水下航行體艙門(mén)

吳書(shū)廣

【摘要】探討了水下航行體艙門(mén)的功能和常用的結(jié)構(gòu)形式，在受力分析的基礎(chǔ)上，解析每種艙門(mén)的優(yōu)缺點(diǎn)及可能適用的航行體，最后對(duì)艙門(mén)的設(shè)計(jì)提出合理化建議。

【關(guān)鍵詞】水下航行體;艙門(mén);控制執(zhí)行機(jī)構(gòu);動(dòng)壓差

1.引言

艙門(mén)是水下航行體的功能設(shè)備之一，航行體在經(jīng)過(guò)航行、潛浮后，在一定的區(qū)域范圍執(zhí)行水下作業(yè)，為減小流體阻力，降低能耗，盡可能將功能設(shè)備隱藏在航行體內(nèi)部，使用艙門(mén)作為隔離設(shè)備。在需要作業(yè)時(shí)，先開(kāi)啟艙門(mén)，然后進(jìn)行機(jī)械臂伸縮、拋載、彈射等作業(yè)活動(dòng)，完成作業(yè)后關(guān)閉艙門(mén)。

在水下作業(yè)時(shí)，艙門(mén)在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中的阻力主要來(lái)自于水流的壓差阻力和摩擦阻力，為保證艙門(mén)有效工作，應(yīng)針對(duì)不同海況區(qū)域和功能需要，合理地選擇艙門(mén)的結(jié)構(gòu)形式和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.艙門(mén)功能

艙門(mén)必須滿(mǎn)足航行體水下作業(yè)的功能需求。其功能可以從多個(gè)角度分析。

1）從其功用角度，艙門(mén)為航行體的作業(yè)設(shè)備提供物理隔離，是航行體向外延伸的功能窗口之一。

2）從流體力學(xué)角度，艙門(mén)是航行體外表面整流功能設(shè)備之一。同時(shí)，當(dāng)向外伸展的艙門(mén)開(kāi)啟時(shí)，產(chǎn)生了鰭舵效應(yīng)，將短時(shí)間改變航行體的運(yùn)動(dòng)平衡。

3）從航行體的結(jié)構(gòu)角度，艙門(mén)將削弱航行體的整體剛性，增加航行體重量，增加部分重量可以作為航行體應(yīng)急拋載使用。

3.艙門(mén)受力分析

艙門(mén)在水中運(yùn)動(dòng)的阻力與艙門(mén)的大小、形狀以及運(yùn)動(dòng)角速度密切相關(guān)。艙門(mén)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，角速度經(jīng)歷3個(gè)階段：加速、勻速、減速。在加速和減速階段，存在液體附加質(zhì)量的影響，在勻速階段，存在艙門(mén)上下表面正壓力分布的影響，由于水的粘性作用產(chǎn)生沿艙門(mén)表面的剪切力（粘性阻力）不產(chǎn)生相對(duì)門(mén)軸的負(fù)載力矩。

艙門(mén)在勻速開(kāi)啟過(guò)程中，其迎流水面壓力大于背水面壓力，艙門(mén)遠(yuǎn)軸處壓力大于近軸處壓力。該現(xiàn)象可由伯努力方程[1]分析可知：

const ? ? ? ? ? ?（1）

從艙門(mén)角度看，艙門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中迎水面相當(dāng)于駐面，前方水域的動(dòng)壓全部作用于艙門(mén)迎水面上，從而迎水面壓力大于背水面壓力，艙門(mén)迎水面遠(yuǎn)軸處水域的動(dòng)壓大于近軸處動(dòng)壓。同理，上述分析也適用于艙門(mén)勻速關(guān)閉工程中的壓力分布情況。根據(jù)伯努力方程估算艙門(mén)前后表面動(dòng)壓差，艙門(mén)壁面壓力：

（2）

式中，A——艙門(mén)壁面面積;液體附加質(zhì)量的計(jì)算以圖1所示的艙門(mén)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行。

設(shè)艙門(mén)以繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，某一微段上的平均線(xiàn)速度可以近似地表示為，則可求出該微段上由所引起的流體動(dòng)力及力矩[2]為：

（3）

（4）

式中，——平動(dòng)時(shí)艙門(mén)產(chǎn)生的附加質(zhì)量;——艙門(mén)旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的附加質(zhì)量[3]

圖1 艙門(mén)受力圖

4.艙門(mén)結(jié)構(gòu)分類(lèi)

艙門(mén)結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)工作模式不同，比較常用的有：對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)、翻轉(zhuǎn)式彈簧門(mén)、滑動(dòng)式伸縮門(mén)、圓孔形伸縮門(mén)、圓筒式旋轉(zhuǎn)門(mén)等。具體選用何種形式的艙門(mén)，需要根據(jù)作業(yè)區(qū)域、功能需要、航行體結(jié)構(gòu)形式、裝載空間、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，合理配置。

4.1 對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)

對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)[4]是最常用的一種形式，艙門(mén)為單扇或雙扇套在門(mén)軸上，開(kāi)啟時(shí)繞軸旋轉(zhuǎn)，門(mén)軸在艙門(mén)的一端，驅(qū)動(dòng)力作用點(diǎn)靠近艙門(mén)末端，可取得最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)效果。對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迎流面為艙門(mén)的最大側(cè)面，由式（2）可知，艙門(mén)壁面面積A大，壁面壓力P大，需求的驅(qū)動(dòng)力F大。圖1為對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)中的一種。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性高，維修方便。缺點(diǎn)：壁面壓力P大造成艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)能耗高;艙門(mén)的開(kāi)關(guān)可能改變航行體姿態(tài)。適用于允許艙門(mén)開(kāi)啟速度低的工況，岸基提供動(dòng)力的ROV系統(tǒng)，航行速度低，航行距離短，工作海況好的小型AUV系統(tǒng)。

4.2 翻轉(zhuǎn)式彈簧門(mén)

翻轉(zhuǎn)式彈簧門(mén)是對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)的一種變異形式，艙門(mén)繞軸旋轉(zhuǎn)，門(mén)軸和艙門(mén)之間安裝扭轉(zhuǎn)彈簧（或拉伸彈簧）。工作時(shí)，利用拋載的水中負(fù)浮力或機(jī)械臂的作用力開(kāi)啟艙門(mén)，彈簧的回彈力關(guān)閉艙門(mén)，必要時(shí)，在門(mén)軸上設(shè)置艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)備用。門(mén)軸安裝在艙門(mén)中軸線(xiàn)附近，壁面壓力P在門(mén)軸兩側(cè)分布，相對(duì)門(mén)軸力臂短，力矩小。優(yōu)點(diǎn)：不需要外部驅(qū)動(dòng)力，無(wú)能耗;彈簧結(jié)構(gòu)外形尺寸小，可做到水中零浮力，不影響航行體浮力平衡;相比較對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)，艙門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)壁面壓力P對(duì)門(mén)軸的力矩減小。缺點(diǎn)：彈簧長(zhǎng)時(shí)間工作后，有失效的風(fēng)險(xiǎn);航行途中，艙門(mén)關(guān)閉不穩(wěn)定，需要設(shè)置機(jī)構(gòu)鎖緊艙門(mén);艙門(mén)的開(kāi)關(guān)可能改變航行體姿態(tài)。適用于拋載物負(fù)浮力較大，不嚴(yán)格要求艙門(mén)開(kāi)啟速度的工況，要求航行體內(nèi)部預(yù)留有艙門(mén)旋轉(zhuǎn)的空間。

4.3 滑動(dòng)式伸縮門(mén)

滑動(dòng)式伸縮門(mén)貼附在航行體表面，沿直線(xiàn)或圓弧形導(dǎo)軌滑行，導(dǎo)軌敷設(shè)在基座上，艙門(mén)側(cè)面安裝滾輪。艙門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，迎流面為艙門(mén)厚度側(cè)面，壁面面積A小，壁面壓力P小，艙門(mén)的運(yùn)動(dòng)受水流影響非常小。艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要克服粘性阻力、滾輪滾動(dòng)阻力、安裝誤差造成的附加作用力等。優(yōu)點(diǎn)：艙門(mén)運(yùn)動(dòng)速度較快，阻力小，能耗低;不占據(jù)航行體內(nèi)部空間，艙門(mén)的開(kāi)關(guān)不改變航行體姿態(tài)。缺點(diǎn)：負(fù)載起吊時(shí)，導(dǎo)軌易變形，有鎖卡艙門(mén)的風(fēng)險(xiǎn)。適用于要求開(kāi)啟速度快，剛性好，開(kāi)門(mén)尺度小的航行體。

4.4 圓孔形伸縮門(mén)

圓孔形伸縮門(mén)的截面一般為規(guī)則的圓形，艙門(mén)本體由尺寸較小的鋸齒形或條狀體組成，安裝在航行體內(nèi)側(cè)，關(guān)門(mén)時(shí)，艙門(mén)本體向中間一點(diǎn)收攏，開(kāi)門(mén)時(shí)向四周分散。由于艙門(mén)本體被拆分為若干件，各自相互獨(dú)立，艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行。每個(gè)艙門(mén)本體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，垂直劈開(kāi)水流，壁面壓力P非常小，艙門(mén)開(kāi)、關(guān)速度可以非?？欤夜β氏男?。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行速度快，能耗低。缺點(diǎn)：艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步性要求高，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于要求快速拋載、彈射作業(yè)的航行體。

4.5 圓筒式旋轉(zhuǎn)門(mén)

圓筒式旋轉(zhuǎn)門(mén)[5]是將航行體的外殼體與內(nèi)腔骨架分層，在外殼體上開(kāi)長(zhǎng)條形艙門(mén)孔道，外殼體圍繞航行體軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，艙門(mén)孔道可在任意角度停留，供拋載、彈射等作業(yè)需要。在非作業(yè)時(shí)間，艙門(mén)孔道旋轉(zhuǎn)至可封閉角度，減小航行阻力。艙門(mén)的開(kāi)、關(guān)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)航行體外殼體實(shí)現(xiàn)的，基本可以忽略附壁面壓力P，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)只需要克服外殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩和粘性阻力。優(yōu)點(diǎn)：艙門(mén)不占據(jù)航行體內(nèi)部空間，艙門(mén)的開(kāi)關(guān)不改變航行體姿態(tài)。缺點(diǎn)：艙門(mén)剛性指標(biāo)要求高，設(shè)計(jì)難度大。適用于外形尺寸小，要求在高速航行中作業(yè)的航行體。

5.艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

艙門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證航行體到達(dá)目的地后，艙門(mén)能可靠開(kāi)啟及關(guān)閉，艙門(mén)工作的可靠性是保證水下航行體作業(yè)順利實(shí)施的首要保障條件，這取決于艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)、滑動(dòng)式伸縮門(mén)、圓孔形伸縮門(mén)、圓筒式旋轉(zhuǎn)門(mén)必須配置艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)式彈簧門(mén)可以不配置艙門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。艙門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作平穩(wěn)，傳動(dòng)誤差小，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小，自重輕，能耗比低;但液壓系統(tǒng)易滲漏，特別是海水向液壓系統(tǒng)內(nèi)部滲漏，污染液壓油后，系統(tǒng)無(wú)法工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速度快，響應(yīng)時(shí)間短，控制簡(jiǎn)單，易于操縱，維修方便，但水中重量大，能耗比高。

6.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)五種常用艙門(mén)的對(duì)比介紹，可清楚了解各種艙門(mén)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)，和對(duì)航行體可能存在的影響。在艙門(mén)選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用不同艙門(mén)優(yōu)點(diǎn)，盡可能消除其對(duì)航行體造成的不利影響，通過(guò)艙門(mén)控制執(zhí)行的合理配置，降低艙門(mén)在系統(tǒng)中的能耗比，使艙門(mén)的選型設(shè)計(jì)方案更加合理。

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