魚雷發射裝置氣缸法蘭變形測量技術

方國強，王紅華，楊宗元

（1．海軍裝備部，北京100841;2．武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

0 引言

由于海水壓力的變化，潛艇耐壓殼體會隨深度的變化而產生不同的變形。在魚雷發射裝置汽缸活塞桿穿越潛艇耐壓殼體的情況下，如果耐壓殼體變形較大則可能使得氣缸活塞卡死，從而影響魚雷的順利發射。因此，測量不同深度下發射裝置氣缸前端面法蘭相對于耐壓隔壁之間的徑向變形量，對評估潛艇在不同深度下的魚雷發射環境具有參考價值。

1 測量方案及其原理

在發射魚雷過程中，高壓氣體注入氣缸，推動氣缸活塞桿向前移動，形成發射動作。高壓氣體壓入氣缸并推動活塞桿的過程，可能受到影響的因素有氣缸和活塞桿的制造及裝配工藝不理想、艇體變形等。

根據魚雷發射裝置相關部位總體結構特點，為了便于分析，排除影響發射的次要因素，現作如下假設:

1）安裝在耐壓隔壁焊接件上的高精度定位標相對焊接件之間的位置關系在艇下潛過程中不會發生變化，定位標的位置變化等同于焊接件的變化。

2）在艇下潛過程中安裝在氣缸缸體上的激光測量系統相對缸體之間的相對位置關系不會發生變化。

3）由于只關心不同下潛深度相對水面狀態下的變形，可以認為水面狀態下焊接件上定位標以及推桿狀態為初始理想狀態，即水面條件下焊接件和氣缸之間的初始裝配誤差。

1.1 坐標系構建及轉換

如圖1所示，艇處于水面狀態，在耐壓隔壁焊接件和氣缸上分別安裝高精度定位標和激光測量系統。在激光測量系統坐標系xyz下對圓柱狀推桿進行掃瞄測量，并測量出定位標在坐標系xyz中的精確坐標O（xO，yO，zO）。

在專用數據處理軟件中構建虛擬目標:

1）根據激光測量系統對推桿的掃瞄數據在軟件中構建坐標系xyz下的推桿軸線L1;

2）過O點構造出垂直于直線L1的平面P;

3）在平面P內構建一個不同于O點的點A（xA，yA，zA）;

4）過O點構建垂直于平面P的直線L2。

根據直線L2可以確定向量r1。，根據A點和O點坐標可以確定向量r2={xA－xO，yA－yO，zA－zO} ={xAO，yAO，zAO}，則可以求出另外1個向量r3:

同時可以得到3個向量r1，r2和r3的方向余弦:

由向量r1，r2和r3構建坐標系Ox'y'z'，其中原點為O點，z'軸方向對應向量r1方向，x'軸方向對應向量r2方向，y'軸方向對應向量r3方向。繼而可以得到坐標系Ox'y'z'相對于xyz的坐標系變換方程:

1.2 目標量解算

潛艇下潛至某一預定深度時測量出定位標在機器坐標系中的精確坐標，根據方程（1）解算出此時定位標在坐標系x'y'z'中的定位數據為（a1，b1，c1），則該深度條件下相對于水面狀態下徑向變形量為:

2 誤差分析

由于深潛過程中艇的狀態比較復雜，在此對主要的誤差源進行分析。

2.1 激光測量系統單點測量誤差

根據測量方案，基準平面及氣缸法蘭的位置都是利用激光測量系統－高精度定位標組成的測量系統構造出來的，因此，激光測量系統對4個定位標的單點測量誤差對總的測量誤差起著重要作用。

已知激光測量系統的單點測量精度為5 ppm。由于各個定位標與激光測量系統的距離并不一致，因此其測量誤差也是有差別的。為了簡單起見，其測量誤差按如下處理:坐標系構造平臺上的3個定位標與激光測量系統的距離均有d0≤2 m，因此其測量誤差

氣缸法蘭處的定位標與激光測量系統的距離d1=457 mm，其測量誤差

其中，氣缸法蘭處的定位標位置的測量誤差會造成最終測量結果的等量誤差。

2.2 坐標系構造誤差

利用激光測量系統測量坐標系構造平臺上的3個定位標來構造坐標系時，由于激光測量系統存在測量誤差，所構造的坐標系也會存在誤差。這種誤差的組成比較復雜，這里僅討論極限情況。

從坐標系構造原理可知，當3個定位標沿坐標軸x，y，z的測量誤差分量方向相同時，其構造的坐標系與目標坐標系之間存在平移誤差，稱為坐標系平移誤差;當3個定位標沿坐標軸的測量誤差不一致時，其構造的坐標系與目標坐標系之間存在旋轉誤差，稱為坐標系旋轉誤差。

坐標系平移誤差等于激光測量系統單點測量誤差。從測量原理可知，坐標系沿基準平面的平移誤差Epy會造成相對變形測量結果的等量誤差，而此平移誤差僅為坐標系平移誤差的一部分（沿z軸的平移誤差對測量結果沒有影響），因此有:

坐標系旋轉誤差不僅與激光測量系統單點測量誤差有關，還與定位標間距有關。如圖2所示，設A和B為2個定位標的真實位置，A'和B'為2個定位標的測量位置，AB間距為s，則由激光測量系統單點測量誤差導致的坐標系偏擺角度為

圖2 坐標系偏擺誤差示意圖Fig.2Coordinate system rotational error

坐標系偏擺包括坐標系x軸、y軸和z軸的偏擺。其中坐標系z軸的偏擺（注意，不是繞z軸的偏擺）對測量結果的影響最大。如圖3所示，z軸代表真實的基準坐標系軸線，z'=0代表測量得到的基準坐標系軸線。設氣缸法蘭處的定位標位于z軸上，則Exz表示由于坐標系z軸偏擺引起的氣缸法蘭徑向位移測量誤差。設氣缸法蘭處的定位標距基準平面的距離為d2，則有

當D不在z軸上時（如圖4），坐標系z軸的偏擺造成的測量誤差:

故總的坐標系構造誤差為

2.3 坐標系構造平臺安裝誤差

根據測量原理的要求，坐標系構造平臺上3個定位標所在的平面（基準平面）應與耐壓隔壁焊接件的軸線垂直。由于坐標系構造平臺的安裝精度有限，測量方案中采取了利用定位標構造出氣缸推桿的方向，對坐標系構造平臺的安裝誤差進行了補償。但誤差補償只能使誤差減小，而不能完全消除誤差。

如圖5，設z=0表示真實的基準平面，z″=0表示誤差補償后的基準平面。2個平面的偏差為β，D和D'表示氣缸法蘭水面及下潛后的位置，則坐標系構造平臺安裝誤差造成的測量誤差為:

圖5 坐標系構造平臺安裝誤差Fig.5The measure error introduced by coordinate consturct platform

由于經補償后的基準平面的誤差為秒級，在此設為1'，試驗過程中氣缸法蘭的位移不到10 mm，故有

可見，基準平面的構造誤差對測量結果的影響很小。

2.4 總測量誤差

從以上分析可知，氣缸法蘭徑向位移的總測量誤差為

從測量誤差的組成來看，坐標系旋轉誤差對氣缸法蘭的徑向位移測量結果影響最大，而從誤差分析的結果可以看出，坐標系構造定位標組與激光測量系統的距離以及定位標之間的最小間距是決定該誤差的主要因素。

3 試驗結果

試驗共采集了5 770組數據，對徑向變形量處理后數據如圖6所示，圖中橫坐標為測量組數，縱坐標為變形量。

由圖6可知，徑向變形量較小，而且變形規律性不明顯。對軸向變形量處理后數據如圖7所示，圖中橫坐標為測量組數，縱坐標為變形量。

由圖7可知，下潛過程中軸向變形量隨著下潛深度的增加而增加，變形規律性強，梯度明顯。

從圖6和圖7綜合可以看到，焊接件相對于氣缸的變形主要表現在軸向變形上，徑向變形微小。軸向變形且隨下潛深度的變化變形量規律性很強，能體現耐壓隔壁焊接墊套的變形規律，也從側面驗證了試驗數據有效、可信。

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