向平，韓宗真，鄭卉凌

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)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(shù)的重要內(nèi)容之一，其設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的運(yùn)行空間狹小，防波板的開啟和關(guān)閉位置受到客觀因素限制，因此對防波板傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了很高的要求。

1 防波板的設(shè)計(jì)要求和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

防波板作為艦船上的重要設(shè)備，打開后應(yīng)能形成艦船設(shè)備所需通道，關(guān)閉時應(yīng)能保證船體流線外形完整。防波板機(jī)構(gòu)工作空間狹小，長期浸泡在海水中，因此傳動機(jī)構(gòu)及動力應(yīng)簡單，可靠性高。

1.1 設(shè)計(jì)輸入和具體要求

根據(jù)防波板機(jī)構(gòu)工作特定的空間特點(diǎn)，綜合比較了各種方案后，確定以平面四連桿機(jī)構(gòu)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(yīng)艦船設(shè)備上的某運(yùn)動部件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)防波板與對應(yīng)的艦船設(shè)備的連動，確保二者動作協(xié)調(diào)一致。其方案簡圖如圖1所示。

圖1 防波板設(shè)計(jì)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(shè)備機(jī)架的一部分，與艦船設(shè)備連動。鉸鏈A距設(shè)備中心線距離為L1，曲柄AB長度為L2和轉(zhuǎn)動角度為β1。鉸鏈D的位置在船體內(nèi)部，且需留出一定的安裝和運(yùn)動空間。初步選定鉸鏈D的相對位置（L3，L4）和防波板轉(zhuǎn)動角度β2后，利用相對旋轉(zhuǎn)作圖法找到鉸鏈C的位置。其中轉(zhuǎn)動角度的要求是防波板開啟后所有相關(guān)機(jī)構(gòu)及防波板在艦船設(shè)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(fù)以上步驟，直到找到合適的C點(diǎn)位置為止。

1.2 傳動四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

防波板的傳動尺寸鏈?zhǔn)钦籽b置運(yùn)轉(zhuǎn)時滿足要求的關(guān)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(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果。

參考相對極點(diǎn)法［1］，運(yùn)用如下的相對旋轉(zhuǎn)作圖法來確定C點(diǎn)的位置。

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

圖2中，假定C點(diǎn)已知，且ABCD和AB1C1D分別是四桿機(jī)構(gòu)2個極限位置時的位置。

保持四桿機(jī)構(gòu)AB1C1D的四桿（即4點(diǎn)）的相對位置不變，以D為中心將四桿機(jī)構(gòu)AB1C1D整體固定順時針旋轉(zhuǎn)防波板角度β，即將AB1繞D點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到A'B'位置。旋轉(zhuǎn)完畢時，C1點(diǎn)回到了C點(diǎn)的位置，B1點(diǎn)轉(zhuǎn)到B'點(diǎn)的位置。由于AB1C1D四點(diǎn)的相對位置關(guān)系不變，所以B'C=BC，因?yàn)樗鼈兪峭?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(dāng)位置確定C點(diǎn)的位置，綜合權(quán)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(jī)構(gòu)受力計(jì)算

確定了防波板傳動裝置的傳動尺寸鏈后，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算，明確各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，并對其進(jìn)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(yùn)動的防波板表面進(jìn)行沖擊造成的，所以在關(guān)防波板過程中，需克服的阻力要遠(yuǎn)大于在開啟過程中克服的阻力。所以對平面四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)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(tài)，而不被水阻力頂開。

防波板四桿傳動機(jī)構(gòu)關(guān)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(zhuǎn)臂需要提供的力矩;NB，NC，ND為B，C，D所受到的運(yùn)動副反力; MZ為防波板正壓力阻力矩;MG為防波板重力產(chǎn)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(shù)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(jì)算。

3 防波板的三維設(shè)計(jì)和安裝實(shí)現(xiàn)

防波板的結(jié)構(gòu)基本上采用縱橫肘板予以加強(qiáng)。連桿采用無縫鋼管制作。防波板零件三維模型在PRO/E環(huán)境下建立并進(jìn)行運(yùn)動驗(yàn)證。

由于船體建造的誤差，完全按理論設(shè)計(jì)的平面四連桿機(jī)構(gòu)很難使防波板運(yùn)動準(zhǔn)確到位，需要有一個方便的微調(diào)機(jī)構(gòu)。為此，在連桿BC的中部按反螺紋調(diào)節(jié)原理設(shè)置了1個長度調(diào)節(jié)器，用以調(diào)節(jié)連桿長度，使整個防波板裝置處于最佳狀態(tài)。即連桿BC由前連桿、后連桿和中間的調(diào)節(jié)器3個部分組成。前后連桿和調(diào)節(jié)器之間分別通過左旋螺紋和右旋螺紋來連接。通過微調(diào)旋入連桿調(diào)節(jié)器內(nèi)的螺紋長度來調(diào)整連桿BC的長度，從而達(dá)到微調(diào)防波板傳動裝置的目的。

4 結(jié)語

通過參照相對極點(diǎn)法，利用旋轉(zhuǎn)作圖法設(shè)計(jì)了平面四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了防波板的傳動。并設(shè)計(jì)了1個長度調(diào)節(jié)器來微調(diào)傳動機(jī)構(gòu)的安裝尺寸。通過三維設(shè)計(jì)和實(shí)際的安裝表明，上述方法設(shè)計(jì)的傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、到位準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)方便，滿足防波板的運(yùn)動要求。

［1］成大先，等．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［2］伍景英，等．造船理論［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1961．