潛載UUV 裝卸導(dǎo)運(yùn)適位調(diào)整技術(shù)研究與應(yīng)用

李 偉，鄧 鵬，田德海

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；2.4808 工廠軍械修理廠，山東 青島 266042)

0 引 言

根據(jù)UUV 攜載平臺及固定方式的不同，一般分為管裝（如潛艇發(fā)射管放置）、外掛（如背馱）和平置（如艦船甲板放置）等。潛艇管裝UUV 的裝載，按照進(jìn)艇位置的不同，主要分為升降口裝載和前蓋裝載2 種[1]。升降口裝載較適于UUV 海上補(bǔ)給，前蓋裝載多用于碼頭補(bǔ)給。前蓋裝載UUV 時，與雷彈武器裝載類似，一般在潛艇減阻板前端臨時搭接一個可放置UUV 的平臺設(shè)備（稱為舷外或艇外裝載平臺），由碼頭吊車下送的UUV 可置于該平臺托架上，再經(jīng)過潛艇上層發(fā)射管裝入（拉入）艙內(nèi)[2]。

舷外裝載裝置外形尺寸一般超過2×5 m，重量一般超過2 t，無法隨艇攜帶。一旦因遠(yuǎn)海跨域作業(yè)或母港設(shè)施/設(shè)備損壞而需要在任務(wù)海域附近港口補(bǔ)給UUV 時，一般需要將該艇常用的舷外裝載平臺長途運(yùn)輸至外地或外域港口。另外，一旦潛艇常用的裝載平臺因長期承重使用而變形甚至損壞，則潛艇就無法順利裝載UUV 出航行動。本文對已有裝載平臺底座和可調(diào)承托結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為全面的分析研究，提出了較為可行的適位調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。

1 現(xiàn)有裝載平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

通過研究潛艇UUV 舷外裝卸平臺、裝卸方法和關(guān)聯(lián)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)為由于制造公差、長期承重使用造成的形變等原因，造成潛艇UUV 裝載設(shè)備的通用性較差。

圖1 舷外裝載平臺平面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the plane structure of the outboard loading platform

舷外裝載平臺屬于復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，平面結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。它是在橫梁的梁身上部焊有平臺支架和金屬網(wǎng)格，用來支撐參加裝卸操作的人員。為了將帶有平臺的橫梁安裝在潛艇的前端，在橫梁的后端焊有端塊，端塊可與焊在潛艇裝雷發(fā)射管之間的基座進(jìn)行對接，在橫梁與潛艇首部基座連接好后，在平臺上放置UUV 運(yùn)送承托（托架），便可實(shí)施UUV 導(dǎo)運(yùn)。

在潛艇建造過程中，前部艇體存在加工和裝配公差，主要包括：焊在發(fā)射管之間的基座安裝位置誤差，平臺橫梁的梁身與端塊之間的位置誤差，梁身上部平臺的高度誤差，導(dǎo)運(yùn)承托的高度誤差。以上公差對于工藝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)械裝置是很難完全消除的。

另外，舷外裝載平臺長5 m 多，靠其后部端塊插入潛艇前端的對應(yīng)孔座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與潛艇的對接和固連定位。在UUV 裝載過程中，需要5～6 個艇員站在舷外裝載平臺上（見圖2）[3]，會產(chǎn)生超過400 kg的壓力（重力），再加上裝載裝置自重，以及大口徑UUV 對平臺的壓力（重心一般在平臺中部），長此以往容易使裝載平臺的前部相對于后部（與潛艇結(jié)合部，即潛艇發(fā)射管管口位置）產(chǎn)生形變。由于每艘潛艇裝載平臺的承重使用和形變程度不同，有時需要專門調(diào)整UUV 與導(dǎo)運(yùn)承托之間條板的厚度，以便使放在承托上的U U V 與發(fā)射管能夠三維對正，從而使UUV 順利導(dǎo)運(yùn)入管。由于不同潛艇導(dǎo)運(yùn)承托的條板調(diào)整厚度不同，甚至同一導(dǎo)運(yùn)承托前、后條板厚度也不盡相同，所以潛艇的舷外裝載平臺和導(dǎo)運(yùn)承托聯(lián)調(diào)后一般由本艇使用，各艇互換通用較為困難。

圖2 潛艇裝載UUV 時人員已到位的舷外平臺Fig.2 Outboard platform where the submarine is loaded with UUV

2 技術(shù)研究與設(shè)計

2.1 技術(shù)思想與總體設(shè)計

經(jīng)過對潛艇UUV 裝載平臺難以通用的原因分析，依托原有裝載平臺的主體結(jié)構(gòu)（基座），綜合運(yùn)用機(jī)械傳動及導(dǎo)向技術(shù)和三維空間定位調(diào)整技術(shù)[4]，設(shè)計具有適位調(diào)整功能的組合式、通用化、便攜式的裝卸導(dǎo)運(yùn)裝置，實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)和橫向可移，適應(yīng)不同潛艇UUV 裝載時的舷外平臺適配差異性要求，解決原有托架空間位置無法調(diào)整而使UUV 導(dǎo)運(yùn)進(jìn)管困難的問題。

具有適位調(diào)整功能的便攜式UUV 裝卸導(dǎo)運(yùn)裝置，主要包括本體裝置、橫移定位組件和輔助導(dǎo)運(yùn)托架3 部分，如圖3 所示。導(dǎo)運(yùn)裝置本體重量不超過50 kg（不含輔助導(dǎo)運(yùn)托架等），承重不小于2 t；升降高度不小于8 cm，橫向位移不小于6 cm；2 名艇員可以攜帶上艇，用繩索沿升降口吊入潛艇一艙。

圖3 裝卸導(dǎo)運(yùn)裝置樣機(jī)實(shí)物（三組件）Fig.3 Prototype of loading and unloading guide device(three components)

2.2 裝置本體便攜式設(shè)計

導(dǎo)運(yùn)裝置本體設(shè)計中，在滿足裝卸UUV 要求的前提下，盡量減小體積重量，將原來5 m 多的長導(dǎo)運(yùn)架，分體為導(dǎo)運(yùn)裝置本體與輔助導(dǎo)運(yùn)托架兩部分（兩者間距約3 m，保證支撐UUV 的穩(wěn)定性）。導(dǎo)運(yùn)裝置本體縮短為長約1.7 m，體積約為長導(dǎo)運(yùn)架的15%，輔助導(dǎo)運(yùn)托架體積更小，可以分別用繩索從潛艇升降口吊下，由潛艇攜帶出航，到達(dá)其他港口后需要裝載UUV 時吊出使用。

導(dǎo)運(yùn)裝置本體后端（圖3 右端）設(shè)計有錐形定位插頭，并在插頭的錐形部分加工一個徑向通孔，孔徑約10 mm。這樣，當(dāng)錐形定位插頭插入潛艇發(fā)射管前端專門設(shè)置的定位導(dǎo)管（圖4 箭頭向左指向位置）內(nèi)[5]，梯形肩部抵在定位導(dǎo)管端面上，使錐形定位插頭以及整個導(dǎo)運(yùn)裝置不能向前；同時，當(dāng)插頭的前錐形頭穿過定位管并伸出后，將定位銷插入徑向通孔內(nèi)，使錐形頭連同插頭和導(dǎo)運(yùn)裝置不能向后，這樣，可以將導(dǎo)運(yùn)裝置前后定位，避免在UUV 運(yùn)行時導(dǎo)運(yùn)裝置受到摩擦而前后隨動。

2.3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計

便攜式擴(kuò)力型升降裝置常見的如千斤頂，從原理上分為液壓式和機(jī)械式兩類[6]。機(jī)械千斤頂中又包括螺旋式和剪式等細(xì)類。便攜導(dǎo)運(yùn)裝置研制中先后采用了3 種千斤頂升降結(jié)構(gòu)，岸港試用比較后，從便于操作考慮，最后定型時采用螺旋升降結(jié)構(gòu)。

圖4 導(dǎo)運(yùn)裝置本體及與潛艇發(fā)射管對接定位關(guān)系Fig.4 Guiding device body and docking positioning relationship with submarine launch tube

由于舷外裝載平臺上的雷架升降轉(zhuǎn)臂施力空間有限，在轉(zhuǎn)動扳手（臂桿）升降托架時，有些轉(zhuǎn)動路徑可能被平臺原有的安全圍欄阻擋，若轉(zhuǎn)動手柄固定在轉(zhuǎn)盤上，可能使轉(zhuǎn)動操作遇到死角。因此，采用可從轉(zhuǎn)盤兩側(cè)插拔操作的鉤型扳手，從而不受操作空間的限制。為此，專門設(shè)計了邊緣帶一圈通孔的齒輪盤，如圖5 所示。將齒輪盤的邊緣缺口寬度調(diào)整為1.5 cm，同時，在每一個邊緣缺口的向心方向約1.5 c m處，加工直徑1.2 cm 的通孔，便于上述鉤型扳手的鉤頭插入，作為轉(zhuǎn)動齒輪盤的一個施力點(diǎn)（圓盤一周共有24 個）；鉤型扳手的凸塊可以卡入齒輪盤的邊緣缺口，從而將鉤型扳手可靠固定在齒輪盤上，保證足夠的力矩。這樣，轉(zhuǎn)動扳手時帶動齒輪盤轉(zhuǎn)動（見圖5，圖中扳手已經(jīng)插到齒輪盤上，處于操作狀態(tài)），通過中心螺紋沿螺桿上下移動，從而帶動上部的托架上下移動，實(shí)現(xiàn)托架縱向移位。

2.4 橫移定位組件設(shè)計

圖5 升降轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物Fig.5 The structure and physical object of lifting and rotating mechanism

橫移定位組件（見圖6）用于導(dǎo)運(yùn)裝置的橫移和橫向定位?，F(xiàn)有裝載平臺的邊緣固定一耳環(huán)，與平臺底部的橫梁焊接固定為一體，可以直接利用，作為橫移定位組件的固力支撐點(diǎn)；定位螺桿的另一個支撐點(diǎn)是卡槽，位于便攜導(dǎo)運(yùn)裝置本體側(cè)部，需要專門加工和與導(dǎo)運(yùn)裝置本體焊接固定。橫移定位組件原理樣機(jī)包括12 個零部件，組裝較為麻煩，特別是凸耳卡塊組件操作時需要將3 個螺栓、3 個螺桿、左擋板、右擋板和調(diào)整螺帽逐一組裝，艇員試用后反映部件太多，希望簡化結(jié)構(gòu)或組合設(shè)計。因此，在橫移定位組件改進(jìn)設(shè)計中，將凸耳卡塊組件組合成一體，操作時直接由上而下卡在裝載平臺的凸耳上，大大簡化了操作。

圖6 橫移定位組件結(jié)構(gòu)原理圖Fig.6 Schematic diagram of traversing positioning component structure

2.5 輔助導(dǎo)運(yùn)托架設(shè)計

輔助導(dǎo)運(yùn)托架（前托架）也具有升降功能，技術(shù)上參照本體裝置上的同類機(jī)構(gòu)。裝卸UUV 操作時輔助導(dǎo)運(yùn)托架處于裝載平臺的前端位置，托架固定時周圍可以依靠的支撐點(diǎn)幾乎沒有，因此其設(shè)計難點(diǎn)是與裝載平臺的可靠固連定位。針對裝載平臺底部支撐網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不同，專門設(shè)計了2 種輔助導(dǎo)運(yùn)托架。一種托架適用于裝載平臺的鐵質(zhì)底座，導(dǎo)運(yùn)托架底板四周加裝4 個可以調(diào)整吸力的磁鐵裝置，平時旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)開關(guān)將磁鐵置于非磁狀態(tài)，操作時將磁鐵置于磁吸狀態(tài)，靠強(qiáng)力磁鐵將托架可靠吸附在平臺底座上；另一種托架適用于裝載平臺的不銹鋼網(wǎng)狀底座，托架底板四周設(shè)計4 個全向可調(diào)的倒鉤抓網(wǎng)組件，使用時將該組件的鉤型器向下插入平臺的不銹鋼網(wǎng)中，然后旋轉(zhuǎn)位于網(wǎng)上的收緊螺母[7]，通過互成90°的4 個鉤型器的同時反拉，將輔助導(dǎo)運(yùn)托架固緊在平臺底網(wǎng)上。

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

1）提高了潛艇UUV 裝卸設(shè)備的通用性，滿足了UUV 跨洋跨區(qū)作業(yè)的需要。

本文針對管裝UUV 裝載平臺因長期承重變形、制造及適配公差等原因而通用性較差的瓶頸，綜合運(yùn)用機(jī)械傳動及導(dǎo)向技術(shù)、三維空間定位調(diào)整技術(shù)和人機(jī)工程學(xué)思想，提出基于已有平臺底座的移動托架承重導(dǎo)運(yùn)技術(shù)，解決了雷架位置無法調(diào)整的難題。全裝置采用功能模塊組合以及非承重大面積縷空、冗余去除等減重縮容設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了UUV 裝卸設(shè)備的小型化和便攜式。

考慮到裝卸UUV 時的承重，對通用導(dǎo)運(yùn)裝置的機(jī)械強(qiáng)度和雷架長度有必然的要求，而隨艇載運(yùn)和不超過2 人抬運(yùn)的要求又必須嚴(yán)格限制裝置的體積重量，如何兼顧保證強(qiáng)度和減重縮容的對立要求，實(shí)現(xiàn)難度很大。通過對相關(guān)部件的漸進(jìn)式減重設(shè)計以及減重后對承重強(qiáng)度的反復(fù)試驗驗證，最終找到可行方案。

2）在充分研究潛艇前端及裝載平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作限制基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)運(yùn)裝置的最優(yōu)設(shè)計。

采用齒輪—牙盤—加長桿組合擴(kuò)力設(shè)計、垂移穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[8]，以及扣鎖定位、導(dǎo)槽卡位和差桿旋轉(zhuǎn)換向伸縮設(shè)計，解決了裝載平臺上操作部位空間狹小和定位支撐困難的問題；采用前托架四角全向可調(diào)抓網(wǎng)結(jié)構(gòu)，潛艇前端對接錐管漸緊適配及橫向插鎖防滑脫設(shè)計以及前后雙托架組合支撐，保證了導(dǎo)運(yùn)裝置與潛艇、裝載平臺三者間的可靠固定和UUV 裝卸時的平穩(wěn)導(dǎo)運(yùn)。

由于便攜式導(dǎo)運(yùn)裝置需要在不改變已有舷外裝載平臺結(jié)構(gòu)的條件下，適應(yīng)潛艇裝卸UUV 的要求。原有裝載平臺基體的結(jié)構(gòu)和操作環(huán)境對導(dǎo)運(yùn)裝置的設(shè)計造成了諸多限制，通過對不同潛艇裝載平臺承重結(jié)構(gòu)尺寸差異性的反復(fù)測量和比對，最終確認(rèn)能夠滿足UUV 裝卸要求的雷架垂向移動最小調(diào)整量。

4 結(jié) 語

本文在研究潛艇管裝UUV 裝載平臺的結(jié)構(gòu)原理、操作方法和制造公差等基礎(chǔ)上，進(jìn)行升降、橫移、定位和減重等功能設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)基于已有平臺底座與加裝適位調(diào)整托架相結(jié)合的UUV 導(dǎo)運(yùn)進(jìn)艇。

通過試驗驗證，本文闡述的UUV 導(dǎo)運(yùn)適位調(diào)整技術(shù)，提高了潛艇舷外裝載平臺的通用性。該裝置充分依托潛艇裝卸UUV 的已有流程和方法，突出便攜式設(shè)計，結(jié)構(gòu)合理，定位可靠，導(dǎo)運(yùn)平穩(wěn)，拆裝及調(diào)整簡單，為今后各型潛載UUV 的海上作業(yè)提供了較為有效的裝卸技術(shù)保障。