吳濤 鄭佳 張寅

（華中光電技術(shù)研究所——武漢光電國家研究中心 武漢 430223）

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以后，無人水下航行器的裝備和技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，目前世界上的UUV已達(dá)到數(shù)百種［1］。美國海軍計(jì)劃要在2030年前組建一支大約有2000艘不同級(jí)別UUV的部隊(duì)，主要用于淺海和近岸處的對(duì)敵情報(bào)收集和偵察監(jiān)視，進(jìn)行反潛戰(zhàn)和反水雷站，滿足近海和港口等地的國土防衛(wèi)和反恐等需要［2］。

國外軍用UUV向“大型化、多用途”方向發(fā)展［3］。美國正在開發(fā)一種巨型UUV—MANTA［4］，其重量達(dá)到50t量級(jí)，可裝載魚雷、導(dǎo)彈或水雷等武器。其采用模塊化設(shè)計(jì)，并可根據(jù)任務(wù)不同改變配置。大型UUV為了實(shí)現(xiàn)情報(bào)偵察和無線電通信，可搭載光電桅桿和無線電通信桅桿。這些桅桿在水下航行時(shí)會(huì)收入U(xiǎn)UV內(nèi)部以減小流阻，在使用時(shí)通過升降裝置將其伸出UUV。

UUV為了搭載更多的任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的航程，對(duì)搭載設(shè)備的小型化、輕量化提出了更高的需求。目前潛艇桅桿升降裝置普遍應(yīng)用導(dǎo)流罩式升降裝置，其由支撐構(gòu)架、液壓升降機(jī)、二級(jí)升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)流罩、集成閥組和顯控設(shè)備等組成，可實(shí)現(xiàn)桅桿的升降、定位支撐和浪跡消隱等多種功能［5］。但對(duì)于UUV平臺(tái)而言，其重量重、占用空間大，所以有必要研制適用于UUV的小型大負(fù)載桅桿升降裝置。本文研制了一種基于圓柱齒條的升降裝置，實(shí)現(xiàn)的1∶1的負(fù)載自重比，占用空間更小。

桅桿伸出UUV外部迎水運(yùn)動(dòng)時(shí)受流體力作用產(chǎn)生振動(dòng)和彎曲變形，過大的彎曲變形可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。本文采用工程設(shè)計(jì)中廣泛采用Morison方程計(jì)算其所受流體力，并采用有限元分析法對(duì)桅桿升降裝置強(qiáng)度和振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，力學(xué)性能滿足使用要求。

2 桅桿升降裝置設(shè)計(jì)

2.1 升級(jí)裝置組成

為了實(shí)現(xiàn)升降裝置小型化、輕量化，設(shè)計(jì)了一種蝸輪蝸桿減速、圓柱齒輪齒條傳動(dòng)升降裝置，實(shí)現(xiàn)桅桿升降。如圖1所示，UUV載桅桿升降裝置由伺服電機(jī)、減速器組件、齒條升降桿、升降臺(tái)組件、到位鎖定機(jī)構(gòu)和到位傳感器等部分組成。減速器組件由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸節(jié)、調(diào)壓油管、密封殼體等組成。

圖1 UUV載桅桿升降裝置示意圖

該升降裝置將齒條、導(dǎo)軌、傳感器融合共形設(shè)計(jì)成一根圓柱齒條升降桿，其外柱面銑齒、導(dǎo)向槽并裝有傳感器，內(nèi)腔異形適應(yīng)外柱面變化，升降臺(tái)裝有輕質(zhì)減磨材料套筒和橡膠去污環(huán)在單根升降桿上升降，極大減小了設(shè)備所占空間和重量，滿足了小型平臺(tái)對(duì)升降裝置尺寸和重量的苛刻要求。

該升降裝置設(shè)計(jì)了具有充油油囊調(diào)壓功能的蝸輪蝸桿減速器組件，將外置非注油干式電機(jī)輸出軸動(dòng)密封置于油腔內(nèi)部，提高了電機(jī)的防水性能。充油調(diào)壓增強(qiáng)了減速器腔體耐壓能力，降低了組件重量，同時(shí)解決了蝸輪蝸桿減速器的潤(rùn)滑和散熱問題。

該升降裝置設(shè)計(jì)了到位鎖定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單桿升降和到位雙桿支撐，到位后兩個(gè)支撐桿與套筒精密配合，提高了支撐強(qiáng)度和支撐精度，減小了設(shè)備重量。該升降裝置采用伺服電機(jī)和到位傳感器驅(qū)動(dòng)控制組合應(yīng)用于水下平臺(tái)升降裝置，解決了到位緩沖和精確運(yùn)動(dòng)控制，減小了設(shè)備噪音。該升降裝置將安裝法蘭設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)，可以周向旋轉(zhuǎn)和軸向伸縮，補(bǔ)償了不易修切的復(fù)合材料艇體上下安裝法蘭的孔位偏差和法蘭距偏差，提高了產(chǎn)品易裝性。

2.2 升降裝置工作原理

當(dāng)升降裝置電機(jī)收到上電信號(hào)后，進(jìn)行初始化，接收控制指令。當(dāng)電機(jī)收到上升信號(hào)后，輸出軸正向高速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速后，輸出齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)升降臺(tái)和桅桿沿齒條升降桿向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到到位傳感器上到位信號(hào)后，電機(jī)減速緩沖，直至停止到上到位位置。

當(dāng)電機(jī)收到下降信號(hào)后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器齒輪帶動(dòng)升降臺(tái)和桅桿沿齒條升降桿向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到到位傳感器下到位信號(hào)后，電機(jī)減速緩沖，直至停止到下到位位置。

當(dāng)電機(jī)收到停止信號(hào)后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，升降臺(tái)和桅桿停止在當(dāng)前位置。減速器組件采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿，當(dāng)電機(jī)停止輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，升降臺(tái)組件可以鎖定到當(dāng)前位置，桅桿不會(huì)墜落。

3 負(fù)載能力和水動(dòng)力學(xué)分析

3.1 負(fù)載能力分析

升降裝置負(fù)載升起時(shí)，克服重力向上運(yùn)動(dòng)部分的總重量為G，則有：

其中，G1為桅桿本體重量，G2為升降臺(tái)組件和減速器組件重量。

設(shè)升起阻力為F，則有：

其中，f為單個(gè)減磨材料套筒處的摩擦力。

設(shè)運(yùn)動(dòng)部分總重量對(duì)升降桿的彎矩為M1，則有：

其中，L1為升降部分重心距升降桿中心的距離。

設(shè)與M1平衡的減磨材料套筒支反力矩為M2，則有：

其中，N2為平衡運(yùn)動(dòng)部分總重量對(duì)升降桿的彎矩的套筒支反力，L2為兩個(gè)減磨材料套筒上下端面距離。

設(shè)齒輪嚙合產(chǎn)生的垂直于升降桿的壓力為N1，則有：

其中，α為齒輪壓力角。

設(shè)兩個(gè)減磨材料套筒對(duì)升降桿的壓力為N，則有：

根據(jù)摩擦力公式，則有：

設(shè)升降裝置的輸出功率為P0，電機(jī)的輸出功率為P，則有：

其中，V為升降速度，η1為蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率，η2為齒輪齒條傳動(dòng)效率，η3為其他運(yùn)動(dòng)副的效率。

綜合以上各式，可以得出電機(jī)的輸出功率。

蝸輪在傳動(dòng)過程中受交變應(yīng)力影響，設(shè)蝸輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Q，則有：

其中，n為蝸輪轉(zhuǎn)速，j為蝸輪每轉(zhuǎn)一圈同一齒面的嚙合次數(shù)，Lh為蝸輪壽命。

設(shè)作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩為T2，則有：

其中，n1為蝸桿轉(zhuǎn)速，i12為傳動(dòng)比。

根據(jù)蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式［6］，則有：

其中，m為蝸輪模數(shù)，d1為蝸桿分度圓直徑，K為載荷系數(shù)，z2為蝸輪齒數(shù)，[ ]σH為蝸輪的許用接觸應(yīng)力。

按上式可以選取蝸桿的模數(shù)和分度圓直徑，經(jīng)過彎曲疲勞強(qiáng)度校核，可以確定蝸輪蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸。根據(jù)疲勞強(qiáng)度計(jì)算和校核同樣可以獲得齒輪齒條傳動(dòng)參數(shù)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，可以開展整機(jī)設(shè)計(jì)。

某型桅桿重125kg，采用此設(shè)計(jì)的升降裝置最大占用空間648mm×526mm×2130mm，重129kg，達(dá)到1∶1的負(fù)載自重比。UUV載桅桿升降裝置負(fù)載試驗(yàn)見圖2，將升降裝置固定在試驗(yàn)臺(tái)上，將試驗(yàn)負(fù)載安裝在桅桿安裝法蘭上，試驗(yàn)負(fù)載重量135kg，以電機(jī)設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)速啟動(dòng)電機(jī)，升降裝置工作正常。根據(jù)電機(jī)供電電源輸出電流和電壓值，可以算出升降裝置輸入功率為416W，與計(jì)算值符合性較高。

圖2 UUV載桅桿升降裝置負(fù)載試驗(yàn)

3.2 水動(dòng)力作用下的彎曲特性分析

與波長(zhǎng)相比尺度較小的細(xì)長(zhǎng)柱體（例如圓柱體D/L<0.2）的波浪力計(jì)算，在工程設(shè)計(jì)中可應(yīng)用Mor?ison方程［7-9］，該理論假定柱體的存在對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)無顯著影響，并認(rèn)為波浪對(duì)柱體的主要作用是粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)［10］。

采用修正的莫里森方程［11］計(jì)算處于波流場(chǎng)中的桿件受到的流向力，公式如下：

式中：ρω為海水密度，kg/m3；cdc為波流場(chǎng)中的流體阻力系數(shù)；D為桿件直徑，m；νS為航速，m/s；z0為迎水高度，m；H為波高，m；λ為波長(zhǎng)，m；T為波浪周期，s；cmc波流場(chǎng)中的流體慣性力系數(shù)。

UUV桅桿升起潛越狀態(tài)示意圖如圖3。

圖3 UUV潛越狀態(tài)示意圖

將某型桅桿升降裝置使用海況、航速等工程數(shù)據(jù)帶入式（12），流體阻力系數(shù)和流體慣性力系數(shù)取0.5，可得桅桿所受流向力最大值為2966N。

UUV潛越時(shí)桅桿受到最大的流向力，為計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，運(yùn)用ANSYS WORKBENCH對(duì)升降裝置及桅桿潛越狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析。建立桅桿升降裝置的有限元模型，并施加流體力和約束。經(jīng)運(yùn)算，桅桿升降裝置潛越狀態(tài)的總變形云圖如圖4所示，應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 桅桿升降裝置總變形云圖

圖5 桅桿升降裝置應(yīng)力云圖

通過仿真可以看出，潛越狀態(tài)下桅桿頭部最大變形為1.6mm，滿足桅桿使用要求。升降裝置最大應(yīng)力為63.6MPa，小于鈦合金TA5的588MPa屈服強(qiáng)度。升降裝置搭載桅桿隨UUV進(jìn)行了海試，滿足桅桿使用要求，升降裝置強(qiáng)度滿足要求。

3.3 振動(dòng)特性分析

桅桿安裝在升降裝置上隨UUV在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到周期性發(fā)放的卡門渦漩作用，將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。如果卡門渦漩的發(fā)放頻率接近桅桿升降裝置的固有頻率時(shí)，將引起共振。桅桿升降裝置設(shè)計(jì)，必須要避免使用時(shí)產(chǎn)生共振而導(dǎo)致內(nèi)部機(jī)構(gòu)和設(shè)備的損壞。所以，桅桿升降裝置的結(jié)構(gòu)必須要滿足振動(dòng)特性要求。

本文采用有限元分析法，運(yùn)用ANSYS WORK?BENCH求出桅桿升降裝置的固有頻率。桅桿升降裝置的固有頻率總變形有限元分析云圖如圖6所示，固有頻率有限元分析結(jié)果見表1。

圖6 桅桿升降裝置1階固有頻率總變形云圖

表1 桅桿升降裝置固有頻率

通過分析可見，桅桿升降裝置1階振型與UUV行進(jìn)時(shí)卡門渦漩作用的方向一致，如果卡門渦漩發(fā)放的頻率與桅桿升降裝置的固有頻率一致，將發(fā)生共振。共振時(shí)，可能造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，造成內(nèi)部機(jī)構(gòu)和設(shè)備的損壞。根據(jù)共振區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式［11］，可以得出桅桿升降裝置的共振航速。

υ為航速；ν為固有頻率；d為鏡管外徑。

經(jīng)過計(jì)算可知，UUV航速在39Kn～56Kn時(shí)，桅桿升降裝置會(huì)引起共振，滿足適用航速要求。升降裝置搭載桅桿隨UUV進(jìn)行了海試，在桅桿適用航速下，桅桿未發(fā)生共振，滿足桅桿的使用要求。

4 結(jié)語

水下無人航行器（UUV）為了搭載更多的有效載荷，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的航程，對(duì)搭載設(shè)備的小型化和輕量化提出了更高的要求。隨著光電桅桿、通信桅桿等觀通設(shè)備在UUV上的廣泛應(yīng)用，其升降裝置的小型化和輕量化設(shè)計(jì)是研究的熱點(diǎn)。本文研制了一種桅桿升降裝置，實(shí)現(xiàn)了1∶1的負(fù)載自重比，且滿足桅桿使用時(shí)水動(dòng)力學(xué)要求，具有廣泛的前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。