防波板平面四桿機構設計與實現

向平，韓宗真，鄭卉凌

（武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

0 引言

防波板及其傳動裝置是船體界面技術的重要內容之一，其設計的好壞將直接影響到艦船總體性能和裝置的使用效果。由于艦船上防波板傳動機構的運行空間狹小，防波板的開啟和關閉位置受到客觀因素限制，因此對防波板傳動機構的設計和實現提出了很高的要求。

1 防波板的設計要求和機構設計

防波板作為艦船上的重要設備，打開后應能形成艦船設備所需通道，關閉時應能保證船體流線外形完整。防波板機構工作空間狹小，長期浸泡在海水中，因此傳動機構及動力應簡單，可靠性高。

1.1 設計輸入和具體要求

根據防波板機構工作特定的空間特點，綜合比較了各種方案后，確定以平面四連桿機構作為防波板的傳動裝置方案。其中動力輸入桿為防波板對應艦船設備上的某運動部件，這樣就可以實現防波板與對應的艦船設備的連動，確保二者動作協調一致。其方案簡圖如圖1所示。

圖1 防波板設計輸入尺寸簡圖Fig.1The drawing of the input dimensions to design shutter

在圖1中，已知曲柄AB為艦船設備機架的一部分，與艦船設備連動。鉸鏈A距設備中心線距離為L1，曲柄AB長度為L2和轉動角度為β1。鉸鏈D的位置在船體內部，且需留出一定的安裝和運動空間。初步選定鉸鏈D的相對位置（L3，L4）和防波板轉動角度β2后，利用相對旋轉作圖法找到鉸鏈C的位置。其中轉動角度的要求是防波板開啟后所有相關機構及防波板在艦船設備所需的通道之外。

如果以上找到C的位置不合適，修改D位置，重復以上步驟，直到找到合適的C點位置為止。

1.2 傳動四連桿機構設計過程

防波板的傳動尺寸鏈是整套裝置運轉時滿足要求的關鍵。對于防波板傳動裝置而言，不同的傳動尺寸鏈可以帶來不同的運轉結果。

參考相對極點法［1］，運用如下的相對旋轉作圖法來確定C點的位置。

圖2 相對旋轉作圖法Fig.2The method of relative rotation to draw

圖2中，假定C點已知，且ABCD和AB1C1D分別是四桿機構2個極限位置時的位置。

保持四桿機構AB1C1D的四桿（即4點）的相對位置不變，以D為中心將四桿機構AB1C1D整體固定順時針旋轉防波板角度β，即將AB1繞D點旋轉到A'B'位置。旋轉完畢時，C1點回到了C點的位置，B1點轉到B'點的位置。由于AB1C1D四點的相對位置關系不變，所以B'C=BC，因為它們是同1根桿BC。

做BB'垂直平分線，則鉸鏈C在BB'的垂直平分線上。

在BB'垂直平分線上適當位置確定C點的位置，綜合權衡位置布置、離防波板距離等因素，即可確定鉸鏈C的位置，從而確定桿BC和CD的長度。

2 防波板傳動機構受力計算

確定了防波板傳動裝置的傳動尺寸鏈后，通過結構計算，明確各零部件的結構尺寸，并對其進行受力分析。

防波板在啟閉過程中受到的阻力主要來自海水。由于該阻力的效果主要是水流對運動的防波板表面進行沖擊造成的，所以在關防波板過程中，需克服的阻力要遠大于在開啟過程中克服的阻力。所以對平面四桿機構進行受力分析，在某確定航速時，求出需要多大的力矩才能保證防波板的閉合狀態，而不被水阻力頂開。

防波板四桿傳動機構關閉到位時的整體受力分析見圖3，各桿的分解受力分析見圖4。

由力系平衡方程∑M=0，∑F=0，可得如下方程:

式中:α，β，γ如圖所示;M為轉臂需要提供的力矩;NB，NC，ND為B，C，D所受到的運動副反力; MZ為防波板正壓力阻力矩;MG為防波板重力產生的阻力矩。

式中:P為防波板表面壓力，kg/cm2;α為防波板位置角;K為系數22.5;A為等效受力面積，m2。

防波板阻力P選用喬瑟爾公式［2］來計算。

3 防波板的三維設計和安裝實現

防波板的結構基本上采用縱橫肘板予以加強。連桿采用無縫鋼管制作。防波板零件三維模型在PRO/E環境下建立并進行運動驗證。

由于船體建造的誤差，完全按理論設計的平面四連桿機構很難使防波板運動準確到位，需要有一個方便的微調機構。為此，在連桿BC的中部按反螺紋調節原理設置了1個長度調節器，用以調節連桿長度，使整個防波板裝置處于最佳狀態。即連桿BC由前連桿、后連桿和中間的調節器3個部分組成。前后連桿和調節器之間分別通過左旋螺紋和右旋螺紋來連接。通過微調旋入連桿調節器內的螺紋長度來調整連桿BC的長度，從而達到微調防波板傳動裝置的目的。

4 結語

通過參照相對極點法，利用旋轉作圖法設計了平面四桿機構，實現了防波板的傳動。并設計了1個長度調節器來微調傳動機構的安裝尺寸。通過三維設計和實際的安裝表明，上述方法設計的傳動機構運行平穩、到位準確、調節方便，滿足防波板的運動要求。

［1］成大先，等．機械設計手冊［M］．北京:化學工業出版社，2002．

［2］伍景英，等．造船理論［M］．北京:國防工業出版社，1961．