UUV載小型大負載桅桿垂直升降技術(shù)研究?

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

進入新世紀以后，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已達到數(shù)百種［1］。美國海軍計劃要在2030年前組建一支大約有2000艘不同級別UUV的部隊，主要用于淺海和近岸處的對敵情報收集和偵察監(jiān)視，進行反潛戰(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］，其重量達到50t量級，可裝載魚雷、導彈或水雷等武器。其采用模塊化設(shè)計，并可根據(jù)任務(wù)不同改變配置。大型UUV為了實現(xiàn)情報偵察和無線電通信，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會收入UUV內(nèi)部以減小流阻，在使用時通過升降裝置將其伸出UUV。

UUV為了搭載更多的任務(wù)載荷，實現(xiàn)更遠的航程，對搭載設(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用導流罩式升降裝置，其由支撐構(gòu)架、液壓升降機、二級升降機構(gòu)、導流罩、集成閥組和顯控設(shè)備等組成，可實現(xiàn)桅桿的升降、定位支撐和浪跡消隱等多種功能［5］。但對于UUV平臺而言，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，實現(xiàn)的1∶1的負載自重比，占用空間更小。

桅桿伸出UUV外部迎水運動時受流體力作用產(chǎn)生振動和彎曲變形，過大的彎曲變形可能導致結(jié)構(gòu)的損壞。本文采用工程設(shè)計中廣泛采用Morison方程計算其所受流體力，并采用有限元分析法對桅桿升降裝置強度和振動特性進行了分析，力學性能滿足使用要求。

2 桅桿升降裝置設(shè)計

2.1 升級裝置組成

為了實現(xiàn)升降裝置小型化、輕量化，設(shè)計了一種蝸輪蝸桿減速、圓柱齒輪齒條傳動升降裝置，實現(xiàn)桅桿升降。如圖1所示，UUV載桅桿升降裝置由伺服電機、減速器組件、齒條升降桿、升降臺組件、到位鎖定機構(gòu)和到位傳感器等部分組成。減速器組件由蝸輪蝸桿機構(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、導軌、傳感器融合共形設(shè)計成一根圓柱齒條升降桿，其外柱面銑齒、導向槽并裝有傳感器，內(nèi)腔異形適應外柱面變化，升降臺裝有輕質(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，滿足了小型平臺對升降裝置尺寸和重量的苛刻要求。

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

該升降裝置設(shè)計了到位鎖定機構(gòu)，實現(xiàn)單桿升降和到位雙桿支撐，到位后兩個支撐桿與套筒精密配合，提高了支撐強度和支撐精度，減小了設(shè)備重量。該升降裝置采用伺服電機和到位傳感器驅(qū)動控制組合應用于水下平臺升降裝置，解決了到位緩沖和精確運動控制，減小了設(shè)備噪音。該升降裝置將安裝法蘭設(shè)計成螺旋結(jié)構(gòu)，可以周向旋轉(zhuǎn)和軸向伸縮，補償了不易修切的復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

當升降裝置電機收到上電信號后，進行初始化，接收控制指令。當電機收到上升信號后，輸出軸正向高速轉(zhuǎn)動，經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速后，輸出齒輪旋轉(zhuǎn)運動，齒輪帶動升降臺和桅桿沿齒條升降桿向上運動，當遇到到位傳感器上到位信號后，電機減速緩沖，直至停止到上到位位置。

當電機收到下降信號后，電機反轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器齒輪帶動升降臺和桅桿沿齒條升降桿向下運動，當遇到到位傳感器下到位信號后，電機減速緩沖，直至停止到下到位位置。

當電機收到停止信號后，電機停止轉(zhuǎn)動，升降臺和桅桿停止在當前位置。減速器組件采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿，當電機停止輸出轉(zhuǎn)矩時，升降臺組件可以鎖定到當前位置，桅桿不會墜落。

3 負載能力和水動力學分析

3.1 負載能力分析

升降裝置負載升起時，克服重力向上運動部分的總重量為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為單個減磨材料套筒處的摩擦力。

設(shè)運動部分總重量對升降桿的彎矩為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為平衡運動部分總重量對升降桿的彎矩的套筒支反力，L2為兩個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)兩個減磨材料套筒對升降桿的壓力為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為蝸輪蝸桿傳動效率，η2為齒輪齒條傳動效率，η3為其他運動副的效率。

綜合以上各式，可以得出電機的輸出功率。

蝸輪在傳動過程中受交變應力影響，設(shè)蝸輪應力循環(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為傳動比。

根據(jù)蝸輪齒面接觸疲勞強度計算公式［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)過彎曲疲勞強度校核，可以確定蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸。根據(jù)疲勞強度計算和校核同樣可以獲得齒輪齒條傳動參數(shù)。根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)，可以開展整機設(shè)計。

某型桅桿重125kg，采用此設(shè)計的升降裝置最大占用空間648mm×526mm×2130mm，重129kg，達到1∶1的負載自重比。UUV載桅桿升降裝置負載試驗見圖2，將升降裝置固定在試驗臺上，將試驗負載安裝在桅桿安裝法蘭上，試驗負載重量135kg，以電機設(shè)計輸出轉(zhuǎn)速啟動電機，升降裝置工作正常。根據(jù)電機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，與計算值符合性較高。

圖2 UUV載桅桿升降裝置負載試驗

3.2 水動力作用下的彎曲特性分析

與波長相比尺度較小的細長柱體（例如圓柱體D/L<0.2）的波浪力計算，在工程設(shè)計中可應用Mor?ison方程［7-9］，該理論假定柱體的存在對波浪運動無顯著影響，并認為波浪對柱體的主要作用是粘滯效應和附加質(zhì)量效應［10］。

采用修正的莫里森方程［11］計算處于波流場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，m；T為波浪周期，s；cmc波流場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潛越時桅桿受到最大的流向力，為計算結(jié)構(gòu)強度，運用ANSYS WORKBENCH對升降裝置及桅桿潛越狀態(tài)進行了仿真分析。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)運算，桅桿升降裝置潛越狀態(tài)的總變形云圖如圖4所示，應力云圖如圖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。升降裝置最大應力為63.6MPa，小于鈦合金TA5的588MPa屈服強度。升降裝置搭載桅桿隨UUV進行了海試，滿足桅桿使用要求，升降裝置強度滿足要求。

3.3 振動特性分析

桅桿安裝在升降裝置上隨UUV在水中運動時，由于受到周期性發(fā)放的卡門渦漩作用，將會產(chǎn)生振動。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，將引起共振。桅桿升降裝置設(shè)計，必須要避免使用時產(chǎn)生共振而導致內(nèi)部機構(gòu)和設(shè)備的損壞。所以，桅桿升降裝置的結(jié)構(gòu)必須要滿足振動特性要求。

本文采用有限元分析法，運用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行進時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，可能造成結(jié)構(gòu)的強度問題，造成內(nèi)部機構(gòu)和設(shè)備的損壞。根據(jù)共振區(qū)經(jīng)驗公式［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)過計算可知，UUV航速在39Kn～56Kn時，桅桿升降裝置會引起共振，滿足適用航速要求。升降裝置搭載桅桿隨UUV進行了海試，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，實現(xiàn)更遠的航程，對搭載設(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上的廣泛應用，其升降裝置的小型化和輕量化設(shè)計是研究的熱點。本文研制了一種桅桿升降裝置，實現(xiàn)了1∶1的負載自重比，且滿足桅桿使用時水動力學要求，具有廣泛的前景和較高的應用價值。