中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 湖北宜昌 443003

筆者以某成熟產(chǎn)品為原型，具體闡述無人潛航器（UUV）舵板與舵桿的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。UUV內(nèi)部裝配了水平及垂直方向舵機(jī)，舵機(jī)通過輸出軸傳遞扭矩，帶動(dòng)舵板轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出軸在UUV舵機(jī)孔座上通過軸承支撐，同時(shí)與相應(yīng)密封座配合來實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)孔座的密封。舵板一端通過四方孔與輸出軸連接，由緊釘銷釘固定［2］，另一端通過支撐板內(nèi)的滑動(dòng)軸承支撐。舵板由兩點(diǎn)支撐，可靠性、穩(wěn)定性更高。舵機(jī)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

1 舵板及舵桿結(jié)構(gòu)

UUV舵板及舵桿的結(jié)構(gòu)形式較通用船舶的更加簡單實(shí)用［3］，舵桿采用高強(qiáng)度不銹鋼加工而成，將其預(yù)埋到玻璃纖維增強(qiáng)塑料中，待結(jié)構(gòu)固化后即形成舵板。其中，舵板的外表面型值通過鋼模形成，舵板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

舵板將舵桿固定在舵面的鋼模內(nèi)，通過手工糊玻璃纖維布及填充環(huán)氧樹脂成型。舵桿上設(shè)計(jì)有φ12 mm定位銷孔，保證舵桿與鋼模之間的相對(duì)位置。舵桿結(jié)構(gòu)如圖3所示，M30-6g可用60°的V形槽代替，要求V形槽底徑不小于M30螺紋小徑。V形槽可增大舵桿與玻璃纖維增強(qiáng)塑料的黏接面積，提高黏接強(qiáng)度［4］。

2 舵板及舵桿材料選用

▲圖1 舵機(jī)及相關(guān)結(jié)構(gòu)件布置

根據(jù)舵板的受載荷情況，需要選擇屈服極限更高的材料作為舵桿材料。根據(jù)某型號(hào)產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，選用2Cr13，其屈服極限較高，有一定的磁性，滿足材料特性要求，舵桿材料力學(xué)特性見表1［5］。舵面材料選用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，其比強(qiáng)度高，成本低廉，具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 舵桿材料力學(xué)特性

▲圖2 舵板結(jié)構(gòu)

▲圖3 舵桿結(jié)構(gòu)

3 舵桿直徑計(jì)算及校核

根據(jù)UUV的流體特性，舵板的外形參數(shù)已確定。依據(jù)UUV和舵機(jī)性能指標(biāo)要求，可以按公式計(jì)算舵桿輸出軸根部直徑。

水平舵與垂直舵完全對(duì)稱分布，承受的載荷也基本一致。采用兩端支撐舵桿的結(jié)構(gòu)形式，可將舵桿看成兩端支撐的梁，壓力中心距舵根剖面距離a=0.233 m，舵板平均展長b=0.55 m，壓力中心離外緣一端距離g=b-a=0.55-0.233=0.317 m，舵桿根處所受載荷最大，需計(jì)算并校核舵桿輸出軸根部的直徑［6］。

舵桿根處的最大彎矩M為：

其中：F為10 kN時(shí)垂直于單舵平面的分力。

舵桿所受的扭矩QH=-122 N·m，舵桿同時(shí)受扭矩和彎矩的作用，其輸出軸根部直徑d為：

式中：α為剪應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變化的修正因數(shù)。

考慮到一些不可預(yù)見的沖擊力，取舵桿輸出軸根部直徑d=45 mm。

4 舵機(jī)輸出軸密封設(shè)計(jì)

舵機(jī)輸出軸通過密封座實(shí)現(xiàn)密封，密封座如圖4所示。密封座Ⅰ所對(duì)應(yīng)的面與舵機(jī)輸出軸配合，實(shí)現(xiàn)兩道密封。密封座Ⅱ所對(duì)應(yīng)的面與舵機(jī)孔座配合，實(shí)現(xiàn)兩道密封。密封面Ⅰ、Ⅱ均按GB/T 3452.3—2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈溝 槽尺寸》設(shè)計(jì)［7-8］。

5 舵機(jī)輸出軸支撐軸承選用與校核

舵機(jī)輸出軸與殼體的連接處選用深溝球軸承，與鰭的固定端選用滑動(dòng)軸承。

▲圖4 密封座

5.1 深溝球軸承選型

深溝球軸承根據(jù)GB/T 276—1994《深溝球軸承》選用軸承型號(hào)61909，經(jīng)計(jì)算校核，滿足使用要求［9］。

5.2 滑動(dòng)軸承尺寸確定

5.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

滑動(dòng)軸承的軸頸為h，軸承接觸工作寬度為L，一般選取L/h=0.5～1.5［10］。 筆者選取h=28 mm，L=20 mm，如圖5所示。

5.2.2 驗(yàn)算限制軸承的壓強(qiáng)P

式中：［P］為軸瓦材料的許用壓強(qiáng)，［P］=20 MPa；Fr為軸承的徑向載荷。

P＜［P］，故可以防止軸瓦過度磨損。

5.2.3 驗(yàn)算限制軸承的Pv值

Pv值表征了軸承發(fā)熱量的大小，Pv值越大，發(fā)熱量越高，溫升越大，潤滑效果越差，越容易造成膠合破壞。

式中:v為軸頸的圓周速度，v=πhn；n為軸的轉(zhuǎn)速；［Pv］為軸瓦材料的Pv許用值，［Pv］=15 MPa·m/s。

根據(jù)以上計(jì)算校核來選取徑向滑動(dòng)軸承，軸套材料為銅基合金［11-12］，牌號(hào)為ZCuAl10Fe3,該材料適宜制造在海洋環(huán)境中工作的軸承。

6 結(jié)束語

舵板與舵桿結(jié)構(gòu)件作為UUV上不可或缺的部分，對(duì)UUV的功能及使命完成起到關(guān)鍵作用。當(dāng)前UUV行業(yè)迅猛發(fā)展，各種規(guī)格尺寸的產(chǎn)品層出不窮，但舵板與舵桿結(jié)構(gòu)件沒有一個(gè)成熟可靠的結(jié)構(gòu)形式。筆者以某產(chǎn)品舵板與舵桿為原型，詳細(xì)闡述了其總體布置方案及具體設(shè)計(jì)流程。

▲圖5 滑動(dòng)軸承

這一結(jié)構(gòu)形式已在其它多種型號(hào)產(chǎn)品上成功應(yīng)用，經(jīng)過湖上和海上多種工況下驗(yàn)證，具有可靠性高、使用壽命長和結(jié)構(gòu)件互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為一種舵板與舵桿的通用結(jié)構(gòu)，為其它相關(guān)領(lǐng)域舵板與舵桿結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。