陳少強, 王紅衛(wèi), 李建辰, 劉 津, 張建亭

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一種魚雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)保障性改進(jìn)設(shè)計方法

陳少強, 王紅衛(wèi), 李建辰, 劉 津, 張建亭

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077)

目前對魚雷艙段楔環(huán)連接方式的研究均未考慮實際使用過程中的反復(fù)拆裝問題, 對楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的保障性考慮不足。針對這一問題, 根據(jù)楔環(huán)工作原理和拆裝過程受力分析, 從拆裝方便、提升保障能力角度, 提出了一種魚雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計方法, 并通過仿真分析、拆裝試驗和強度試驗等對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證。試驗結(jié)果表明, 改進(jìn)后的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)在滿足艙段連接強度需要的同時, 可大幅度提高楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的保障性。

魚雷; 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu); 保障性; 改進(jìn)設(shè)計

0 引言

魚雷艙段連接設(shè)計是魚雷結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分, 其設(shè)計性能的好壞將直接影響魚雷噪聲、阻力等指標(biāo)的實現(xiàn)。艙段連接結(jié)構(gòu)主要有螺釘連接、螺環(huán)連接、卡箍連接和楔環(huán)連接等形式, 由于楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)可使艙段連接后外表面光順、結(jié)構(gòu)緊湊, 有利于減小阻力、降低流噪聲、隔離振動傳遞, 對促進(jìn)魚雷結(jié)構(gòu)小型化、輕量化及提高自導(dǎo)系統(tǒng)性能有重要作用, 現(xiàn)已經(jīng)被廣泛運用[1-2]。

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)由于其諸多優(yōu)點, 近10年來得到了國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)和學(xué)者不斷深入的研究。卜廣志、毛昭勇和宋保維等[3-6]以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo), 從可靠性角度對楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。黃鵬、尹益輝等[7-12]利用應(yīng)力解析方法和ANSYS結(jié)構(gòu)分析方法, 以提高結(jié)構(gòu)承載能力為目標(biāo)對楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。馬銳磊、劉飛飛等從結(jié)構(gòu)性能的角度, 進(jìn)行了楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的剛度建模與模態(tài)分析, 研究了楔環(huán)連接方式下殼體振動傳遞特性[13-15]。雖然現(xiàn)有學(xué)者開展了大量研究工作, 但這些研究均未考慮實際使用過程的拆裝問題, 在某些產(chǎn)品中, 由于過度強調(diào)連接結(jié)構(gòu)對連接體強度的影響, 造成楔環(huán)裝配和拆卸困難, 容易使楔環(huán)變形損壞, 嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的保障性。為此, 文中根據(jù)楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)工作原理及楔環(huán)拆裝受力情況, 從提高楔環(huán)保障性的角度開展研究, 提出楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計方法, 并通過實際拆裝和強度試驗驗證了改進(jìn)設(shè)計對保障性和連接體強度的影響。

1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)及受力分析

1.1 楔環(huán)結(jié)構(gòu)及連接原理

楔環(huán)連接的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[2]。在需連接的內(nèi)殼體外圓上制成內(nèi)連接環(huán), 在外殼體內(nèi)圓上制成外連接環(huán), 內(nèi)外連接環(huán)相互套合后, 在內(nèi)外殼體間形成楔環(huán)槽。楔環(huán)則是一對矩形截面的環(huán)形金屬帶(如圖2), 在相互拼合的邊上做成一定斜度。連接時, 先將帶銷釘楔環(huán)A的小端由外殼體上的拆裝孔口插入楔環(huán)腔并連續(xù)推入, 直到大端全部進(jìn)入腔內(nèi), 用楔環(huán)A上的銷釘將其周向固定; 然后將另一根楔環(huán)B的小端沿與帶銷釘楔環(huán)A相反方向插入楔環(huán)腔內(nèi), 并使用專用工裝將其全部打入楔環(huán)腔內(nèi)(見圖3), 依靠尺寸的改變使兩殼體端面壓緊; 再用與2條楔環(huán)末端距離等長的填片頂緊2條楔環(huán); 最后安裝蓋板蓋住外殼體上的拆裝孔口, 保持殼體外表面的光順。殼體連接后, 依靠楔環(huán)傳遞軸向力, 為了防止楔環(huán)松脫, 楔環(huán)拼合邊的斜度一般應(yīng)小于滑動的自鎖角。

圖1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 一對楔環(huán)圖

圖3 楔環(huán)安裝示意圖

1.2 楔環(huán)結(jié)構(gòu)連接強度分析

而楔環(huán)槽在力作用下產(chǎn)生彎曲應(yīng)力, 最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在點(見圖4), 其值由下式確定[2]

從式(1)和式(2)可以看出, 楔環(huán)連接強度與楔環(huán)厚度、楔環(huán)槽處殼體壁厚及楔環(huán)拆裝孔口尺寸密切相關(guān)。

圖4 連接處的結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.3 楔環(huán)拆裝受力分析

如圖5所示, 楔環(huán)安裝時是通過外殼體的孔口插入內(nèi)、外殼體形成的楔環(huán)槽中, 楔環(huán)通過內(nèi)、外殼體的、、3點時, 要將楔環(huán)自身的彎曲半徑改變, 相當(dāng)于以點為原點,點向上抬,點向下壓, 楔環(huán)向前運動, 會在這3點產(chǎn)生較大的摩擦力, 尤其是點處摩擦力最大, 當(dāng)楔環(huán)裝入較多時, 需要外殼體的內(nèi)壁將彎曲半徑變大的楔環(huán)再約束回其自身的彎曲半徑, 楔環(huán)和外殼體內(nèi)壁也會產(chǎn)生一定的摩擦力; 另外, 第2根楔環(huán)安裝時不僅會受到上述外力作用, 還會受到第1根楔環(huán)與楔環(huán)槽之間的軸向擠壓產(chǎn)生的摩擦力。楔環(huán)拆卸時, 其受力情況與安裝過程基本相同。將拆裝時的楔環(huán)近似于兩端鉸支(和點)固定、中間(點)受點力的簡支梁, 楔環(huán)拆裝出入殼體孔口過程中, 在點和點分別受到內(nèi)殼體和外殼體楔環(huán)槽向上的支撐力, 而在點受到外殼體孔口向下的壓力最大, 會產(chǎn)生一定的撓度, 其值由下式確定

從式(3)可以看出, 楔環(huán)拆裝時的受力情況與楔環(huán)厚度、楔環(huán)槽拆裝孔口尺寸密切相關(guān)。

2 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

2.1 原魚雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)存在的問題

原楔環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足魚雷各種工況下的強度要求, 但存在拆裝困難、楔環(huán)易變形損壞等問題。主要表現(xiàn)為: 第1條楔環(huán)(帶銷釘楔環(huán))安裝不夠順暢, 第2條楔環(huán)安裝困難, 特別是大端難以進(jìn)入殼體拆裝孔口, 需要使用具有一定沖擊頻率的類似電動搗碎錘的專用工裝進(jìn)行錘擊, 而且易造成楔環(huán)變形而無法重復(fù)使用; 熟練工人裝配1對楔環(huán)平均需要約15 min, 而魚雷裝備一般有數(shù)個艙段互相連接而成, 完成一條魚雷的技術(shù)準(zhǔn)備, 單是楔環(huán)的裝配就可能占到了技術(shù)準(zhǔn)備時間的一半左右, 導(dǎo)致戰(zhàn)備等級轉(zhuǎn)換時間太長, 拆卸楔環(huán)同樣也存在類似困難, 且楔環(huán)能夠重復(fù)使用次數(shù)不超過10次, 使用壽命過短, 致使維修更換成本太高, 同時對作業(yè)人員技術(shù)水平要求高, 勞動強度大。原有楔環(huán)結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重影響了裝備保障能力的提升, 無法滿足新形勢下對新裝備的保障性指標(biāo)要求。因此, 在保證楔環(huán)連接強度的前提下, 提高楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)拆裝的便捷性和楔環(huán)的使用壽命, 對提高裝備的維修保障性意義重大。

圖5 楔環(huán)安裝過程示意圖

2.2 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案

圖6 楔環(huán)改進(jìn)方案優(yōu)化流程圖

經(jīng)過優(yōu)化分析, 最終擬定改進(jìn)方案為楔環(huán)拆裝孔口周向尺寸由95 mm增加到130 mm、孔口倒角由5 mm增加到10 mm, 同時將楔環(huán)厚度由6 mm減小到5.4 mm; 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑿ōh(huán)拆裝時點變形量減小約30%, 受到的壓力減小45%左右, 該點受到的摩擦力也同步降低, 同時可以保證連接結(jié)構(gòu)在原彎矩作用下不會發(fā)生破壞和產(chǎn)生影響性能的變形。圖7為改進(jìn)后楔環(huán)拆裝受力變形分析結(jié)果, 圖8和圖9為改進(jìn)后殼體和楔環(huán)強度計算結(jié)果, 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后楔環(huán)拆裝時受力變形明顯減小, 殼體楔環(huán)拆裝孔口應(yīng)力集中情況得到較大緩解, 楔環(huán)受到的應(yīng)力有所增加但遠(yuǎn)未達(dá)到材料的屈服強度。

圖7 改進(jìn)后楔環(huán)拆裝變形圖

3 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗

為了驗證改進(jìn)措施的有效性和確保改進(jìn)后的設(shè)計滿足艙段連接的強度要求, 對改進(jìn)前后的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)均加工了樣件, 進(jìn)行了楔環(huán)拆裝試驗和艙段彎曲強度試驗。

圖8 改進(jìn)后楔環(huán)拆裝孔口等效應(yīng)力圖

圖9 改進(jìn)后楔環(huán)等效應(yīng)力圖

3.1 楔環(huán)拆裝保障性試驗

對改進(jìn)設(shè)計后的楔環(huán)和殼體進(jìn)行了裝配和拆卸試驗, 裝配過程中, 第1條楔環(huán)(帶銷釘楔環(huán))單手便可安裝到位, 第2條楔環(huán)亦可單手將其大端完全裝入到拆裝孔口內(nèi)部, 再用銅棒輕輕敲擊即可裝配到位, 平均用時不到3 min; 拆卸過程中, 僅需使用工具將單孔楔環(huán)大端拉出拆裝孔口即可用手將整條楔環(huán)輕松拉出, 帶銷釘楔環(huán)也可不使用工具直接全部拉出, 證明楔環(huán)拆裝受力情況得到顯著改善。而且經(jīng)過多次拆裝的楔環(huán)均無明顯變形, 不影響楔環(huán)的重復(fù)使用, 楔環(huán)的使用壽命得到顯著增加。楔環(huán)拆裝試驗證明改進(jìn)措施對楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的保障性有比較明顯的提升。

3.2 連接強度試驗

3.2.1 強度試驗方法

試驗設(shè)備主要由試驗加載及支持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等構(gòu)成。其中, 試驗加載及支持系統(tǒng)包括液壓泵站、作動筒、拉壓力傳感器、伺服閥和試驗件夾具等; 控制系統(tǒng)包括微型計算機及外部設(shè)備、模入模出、放大器和力傳感器等; 測量系統(tǒng)包括ST-3B型動態(tài)數(shù)據(jù)自動處理儀、位移傳感器和放大器等?？刂葡到y(tǒng)為多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng), 其準(zhǔn)確度誤差≤1%, 線性度誤差≤0.5%; 測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差≤0.5%。試驗所用的儀器設(shè)備經(jīng)檢定/校準(zhǔn)合格并在有效使用期內(nèi)。

試驗件由兩段殼體組成, 中間用楔環(huán)連接。試驗件一端固支, 與承力立柱連接, 另一端安裝試驗加載夾具, 通過加載系統(tǒng)加載實現(xiàn)彎矩。試驗件安裝形式見圖10。

圖10 試驗現(xiàn)場安裝圖

在試驗加載和卸載過程中每級進(jìn)行位移和應(yīng)變測量。位移測量點2個, 布置在殼體上母線靠近作動筒的位置; 應(yīng)變測量通道共38個, 單片26個, 花片4個, 布置在殼體楔環(huán)拆裝孔口和上下母線, 測量點和應(yīng)變片分布見圖11和圖12。

圖11 位移測量點分布示意圖

強度試驗為極限載荷(100%設(shè)計載荷)試驗, 按照規(guī)定的載荷, 以15%設(shè)計載荷為級差從0逐級加載至100%設(shè)計載荷, 每級加載10 s, 0~60%每級保持30 s, 75%~100%每級保持60 s。100%保載結(jié)束后按20%設(shè)計載荷為級差逐級卸載至0, 加載和卸載過程中每級進(jìn)行應(yīng)變和位移測量。

圖12 應(yīng)變片分布示意圖

3.2.2 強度試驗結(jié)果與分析

對楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后2種狀態(tài)的樣件分別進(jìn)行了相同載荷條件強度試驗, 所有試驗過程中試驗件均未出現(xiàn)異常, 試驗結(jié)束后試驗件均無明顯損傷。對所有應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計分析, 最大應(yīng)變發(fā)生在楔環(huán)孔口位置100%設(shè)計載荷作用時, 對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的應(yīng)變和位移進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn), 在相同載荷作用下, 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和位移均明顯小于改進(jìn)前結(jié)構(gòu), 說明改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情況得到了較大的改善, 整體受力情況更好, 可以滿足艙段連接的強度需要。試驗數(shù)據(jù)如圖13和圖14所示。

圖13 載荷-應(yīng)變曲線(100%設(shè)計載荷)

圖14 載荷-位移曲線(100%設(shè)計載荷)

4 結(jié)束語

楔環(huán)連接方式能夠保持魚雷光順的流線型外形, 利于減阻降噪, 在魚雷等航行器艙段連接中得到廣泛應(yīng)用。文中重點從提高楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)保障性角度出發(fā), 根據(jù)楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)工作原理及楔環(huán)拆裝受力情況, 提出了一些楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方法, 并通過仿真分析、拆裝試驗和強度試驗等方面對改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有效性進(jìn)行了驗證。試驗結(jié)果表明, 改進(jìn)后的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)可以大幅度提高魚雷裝備保障性, 并滿足艙段連接的強度要求, 證明了文中所提出的改進(jìn)設(shè)計的合理性。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

An Improved Design Method of Torpedo′s Wedge Ring Connection Structure for Enhancement of Supportability

CHEN Shao-qiang, WANG Hong-wei, LI Jian-chen, LIU Jin, ZHANG Jian-ting

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

The existing researches on the wedge ring structures for connection of torpedo cabins do not consider assembly and disassembly in application, and pay insufficient attention to the supportability of the wedge ring structures. In this study, an improved design method of the wedge ring structure for connection of torpedo cabins was proposed according to the working principle of wedge ring. The new design takes convenient assembly and disassembly as well as enhancement of the supportability into account. Numerical simulation, assembly and disassembly test, and strength test were conducted to validate the improved design. Results show that the improved wedge ring structure meets the strength requirement of the cabin connection, and greatly improves the supportability of the wedge ring structure.

torpedo; wedge ring connection strucutre; supportability; improved design

陳少強,王紅衛(wèi),李建辰,等.一種魚雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)保障性改進(jìn)設(shè)計方法[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2017,25(4): 371-376.

TJ630.3；TH131.5

A

2096-3920(2017)04-0371-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.011

2017-05-17;

2017-07-13.

陳少強(1981-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷總體技術(shù).