Оптимизация конструкции подводного ROV:индивидуализация, материалы и коррозионная стойкость

Сложный процесс проектирования и настройки транспортных средств с дистанционным управлением (ROV) использует точность и гибкость индустрии ЧПУ. Обработка деталей ROV требует тщательного рассмотрения, особенно коррозионной стойкости подводных алюминиевых корпусов, а также стратегического выбора таких материалов, как конструкционные пластмассы, известные своими улучшенными механическими и термическими свойствами.

Однако такие сложности проектирования и производства часто создают проблемы при механической обработке. В этой статье мы углубимся в технические особенности успешного развертывания дистанционно управляемых транспортных средств в подводных условиях. Давайте исследовать!

Проектирование дистанционно управляемых транспортных средств и подводных инструментов требует тщательного рассмотрения нескольких факторов, включая защиту от коррозии, выбор материалов и обработку поверхности.

1. Защита от коррозии при производстве подводных алюминиевых корпусов

Подводные корпуса ROV являются одними из наиболее важных компонентов ROV, защищая важную электронику и внутренние механизмы. Защита от коррозии особенно важна при изготовлении подводных корпусов, где преобладают такие материалы, как алюминий.

Чтобы обеспечить долговечность и функциональность компонентов, включая рамы, инструменты и аксессуары, обычно используется двойной подход к защите от коррозии:защита покрытия и катодная защита, при этом особое внимание уделяется катодной защите алюминия для подводных частей ROV.

Защита покрытия от коррозии

Подверженность частей подводного ROV коррозии в морской среде требует наличия надежной стратегии защиты. Защита покрытия, соответствующая таким стандартам, как NORSOK M-501, System 7, обеспечивает первоначальный барьер. Этот метод широко используется в подводных конструкциях, таких как корпуса, детали и манифольды ROV. Эти покрытия тщательно наносятся для защиты от агрессивных морских элементов.

Катодная защита

Одного покрытия недостаточно для комплексной защиты подводных помещений. Этот недостаток приводит к тому, что катодная защита играет решающую роль, особенно катодная защита алюминия. Алюминий является эффективным жертвенным анодом с потенциалом около -1,05. При использовании в установках гальванической катодной защиты алюминиевые аноды защищают материалы с более высоким потенциалом, что является решающим принципом при настройке компонентов ROV.

Как работает катодная защита?

Механика катодной защиты алюминия в подводной среде включает преобразование активных анодных участков на металлических поверхностях в пассивные или катодные участки. Это достигается за счет подачи свободных электронов из более активного источника — жертвенных анодов, обычно изготовленных из более активных металлов по сравнению со сталью. В этой жертвенной системе алюминиевые аноды корродируют вместо защищаемой конструкции, тем самым значительно продлевая срок службы корпуса и деталей ТНПА.

Понимание электрохимических процессов, лежащих в основе этой защиты, имеет важное значение для проектирования прототипа ROV и разработки специального ROV. Взаимодействие между двумя разнородными металлами в присутствии электролита (соленой воды) инициирует поток тока от более активных (анодных) к менее активным (катодным) участкам. Использование алюминиевых анодов в этой гальванической паре является стратегическим выбором, учитывая их высокий уровень активности по сравнению со сталью.

Такой подход обеспечивает структурную целостность и эксплуатационную эффективность ROV, позволяя ему выполнять сложные задачи в сложных подводных условиях.

2. Повышение эффективности подводных инструментов ROV с помощью инженерных пластиков

В области проектирования аппаратов с дистанционным управлением (ROV) использование инженерных пластиков, в частности полиоксиметилена (POM), имеет решающее значение для повышения производительности подводных инструментов ROV. Эти материалы, известные своим легким весом, устойчивостью к коррозии и долговечностью, стали незаменимыми при изготовлении корпусов ROV, сопел двигателей, куполов объективов камер и различных конструктивных деталей.

ПОМ, известный своей прочностью и длительным сроком службы, особенно выгоден в морском применении. Его свойства низкого трения устраняют необходимость во внешней смазке, что снижает требования к техническому обслуживанию оборудования ROV. Его совместимость с различными подводными инструментами и устойчивость к воздействиям окружающей среды делают его предпочтительным выбором для проектирования ROV. Присущие ПОМ характеристики, в том числе прочность, ударопрочность и способность выдерживать вибрацию и истирание, идеально соответствуют требованиям подводных операций на дистанционно управляемых аппаратах.

Конструкционные пластики, такие как ПОМ, ПК, АБС и ПП, также обеспечивают гибкость конструкции. Они позволяют создавать детали ROV с различными цветами и текстурами поверхности, обеспечивая как эстетические, так и функциональные преимущества. Кроме того, электроизоляционные свойства пластика защищают чувствительные электронные компоненты внутри ROV, обеспечивая бесперебойную работу во время подводных миссий.

С точки зрения устойчивости морской среды инженерные термопласты представляют собой значительное преимущество. Многие из этих материалов подлежат вторичной переработке, что соответствует растущему вниманию к охране окружающей среды при проектировании и развертывании подводного оборудования. Использование перерабатываемых материалов при производстве ROV снижает воздействие на окружающую среду и способствует достижению целей отрасли в области устойчивого развития.

3. Выбор подходящей отделки поверхности для деталей ROV

Подводные инструменты должны работать в экстремальных условиях, а качество поверхности в значительной степени обеспечивает эффективность работы. Используются несколько важных видов обработки поверхности, каждая из которых адаптирована к уникальным требованиям подводной среды.

• Анодирование: Этот электрохимический процесс, часто применяемый к алюминиевым компонентам, повышает коррозионную стойкость и износостойкость. Он идеально подходит для рамок ROV, инструментов и деталей подводных корпусов ROV, обеспечивая прочную, непроводящую поверхность.
• Порошковое покрытие: Благодаря превосходной коррозионной стойкости порошковое покрытие обеспечивает устойчивость к суровым морским условиям. Он подходит для более крупных компонентов ROV, обеспечивая долговечность и эстетическую привлекательность.
• Хелектрохимическое никелирование: Такая отделка обеспечивает равномерную толщину покрытия, отличную коррозионную стойкость и повышенную твердость. Это особенно полезно для сложных инструментов и механических деталей ROV, которые требуют точных размеров и высокой прочности.
• Керамические покрытия: Керамические покрытия, известные своей исключительной твердостью и термобарьерными свойствами, используются в деталях, подвергающихся воздействию высоких температур и абразивных условий, таких как сопла двигателей.
• Хроматное конверсионное покрытие: Наносимое в первую очередь на алюминиевые детали, это покрытие обеспечивает хорошую коррозионную стойкость, электропроводность и хорошую основу для последующего нанесения краски.

Индустрия ЧПУ с ее возможностями точной обработки играет важную роль в точном нанесении этой отделки. Правильное сочетание этих видов отделки поверхности в значительной степени способствует эффективности, надежности и долговечности подводных аппаратов.

Как изготавливаются нестандартные компоненты оборудования ROV с помощью станков с ЧПУ?

ROV состоит из подводной двигательной установки, системы подводной камеры, операционной системы и основной рамы. Глубина погружения ROV требует, чтобы материалы обладали достаточной прочностью и устойчивостью к коррозии, большая выносливость требует, чтобы детали были легкими и компактными, а обрабатываемые детали - идеальной сборкой и герметизацией.

В этом разделе мы поделимся практическим примером настройки каждого типа компонента ROV.

1. Подводная двигательная установка

Подводная двигательная установка аппарата состоит из гребных движителей. Эти пропеллеры обеспечивают движение транспортного средства для управления его движением. Они обладают превосходной маневренностью и высокой эффективностью движения, позволяя напрямую регулировать углы наклона лопастей и скорость вращения. Как правило, большинство ROV имеют несколько двигателей, что позволяет ROV двигаться в нескольких направлениях. В состав гребного винта входят приводной двигатель, подшипники, дефлектор и лопасти.

Имя

Материал

Процесс(прототип)

Процесс (производство)

Отделка поверхности

Приводной двигатель (защитный корпус)

АБС, ПК, нейлон

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Подшипник

СС316

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Воздушный дефлектор

АБС, ПК, нейлон

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Пропеллер

Алюминиевый сплав

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Шлифование/Анодирование

Приводной двигатель и дефлектор изготовлены из материалов ABS, ПК и нейлона, которые обладают превосходной ударопрочностью и прочностью. Подшипники изготовлены из материала SS316. Подшипники из нержавеющей стали устойчивы к ржавчине, обладают высокой коррозионной стойкостью и могут адаптироваться к глубоководной среде,  гарантируя длительный срок службы компонентов.

Ключом к производству компонентов гребного винта является сам гребной винт. Материалом гребного винта может быть алюминиевый сплав или ПОМ, обладающий высокой прочностью, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, подходящий для использования под водой.

Для повышения эффективности и производительности ТПА необходимо обеспечить высокую точность обработки, хорошую чистоту поверхности и легкий вес изготовленного винта. Точность поверхности пропеллера является ключевым фактором для векторного управления несколькими пропеллерами, часто требуя точного пятиосного соединения для идеальной обработки поверхности.

После обработки точность определяется путем сканирования разности поверхностей с помощью 3D-сканера. Лопасти гребного винта после механической обработки требуют ручной полировки для достижения шероховатости поверхности менее Ra0,8 мкм. Гладкая поверхность может уменьшить сопротивление потоку воды, уменьшить вредное трение и увеличить срок службы гребного винта.

2. Основной кадр

Основная рама ROV в основном состоит из рамы, устойчивой к давлению кабины и аккумуляторного отсека, который играет роль в защите внутренних основных компонентов.

Имя

Материал

Процесс(прототип)

Процесс (производство)

Отделка поверхности

Рамка

СС304

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Устойчивая к давлению кабина

АЛ6061-Т4

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Твердый анодированный

Корпус батарейного отсека

Алюминиевый сплав

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Твердый анодированный

Общая каркасная конструкция ROV сварена из нержавеющей стали. Конструкция рамного типа имеет большое внутреннее пространство, которого достаточно для установки других основных компонентов. SS304 обладает превосходной коррозионной стойкостью и устойчивостью к воздействию агрессивных агентов в морской воде. Он также обладает высокой прочностью и долговечностью, что позволяет ему выдерживать суровые условия морской среды, такие как высокая влажность, изменения температуры и механические удары.

Камера давления изготовлена из AL6061-T4. Прецизионная алюминиевая трубка 6061-T4 изготовлена ​​из высококачественного алюминия, обеспечивающего превосходную устойчивость к износу и коррозии. По сравнению с другими металлическими материалами, применение AL6061-T4 может снизить общий вес ROV, увеличивая скорость движения и общие характеристики ROV. На этапе производства покупка полых трубок AL6061-T4 для обработки может сэкономить материальные затраты.

Усовершенствованная технология питания от аккумуляторов позволяет ROV быть автономным и портативным без физического управления с помощью тросов. Батарейный отсек ROV имеет прочный и водонепроницаемый корпус из алюминиевого сплава для защиты внутренней литиевой батареи. При полной зарядке ROV может нормально работать 8-10 часов.

3. Дополнительная подводная система визуализации

Вспомогательная система подводной съемки ROV в основном состоит из подводной камеры и гидролокатора. Подводные камеры служат одновременно навигационными и наблюдательными/измерительными устройствами, а гидролокатор может обнаруживать подводную местность или сложные объекты с помощью звуковых волн, что особенно полезно для обхода крупных препятствий.

Камера подводной камеры высокого разрешения расположена в кабине обнаружения. Передняя часть кабины обнаружения оснащена полукруглой линзой, отвечающей требованиям светопропускания внутренней камеры. Кабина обнаружения и полукруглая линза обрабатываются на станке с ЧПУ.

НазваниеМатериалПроцесс(прототип)Процесс(производство)Обработка поверхностиКабина обнаруженияАлюминиевый сплав/Обработка POMCNCЛитье под давлением/Литье под давлениемЖесткое анодированиеПри механической обработкеСмола3D-печать (SLA)СырьеПолукруглая линзаПолупрозрачная PMMACNC-обработкаЛитье под давлениемПольский прозрачныйПрозрачный полимер3D-печать (SLA) Польский прозрачный

Перед официальным производством мы можем воспользоваться услугами 3D-печати и обработки с ЧПУ для тестирования прототипа кабины обнаружения и полукруглой линзы. 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы для проверки базовой структуры и размеров. Однако точность обработки при 3D-печати невысока, а материал относительно хрупок и не устойчив к давлению. Эффект прозрачности полукруглой линзы, изготовленной с помощью 3D-печати, также уступает эффекту обработки на станке с ЧПУ. Для достижения точной сборки и водонепроницаемой герметизации по-прежнему требуется обработка на станке с ЧПУ.

Прототипирование с использованием станков с ЧПУ позволяет изготовить камеру обнаружения либо из алюминиевого сплава, либо из ПОМ. ПОМ и анодированный алюминиевый сплав обладают высокой прочностью, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, что позволяет работать в подводной среде под высоким давлением. Для интеграции различных акустических и оптических датчиков структура модуля кабины обнаружения компактна; при этом должна быть обеспечена точная сборка и герметизация.

Существуют строгие требования к допускам сборки и чистоте поверхности. Допуск поверхности сборки должен достигать ±0,025 мм, а шероховатость поверхности должна достигать Ra0,8 мкм. В полукруглой линзе используется материал ПММА, а поверхность необходимо вручную отполировать до Ra 0,02–0,04 мкм, чтобы соответствовать требованиям по устойчивости к давлению и светопропусканию для внутренних камер.

4. Операционная система

Для работы ТПА рабочего класса могут быть оснащены манипуляторами. Манипуляторы с гидравлическим приводом широко используются при глубоководных операциях, обеспечивая надежную несущую способность и плавность движений, что повышает эффективность работы и снижает затраты на рабочую силу. Рукоятки гидравлического манипулятора в основном состоят из корпуса стрелы, рамы стрелы, приводного вала и рукоятки.

Имя

Материал

Процесс(прототип)

Процесс (производство)

Отделка поверхности

Тело руки

АЛ 7075

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Жесткое анодирование

Бум

СС304

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Приводной вал

СС304

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Ручка

СС304

Обработка с ЧПУ

Литье под давлением

Как обработано

Корпус манипулятора изготовлен из материала AL7075, известного своим легким весом, быстрым откликом, высокой прочностью и повышенной коррозионной стойкостью благодаря твердой анодированной поверхности. Конструкция рычага, приводной вал и рукоятка изготовлены из нержавеющей стали SS304, которая устойчива к коррозии, высокопрочна, проста в очистке и обслуживании. После операций роботизированную руку можно промыть водой.

Манипуляторы с гидравлическим приводом характеризуются небольшими размерами, легким весом, малой инерцией, компактной конструкцией и гибкостью компоновки. Ключевыми моментами обработки манипулятора с гидроприводом являются точность соответствия оси отверстия и требования к чистоте поверхности. Допуск отверстия приводного вала манипулятора робота составляет H7, а шероховатость поверхности деталей должна достигать Ra0,8 мкм. Высокоточная обработка и гладкие поверхности позволяют снизить износ манипулятора робота и продлить срок его службы.

Проблемы обработки ROV

Проектирование и производство подводного оборудования представляет собой ряд проблем, которые отрасль ЧПУ должна решить для достижения оптимальных результатов.

1. Обеспечение долговечности и точности

Первостепенной задачей при проектировании ROV является обеспечение долговечности рамы и компонентов, учитывая частые удары и условия высокого давления, которым они подвергаются. Станки с ЧПУ позволяют создавать каркасные стены и углы с предельной точностью, что является ключевым фактором в сохранении всей конструкции в суровых морских условиях.

Более того, создание нестандартных отверстий и секций и поддержание соответствующей толщины жизненно важно для долговечности ROV. Точность этих процессов гарантирует, что компоненты ROV, включая корпус, смогут выдерживать повторяющиеся удары, типичные во время подводных исследований.

Это связано с тем, что специальные отверстия и секции, обработанные по точным спецификациям, более равномерно распределяют нагрузку по конструкции, снижая вероятность разрушения под давлением или ударом. Поддержание необходимой толщины в ключевых областях еще больше повышает структурную устойчивость ROV, гарантируя, что они останутся прочными и надежными во время эксплуатации.

2. Надлежащая электрическая изоляция и герметизация

При производстве ROV герметизация и электрическая изоляция имеют решающее значение.

Технические термопласты, такие как полиоксиметилен (ПОМ), играют важную роль в электроизоляции и герметизации подводных аппаратов. ПОМ обладает свойством низкого водопоглощения и может сохранять целостность под давлением и в соленой среде. Это обеспечивает долговечность электросистем и предотвращает попадание воды, что имеет решающее значение для эксплуатационной надежности подводных аппаратов.

3. Соответствие индивидуальным требованиям

Настройка ROV для удовлетворения конкретных эксплуатационных требований представляет собой серьезную проблему. Процесс разработки обычно начинается с 3D-моделирования, за которым следует тщательное тестирование, включая анализ методом конечных элементов (FEA) и структурный анализ. Этот подход выявляет потенциальные слабые места и позволяет внести коррективы перед началом производства.

Обработка сложных деталей ROV требует использования интегративных 5-осевых станков. Эти станки облегчают прецизионную обработку сложных деталей, гарантируя, что каждый компонент точно соответствует спецификациям индивидуальной конструкции ROV. Такая точность жизненно важна для успешной интеграции всех функций ROV, обеспечения его функциональности и надежности при выполнении разнообразных подводных задач.

Заключение

Проектирование и обработка деталей ROV требуют точности, долговечности и индивидуальной настройки для решения уникальных задач подводной среды. Решение этих проблем требует тщательного подхода к выбору материалов, методам обработки и испытаниям конструкции. Тем, кто хочет разобраться в этих сложностях проектирования и обработки деталей ROV, настоятельно рекомендуется проконсультироваться со специалистами в этой области, чтобы обеспечить оптимальную производительность и надежность систем ROV.