Bộ đẩy dưới nước: phối hợp lực đẩy, công suất và độ sâu định mức

Một bộ đẩy dưới nước là thiết bị đẩy phải chịu được môi trường mà nó làm việc, đồng thời tạo ra lực đẩy như công bố. Khả năng làm kín, khả năng chống ăn mòn và cấp độ sâu không phải những thông số phụ ở đây - chúng là khác biệt giữa một phương tiện hoàn thành khảo sát và một phương tiện bị ngập một khoang ở độ sâu 200 mét - và đó là lý do một bộ đẩy dưới biển được định thông số khá khác so với một động cơ cùng công suất trong không khí.

Hướng dẫn này trình bày cách các bộ đẩy kín có driver tích hợp được định thông số, những con số nào thực sự làm thay đổi một quyết định thiết kế, và bảy mẫu hiện được giới thiệu trong nhóm Bộ đẩy dưới nước trên ToBMS so sánh với nhau như thế nào. Mọi con số bên dưới đều lấy từ dữ liệu sản phẩm ToBMS hoặc thông số công bố của nhà sản xuất - không có con số nào là ước lượng.

Trả lời nhanh

Một bộ đẩy dưới nước là thiết bị đẩy kín kết hợp động cơ không chổi than, chân vịt và - trong nhóm này - một ESC tích hợp có điều khiển hai chiều, nên một bộ duy nhất có thể đẩy phương tiện theo cả hai hướng mà không cần hộp số đảo chiều hay van riêng. Việc chọn bắt đầu từ lực đẩy mà phương tiện cần để giữ vị trí hoặc cơ động, sau đó thu hẹp theo điện áp bus, công suất định mức và cấp độ sâu. Có hai dòng ở đây: dòng SW định mức 30 m cho công việc vùng nước nông và ROV cấp kiểm tra, và dòng DW định mức 350 m cho những nhiệm vụ sâu hơn. Trong mỗi dòng, tỷ lệ lực đẩy trên công suất nhất quán, nên lựa chọn thường được đưa ra dựa trên lực đẩy, độ sâu và khối lượng cùng lúc.

Điều gì quyết định một bộ đẩy dưới nước

Năm con số làm phần lớn công việc, và một trong số đó là một định nghĩa chứ không phải một con số.

Lực đẩy giữ vị trí tối đa

Lực đẩy trong nhóm này được công bố dưới dạng lực đẩy giữ vị trí tối đa - lực đẩy tĩnh tạo ra ở tốc độ tiến bằng không. Đó là điều kiện quan trọng để giữ vị trí trước dòng chảy, bắt đầu một thao tác cơ động từ trạng thái đứng yên hoặc chống lại lực căng của dây, và đây là lực đẩy lớn nhất mà bộ đẩy tạo ra: ngay khi phương tiện di chuyển, lực đẩy giảm đi. Vì vậy, so sánh các con số lực đẩy giữa các bộ đẩy chỉ có ý nghĩa nếu tất cả đều được nêu ở cùng điều kiện tốc độ bằng không, và nếu lực cản của phương tiện ở tốc độ nhiệm vụ được tính riêng. Một bộ đẩy chỉ được chọn kích thước theo con số giữ vị trí sẽ giữ vị trí tốt và di chuyển chậm.

Công suất định mức và tỷ lệ lực đẩy trên công suất

Công suất định mức cho biết bộ đẩy tiêu thụ bao nhiêu tại điểm làm việc định mức, và cùng với lực đẩy, nó xác định hiệu quả tạo lực đẩy. Trong cả nhóm này, tỷ lệ nằm trong một dải hẹp - khoảng 18.5 đến 23 kgf mỗi kilowatt - cho thấy một triết lý thiết kế duy nhất được áp dụng ở bảy kích cỡ khác nhau chứ không phải một dải có chỗ mạnh chỗ yếu. Điều đó quan trọng cho việc lập kế hoạch: nếu ngân sách công suất của phương tiện đã cố định, lựa chọn bộ đẩy trở thành vấn đề lắp bao nhiêu bộ và bố trí vectơ thế nào, chứ không phải tìm một mẫu hiệu quả hơn.

Điện áp bus và dòng điện

Hai dòng tách nhau ở điện áp: các bộ nhỏ hơn chạy trên bus 36 V, các bộ lớn hơn trên 48 V. Như với mọi hệ đẩy, điện áp quyết định dòng cần cho một mức công suất nhất định, và ở 1315 W trên bộ lớn nhất thì dòng tiêu thụ chính là thứ quyết định tiết diện cáp, định mức đầu nối và kiến trúc pin hay nguồn trên bờ. Những phương tiện mang pin riêng có thêm một ràng buộc - khối pin phải nằm trong một vỏ chịu áp, điều này thường đẩy thiết kế về phía điện áp cao hơn và dòng thấp hơn cho cùng một lực đẩy.

Cấp độ sâu

Đây là thông số phân tách hai dòng rõ rệt nhất: dòng SW định mức 0 đến 30 m và dòng DW 0 đến 350 m. Cấp độ sâu là thuộc tính của hệ làm kín và vỏ, không phải của động cơ, và đây là con số duy nhất không thể cải thiện sau khi mua. Một bộ 30 m có thể dùng ở 5 m, nhưng một bộ 350 m không được chế tạo chắc hơn mức cần thiết cho công việc nông - nó được thiết kế cho một chế độ áp suất khác, điều thường thấy rõ qua khối lượng và cách bố trí làm kín.

ESC tích hợp và điều khiển hai chiều

ToBMS mô tả nhóm này là bộ đẩy kín có ESC tích hợp và điều khiển hai chiều. Thực tế, điều đó có nghĩa bộ đẩy được điều khiển bằng lệnh chứ không phải bằng dây đấu trực tiếp - hệ điều khiển của phương tiện gửi một điểm đặt lực đẩy hoặc tốc độ, và phần điện tử tích hợp xử lý việc chuyển mạch cùng chiều quay. Điều khiển hai chiều loại bỏ nhu cầu về một cơ cấu đảo chiều riêng, và đó là điều cho phép một ROV nhiều bộ đẩy được bố trí vectơ và điều khiển hoàn toàn bằng phần mềm. Nó cũng có nghĩa giới hạn nhiệt và giới hạn dòng của bộ đẩy do phần điện tử nằm trong cùng vỏ kín đó quyết định, nên định mức này là định mức của cả hệ chứ không phải của động cơ.

So sánh bảy bộ đẩy dưới nước

Bảng này bao quát các bộ đẩy hiện được giới thiệu trong nhóm Bộ đẩy dưới nước , sắp xếp từ nhẹ nhất đến nặng nhất. Lực đẩy là lực đẩy giữ vị trí tối đa được công bố và công suất là giá trị định mức ở điện áp đã nêu.

Lực đẩy giữ vị trí tối đa (đo ở tốc độ tiến bằng không), công suất định mức ở điện áp bus đã nêu, cấp độ sâu, bao thể và khối lượng theo công bố của nhà sản xuất. Các con số lực đẩy của dòng SW được công bố dưới dạng giá trị tối thiểu chứ không phải giá trị chính xác. Bao thể cho biết đường kính ngoài và chiều dài như ghi trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất.

Đọc như một tổng thể, bảy bộ này tạo thành một dải lực đẩy liên tục từ 7 đến 25 kgf không có khoảng trống rõ rệt, và hiệu quả nhất quán trong cả dải. Điều phân biệt các dòng là độ sâu và khối lượng ở một mức lực đẩy cho trước: ở 12 đến 17 kgf, các mẫu SW nặng 1180 đến 1350 g trong khi các mẫu DW ở 15 đến 20 kgf nặng 1260 đến 1630 g. Các bộ DW nặng hơn ở mức lực đẩy tương đương vì hệ làm kín và vỏ chịu áp bổ sung vật liệu không liên quan gì tới việc tạo lực đẩy. Nếu nhiệm vụ không bao giờ xuống dưới 30 m, khối lượng thêm đó bị mang theo một cách vô ích - và trên một ROV mà thời lượng hoạt động cùng tải trọng vốn đã chật vật, đó là một cái giá thực sự.

Lực đẩy trên mỗi đơn vị khối lượng tăng theo kích cỡ trong dòng DW, từ khoảng 11.9 kgf/kg ở DW10 lên 14.0 kgf/kg ở DW25. Bộ lớn nhất cũng là bộ hiệu quả nhất về khối lượng, và hai mẫu DW lớn nhất dùng chung đường kính 152 mm nhưng khác nhau về chiều dài và khối lượng - một chi tiết hữu ích khi khung có bao thể lắp đặt cố định và ngân sách tải trọng có thể chấp nhận thêm 160 g để đổi lấy 5 kgf lực đẩy.

Dòng SW: SW7, SW12 và SW17

Dòng SW được định mức tới 30 m và là lựa chọn nhẹ hơn ở mọi mức lực đẩy. Cả ba đều được ToBMS mô tả là bộ đẩy kín có ESC tích hợp và điều khiển hai chiều.

SW7: 7 kgf trong 700 g

Bộ SW7 là điểm khởi đầu: ít nhất 7 kgf lực đẩy từ 360 W công suất định mức ở 36 V, trong một bộ 700 g. Phần tổng quan trên ToBMS của nó nêu một thiết kế chân vịt và hệ làm kín được tối ưu cho ROV và AUV nhỏ. Ở 360 W trên bus 36 V, dòng tiêu thụ khiêm tốn, giúp yêu cầu về cáp và đầu nối đơn giản trên một phương tiện nhỏ - ràng buộc thực tế đối với một micro-ROV có thể được nối dây từ 10 đến 100 m cáp.

SW12: 12 kgf trên bus 48 V

Bộ SW12 chuyển sang 48 V với ít nhất 12 kgf lực đẩy từ 520 W, ở 1180 g. Phần tổng quan trên ToBMS của nó hướng tới ROV cấp kiểm tra, và bước nhảy điện áp là thay đổi đáng chú ý: ở 520 W, bus 48 V cần khoảng một phần tư dòng so với mức tương đương 12 V, và đó là điều khiến dây dài hơn cùng cáp nhẹ hơn trở nên khả thi. Công việc kiểm tra cũng là chế độ mà biên dự trữ lực đẩy quan trọng - một phương tiện phải giữ vị trí trước dòng chảy trong khi người vận hành nghiên cứu một kết cấu là đang chạy các bộ đẩy liên tục chứ không theo từng đợt.

SW17: bộ lớn nhất cho vùng nước nông

Bộ SW17 đạt ít nhất 17 kgf từ 870 W công suất định mức ở 48 V, trong một bộ kín 1350 g. ToBMS mô tả nó là nguồn lực mạnh và sạch cho ROV cấp công việc và robot dưới nước - và ở 17 kgf, đây là mức mà một bộ đẩy duy nhất có thể dịch chuyển một phương tiện đáng kể, nên độ cứng của khung và cách lắp đặt trở nên quan trọng như chính định mức của bộ đẩy. Vì dòng SW dừng ở 30 m, bộ này thường sẽ được thấy trên những phương tiện làm việc trong cảng, bể chứa, sông và các điểm ven biển nông hơn là ngoài khơi.

Dòng DW: DW10, DW15, DW20 và DW25

Dòng DW được định mức tới 350 m và bao quát 10 đến 25 kgf. Con số 350 m là khác biệt định hình so với dải SW.

DW10: định mức 350 m ở 840 g

Bộ DW10 cung cấp 10 kgf lực đẩy từ 540 W ở 36 V trong vỏ Ø100 × 148 mm, 840 g. Phần tổng quan trên ToBMS mô tả nó là hiệu quả và ít tiếng ồn, phù hợp cho việc cơ động ROV và các phương tiện dưới nước nhỏ. Với một phương tiện cần khả năng lặn sâu nhưng không cần lực đẩy lớn - một ROV khảo sát hoặc quan sát nhỏ - đây là mẫu mua được cấp độ sâu 350 m với khối lượng xấp xỉ SW7.

DW15 và DW20: tầm trung

Bộ DW15 cung cấp 15 kgf từ 750 W ở 48 V trong thân Ø130.6 × 174.5 mm, 1260 g, và bộ DW20 cung cấp 20 kgf từ 910 W trong thân Ø152 × 182 mm, 1630 g. Cả hai đều được ToBMS mô tả là cân bằng giữa lực đẩy, hiệu quả và độ bền cho những nhiệm vụ ROV khắt khe. Bước giữa chúng là điểm thú vị đối với người thiết kế khung: 152 mm đường kính được chia sẻ với DW25, nên một phương tiện được thiết kế quanh bao thể DW20 có thể nâng cấp lên bộ lớn hơn trong cùng không gian lắp đặt, với chi phí 160 g mỗi bộ đẩy và mức tăng khiêm tốn về dòng tiêu thụ.

DW25: mẫu chủ lực

Bộ DW25 là bộ lớn nhất trong nhóm: 25 kgf lực đẩy từ 1315 W công suất định mức ở 48 V trong vỏ Ø152 × 191 mm, 1790 g. ToBMS mô tả nó là mang lại lực đẩy mạnh mẽ và đáng tin cậy cho ROV lớn và phương tiện dưới nước hạng nặng, và nó có tỷ lệ lực đẩy trên khối lượng cao nhất trong bộ với khoảng 14 kgf mỗi kilôgam. Nhà sản xuất đã công bố một video giới thiệu riêng cho nó, được nhúng bên dưới.

Bộ đẩy dưới nước được dùng ở đâu

Trên ToBMS, mỗi bộ đẩy trong nhóm này đều gắn với một ứng dụng duy nhất, phản ánh mức độ đặc thù của chế độ làm việc.

Đẩy ROV và giữ vị trí

Bộ đẩy ROV bao quát phương tiện kiểm tra, khảo sát, can thiệp và cấp công việc. Trong mỗi trường hợp, logic chọn kích thước là như nhau: đủ lực đẩy để giữ vị trí trước dòng chảy dự kiến, phân bố trên đủ số bộ để một hỏng hóc duy nhất không kết thúc chuyến lặn, và một cấp độ sâu vượt quá điểm sâu nhất của phạm vi hoạt động kèm biên dự trữ. Các cấp 30 m và 350 m trong nhóm này khớp gọn với công việc vùng nước nông và ngoài khơi.

Phân bố lực đẩy và bố trí phương tiện

Vì những bộ này điều khiển hai chiều và nhận lệnh thay vì đóng cắt, chuyển động của phương tiện phụ thuộc vào cách bố trí các bộ đẩy cũng như vào lượng lực đẩy chúng tạo ra. Một bố trí có các bộ riêng cho phương ngang và phương thẳng đứng di chuyển theo sáu trục; một bố trí ít bộ hơn đánh đổi sự linh hoạt để lấy khối lượng và công suất. Ở 7 đến 25 kgf mỗi bộ, số lượng bộ đẩy thường được quyết định bởi trường hợp hỏng hóc và số bậc tự do mong muốn, sau đó mẫu được chọn để phù hợp với khung và ngân sách công suất.

Danh sách kiểm tra khi chọn

Bộ đẩy là những khối kín không có bộ phận nào bảo dưỡng được tại hiện trường, nên một sai sót về thông số thường có nghĩa phải thiết kế lại phương tiện chứ không phải thay một linh kiện. Những kiểm tra này đáng được thực hiện trước khi vẽ khung.

Lực đẩy, công suất và nhiệm vụ

1. Tính lực đẩy cần để giữ vị trí trước dòng chảy dự kiến cộng với lực cản của dây, và thêm biên dự trữ để hệ điều khiển có quyền điều khiển chứ không chỉ vừa cân bằng tải.
2. Nhớ rằng lực đẩy được công bố là con số giữ vị trí tĩnh; hãy tính lực cản của phương tiện ở tốc độ hành trình một cách riêng.
3. Cộng tổng công suất định mức của tất cả bộ đẩy dự kiến và đối chiếu với pin hoặc nguồn trên bờ, bao gồm yêu cầu về cấp độ sâu cho bất kỳ vỏ pin nào.
4. Kiểm tra điện áp bus so với chiều dài và tiết diện cáp: ở 1315 W, bus 48 V tiêu thụ dòng ít hơn đáng kể so với bus 12 V cho cùng một lực đẩy.

Cơ khí, làm kín và tích hợp

1. Xác nhận cấp độ sâu vượt quá phạm vi nhiệm vụ kèm biên dự trữ - nó không thể được nâng cấp về sau.
2. Kiểm tra bao thể so với khung lắp đặt, đặc biệt là đường kính, vì đường kính này được dùng chung giữa DW20 và DW25 và do đó mở ra lộ trình nâng cấp trong cùng không gian.
3. Cộng tổng khối lượng của tất cả bộ đẩy; trên một ROV nhỏ, phần cứng đẩy chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng khối lượng và mỗi đơn vị của nó đều lấy đi từ tải trọng hoặc dung lượng pin.
4. Xác nhận giao diện điều khiển phù hợp với bộ điều khiển bay của phương tiện, và tính đến các lệnh hai chiều thay vì chỉ ga tiến.
5. Quyết định trường hợp hỏng hóc trước khi chốt số lượng bộ; một phương tiện phải tiếp tục làm việc sau khi một bộ đẩy hỏng cần nhiều bộ hơn, chứ không phải bộ lớn hơn.

Câu hỏi thường gặp

Tài nguyên chính thức

CubeMars công bố một bộ Tài liệu bao quát các dải bộ đẩy SW và DW, và mỗi mẫu có một trang sản phẩm chính thức với thông số đầy đủ, đường cong hiệu năng và bản vẽ lắp đặt - ví dụ dải bộ đẩy dưới nước. Nhà sản xuất vẫn là nguồn chuẩn xác cho các đường cong lực đẩy, thông số làm kín và chứng nhận độ sâu; ToBMS giữ lớp khám phá sản phẩm ở dạng có thể tìm kiếm và so sánh.

Bước tiếp theo

Nếu mục tiêu là lập danh sách rút gọn thay vì nghiên cứu, ba công cụ trên nền tảng sẽ làm việc đó theo trình tự. Khám phá toàn bộ nhóm Bộ đẩy dưới nước để xem mọi mẫu và thông số cạnh nhau, lọc các ứng viên theo lực đẩy, điện áp và khối lượng trong Chọn, rồi đặt chúng cạnh nhau trong So sánh sản phẩm. Khi cần cùng cách tiếp cận khối kín đó cho một trục quay thay vì cho việc đẩy, nhóm Bộ truyền động robot bao quát dải đó.

Tóm gọn: chọn kích thước bộ đẩy theo trường hợp giữ vị trí kèm biên dự trữ, xác nhận cấp độ sâu vượt quá phạm vi nhiệm vụ vì không thể thay đổi về sau, kiểm tra tổng công suất so với nguồn ở điện áp bus đã chọn, rồi để đường kính khung và ngân sách khối lượng chọn giữa dòng SW và DW. Mọi thứ khác - ống dẫn chân vịt, giao diện điều khiển, phụ kiện lắp đặt - đều suy ra từ bốn điểm đó.