一種降低潛艇升降桅桿回轉(zhuǎn)力矩的改進(jìn)設(shè)計

胡海濱，魏 芳，肖 清

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛艇升降桅桿用于升降觀通、導(dǎo)航設(shè)備，是潛艇重要的機(jī)械設(shè)備。為滿足頂部傳感載荷周向觀測需要，桅桿需要繞軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動。在裝備使用過程中，某桅桿出現(xiàn)“回轉(zhuǎn)部位異常磨損、回轉(zhuǎn)力矩過大”的問題，影響了裝備正常操作使用。因此，通過對桅桿回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，制定改進(jìn)設(shè)計方案，并通過臺架試驗進(jìn)行驗證，顯著降低了回轉(zhuǎn)力矩，有效解決了裝備出現(xiàn)的問題。

1 故障描述

潛艇升降桅桿一般由升降液缸驅(qū)動升降，通過2個支撐軸承進(jìn)行導(dǎo)向支撐。為滿足桅桿回轉(zhuǎn)運動，在升降液缸于桅桿之間設(shè)置了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)桅桿借助人力或馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括液缸球頭、承座等部件。桅桿回轉(zhuǎn)過程中，液缸球頭和承座平面的配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和桅桿軸線定位作用。升降桅桿結(jié)構(gòu)示意如圖1（a）所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖1（b）所示。

在裝備使用過程中，桅桿出現(xiàn)回轉(zhuǎn)力矩過大且回轉(zhuǎn)部位出現(xiàn)響聲的異?，F(xiàn)象。拆檢發(fā)現(xiàn)，液缸球頭的頂面處和承座下表面出現(xiàn)了明顯的磨損面。經(jīng)更換零件使用一段時間后，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，問題無法徹底解決。

2 問題分析

為尋找故障原因，針對升降桅桿和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)開展分析，認(rèn)為故障原因如下：

1）升降桅桿的垂向負(fù)載通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳遞給升降液缸，同時，升降桅桿以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液缸球頭為支點進(jìn)行回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承座與液缸球頭之間為球頭鉸接結(jié)構(gòu)型式，滿足了桅桿定心與減小旋轉(zhuǎn)阻力的要求。但由于承座與液缸球頭之間為點接觸形式，為應(yīng)力集中部位。隨著桅桿長期正向、反向轉(zhuǎn)動使用，接觸部位易于出現(xiàn)磨損。

圖1 潛艇升降桅桿及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Submarine hoisting mast and rotating mechanism

2）承座與液缸球頭之間的磨損，會增大回轉(zhuǎn)阻力，而增大的回轉(zhuǎn)阻力又加劇了兩者之間的磨損，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致故障產(chǎn)生。

3 改進(jìn)方案

為降低液缸球頭承座之間的回轉(zhuǎn)阻力、減小磨損，在保持回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外部接口不變的情況下，采用在液缸球頭內(nèi)部增設(shè)一個推力圓柱滾子軸承的改進(jìn)方案，實施方案如下：

1）對液缸球頭部位進(jìn)行改進(jìn)，分為液缸和球頭2個零件。在液缸和球頭之間增加推力圓柱滾子軸承；同時，加深承座的接觸平面凹孔，形成容納軸承的高度空間，以保證外部接口和物理尺寸不發(fā)生變化。

2）對承座、球頭進(jìn)行表面處理，提高其表面硬度。承座和球頭材料均為45號鋼，對承座內(nèi)孔配合表面、球頭配合表面均進(jìn)行淬火處理，硬度為HRC45～50。

改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，升降桅桿的載荷通過承座、球頭、軸承傳遞給升降液缸。由于軸承的作用，能夠保證桅桿和液缸之間的轉(zhuǎn)動阻力較小。

圖2 升降桅桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of optimized rotating mechanism for hoisting mast

4 試驗驗證

4.1 試驗方案

試驗臺架主要包括加載液缸、升降液缸、測試設(shè)備等組成。通過加載液缸模擬升降桅桿承受的不同頂部載荷，模擬試驗臺架如圖3所示。試驗包括回轉(zhuǎn)試驗和偏載工況試驗。

圖3 回轉(zhuǎn)試驗裝置示意圖Fig.3 Test device for rotating-test

回轉(zhuǎn)試驗選定30 kN為最大載荷進(jìn)行試驗，分15 kN，20 kN，25 kN，30 kN四檔逐漸加載，其中25 kN為額定工況。在各檔負(fù)載下，分別進(jìn)行1 000次、1 000次、5 000次、500次回轉(zhuǎn)，并按正轉(zhuǎn)10次，反轉(zhuǎn)10次的規(guī)律回轉(zhuǎn)。每檔負(fù)載試驗前和試驗結(jié)束，分別測量正反向回轉(zhuǎn)力矩。

考慮到實艇狀態(tài)下，升降液缸軸線與桅桿軸線之間存在同軸度裝配偏差，造成回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)偏載，進(jìn)而影響回轉(zhuǎn)力矩。為此，在臺架上設(shè)定了偏載狀態(tài)，模擬升降桅桿與升降液缸最大同軸度Φ1 mm偏差。試驗按照最大載荷30 kN進(jìn)行偏載回轉(zhuǎn)試驗，共進(jìn)行500次，同樣按照正轉(zhuǎn)10次、反轉(zhuǎn)10次進(jìn)行。

4.2 回轉(zhuǎn)試驗

表1為各檔載荷下試驗前和試驗后的回轉(zhuǎn)力矩測試值。從表中可以看出，試驗前后回轉(zhuǎn)力矩均變化不大，最大值遠(yuǎn)小于指標(biāo)值。

表1 回轉(zhuǎn)試驗前后轉(zhuǎn)動力矩Tab.1 Torque of rotating test

4.3 偏載回轉(zhuǎn)試驗

表2為偏載下試驗前后的回轉(zhuǎn)力矩對比。從表中可以看出，偏載情況下，試驗前回轉(zhuǎn)力矩要大于表1中的回轉(zhuǎn)力矩，試驗后回轉(zhuǎn)力矩與表1相當(dāng)。整體來看，回轉(zhuǎn)力矩仍然保持在較低的狀態(tài)。

表2 偏載試驗前后回轉(zhuǎn)力矩Tab.2 Torque of partial load test

5 結(jié) 語

本文針對潛艇升降桅桿回轉(zhuǎn)力矩過大的故障，通過結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)設(shè)計，制定了減小桅桿回轉(zhuǎn)力矩的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了臺架試驗驗證，得到結(jié)論如下：

1）通過在桅桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部增加推力滾動軸承的改進(jìn)設(shè)計，有效降低了升降桅桿的回轉(zhuǎn)力矩。

2）臺架試驗表明，改進(jìn)方案的回轉(zhuǎn)力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于給定指標(biāo)，耐久性好。

3）改進(jìn)方案不改變設(shè)備的對外接口和物理尺寸，牽連影響小，便于工程實施。