以根据需求选择耐压密封舱或充油密封舱，更多情况下会同时用到这2种密封舱体。

（1）耐压密封舱

1）耐压密封舱结构与材料

典型的耐压密封舱结构形式有圆柱形、球形和半球形等（图2-13），在设计过程中要综合考虑工作载荷、水动力影响、内部空间利用率、外部安装条件和加工难度等要素，选择合适的结构形式。表2-6为3种耐压密封舱结构的优缺点比较。

圆柱形耐压密封舱拥有较高的内部空间利用率，加工和组装也相对简单，常用在各类水下装备中。球形耐压密封舱相比圆柱形耐压密封舱在各个方向受力均匀，具有更好的稳定性，相同强度条件下重量更轻，常用于大型的、对安全性要求较高的耐压密封舱，如载人潜水器的载人球舱。而半球形耐压密封舱结合了圆柱形的舱体和半球形的封头，比圆柱形耐压密封舱具有更好的水动力外形，又比球形耐压密封舱有更高的空间利用率，在部分AUV和ROV上被广泛应用，但其封头的加工和接插件的安装难度较大。着陆车控制系统复杂且需预留扩展空间，为便于拆装与后期维护，其耐压密封舱选择了内部空间利用率高且容易安装的圆柱形结构。

在深海高压环境下，耐压密封舱要承受海水的巨大压力和腐蚀，因此耐压密封舱的材料首先要具备较高的强度和耐腐蚀性。此外，选择密封舱体材料还需要综合考虑材料的密度、加工工艺和经济性。常用的耐压密封舱材料有不锈钢、铝合金和钛合金，表2-7为常用的材料牌号及性能参数。

2）耐压密封舱强度与稳定性校核

耐压密封舱在深海压力的作用下，可能会出现强度失效和失稳失效2种失效形式。强度失效是指耐压密封舱在压力下材料屈服或断裂而引起的失效。失稳失效是指在压力下舱体突然失去其原有的规则几何形状引起的失效，失稳失效时最小外压力称为临界压力。为了避免耐压密封舱出现上述2种失效，需要对其强度和稳定性进行分析。

根据《潜水系统与潜水器入级规范》，对耐压密封舱体强度分析时，分析结果需符合下述要求：

·远离开孔处耐压密封舱壳体的平均膜应力，不超过材料屈服强度的2/3；

·不计局部应力集中的平均膜应力和弯曲应力的组合应力，应不超过材料屈服强度的3/4；

·计及局部应力集中的耐压壳体任一点处的最大峰值应力，应不超过材料屈服强度；但如果最大峰值应力是压应力，则最大峰值压应力可允许超过材料拉伸屈服强度，但应不超过材料拉伸极限强度。

在初步设计阶段，圆柱形耐压密封舱壳体的平均膜应力按下式进行计算：

式中， σ _m 表示耐压壳体的平均膜应力， P 为最大工作压力， R _o 表示耐压壳体外半径， R _i 表示耐压壳体内半径， R _mid 表示耐压壳体中面半径。

根据《潜水系统与潜水器入级规范》，在进行耐压密封舱稳定性分析时，计算得到的耐压密封舱壳体的极限承载压力（压溃压力）应满足下述要求：

·耐压密封舱壳体的极限承载压力至少应为最大工作压力的1.5倍；

·耐压密封舱壳体的极限承载压力通过非线性有限元分析得到，且在计算过程中应考虑材料非线性、几何非线性和球壳制造偏差等影响因素。

在初步设计阶段，圆柱形耐压密封舱壳体的极限承载压力可按下式计算：

式中， P _u 表示耐压密封舱壳体的极限承载压力； P _e 表示弹性临界压力； C _s 表示材料物理非线性修正系数，由 σ _e ／ R _eH 查表确定。其中：

式中， P _e 表示弹性临界压力， E 表示材料弹性模量， t 表示壳体厚度， l 表示舱段长度， R _eH 为屈服强度。

为验证各耐压密封舱体设计方案的可行性，按照《潜水系统与潜水器入级规范》要求，需进行强度校核。这里以深海着陆车视频耐压密封舱分析为例，采用有限元软件，引入静力学分析和非线性屈曲分析，对视频耐压密封舱的等效应力和极限承载能力进行模拟计算和强度校核。

在静力分析时，为便于计算，选择简化耐压密封舱模型，忽略对计算结果影响轻微的零件，保留舱体、前端盖和后端盖。然后，对密封舱的材料进行定义，材料选择TC4钛合金，弹性模量为110 GPa，泊松比为0.34。之后，对视频耐压密封舱的前端盖、后端盖和舱体结构进行网格划分，网格大多采用计算结果易收敛且计算精度较高的四面体网格。在进行前端盖上水密接插件安装孔的网格划分时，通过增加网格控制条件以提高网格精度。图2-14所示为视频耐压密封舱体网格划分结果。

网格划分后，需要对视频耐压密封舱施加约束与载荷。约束施加在端盖与舱体配合的接触面上，约束类型为“固定”。按照《潜水系统与潜水器入级规范》要求，载荷按照4 500 m水压的1.25倍来施加，约为57.8 MPa。然后，进行仿真计算，视频耐压密封舱舱体强度分析如图2-15所示。仿真结果显示，舱体的最大等效应力为437.56 MPa，出现在舱体两端内侧，小于TC4钛合金屈服强度的2/3（553 MPa）；最大变形为0.369 5 mm，出现在舱体中部，变形量较小，满足强度要求。

视频耐压密封舱两侧端盖上需要开孔以安装舱体水密接插件，其开孔会减弱端盖的强度，开孔数量越多，对端盖强度影响越大，因此，对开孔数量最多的端盖进行有限元分析后，结果如图2-16所示。根据仿真结果，最大应力为747.72 MPa，集中在端盖中央开孔处，应力集中处的最大应力不超过材料的屈服强度830 MPa；前端盖的最大位移出现在端盖中心处，为0.350 3 mm，变形量较小，满足强度要求。

对视频耐压密封舱进行稳定性校核时，根据前述要求，应考虑材料非线性、几何非线性和制造偏差等影响因素，需通过非线性有限元分析进行计算。非线性有限元分析方法主要有确定性缺陷模型和非确定性缺陷模型2种。确定性缺陷模型是指已知其在试验压力下的缺陷形态，对缺陷形态进行非线性有限元分析，计算其极限承载压力，一般是指已经处于应用中的模型；非确定性缺陷模型是指还未知其缺陷形态，因此需要进行特征值屈曲分析得到其屈曲模态，转换得到初始几何缺陷并设置材料非线性参数，然后进行非线性分析以得到模型的极限承载压力，常用于处于设计阶段的模型。此处选择非确定性缺陷模型进行分析。

在进行特征值屈曲分析时，定义耐压密封舱模型的材料为TC4钛合金，并进行网格划分。加载载荷时，由于屈曲临界压力是结构的固有属性，不受加载载荷大小的影响，此处选择施加1 MPa的压力载荷进行屈曲模态分析。图2-17为视频耐压密封舱舱体1~6阶屈曲模态。

在进行非线性分析时需要选择对结构最不利的屈曲模态，此时模型的刚度最弱，极限承载压力最小，也最容易发生结构大变形，从而引起结构失效。球形耐压密封舱的结构抗压能力较强，应力分布较为均匀，因此取其第1阶屈曲模态进行后续计算即可。然而对于圆柱形视频耐压密封舱，需要输出1~6阶屈曲模态，然后导入计算最不利的屈曲模态。

得到屈曲模态后，还需导入初始缺陷，初始缺陷根据局部圆度容差确定。局部圆度容差是指半径等于视频耐压密封舱舱体内半径或外半径的扇形样板与壳体之间的最大容许间隙，可通过下式计算：

式中， e 为局部圆度容差； L _a 为扇形样板弧长，圆柱形舱体 或 L _a = 0.5 πR ₀ ，取较小值，其中 l ₀ 为肋骨间距， R ₀ 为视频舱内半径， t 为壳体实际厚度。

将视频耐压密封舱的相关设计参数代入计算得到局部圆度容差 e ，将其设置成密封舱初始缺陷，再设置材料非线性的相关参数。材料非线性是指材料的应力和应变关系为非线性，即在仿真过程中，要充分考虑材料的塑性应力应变特性。

视频耐压密封舱在加压至极限承载压力之前，不会出现过大的形变，且端盖和舱体为刚体，无法互相穿透，因此在进行非线性屈曲分析时无须考虑几何非线性和接触非线性。在设置好视频耐压密封舱的初始缺陷和材料非线性参数后，进行非线性屈曲分析，其结果如图2-18所示，得到视频耐压密封舱变形随承载压力逐渐加载的端缩曲线。当承载压力为129.68 MPa时，出现位移突变拐点，位移从1.11 mm迅速增加。因此，密封舱非线性条件下的极限承载压力为129.68 MPa，大于最大工作压力（46.3 MPa）的1.5倍，满足《潜水系统与潜水器入级规范》关于极限承载压力的要求。

（2）充油密封舱

由于耐压密封舱直接承受海水的压力，随着作业深度的增加，舱体的壁厚也需增加，但这会增大耐压密封舱重量，最终导致装备整体的重量、体积、能耗和成本大大增加。为避免上述问题，可使用充油压力补偿的密封舱，其压力补偿原理如图2-19所示。在密封舱体中充满液压油并连接压力补偿器，压力补偿器会通过液压油将外部海水的压力动态地传递到密封舱内，以平衡舱壁内外的压力。

根据补偿器安装结构的不同，充油密封舱可分为分体式补偿和一体式补偿2种。分体式补偿结构指密封舱和补偿器为各自独立结构，通过输油管连通。分体式补偿器由外壳、弹簧和皮囊组成，如图2-20所示。分体式补偿器在工作时，通过弹簧提供预压力，当装备下潜后，海水压力作用在活塞上，挤压皮囊内的液压油，将压力传递到与之连通的充油密封舱内，使密封舱内压力始终略微高于外部的海水压力。

一体式补偿结构即将密封舱的封头改为一块皮囊，如图2-21所示，也称为自补偿结构。在受到海水压力时，皮囊相较于密封舱体先产生变形，将外部的压力传递到舱内的液压油中，以此平衡舱体内外压力。

图2-22所示为自主式深海着陆车的艏部分线盒与艉部分线盒，都为分体式充油密封舱的形式。分线盒内主要安装接线端子，内部的元器件都能够满足耐油和耐压要求。分线盒本体采用了非金属材料，在满足强度要求的情况下能够减轻分线盒重量。为便于观察分线盒内电路和信号情况，盖板采用了透明PC材料。分线盒上还安装有多个液压接头，用于连接补偿器和进行注油、排油、排气的操作。

（3）舱体密封结构

密封是为了防止固体或流体杂质侵入密封舱体内部，或防止密封舱体内部工作介质泄漏的措施。根据密封介质的不同，密封可分为液压密封和气动密封；根据接合零件之间是否存在相对运动，密封可以分为动密封和静密封。在深海装备中，密封舱体与封头之间、舱体与水密接插件之间的密封都属于液压静密封。

对于液压静密封，常用的密封方式包括O形圈密封、垫片密封、密封胶密封等。其中，O形圈是一种截面为圆形的橡胶密封圈，价格低廉、功能可靠、制造和安装简单，是目前深海装备中使用最多的密封方式。

在设计O形圈密封结构时，重点是确定O形圈的沟槽类型和沟槽尺寸。根据O形圈压缩方向的不同，沟槽类型主要分为径向密封、轴向密封和倒角密封3种。径向密封根据沟槽是开在舱体上还是端盖上分为活塞密封和活塞杆密封2种。轴向密封通常是靠内部部外部的压力挤压布置在轴向的O形圈起到密封作用。倒角密封是利用2个接合零件间形成的三角形空隙，从3个方向分别挤压O形圈来达到密封效果。相比于轴向密封和径向密封，倒角密封更节约空间，适合在对空间尺寸限制较多的场合应用。在设计时可根据密封面的形状、尺寸和密封流体的流动方向来选择合适的沟槽结构。

确定好沟槽结构后，就可以计算沟槽尺寸 h 。首先，需要确定密封面的基本尺寸，对于径向密封要确定 d ₄ （活塞密封）或 d ₆ （活塞杆密封），对于轴向密封要确定沟槽的内径 d ₇ （受内部压力时）或外径 d ₈ （受外部压力时）；然后，再根据尺寸 d ₄ / d ₆ / d ₇ / d ₈ ，查找国家标准《液压气动用O形橡胶密封圈 沟槽尺寸》（GB/T 3452.3—2005），确定O形圈的内径和线径（标准中分别以 d ₁ 和 d ₂ 表示）。选择O形圈时，线径 d ₂ 尺寸在有几种规格可选的情况下，优先选择较大线径的O形圈。确定好O形圈尺寸后，在《液压气动用O形橡胶密封圈 沟槽尺寸》中可查找对应沟槽宽度 b 和高度 h 。对倒角密封结构，其沟槽尺寸的设计可取经验公式 W =(1.3～1.4) d ₂ ，其中 W 是倒角长度。若设计尺寸不在标准之内，也可根据O形圈预拉伸率、预压缩率、压缩率、O形圈截面减小及溶胀等因素进行计算。（图2-23）

在设计自主式深海着陆车时，各个耐压密封舱和充油密封舱都采用了O形圈密封。耐压密封舱中装载了主要的控制元器件，为了保证密封的可靠性，采用了2道密封圈的结构；而为了减小2道密封圈同时失效的可能性，分别在不同的结合面进行密封。如图2-24所示，耐压密封舱因受限于其圆柱形舱体结构，没有足够的空间安装轴向密封，所以同时采用了一道径向密封和一道倒角密封的结构；充油密封舱则采用了轴向密封的结构，沟槽开在舱体上，装入O形圈后用盖板将其压紧，形成轴向密封效果。

2.3.4 抛载系统设计

深海装备下潜和上浮的方式可以分为动力潜浮和无动力潜浮两大类。动力潜浮是指装备在推进器等动力机构的驱动下实现下潜或上浮，而无动力潜浮是指装备通过调节自身浮力来进行下潜或上浮。

无动力潜浮常用的方式是通过配置压载物使装备的重力大于浮力，从而能够下潜，作业完成后再抛弃压载物上浮，其中用于安装和释放压载物的整套机构及其控制装置称为抛载系统。

（1）抛载系统类型

抛载系统主要由压载物、安装机构和释放装置组成，其中释放装置是抛载系统中最重要的组件。释放装置按其执行机构类型分类，可以分为电动式、电磁式、热熔式和机械式4类。在实际工程中，释放装置的结构各不相同，但原理基本相同，图2-25为典型释放装置原理图。

电动式释放装置以电机作为驱动，通过电机旋转运动触发释放机构进行抛载，其结构可靠、负载大，且一般在不动作时不消耗能量，是最常用的释放装置类型。

电磁式释放装置利用电磁铁通电产生磁性的特点，可以直接将材质为铁磁性物质的压载物吸附到电磁铁上，断电后即可抛载。电磁铁断电抛载的特性也可用在应急场合，即当装备发生故障导致系统断电时进行抛载，保证装备安全上浮。对于需要长周期作业的深海装备，持续使用电磁铁吸附压载物会消耗较多电量，在这种情况下可以设计一套触发机构，让电磁铁在上电时才触发抛载动作，这样电磁铁就无须持续通电，可以减小能量的消耗。当然，该方案不如断电抛载安全。

热熔式释放装置利用电阻丝通电发热的原理，当电阻丝上通过的电流达到一定值时，产生的热量可以使电阻丝升温到自身的熔点从而熔断，触发释放装置抛弃压载物。热熔式释放装置具有结构轻巧紧凑、无运动机构、功耗低等特点，适用于各类小型海洋装备。

机械式释放装置不需要其他能源，它是通过机械结构的运动完成抛载的装置。机械式释放装置的结构多种多样，主要类型有超深抛载、触底抛载、机械定时抛载等，一般需要根据使用场合具体设计。

（2）主动抛载与被动抛载

深海探测装备自主判断抛载的时机并发出抛载指令，称为主动抛载。如果抛载指令不是由装备自主发出，而是由外界信号触发的，称为被动抛载。

主动抛载系统的决策是基于装备自身携带传感器检测的状态量或设计者依据自身经验来设计的相应策略，但是水下作业的环境复杂多变，传感器能够感知的状态有限，电控系统也可能出现故障，只依靠主动抛载系统无法保证深海装备的安全。被动抛载系统不依靠深海装备控制系统的决策（如接收到水面单元发送的声学信号后执行抛载的声学释放器），甚至可以不需要水下装备（如各类机械式释放装置）提供能源，即使在深海探测装备出现故障的情况下也能够独立完成抛载。但被动抛载无法获得装备目前的状态信息，抛载可能会打断正在进行的作业。

（3）深海着陆车组合抛载系统

自主式深海着陆车在海底作业时，因履带与沉积物淤泥之间的吸附作用、抛载系统的结构锈蚀及被异物卡死等原因，可能导致其在执行抛载动作后上浮失败。为避免出现上述情况，设计了一套组合抛载系统，其结构如图2-26所示，主要包含主动抛载装置、被动抛载装置和抛载状态检测装置。

自主式深海着陆车组合抛载系统将主动抛载释放器与被动声学释放器执行器经拉绳串联在一起，任意释放器产生抛载动作即可成功释放压载铁。主动抛载释放器经着陆车控制器发出的抛载信号自主执行，被动声学释放器经母船上释放器水面单元发出声学抛载信号来触发抛载。该组合抛载模式保证了抛载可靠性。

图2-27为组合抛载系统工作流程示意图。着陆车组合抛载系统中包含一套抛载状态检测装置，通过电磁感应元件检测压载铁上永磁体的磁场来判断压载铁是否顺利释放，为抛载系统提供反馈信号。主控制器综合抛载状态和深度计数据，判断此时抛载是否成功和着陆车是否上浮。若未成功上浮，可能出现压载铁挂钩卡死、履带陷入地面或被障碍物卡住等异常情况，此时可以控制系统驱动电机进行移动，使着陆车摆脱异常状态，正常上浮。

2.3.5 防腐防污设计

海洋环境复杂未知，海水中含有各种各样的矿物质盐和海洋生物，海洋探测装备的金属材料在此环境中会受到不同程度的腐蚀，导致材料性能降低，严重时甚至会产生失效破坏，给装备带来重大损失。因此，海洋装备的防腐防污格外重要。

（1）腐蚀与污损类型

海洋探测装备的金属材料在海洋环境中发生的腐蚀可以分为电化学腐蚀和生物污损腐蚀两大类（图2-28）。电化学腐蚀的成因是海水中溶解氧（阴极）和金属材料（阳极）导通形成原电池，金属材料表面被氧化发生腐蚀。海水中含有大量的矿物质盐和较高的溶解氧含量，导致大多数金属在海水中有很快的电化学腐蚀速率。海流的冲刷会加速金属表面腐蚀产物和保护层的剥落，进一步促进电化学腐蚀。海水的温度、pH值、压力和海洋生物也会对金属材料的电化学腐蚀速率产生影响。

电化学腐蚀的另一种情况是发生在2种或2种以上的金属之间，由于各自电极电位不同而构成了原电池，导致阳极金属被腐蚀，此类腐蚀也称为电偶腐蚀。海洋探测装备往往不止用到1种金属材料，不同金属材料接触的部位就会出现电偶腐蚀。为了防止发生电偶腐蚀，在设计海洋探测装备时应尽量少使用不同的金属材料。若需要用到不同金属材料，也应避免2种材料相互接触，或是做好其他防腐蚀措施。

生物污损腐蚀是海洋微生物、植物和动物附着于金属材料表面并不断生长和繁殖的现象。生物污损会加快金属材料的腐蚀速率，造成观测和通信设备失灵，增大航行阻力，降低装备的可靠性，提升维护成本。生物污损与海洋的盐度、温度、溶解氧、光照等因素有关，这些因素也直接影响生物的生存和繁殖。通常来说，深度在200 m以内海域的生物污损程度较为严重，而在深度超过1 200 m的海域，生物污损的程度就会变得十分轻微。

（2）防腐防污方法

水下装备常用的金属材料防腐蚀方法包括选用耐腐蚀金属材料、牺牲阳极法、防腐蚀涂层保护等。

海洋探测装备中常用的耐腐蚀金属材料包括不锈钢、铝合金和钛合金。耐腐蚀金属材料与海水中的溶解氧接触时，会在其表面生成一层致密的氧化膜，氧化膜与金属材料基体紧密地结合在一起，能够阻止金属材料进一步腐蚀。当然，也可以人为地提前做阳极氧化处理，形成致密氧化膜，起到保护作用。钛合金表面氧化膜的致密程度和形成速度都强于和快于不锈钢和铝合金表面氧化膜，因此钛合金在海水中会表现出更强的耐腐蚀能力。

牺牲阳极法是利用电偶腐蚀原理，在金属材料表面上连接其他金属，通过消耗阳极材料来保护阴极金属不被腐蚀。被用作牺牲阳极的金属必须比被保护的金属电位更低，才能起到保护作用。常用的牺牲阳极材料有镁合金和锌合金。牺牲阳极保护的方法成本低、使用简单、无须维护，目前已大量应用在海洋装备中。

防腐蚀涂层能够有效地将金属材料与海水隔绝开，保护金属材料不受腐蚀。海洋防腐蚀涂料除了耐海水腐蚀外，还应该具备耐冲刷、划伤和磨损，对材料表面有良好的附着力，以及涂装简单、方便等特性。

特殊种类的防腐蚀涂层对于生物污损腐蚀也有很好的防护效果，其主要作用机制有2类，一是通过涂层改变材料表面性质，使材料表面不利于生物附着；二是将具有杀毒作用的化合物添加到传统涂料中，使之缓慢释放，杀死附着在材料表面的海洋生物。

（3）着陆车防腐防污处理

自主式深海着陆车作业深度基本都超过1 000 m，在此深度下，生命的丰富度较低，生物污损腐蚀的情况比较轻微，因此，主要针对电化学腐蚀采用多种防腐蚀方法相结合的方式处理。着陆车主框架和关键结构件，都采用了耐腐蚀性强的钛合金材质，可以保证在长周期运行时最大限度地减轻腐蚀情况。而着陆车搭载的各类载荷中，还会有铝合金和不锈钢材质的零部件，如：超短基线的壳体为铝合金，摄像机壳体为不锈钢。对于铝合金零件，可以通过表面阳极氧化处理提升其耐腐蚀能力；对于不锈钢零件，一般选用316 L材质，其耐腐蚀性比普通不锈钢更强。各种不同的金属材料接触时会发生电偶腐蚀，可以采用非金属连接件过渡或增加橡胶隔垫的方法，将不同材质的金属材料分隔开，以避免电偶腐蚀的发生，如图2-29a与图2-29b所示。为了进一步提升着陆车在长周期作业时的耐腐蚀能力，还可以采用牺牲阳极法，在较容易发生腐蚀的位置安装牺牲阳极。图2-29c为采用镁合金作为牺牲阳极保护旁边的铝合金零件。