轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的集成優(yōu)化設(shè)計

，，

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

艦船補(bǔ)給系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的物資運(yùn)送裝置，特別是艙口部位組成部件多，各部件間結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立且功能單一，存在重量大、效率低、占用空間大及故障率高等缺點(diǎn)。

近年來，隨著新型艦船對靈活性、機(jī)動性和功能性越來越高的追求和要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、功能單一的設(shè)備設(shè)施將會被逐步淘汰，而運(yùn)用系統(tǒng)工程思想及現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新將分散的設(shè)施、功能和信息等進(jìn)行整合以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的集成優(yōu)化設(shè)計理念[1-2]越來越得到重視。目前工程上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，一般針對具有獨(dú)立功能的具體部件[3-8]，但是對于功能獨(dú)立卻集中布置的多個部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究卻很少。本文針對物資運(yùn)送裝置艙口部位存在的問題，擬運(yùn)用集成優(yōu)化的設(shè)計理念，對原多個功能獨(dú)立的分散部件進(jìn)行整合重構(gòu)，使其既保留原有功能，又具備更優(yōu)的技術(shù)性能，從而得到一個集成度高、實(shí)用性強(qiáng)、占用空間小且操作靈活方便的裝置，并結(jié)合有限元分析軟件及試驗(yàn)方法對其性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 現(xiàn)狀分析及優(yōu)化改進(jìn)思路

傳統(tǒng)的物資運(yùn)送裝置一般由升降裝置、運(yùn)送機(jī)構(gòu)、艙口蓋、艙口開啟機(jī)構(gòu)、排水系統(tǒng)、密封及鎖緊裝置等組成，除了運(yùn)送機(jī)構(gòu)和升降裝置，其他部件都集中在艙口部位，長期以來一直存在以下問題：艙口直接與外界環(huán)境接觸，易受季節(jié)溫差影響造成艙口變形引起鎖緊故障或密封失效等問題；開啟機(jī)構(gòu)和鎖緊裝置都是機(jī)械傳動裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重且占用了庫內(nèi)有限的貯存空間；艙口蓋結(jié)構(gòu)笨重，艦載機(jī)通過時需要多人配合共同將其移走；惡劣海況下通過貯存架進(jìn)行物資轉(zhuǎn)運(yùn)，存在滑脫現(xiàn)象等。

因此，考慮根據(jù)集成化設(shè)計理念，拋棄笨重的艙口蓋，用布局靈活、體積小巧液壓鎖緊裝置取代體積龐大的機(jī)械鎖緊裝置和開啟機(jī)構(gòu)，將艙口部位各結(jié)構(gòu)獨(dú)立部件整合集成在升降裝置的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺上。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺既是貯存架及彈藥物資的運(yùn)送載體，同時平臺升至與甲板面平齊后又是彈藥庫的艙口蓋，并借助艙口配合來實(shí)現(xiàn)平臺的鎖緊和承載、物資轉(zhuǎn)運(yùn)及固定、艙口密封及排水等功能；還要滿足減少設(shè)備重量，節(jié)省有限的庫存空間，具備甲板的抗核爆沖擊等要求。因此，集成化高、占用空間小以及良好的抗沖擊性、靈活性、安全性、可靠性等是轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的重要設(shè)計指標(biāo)。

2 集成優(yōu)化設(shè)計

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺采用中空結(jié)構(gòu)，由鋼板和型鋼焊接后加工成型，以減輕其質(zhì)量。平臺頂部布置有導(dǎo)銷及系留孔，用于貯存架和轉(zhuǎn)運(yùn)小車的定位和固定；平臺底部沿長度方向?qū)ΨQ布置多組止鎖塊，實(shí)現(xiàn)平臺的鎖緊和固定；沿平臺底部外沿整周焊接密封環(huán)，安裝密封圈后與艙口配合實(shí)現(xiàn)平臺與艙口的水密要求；平臺外圍與密封環(huán)間隙底部開有多個排水孔，用于雨水排放。見圖1。

圖1 平臺組成示意

2.1 平臺臺面布置

按庫內(nèi)各貯存架的固定位置在平臺頂部對應(yīng)布置定位銷，實(shí)現(xiàn)其在平臺與庫內(nèi)之間轉(zhuǎn)運(yùn)的精準(zhǔn)性和可重復(fù)性，避免船體搖擺時貯存架在平臺上滑脫。同時平臺上開有系留孔，用于轉(zhuǎn)運(yùn)小車在平臺上的固定。非工作狀態(tài)下，平臺上鋪設(shè)有防滑過渡板，可對通過平臺的艦載機(jī)輪胎進(jìn)行有效的防護(hù)，也可避免甲板上操作人員通過時滑倒，見圖2。

圖2 平臺臺面布置示意

2.2 鎖緊裝置

平臺為近似矩形結(jié)構(gòu)，四周與甲板艙口外圈留有適當(dāng)間隙，升至上限位置后與甲板面基本平齊。平臺寬度尺寸較小，長寬比例很大，因此沿矩形艙口下方長度方向兩側(cè)對稱布置多組液壓鎖緊裝置，鎖緊裝置布置數(shù)量與平臺最大承載正相關(guān)。

液壓鎖緊裝置主要由液壓缸、鎖頭、鎖座等組成，在鎖緊裝置頭部和尾部各設(shè)置了進(jìn)油口和回油口，通過液壓管路實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，由液壓系統(tǒng)提供驅(qū)動動力并集中控制，通過換向閥實(shí)現(xiàn)鎖頭的伸出和縮回。工作狀態(tài)下，鎖頭縮回至艙口面后方，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺可進(jìn)行升降運(yùn)動實(shí)現(xiàn)物資等的轉(zhuǎn)運(yùn)；非工作狀態(tài)下，平臺升至頂位與甲板面平齊后，鎖頭伸出至平臺下方與止鎖塊配合實(shí)現(xiàn)對平臺的鎖緊。

在轉(zhuǎn)運(yùn)平臺下方止鎖塊處設(shè)置一個滾動塊，將鎖頭與止鎖塊間的滑動摩擦改為滾動摩擦，從而減小開、閉鎖的摩擦阻力，提高鎖緊裝置的啟閉性能及使用壽命。平臺鎖緊狀態(tài)見圖3。

圖3 平臺鎖緊狀態(tài)示意

2.3 密封裝置

平臺需要經(jīng)常做升降操作，艙口位置晝夜溫差大且處于海洋環(huán)境，可靠密封一直是艦船水密門設(shè)計的難點(diǎn)[9]。

平臺與艙口的密封主要靠密封圈、密封環(huán)以及支撐座共同配合完成。密封環(huán)配合面精加工后直接焊接在艙口下方，支撐座在平臺上焊接后再精加工密封圈安裝槽，密封圈與安裝槽間采用過盈配合。密封圈采用中空型式可在較大壓縮范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)彈型變形，以補(bǔ)償甲板變形、橡膠老化等不利影響，材料選用耐海水、耐高低溫環(huán)境的氟橡膠[10]，密封圈圓弧部分外側(cè)面均勻設(shè)置多個弧形凸臺，頂緊在甲板艙口下平面，以實(shí)現(xiàn)密封圈在整個彈性變形過程中均與密封面間保持多重線密封，可補(bǔ)償密封面表面不平整對密封效果的影響[11-12]。平臺密封結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 平臺密封結(jié)構(gòu)示意

2.4 排水系統(tǒng)

為防止暴雨天氣或海浪拍擊并涌上甲板等惡劣海況下，造成甲板積水過多、排水不暢，沿平臺外圍與支撐架內(nèi)圈排水槽底部開有多個排水口，排水口下部焊接有多段排水管道，出水口處安裝截止閥后通過軟管連接到艙底排水槽。排水口處安裝有濾網(wǎng)用于防止雜物進(jìn)入排水管內(nèi)，管道間采用可拆卸式管接頭連接方便后續(xù)維修清理，出水口處安裝截止閥用于緊急狀態(tài)下排水系統(tǒng)的臨時關(guān)閉，末端管道采用液壓軟管直通地漏可在平臺升降時自由彎曲。

3 抗核爆沖擊性能分析及校核

3.1 核爆炸沖擊分析

作為艦面系統(tǒng)裝備必須要適應(yīng)獨(dú)特、惡劣的海上自然環(huán)境和軍事環(huán)境，滿足各種特定的作戰(zhàn)使用需求，使其能夠承受環(huán)境載荷和軍事打擊的雙重考驗(yàn)[13-14]。

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺升至與露天甲板平齊后，可視作甲板的一部分，在鎖緊狀態(tài)下應(yīng)具備與甲板同樣的抗核爆沖擊能力。在評估艦船遭受到核爆炸沖擊載荷作用時，需要量化其影響因素，其環(huán)境特性影響量值主要用沖擊波超壓峰值、動壓峰值、止壓作用時間、超壓和動壓隨時間變化規(guī)律等指標(biāo)來表示[15]。見圖5。

圖5 平臺單位面積載荷隨時間t的變化曲線

假設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺與核爆炸沖擊波傳播方向垂直(此時壓力峰值最大)。當(dāng)沖擊波陣面接觸平臺的時間為沖擊波對平臺加載的起始時間，平臺載荷與時間的關(guān)系見圖5。當(dāng)沖擊波陣面作用到平臺時刻，載荷瞬息達(dá)到反射超壓Δpr；接著按與時間成線性規(guī)律衰減，經(jīng)驅(qū)散平臺反射作用時間tn后，載荷降為滯止超壓Δpc；隨后載荷繼續(xù)隨時間進(jìn)行衰減，并在tf時刻降為0。

基于上述分析可知，在核爆炸沖擊過程中，平臺受到的最大壓力為反射超壓Δpr。

3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺抗核爆沖擊仿真計算

空中發(fā)生核爆炸過程中，沖擊波作用方向與平臺垂直時壓力峰值最大，因此，假設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺與核爆炸沖擊波傳播方向垂直。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，平臺在鎖定狀態(tài)下需承受特定靜水壓力而不發(fā)生泄漏，該值遠(yuǎn)小于核爆炸時平臺所受的反射超壓，因此，應(yīng)對核爆炸沖擊下的平臺進(jìn)行校核計算。假定鎖緊裝置工作可靠，對平臺受力進(jìn)行有限元分析，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺應(yīng)力、應(yīng)變云圖

由圖6可見，在模擬核爆狀態(tài)下，由于平臺應(yīng)變較大且不均勻，特別是中間部分由于缺少支撐，產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，變形較為明顯，中間4個液壓鎖支撐基座受力較大，最大達(dá)420.985 MPa，超過材料的許用極限，應(yīng)對平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱處進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，且應(yīng)變較為均勻。針對上述問題，在平臺中間A、B 2處各增加一組橫梁支撐，并將鎖緊裝置支撐基座的厚度增加至20 mm，重新計算，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對比見圖7，仿真結(jié)果見圖8。

圖7 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整前后對比

圖8 結(jié)構(gòu)調(diào)整后轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的應(yīng)力、應(yīng)變云圖

由圖8可知，優(yōu)化調(diào)整后的平臺在模擬核爆炸狀態(tài)下，最大變形發(fā)生在平臺中部，變形量約為1.36 mm，變形較為均勻；最大應(yīng)力在鎖緊裝置支撐基座處，約為253.5 MPa，小于材料屈服極限345 MPa，能夠滿足設(shè)計要求。

3.3 鎖緊裝置抗核爆沖擊仿真計算

平臺所受沖擊最終將傳遞給鎖緊裝置，因此需對鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核計算，鎖緊裝置的所需承擔(dān)的最大承載力可根據(jù)平臺面積與最大沖擊力求得，仿真結(jié)果見圖 9。

圖9 鎖緊裝置的應(yīng)力、應(yīng)變云圖

在模擬核爆炸沖擊下，鎖頭的最大應(yīng)變發(fā)生在端部，變形量為0.22 mm，最大應(yīng)力發(fā)生在鎖頭與支撐基座接觸處，鎖頭所承受的最大應(yīng)力為811.47 MPa，小于材料屈服極限930 MPa，能夠滿足設(shè)計要求。鎖座的最大應(yīng)變發(fā)生在鎖座下端內(nèi)側(cè)，變形量為0.17 mm，鎖座所承受的最大應(yīng)力為511.47 MPa，小于材料屈服應(yīng)力650 MPa，能夠滿足設(shè)計要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)平臺搭建

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)運(yùn)平臺、鎖緊裝置、密封結(jié)構(gòu)等在核爆炸沖擊載荷下的承載能力、密封效果及仿真計算結(jié)果的可靠性，搭建模擬甲板艙口水壓試驗(yàn)平臺，見圖10。

圖10 模擬甲板艙口水壓試驗(yàn)平臺示意

4.2 試驗(yàn)方案

艙口蓋為半封閉式中空結(jié)構(gòu)，其上設(shè)置有注水口、排氣孔、壓力表等，與平臺的接口關(guān)系、安裝方式和運(yùn)行狀態(tài)都和實(shí)船保持一致。鎖緊裝置對稱安裝在艙口下方，平臺升至頂位后將其鎖緊，使密封圈與艙口蓋壓緊形成密閉腔體。

進(jìn)行壓力試驗(yàn)時，將試壓泵與自來水管接通，打開艙口蓋排氣口，關(guān)閉排水系統(tǒng)截止閥，通過注水口進(jìn)行注水，觀察排氣口處有水冒出后將其關(guān)閉，繼續(xù)注水加壓至核爆沖擊極限壓力值，然后關(guān)閉注水口并持續(xù)保壓10 min來模擬比核爆炸沖擊更為嚴(yán)苛的條件，從而驗(yàn)證平臺及其附屬裝置在極限負(fù)荷環(huán)境下的抗沖擊性能及水密效果。

試驗(yàn)結(jié)束后，首先打開艙口蓋排氣口泄壓，再打開排水系統(tǒng)截止閥進(jìn)行排水，并將設(shè)備復(fù)位后進(jìn)行外觀及狀態(tài)檢查。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

水壓試驗(yàn)保壓過程中時刻觀察艙口蓋注水口處壓力表，壓力表指針穩(wěn)定在考核值且無明顯下降，并借助工業(yè)內(nèi)窺鏡沿密封圈四周仔細(xì)觀察密封面結(jié)合處，無任何水滴滲出。

試驗(yàn)結(jié)束后，將設(shè)備及試驗(yàn)裝置恢復(fù)至初始狀態(tài)，分別進(jìn)行手動、電動操作10次，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作靈活，無卡滯、爬行等異?，F(xiàn)象。檢查鎖緊裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)平臺及密封圈的結(jié)構(gòu)外形、尺寸及配合表面，無明顯變形、損傷等情況。

重新注水加壓，并對以上各項(xiàng)進(jìn)行復(fù)測，指標(biāo)均符合要求。

5 結(jié)論

優(yōu)化設(shè)計是一項(xiàng)基于現(xiàn)有技術(shù)，并不斷引進(jìn)吸收新的設(shè)計理念、設(shè)計方法和設(shè)計手段進(jìn)行升級改進(jìn)的工程。本文通過對物資運(yùn)送裝置艙口部位存在的問題和現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真分析，運(yùn)用集成優(yōu)化的設(shè)計理念將其功能集成、結(jié)構(gòu)簡化，并結(jié)合有限元軟件對其抗核爆性能進(jìn)行分析校核，及時發(fā)現(xiàn)并避免了最初的設(shè)計缺陷，節(jié)省了設(shè)計時間和成本。本文采用的設(shè)計理念與方法具有廣泛的適用性，特別對功能獨(dú)立而又集中布置的多個部件為追求整體性能最優(yōu)而進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使艙口在持續(xù)的惡劣海況、復(fù)雜海洋環(huán)境下仍能保持密封耐壓性能及使用壽命將成為下一步工作研究的重點(diǎn)。