某水下航行器艙段聯接結構的設計

彭阿靜

（中國船舶重工集團公司第710研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

某水下航行器采用了模塊化的設計技術,將耐壓殼體按功能劃分為各個獨立的模塊單元，如探測識別艙、電池能源艙、導航定位艙、綜合控制艙和動力推進艙等。水下航行器工作環境的復雜性和水下無人值守等的特點,決定了水下航行器除滿足功能要求和性能指標外,還要具有較高的可靠性。耐壓殼體主要用來提供水下航行器功能設備的密閉安裝空間和航行所需要的正浮力,各個模塊間的聯接必須要有足夠的抗拉和抗彎強度以承受深水壓力和涌流沖擊，此外還要有可靠的密封以滿足水下航行器大深度、長航程的需要。因此，如何選擇模塊之間的聯接形式是保證水下航行器可靠工作的關鍵。

1 幾種聯接方案

1）方案1：螺栓聯接。螺栓聯接是采用徑向螺栓或軸向螺栓將兩個獨立的模塊聯接在一起。如圖1所示,在模塊1的外壁上加工一系列徑向或軸向孔，在模塊2的對應位置加工一系列徑向或軸向螺紋孔,螺栓穿過模塊1與模塊2的螺紋孔形成螺紋副，從而將兩段固聯成一個整體。其聯接處的密封采用O型橡膠圈來實現。

圖1 螺栓聯接

2）方案2：螺紋聯接。螺紋聯接是在模塊1和模塊2的端部分別加工大小一致的內外螺紋，由內、外螺紋的旋合將兩段殼體聯接在一起。

3）方案3：楔環聯接。楔環聯接是在模塊1和模塊2的端部分別加工內環槽和外環槽，內外環槽相互套合形成矩形截面的環形空腔。再將與環形空腔同尺寸的矩形環以一定的螺旋角從中間剖開，形成兩條楔形的左、右楔環，從外殼體開槽處相向插入環形空腔中，使其緊密貼合，將兩段殼體緊密聯接在一起。

2 方案分析和選定

2.1 方案分析

足夠的強度和可靠的密封是保證模塊成組聯接的關鍵因素。此外,成本、模塊化程度、拆裝方便性以及對水下航行器總體性能的影響也是選擇方案時不可忽視的因素。成本決定了一種方案的普及性和推廣性。模塊化程度主要由模塊間聯接的一致性來體現,可保證模塊單元組合的可靠性和水下航行器功能的穩定性。拆裝的方便性直接影響到水下航行器的維修性能。此外，聯接方式盡可能避免對總體造成不利影響,如聯接部位有突起,會破壞水下航行器的流線型外形,從而會增大水流阻力及功耗,這樣有可能導致電池的能量不足以提供水下航行器全航程所需的能源。

1）成本。螺栓聯接形式是由螺栓穿過模塊1與模塊2的螺紋孔形成螺紋副，從而將兩段固聯成一個整體。由于采用直接在模塊上攻絲，在與之聯接的另一個模塊上加工出比螺栓公稱直徑稍大的光孔，對制造工藝沒有特殊要求，因而制造成本較低。螺紋聯接形式采用兩個模塊的內、外螺紋的旋合形成螺紋副進行聯接，因而對不同模塊的螺紋加工的同軸度要求較高。該殼體采用薄殼加筋、并在兩端焊接聯接法蘭的結構形式，要保證螺紋的同軸度精度，就要采用時效處理、高溫回火等復雜的制造工藝來消除焊接殘余應力對尺寸變形的影響，制造成本較高。楔環聯接要求楔環具有良好的徑向撓性和較高的強度，對原材料要求較高。同時，由于楔環是通過選配掛輪，采用加工螺旋線的方法來進行成對加工，這就要求設備必須有與楔環螺紋升角對應的直角邊高度相對應的螺距，對設備要求也較高。楔環對原材料和設備的特殊要求而直接導致制造成本過高。

2）模塊化程度。螺栓聯接和楔環聯接不需要相聯接的兩個模塊作相對旋轉運動，很容易實現每個模塊方向的一致性，模塊化程度較高。螺紋聯接要求兩個模塊作相對的旋轉運動，這種運動很難或幾乎不可能達到當兩個模塊端面貼緊時，每個模塊的方向均保持一致性，因而模塊化程度較低。

3）拆裝方便性。螺栓聯接拆裝時，無需專用設備來保障,采用通用扳手即可,但對稱緊固若干螺栓耗時較多。螺紋聯接和楔環聯接需要先用專用保障設備對水下航行器水下載體加固,再用專用工具進行拆裝。

4）對總體的影響。水下航行器為保證模塊間的聯接強度，一般采用多個螺栓進行聯接。螺栓徑向聯接相對軸向聯接而言，由于殼體外表面多處存在孔穴和間隙，會造成殼體外的流體阻力和噪聲增加，對總體影響較大。而螺栓軸向聯接是用螺栓將兩段殼體端面緊密貼在一起后，再安裝整流蓋板，使殼體外表面光滑，這對總體影響較小。螺紋聯接雖然外表面光順,但很難或幾乎不可能保證每個模塊方向的一致性。當電池能源艙模塊偏置安裝時，占水下航行器絕大部分重量的電池能源艙模塊會對水下航行器產生較大的橫滾力矩，進而影響到水下航行器的運動控制。此外，導航定位艙模塊的偏置安裝也會對慣導的定位精度產生較大的影響。楔環聯接的殼體外表面光順，結構緊湊，聯接附加質量輕，幾乎對總體不造成任何不利影響。

2.2 方案選定

該水下航行器耐壓殼體上開有多個操作孔來進行電氣調試和數據上傳、下載工作，并在端面上安裝有水密接插件對電池進行充電，因而模塊艙段要經常拆裝的可能性不大。同時考慮到原材料的采購成本和工藝制造成本直接影響到水下航行器應用的普及性和大眾化程度。分析以上3種方案，模塊間的聯接形式最后選定螺栓軸向聯接的方式來實現。

圖2 法蘭結構示意圖

3 方案實施

一種方案選定后，接下來就要對其方案進行詳細設計工作。采用螺栓聯接方案的主要設計工作是螺栓規格、數量的確定和聯接法蘭的設計。經理論計算和仿真分析，至少要24個M16的螺栓將兩個模塊進行聯接才能保證其聯接處的抗壓和抗彎強度。鑒于法蘭用5A06防銹鋁材料制造，采用在法蘭上內嵌鋼絲螺套來提高螺栓聯接的強度和剛度，并在與之相聯的法蘭上加工有螺栓過孔。考慮到螺栓數量較多，為保證每個螺栓均能與螺孔對準裝配，孔與螺栓之間設計有較大的間隙，并用定位銷來保證重復裝配的一致性。兩段殼體采用O型橡膠圈進行密封，為保證密封的可靠性，采用了徑向密封與角向密封相結合的形式。加工有螺栓過孔的法蘭結構如圖2所示。在法蘭上加工有8個均布的凹槽以便于安裝螺栓，并加工有標準的徑向密封圈溝槽。兩段進行聯接裝配時，先將兩個O型橡膠圈分別在法蘭上的溝槽內和端面上裝好并抹上適量的潤滑脂；再將螺栓從凹槽內依次放入并穿過端面上預制的螺栓過孔,將螺栓對稱旋緊；然后用合適的填塊如浮力材料將凹槽填滿；最后安裝整流蓋板，使殼體外表面光滑。此外，為便于分段，在法蘭上加工有起蓋螺孔。

4結語

對基于模塊化設計的某水下航行器的模塊艙段的聯接形式進行了分析，并根據實際使用情況選定了用螺栓軸向聯接的方案，并給出了其詳細設計。