新型船用超短基線換能器升降裝置設(shè)計(jì)

鄭 俊，沈華棟，廖冬杰

（上海海迅機(jī)電工程有限公司，上海 201111）

0 引言

隨著21世紀(jì)對(duì)海洋資源的探索和開發(fā)，越來(lái)越多的海洋珍貴資源在大洋深處被發(fā)現(xiàn)，例如海底油氣資源[1]，海底珍貴金屬礦產(chǎn)資源等寶貴資源的發(fā)現(xiàn)。我國(guó)的國(guó)策也明確了爭(zhēng)取海洋主動(dòng)性是我國(guó)的強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略[2]。在開發(fā)這些資源的過(guò)程中，對(duì)海底資源的探測(cè)和定位尤為重要，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用超短基線水下定位系統(tǒng)（Ultra-short Baseline，USBL）來(lái)進(jìn)行水下探測(cè)，在實(shí)際使用中，需要將USBL的換能器部分伸出船底到水下一定的深度。由于海流的強(qiáng)度和方向經(jīng)常變化且波動(dòng)幅度較大，對(duì)水下部分的結(jié)構(gòu)可靠性有很高的要求。此外換能器的伸出量受到艙內(nèi)層高限制也是目前存在的問(wèn)題。

本文以上海海迅機(jī)電工程有限公司為某用戶設(shè)計(jì)的超短基線換能器升降裝置為對(duì)象，通過(guò)對(duì)超短基線換能器升降裝置進(jìn)行分析和試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性、合理性及其應(yīng)用形式上的靈活性，為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 升降裝置基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 功能需求調(diào)研

在研發(fā)前期經(jīng)過(guò)實(shí)船的調(diào)研分析，將超短基線換能器升降裝置需要的功能性能、指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行匯總。主要指標(biāo)如下：

1）換能器直徑Dh≤300 mm，高L≤700 mm，質(zhì)量G≤70 kg，安裝位置為升降裝置的最底端。定位深度為超出船底Lh≥1 500 mm。

2）要求在相當(dāng)于靜水10 kn航速下使用。3）重復(fù)定位精度Rt≤0.1°。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

升降裝置的主結(jié)構(gòu)為支撐裝置，包含支架、導(dǎo)軌、滑塊和軸承等。支架的上端安裝外桿升降電機(jī)，外桿電機(jī)連接螺旋升降機(jī)，升降機(jī)由絲杠和減速箱組成，減速箱側(cè)面配有編碼器和手輪軸，可以手動(dòng)應(yīng)急升降。絲杠布置在支架內(nèi)部，在支架內(nèi)部布置2根導(dǎo)桿，用于導(dǎo)向外升降桿。支架上段安裝外升降桿，外升降桿通過(guò)連接架和絲杠螺母和導(dǎo)向桿連接。支架下端依次安裝導(dǎo)向筒、水密箱和閘閥。導(dǎo)向筒用于導(dǎo)向外升降桿和動(dòng)密封的效果。水密箱在導(dǎo)向筒下部，水密箱有水密門可開閉，換能器收回時(shí)位置正好在水密箱內(nèi)，當(dāng)排出箱內(nèi)海水時(shí)，則可打開箱門，對(duì)換能器進(jìn)行操作。閘閥在水密箱下部，閘閥和船上安裝基座連接。支架側(cè)面安裝換能器的電纜導(dǎo)向拖鏈。因?yàn)閾Q能器在升降時(shí)的電纜也跟隨升降，所以設(shè)置導(dǎo)向拖鏈可以使電纜隨動(dòng)且和升降裝置自身不發(fā)生磨損刮擦。另外整套系統(tǒng)配備電控箱1個(gè)，安裝在艙室內(nèi)，用于控制升降等功能。升降裝置基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 升降裝置基本結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

本設(shè)備在船上的安裝座高度離船底有一段距離，按USBL 使用要求計(jì)算了實(shí)際伸出量約2 700 mm。此外需要在艙內(nèi)維護(hù)和更換換能器，因此在底部設(shè)置閘閥和水密箱。閘閥用于隔絕海水和艙。維修水箱箱用于隔絕海水后更換維護(hù)換能器操作。采用螺旋絲杠升降機(jī)來(lái)精確升降，采用船用三相異步電機(jī)作為動(dòng)力，以此來(lái)保證定位精度和船用環(huán)境適應(yīng)性。計(jì)算整體設(shè)備高度后，采用雙節(jié)套筒伸縮結(jié)構(gòu)方可滿足外形尺寸和伸出量要求。工作原理見圖2。

圖2 工作原理圖

2 主要部件受力分析

2.1 最大外力計(jì)算

升降裝置的最大受力工況為升降桿伸出船底達(dá)到最大伸出量，且相對(duì)水流為最高工作航速。整個(gè)設(shè)備的升降桿為最大受力部件。因此對(duì)桿進(jìn)行受力分析。按要求伸出Lh≥1500 mm，靜水下航速10 kn（5.144 m/s）。此為計(jì)算的外部輸入條件。對(duì)桿的水中阻力[3]F1進(jìn)行計(jì)算。

式中：CD為阻力系數(shù)，需通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)來(lái)判斷流體流動(dòng)狀態(tài)來(lái)選擇阻力系數(shù)；AP為迎流面積，0.262 5 m2；ρ為液體密度，取海水密度ρ=1 030 kg/m3；V為相對(duì)速度，取10 kn，相當(dāng)于5.144 m/s。

對(duì)物體擾流的雷諾數(shù)Re進(jìn)行計(jì)算，將各值代入式（2）得Re=6.86×105。

式中：V為流體運(yùn)動(dòng)黏度，取海水黏度1.2×10-6m2/s；U為相對(duì)來(lái)流速度，取10 kn為5.144 m/s；L為特征長(zhǎng)度，取圓柱直徑0.16 m。

按照?qǐng)D3曲線選擇雷諾數(shù)大于2×105，因此取CD值偏大值來(lái)計(jì)算，取CD=1。

圖3 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)圖

將各值代入式1進(jìn)行計(jì)算得，F(xiàn)1=5.246 kN，取載荷系數(shù)S=2，代入式（3）則水中阻力F=10.492 kN。

2.2 升降桿的強(qiáng)度理論校核

升降裝置要求伸出船底距離大于1 500 mm，按實(shí)際船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后在船體內(nèi)部固定部分長(zhǎng)度700 mm，換能器高度750 mm，因此升降桿伸出船外長(zhǎng)度L=750 mm，要求伸出到位后換能器的定位精度0.1度內(nèi)。則桿末端偏離中心距離：k=2.53 mm，即升降桿的總變形量不大于2.53 mm。

按照最大受力載荷工況，將受力模型簡(jiǎn)化見圖4。C端為入水最深處。A和B為船內(nèi)固定部分。BC段的升降桿受到水中阻力為F=10.492 kN的均布載荷作用，詳細(xì)的受力計(jì)算的過(guò)程見[4-8]。

圖4 升降桿受力圖

對(duì)桿的最大撓度f(wàn)c、最大應(yīng)力σmax進(jìn)行計(jì)算，將各值代入式（4）～式（9）[4]得fc=0.34 mm，σmax=18.24 MPa。

式中：MB為最大彎矩；lm為BC段長(zhǎng)度0.75m；q為均布載荷；F為水中阻力10.492 kN；fc為C點(diǎn)的最大撓度；λ為BC段和AB段的長(zhǎng)度比；lL為AB段長(zhǎng)度0.7 m；E為彈性模型，桿件材料采用316不銹鋼。E為210 GPa；I為截面慣性矩；σmax為最大應(yīng)力；D為桿的外徑，160 mm；d為桿的內(nèi)徑，132 mm；W為抗彎截面系數(shù)，材料的屈服強(qiáng)度查機(jī)械手冊(cè)[4]得：σ0.2=205 MPa。

依據(jù)計(jì)算數(shù)值對(duì)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核：安全系數(shù)S=σ0.2/σmax=11.2，滿足要求；撓度f(wàn)c∶0.34＜k∶2.53，滿足要求。

由計(jì)算可得桿件的剛度和強(qiáng)度均滿足要求。

3 有限元分析驗(yàn)證

在初步選型和設(shè)計(jì)升降桿尺寸后，再運(yùn)用有限元軟件對(duì)受力強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用通用有限元分析軟件Ansys Workbench。

3.1 模型前處理

首先將模型簡(jiǎn)化，將非關(guān)鍵位置的小孔和槽等細(xì)節(jié)均去除，用直角代替圓角和倒角，因?yàn)槿绻Ａ魧?shí)物模型的諸多細(xì)微集合特征，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)應(yīng)力奇異狀態(tài)。建模軟件采用Solidworks2018，再導(dǎo)入Ansys，見圖5。

圖5 升降桿效果圖

3.2 網(wǎng)格劃分

為提供仿真精度，將網(wǎng)格尺寸定義為10 mm，（默認(rèn)為78 mm），選用Solid187單元四面體，該單元為三維高階10節(jié)點(diǎn)固體單元，可以較好的模擬圓柱體模型。劃分后共92 887個(gè)單元，155 781個(gè)節(jié)點(diǎn)。效果見圖6。

圖6 網(wǎng)格化圖

劃分后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，并和相關(guān)規(guī)范[5]的要求進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量合格，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查表

3.3 邊界條件設(shè)定

首先設(shè)置材料。選擇材料庫(kù)內(nèi)的316 Stainless Steel（316不銹鋼），材料特性見表2。

表2 材料特性表

在桿件BC段添加前文計(jì)算所得的海水阻力載荷，大小為F值（10 492 N），均布在BC面上。方向?yàn)樯禇U徑向，即垂直軸線方向。再添加2個(gè)約束，1個(gè)是頂部的固定約束，如圖7(b)的約束B，選擇固定約束（Fixed Support），選取頂端為約束面，然后添加桿件中部700 mm處的圓柱面為約束，桿由滑動(dòng)軸承導(dǎo)向，可等效為圓柱約束（Cylindrical Support），約束徑向和軸向固定，允許切向自由，如圖7(b)的約束A。邊界條件見圖7。

圖7 邊界條件設(shè)定圖

3.4 求解和結(jié)果顯示

進(jìn)行求解并顯示總變形和等效應(yīng)力（von-Mises）分布。見圖8。

圖8 應(yīng)力和變形云圖

然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析來(lái)確認(rèn)仿真是否準(zhǔn)確，首先對(duì)變形進(jìn)行校核，由圖得最大變形為0.19 mm，最大變形位置出現(xiàn)在桿件末端。將X、Y、Z3個(gè)方向的變形進(jìn)行分解，X為軸向，Y為徑向，Z和XY互成90°，見圖9。X方向最大變形0.024，Y向最大變形0.188，Z向最大變形0.001 5。變形方向符合受力方向，其結(jié)果應(yīng)是正確的。

圖9 各方向變形云圖

然后對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行確認(rèn)。將X、Y、Z3個(gè)方向的主應(yīng)力進(jìn)行分解，見圖10。最大各向主應(yīng)力為：X方向等效應(yīng)力為30.45 MPa/-28.14 MPa，Y方向等效應(yīng)力為7.64 MPa/-8.52 MPa，Z方向等效應(yīng)力為10.08 MPa/-9.31 MPa。

圖10 各方向應(yīng)力云圖

其中數(shù)值為正值的是處于拉方向的應(yīng)力，數(shù)值為負(fù)值的處于壓方向的應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在X向上的拉應(yīng)力30.45 MPa以及壓應(yīng)力28.14 MPa。由于BC整段受Y向水流阻力，所以會(huì)在支點(diǎn)B處的X方向存在較大拉應(yīng)力，和背面X方向出現(xiàn)最大壓應(yīng)力。可見仿真結(jié)果和理論推測(cè)結(jié)果一致，因此仿真結(jié)果較為可信。

綜上所示：最大等效應(yīng)力30.45 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度205 MPa，強(qiáng)度的安全系數(shù)為6.7。最大變形0.188 mm，小于撓度允許值2.53 mm，剛度也符合要求，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度均符合要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

制作樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性，準(zhǔn)備了試驗(yàn)臺(tái)架和配套的試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)受海水阻力彎曲的性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

采用拉力來(lái)模擬海水阻力的方法。在升降桿的端部連接吊帶，然后在吊帶上再連接手拉葫蘆，在手拉葫蘆后端連接能顯示拉力數(shù)值的電子吊秤。然后吊秤的另一端連接在固定設(shè)施上。通過(guò)手拉葫蘆來(lái)調(diào)節(jié)拉力的大小，通過(guò)吊秤來(lái)顯示數(shù)值。樣機(jī)和試驗(yàn)過(guò)程見圖11。

圖11 抗海水阻力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，升降速度基本穩(wěn)定在20 mm/s～22 mm/s。驗(yàn)證了整套設(shè)備設(shè)計(jì)的可靠性和組裝裝配的完好性。定位偏差在0.01°內(nèi)，精度極高。水密保壓0.2 MPa，持續(xù)了24 h，壓力表數(shù)值無(wú)下降，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)出現(xiàn)滲漏，說(shuō)明密性良好。抗海水阻力試驗(yàn)時(shí)施加了1 076 kg（10 544 N），桿件最大位移約1 mm，該數(shù)值符合理論計(jì)算和Ansys仿真的結(jié)果（見圖12），并在撤銷載荷后能正常伸縮。以上各項(xiàng)試驗(yàn)說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足要求。目前該升降裝置已安裝在多條船上使用，使用狀況良好，操作維護(hù)簡(jiǎn)易，得到客戶的好評(píng)。

圖12 升降裝置裝船圖

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)前期方案設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、仿真模擬和后期樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)功能性能指標(biāo)均滿足船用要求，可伸出1.5 m并在10 kn航速下保持定位精度0.1度以內(nèi)。本裝置與其他同類型裝置的區(qū)別在于升降范圍較大，定位精度高，占用空間小。因此對(duì)于艙高有限、伸出較大的裝船USBL設(shè)備，采用2節(jié)式的升降裝置是一個(gè)很好的選擇，并可為同領(lǐng)域的類似裝備應(yīng)用提供參考借鑒。