彭阿靜

（中國船舶重工集團(tuán)公司第710研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

某水下航行器采用了模塊化的設(shè)計(jì)技術(shù),將耐壓殼體按功能劃分為各個(gè)獨(dú)立的模塊單元，如探測(cè)識(shí)別艙、電池能源艙、導(dǎo)航定位艙、綜合控制艙和動(dòng)力推進(jìn)艙等。水下航行器工作環(huán)境的復(fù)雜性和水下無人值守等的特點(diǎn),決定了水下航行器除滿足功能要求和性能指標(biāo)外,還要具有較高的可靠性。耐壓殼體主要用來提供水下航行器功能設(shè)備的密閉安裝空間和航行所需要的正浮力,各個(gè)模塊間的聯(lián)接必須要有足夠的抗拉和抗彎強(qiáng)度以承受深水壓力和涌流沖擊，此外還要有可靠的密封以滿足水下航行器大深度、長航程的需要。因此，如何選擇模塊之間的聯(lián)接形式是保證水下航行器可靠工作的關(guān)鍵。

1 幾種聯(lián)接方案

1）方案1：螺栓聯(lián)接。螺栓聯(lián)接是采用徑向螺栓或軸向螺栓將兩個(gè)獨(dú)立的模塊聯(lián)接在一起。如圖1所示,在模塊1的外壁上加工一系列徑向或軸向孔，在模塊2的對(duì)應(yīng)位置加工一系列徑向或軸向螺紋孔,螺栓穿過模塊1與模塊2的螺紋孔形成螺紋副，從而將兩段固聯(lián)成一個(gè)整體。其聯(lián)接處的密封采用O型橡膠圈來實(shí)現(xiàn)。

圖1 螺栓聯(lián)接

2）方案2：螺紋聯(lián)接。螺紋聯(lián)接是在模塊1和模塊2的端部分別加工大小一致的內(nèi)外螺紋，由內(nèi)、外螺紋的旋合將兩段殼體聯(lián)接在一起。

3）方案3：楔環(huán)聯(lián)接。楔環(huán)聯(lián)接是在模塊1和模塊2的端部分別加工內(nèi)環(huán)槽和外環(huán)槽，內(nèi)外環(huán)槽相互套合形成矩形截面的環(huán)形空腔。再將與環(huán)形空腔同尺寸的矩形環(huán)以一定的螺旋角從中間剖開，形成兩條楔形的左、右楔環(huán)，從外殼體開槽處相向插入環(huán)形空腔中，使其緊密貼合，將兩段殼體緊密聯(lián)接在一起。

2 方案分析和選定

2.1 方案分析

足夠的強(qiáng)度和可靠的密封是保證模塊成組聯(lián)接的關(guān)鍵因素。此外,成本、模塊化程度、拆裝方便性以及對(duì)水下航行器總體性能的影響也是選擇方案時(shí)不可忽視的因素。成本決定了一種方案的普及性和推廣性。模塊化程度主要由模塊間聯(lián)接的一致性來體現(xiàn),可保證模塊單元組合的可靠性和水下航行器功能的穩(wěn)定性。拆裝的方便性直接影響到水下航行器的維修性能。此外，聯(lián)接方式盡可能避免對(duì)總體造成不利影響,如聯(lián)接部位有突起,會(huì)破壞水下航行器的流線型外形,從而會(huì)增大水流阻力及功耗,這樣有可能導(dǎo)致電池的能量不足以提供水下航行器全航程所需的能源。

1）成本。螺栓聯(lián)接形式是由螺栓穿過模塊1與模塊2的螺紋孔形成螺紋副，從而將兩段固聯(lián)成一個(gè)整體。由于采用直接在模塊上攻絲，在與之聯(lián)接的另一個(gè)模塊上加工出比螺栓公稱直徑稍大的光孔，對(duì)制造工藝沒有特殊要求，因而制造成本較低。螺紋聯(lián)接形式采用兩個(gè)模塊的內(nèi)、外螺紋的旋合形成螺紋副進(jìn)行聯(lián)接，因而對(duì)不同模塊的螺紋加工的同軸度要求較高。該殼體采用薄殼加筋、并在兩端焊接聯(lián)接法蘭的結(jié)構(gòu)形式，要保證螺紋的同軸度精度，就要采用時(shí)效處理、高溫回火等復(fù)雜的制造工藝來消除焊接殘余應(yīng)力對(duì)尺寸變形的影響，制造成本較高。楔環(huán)聯(lián)接要求楔環(huán)具有良好的徑向撓性和較高的強(qiáng)度，對(duì)原材料要求較高。同時(shí)，由于楔環(huán)是通過選配掛輪，采用加工螺旋線的方法來進(jìn)行成對(duì)加工，這就要求設(shè)備必須有與楔環(huán)螺紋升角對(duì)應(yīng)的直角邊高度相對(duì)應(yīng)的螺距，對(duì)設(shè)備要求也較高。楔環(huán)對(duì)原材料和設(shè)備的特殊要求而直接導(dǎo)致制造成本過高。

2）模塊化程度。螺栓聯(lián)接和楔環(huán)聯(lián)接不需要相聯(lián)接的兩個(gè)模塊作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，很容易實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊方向的一致性，模塊化程度較高。螺紋聯(lián)接要求兩個(gè)模塊作相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)很難或幾乎不可能達(dá)到當(dāng)兩個(gè)模塊端面貼緊時(shí)，每個(gè)模塊的方向均保持一致性，因而模塊化程度較低。

3）拆裝方便性。螺栓聯(lián)接拆裝時(shí)，無需專用設(shè)備來保障,采用通用扳手即可,但對(duì)稱緊固若干螺栓耗時(shí)較多。螺紋聯(lián)接和楔環(huán)聯(lián)接需要先用專用保障設(shè)備對(duì)水下航行器水下載體加固,再用專用工具進(jìn)行拆裝。

4）對(duì)總體的影響。水下航行器為保證模塊間的聯(lián)接強(qiáng)度，一般采用多個(gè)螺栓進(jìn)行聯(lián)接。螺栓徑向聯(lián)接相對(duì)軸向聯(lián)接而言，由于殼體外表面多處存在孔穴和間隙，會(huì)造成殼體外的流體阻力和噪聲增加，對(duì)總體影響較大。而螺栓軸向聯(lián)接是用螺栓將兩段殼體端面緊密貼在一起后，再安裝整流蓋板，使殼體外表面光滑，這對(duì)總體影響較小。螺紋聯(lián)接雖然外表面光順,但很難或幾乎不可能保證每個(gè)模塊方向的一致性。當(dāng)電池能源艙模塊偏置安裝時(shí)，占水下航行器絕大部分重量的電池能源艙模塊會(huì)對(duì)水下航行器產(chǎn)生較大的橫滾力矩，進(jìn)而影響到水下航行器的運(yùn)動(dòng)控制。此外，導(dǎo)航定位艙模塊的偏置安裝也會(huì)對(duì)慣導(dǎo)的定位精度產(chǎn)生較大的影響。楔環(huán)聯(lián)接的殼體外表面光順，結(jié)構(gòu)緊湊，聯(lián)接附加質(zhì)量輕，幾乎對(duì)總體不造成任何不利影響。

2.2 方案選定

該水下航行器耐壓殼體上開有多個(gè)操作孔來進(jìn)行電氣調(diào)試和數(shù)據(jù)上傳、下載工作，并在端面上安裝有水密接插件對(duì)電池進(jìn)行充電，因而模塊艙段要經(jīng)常拆裝的可能性不大。同時(shí)考慮到原材料的采購成本和工藝制造成本直接影響到水下航行器應(yīng)用的普及性和大眾化程度。分析以上3種方案，模塊間的聯(lián)接形式最后選定螺栓軸向聯(lián)接的方式來實(shí)現(xiàn)。

圖2 法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

3 方案實(shí)施

一種方案選定后，接下來就要對(duì)其方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。采用螺栓聯(lián)接方案的主要設(shè)計(jì)工作是螺栓規(guī)格、數(shù)量的確定和聯(lián)接法蘭的設(shè)計(jì)。經(jīng)理論計(jì)算和仿真分析，至少要24個(gè)M16的螺栓將兩個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)接才能保證其聯(lián)接處的抗壓和抗彎強(qiáng)度。鑒于法蘭用5A06防銹鋁材料制造，采用在法蘭上內(nèi)嵌鋼絲螺套來提高螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度和剛度，并在與之相聯(lián)的法蘭上加工有螺栓過孔?？紤]到螺栓數(shù)量較多，為保證每個(gè)螺栓均能與螺孔對(duì)準(zhǔn)裝配，孔與螺栓之間設(shè)計(jì)有較大的間隙，并用定位銷來保證重復(fù)裝配的一致性。兩段殼體采用O型橡膠圈進(jìn)行密封，為保證密封的可靠性，采用了徑向密封與角向密封相結(jié)合的形式。加工有螺栓過孔的法蘭結(jié)構(gòu)如圖2所示。在法蘭上加工有8個(gè)均布的凹槽以便于安裝螺栓，并加工有標(biāo)準(zhǔn)的徑向密封圈溝槽。兩段進(jìn)行聯(lián)接裝配時(shí)，先將兩個(gè)O型橡膠圈分別在法蘭上的溝槽內(nèi)和端面上裝好并抹上適量的潤滑脂；再將螺栓從凹槽內(nèi)依次放入并穿過端面上預(yù)制的螺栓過孔,將螺栓對(duì)稱旋緊；然后用合適的填塊如浮力材料將凹槽填滿；最后安裝整流蓋板，使殼體外表面光滑。此外，為便于分段，在法蘭上加工有起蓋螺孔。

4結(jié)語

對(duì)基于模塊化設(shè)計(jì)的某水下航行器的模塊艙段的聯(lián)接形式進(jìn)行了分析，并根據(jù)實(shí)際使用情況選定了用螺栓軸向聯(lián)接的方案，并給出了其詳細(xì)設(shè)計(jì)。