一种手持式深海网箱网衣修补气动钉枪的设计

陈泽佳，李卓恒，徐健城，陈健民，肖嘉俊，张 静＊

（1.广东海洋大学 机械与动力工程学院，广东 湛江 524088;2.广东海洋大学 电子与信息工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

随着海洋强国战略的实施，海水养殖产业充分利用国土资源成为了合理开发海洋资源的重要途径。为实现渔业的可持续发展，深远海网箱养殖成为我国海水渔业养殖的主要发展方向。就网箱监测而言，一旦网衣出现破损，若无法及时修补，将出现鱼类逃逸的问题，这不仅会给养殖业带来巨大的经济损失，而且会产生严重的生物物种污染。然而网箱网衣破损的及时修补一直处于技术滞后状态。目前养殖过程中针对网衣破损的及时修补，常采用定期换网或专业潜水员携带网针渔线等工具进行水下网目排查修补的方式，其过程较为烦琐，不仅存在操作效率问题，而且还需要熟练的网衣修补潜水员，对潜水员来说存在极大的安全隐患。因此，网衣的破损能否及时修补及其修补效率已成为影响深海网箱养殖健康发展的一个关键问题。本研究提出一种手持式深海网箱网衣修补气动钉枪设计，适用于提高潜水员在水下的网箱网衣修补工作效率。

1 网衣修补夹枪的设计思路和方案

1.1 设计思路

深海网箱养殖主要分布在水下10 ～ 200 m 海域内，在此环境下的水下洋流方向错综复杂，且洋流力度较大，给潜水员的网衣检查修补工作造成极大的干扰。目前针对网衣破损（图1），潜水员主要采用梭形网针和渔线（图2）在水下逐个网目排查并进行修补，不仅工作效率低、不易操作且对潜水员在水下进行网衣修补的熟练程度有一定要求。结合深海网箱养殖的特殊环境因素以及潜水员的人体机能因素，采用气体活塞驱动和连杆机构传动原理，深海网箱网衣修补气动钉枪主要分为储气缓冲部分、控气部分、活塞驱动部分、钳钉部分和储钉部分[1]。在确保实现功能的前提下，降低结构的复杂程度，减少设备自身重量并进行一定的轻量化。

图1 网箱网衣破损

图2 梭形网针和渔线

1.2 设计方案

潜水员佩戴专业潜水设备、氧气瓶和网衣修补夹枪后，潜水对网箱进行排查，在发现网衣破洞后，通过网衣修补钉枪对网衣进行快速修补。工作时，潜水员将钉枪的钳口放入待修补的网孔周边的完好网孔（图3 中两个方块为钉枪钳的截面图），然后扣动扳手。由于钉枪通过密封气管与氧气瓶内的高压气体连接，扣动扳手时，氧气瓶内的高压气体立刻进入钉枪，紧接着通过固定在钉枪内部的密封气管进入活塞缸前端，随着气体的增加，活塞受压后移，带动与之固定的连杆机构，进而实现驱动钉枪钳合闭。由于夹枪前端固定有钉夹，钉夹内的环型钉受弹簧作用将环形钉固定在夹枪钳间，钉枪钳合闭，环形钉受力弯曲，从而实现对网衣破洞的修补[2]（图4）。

图3 钉枪钳工作过程中与修补网衣的相对位置示意图

图4 原理示意图

之后潜水员松开扳手，活塞受复位弹簧作用将活塞前端气体排出，通过出气管和单向阀将气体排至储气瓶中，至此完成一次水下网衣破洞修补工作。

2 网衣修补钉枪机械结构设计

网衣修补钉枪整体结构分为储气缓冲、控气、活塞驱动、钳钉和储钉5 大部分（图5）。钉枪基本参数见表1。

图5 网衣修补气动钉枪整体结构示意图

表1 钉枪基本参数

2.1 储气缓冲部分

该部分包括氧气瓶、阀座、耐高压密封气管和储气罐。通过阀座与密封气管实现氧气瓶和钉枪间的连接，氧气瓶既能为潜水员提供氧气，又能为钉枪提供气压来源和储气。由于氧气瓶中气压相较活塞内部气压过大，故通过储气罐实现一个缓冲过程，在满足为气枪储气的同时，还能对进入钉枪内的气体进行一个缓冲过程，避免因气压过大而造成对钉枪的损坏。

使用气体驱动的好处在于，在满足对钉枪驱动的同时，还能减轻钉枪重量，为夹枪提供适量的浮力，方便潜水员使用，达到安全环保的目的。

2.2 控气部分

为了方便潜水员控制驱动钉枪，设置了控气部分，主要由控气缸、扳手复位弹簧、O 型密封圈、扳手、压缩弹簧、密封套筒和输气管组成。受工作环境影响，控气部分的防水密封性要求较高，且需同时满足动静密封的要求，因此采用有良好密封性能，既可用于静密封，也可用于动密封的O 型密封圈。未工作时，受高压气体和扳手复位弹簧作用，O 型密封圈受压变形，在密封接触面上造成接触压力，由于接触压力大于海水压力，因此不发生泄漏。工作时，潜水员扣动扳手，扳手复位弹簧受力压缩，控气缸后端的O 型密封圈不再受压，气体沿进气孔和输气管迅速进入活塞缸内。由于控气缸前端的导气管内部固定有O 型密封圈、密封套筒和压缩弹簧，压缩弹簧通过与扳手后端固定，实现压缩产生弹力，反作用于导气管前端的密封套筒和O 型密封圈，使其受力压缩变形，达到潜水员扣动扳手时仍能保障控气缸的防水密封性的目的[3]。

2.3 活塞驱动部分

活塞驱动部分通过活塞缸、活塞盖、密封垫片、活塞杆、密封垫片、密封垫圈、出气管、活塞复位弹簧和连杆组成。活塞缸作为夹枪的驱动部分，其防水密封性要求高，故采用密封垫片，通过螺栓固定在活塞缸和活塞盖间，从而提高其气密性。当潜水员扣动扳手，气体进入活塞杆前端时，随着气体的不断增加，气体压缩活塞杆后退。活塞杆与连杆通过铆钉固定连接，带动连杆后退。当潜水员放松扳手后，活塞缸内气体不再增加，由于活塞缸后端与活塞杆间固定有活塞复位弹簧，活塞复位弹簧通过对活塞杆反作用，推动活塞杆，将活塞缸内气体通过出气管排回至氧气瓶内。

2.4 钳钉部分

此部分设计了两个夹钳，夹钳下方均设有与环形钉配合的凹槽，在固定环形钉的同时，便于对环形钉进行施力弯曲。夹钳之间通过扭转弹簧和铆钉固定连接，通过扭转弹簧对夹钳进行定位，同时达到减震和夹紧的功能。工作时，夹钳通过连杆与活塞连接，驱动夹钳的开闭，从而实现对环形钉的施力弯曲，达到快速修补网衣破洞的目的。

2.5 储钉部分

储钉部分通过钉枪外壳固定于钉枪前端，包括钉夹壳、弹簧、环形钉复位载体以及环形钉。工作时，环形钉复位载体通过弹簧将环形钉及时送至夹钳下方凹槽内，为潜水员下一次驱动夹枪做好准备。

2.6 辅助部件

辅助部件为单向阀，通过与出气管连接固定于钉枪底部，主要由阀芯、阀盖、阀体、弹簧垫片和弹簧组成。工作时，活塞受复位弹簧作用将活塞缸内气体通过出气管排出。为使气体顺利排至储气瓶，防止储气瓶中的气体倒流阻碍活塞缸排气，设计采用单向阀实现出气管与储气瓶的连接，从而保证钉枪不会因储气瓶中的气体倒流而影响工作[3]。

网衣修补气动钉枪示意图如图6 所示。

图6 网衣修补气动钉枪示意图

3 执行机构运动仿真验证

与传统的人工水下采用网针网线不断缠绕打结方式修补网衣相比，本设计创新性地运用气动压力做功，结合连杆驱动夹钳运动来进行网衣破洞修补，订书机式的执行机构和气枪的促发方式则让工作人员简单方便快捷的实现水下补网，摆脱传统人工低效修补的痛点。

网衣修补钉枪的主要执行机构为前端的夹钳和连杆传动机构，为进一步了解执行机构运动过程中的速度位移等关系，现采用SolidWorks 中所配有的Motion 运动仿真插件，来对执行机构在工作时其角位移变化规律（图7），连杆位移变化规律（图8）进行分析。

由仿真结果可知，执行机构的最大角位移为84°，连杆运动近似为平均速度1.5 mm/s 的匀速运动，符合所设计的功能需求和安全性能。

4 结语

随着我国海洋渔业的不断发展，对深海网箱配套设备的需求日益剧增。尽管网箱配套设备的研制已经初具规模，但其主要涉及起捕、分级、转运、检测、清理，针对水下网衣破损的及时修补却一直处于技术滞后状态，设计了一种手持式深海网箱网衣修补气动钉枪。该网衣修补气动钉枪在结构设计上简单，可靠性高，成本低，具有广泛的实用价值，对深海网箱水下网衣修补设备的发展具有一定的参考作用。