無人潛航器舵板與舵桿的通用結構設計

中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 湖北宜昌 443003

筆者以某成熟產品為原型，具體闡述無人潛航器（UUV）舵板與舵桿的通用結構設計。UUV內部裝配了水平及垂直方向舵機，舵機通過輸出軸傳遞扭矩，帶動舵板轉動。輸出軸在UUV舵機孔座上通過軸承支撐，同時與相應密封座配合來實現對舵機孔座的密封。舵板一端通過四方孔與輸出軸連接，由緊釘銷釘固定［2］，另一端通過支撐板內的滑動軸承支撐。舵板由兩點支撐，可靠性、穩定性更高。舵機及其相關結構布置如圖1所示。

1 舵板及舵桿結構

UUV舵板及舵桿的結構形式較通用船舶的更加簡單實用［3］，舵桿采用高強度不銹鋼加工而成，將其預埋到玻璃纖維增強塑料中，待結構固化后即形成舵板。其中，舵板的外表面型值通過鋼模形成，舵板結構如圖2所示。

舵板將舵桿固定在舵面的鋼模內，通過手工糊玻璃纖維布及填充環氧樹脂成型。舵桿上設計有φ12 mm定位銷孔，保證舵桿與鋼模之間的相對位置。舵桿結構如圖3所示，M30-6g可用60°的V形槽代替，要求V形槽底徑不小于M30螺紋小徑。V形槽可增大舵桿與玻璃纖維增強塑料的黏接面積，提高黏接強度［4］。

2 舵板及舵桿材料選用

▲圖1 舵機及相關結構件布置

根據舵板的受載荷情況，需要選擇屈服極限更高的材料作為舵桿材料。根據某型號產品經驗，選用2Cr13，其屈服極限較高，有一定的磁性，滿足材料特性要求，舵桿材料力學特性見表1［5］。舵面材料選用玻璃纖維增強塑料，其比強度高，成本低廉，具有廣泛的工程應用價值。

表1 舵桿材料力學特性

▲圖2 舵板結構

▲圖3 舵桿結構

3 舵桿直徑計算及校核

根據UUV的流體特性，舵板的外形參數已確定。依據UUV和舵機性能指標要求，可以按公式計算舵桿輸出軸根部直徑。

水平舵與垂直舵完全對稱分布，承受的載荷也基本一致。采用兩端支撐舵桿的結構形式，可將舵桿看成兩端支撐的梁，壓力中心距舵根剖面距離a=0.233 m，舵板平均展長b=0.55 m，壓力中心離外緣一端距離g=b-a=0.55-0.233=0.317 m，舵桿根處所受載荷最大，需計算并校核舵桿輸出軸根部的直徑［6］。

舵桿根處的最大彎矩M為：

其中：F為10 kN時垂直于單舵平面的分力。

舵桿所受的扭矩QH=-122 N·m，舵桿同時受扭矩和彎矩的作用，其輸出軸根部直徑d為：

式中：α為剪應力脈動循環變化的修正因數。

考慮到一些不可預見的沖擊力，取舵桿輸出軸根部直徑d=45 mm。

4 舵機輸出軸密封設計

舵機輸出軸通過密封座實現密封，密封座如圖4所示。密封座Ⅰ所對應的面與舵機輸出軸配合，實現兩道密封。密封座Ⅱ所對應的面與舵機孔座配合，實現兩道密封。密封面Ⅰ、Ⅱ均按GB/T 3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈溝 槽尺寸》設計［7-8］。

5 舵機輸出軸支撐軸承選用與校核

舵機輸出軸與殼體的連接處選用深溝球軸承，與鰭的固定端選用滑動軸承。

▲圖4 密封座

5.1 深溝球軸承選型

深溝球軸承根據GB/T 276—1994《深溝球軸承》選用軸承型號61909，經計算校核，滿足使用要求［9］。

5.2 滑動軸承尺寸確定

5.2.1 設計參數

滑動軸承的軸頸為h，軸承接觸工作寬度為L，一般選取L/h=0.5～1.5［10］。 筆者選取h=28 mm，L=20 mm，如圖5所示。

5.2.2 驗算限制軸承的壓強P

式中：［P］為軸瓦材料的許用壓強，［P］=20 MPa；Fr為軸承的徑向載荷。

P＜［P］，故可以防止軸瓦過度磨損。

5.2.3 驗算限制軸承的Pv值

Pv值表征了軸承發熱量的大小，Pv值越大，發熱量越高，溫升越大，潤滑效果越差，越容易造成膠合破壞。

式中:v為軸頸的圓周速度，v=πhn；n為軸的轉速；［Pv］為軸瓦材料的Pv許用值，［Pv］=15 MPa·m/s。

根據以上計算校核來選取徑向滑動軸承，軸套材料為銅基合金［11-12］，牌號為ZCuAl10Fe3,該材料適宜制造在海洋環境中工作的軸承。

6 結束語

舵板與舵桿結構件作為UUV上不可或缺的部分，對UUV的功能及使命完成起到關鍵作用。當前UUV行業迅猛發展，各種規格尺寸的產品層出不窮，但舵板與舵桿結構件沒有一個成熟可靠的結構形式。筆者以某產品舵板與舵桿為原型，詳細闡述了其總體布置方案及具體設計流程。

▲圖5 滑動軸承

這一結構形式已在其它多種型號產品上成功應用，經過湖上和海上多種工況下驗證，具有可靠性高、使用壽命長和結構件互換性強等優點，可以作為一種舵板與舵桿的通用結構，為其它相關領域舵板與舵桿結構件的設計提供借鑒和參考，具有較高的工程應用價值。