一種降低潛艇升降桅桿回轉力矩的改進設計

胡海濱，魏 芳，肖 清

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛艇升降桅桿用于升降觀通、導航設備，是潛艇重要的機械設備。為滿足頂部傳感載荷周向觀測需要，桅桿需要繞軸線進行轉動。在裝備使用過程中，某桅桿出現“回轉部位異常磨損、回轉力矩過大”的問題，影響了裝備正常操作使用。因此，通過對桅桿回轉結構進行分析，制定改進設計方案，并通過臺架試驗進行驗證，顯著降低了回轉力矩，有效解決了裝備出現的問題。

1 故障描述

潛艇升降桅桿一般由升降液缸驅動升降，通過2個支撐軸承進行導向支撐。為滿足桅桿回轉運動，在升降液缸于桅桿之間設置了回轉機構，實現桅桿借助人力或馬達進行轉動。回轉機構包括液缸球頭、承座等部件。桅桿回轉過程中，液缸球頭和承座平面的配合實現轉動和桅桿軸線定位作用。升降桅桿結構示意如圖1（a）所示，回轉機構如圖1（b）所示。

在裝備使用過程中，桅桿出現回轉力矩過大且回轉部位出現響聲的異常現象。拆檢發現，液缸球頭的頂面處和承座下表面出現了明顯的磨損面。經更換零件使用一段時間后，故障現象再次出現，問題無法徹底解決。

2 問題分析

為尋找故障原因，針對升降桅桿和回轉機構的結構開展分析，認為故障原因如下：

1）升降桅桿的垂向負載通過回轉機構傳遞給升降液缸，同時，升降桅桿以回轉機構的液缸球頭為支點進行回轉。回轉機構承座與液缸球頭之間為球頭鉸接結構型式，滿足了桅桿定心與減小旋轉阻力的要求。但由于承座與液缸球頭之間為點接觸形式，為應力集中部位。隨著桅桿長期正向、反向轉動使用，接觸部位易于出現磨損。

圖1 潛艇升降桅桿及回轉機構示意圖Fig.1 Submarine hoisting mast and rotating mechanism

2）承座與液缸球頭之間的磨損，會增大回轉阻力，而增大的回轉阻力又加劇了兩者之間的磨損，形成惡性循環，最終導致故障產生。

3 改進方案

為降低液缸球頭承座之間的回轉阻力、減小磨損，在保持回轉機構外部接口不變的情況下，采用在液缸球頭內部增設一個推力圓柱滾子軸承的改進方案，實施方案如下：

1）對液缸球頭部位進行改進，分為液缸和球頭2個零件。在液缸和球頭之間增加推力圓柱滾子軸承；同時，加深承座的接觸平面凹孔，形成容納軸承的高度空間，以保證外部接口和物理尺寸不發生變化。

2）對承座、球頭進行表面處理，提高其表面硬度。承座和球頭材料均為45號鋼，對承座內孔配合表面、球頭配合表面均進行淬火處理，硬度為HRC45～50。

改進后的回轉機構結構如圖2所示。結構改進后，升降桅桿的載荷通過承座、球頭、軸承傳遞給升降液缸。由于軸承的作用，能夠保證桅桿和液缸之間的轉動阻力較小。

圖2 升降桅桿回轉機構改進結構示意圖Fig.2 Structure of optimized rotating mechanism for hoisting mast

4 試驗驗證

4.1 試驗方案

試驗臺架主要包括加載液缸、升降液缸、測試設備等組成。通過加載液缸模擬升降桅桿承受的不同頂部載荷，模擬試驗臺架如圖3所示。試驗包括回轉試驗和偏載工況試驗。

圖3 回轉試驗裝置示意圖Fig.3 Test device for rotating-test

回轉試驗選定30 kN為最大載荷進行試驗，分15 kN，20 kN，25 kN，30 kN四檔逐漸加載，其中25 kN為額定工況。在各檔負載下，分別進行1 000次、1 000次、5 000次、500次回轉，并按正轉10次，反轉10次的規律回轉。每檔負載試驗前和試驗結束，分別測量正反向回轉力矩。

考慮到實艇狀態下，升降液缸軸線與桅桿軸線之間存在同軸度裝配偏差，造成回轉機構偏載，進而影響回轉力矩。為此，在臺架上設定了偏載狀態，模擬升降桅桿與升降液缸最大同軸度Φ1 mm偏差。試驗按照最大載荷30 kN進行偏載回轉試驗，共進行500次，同樣按照正轉10次、反轉10次進行。

4.2 回轉試驗

表1為各檔載荷下試驗前和試驗后的回轉力矩測試值。從表中可以看出，試驗前后回轉力矩均變化不大，最大值遠小于指標值。

表1 回轉試驗前后轉動力矩Tab.1 Torque of rotating test

4.3 偏載回轉試驗

表2為偏載下試驗前后的回轉力矩對比。從表中可以看出，偏載情況下，試驗前回轉力矩要大于表1中的回轉力矩，試驗后回轉力矩與表1相當。整體來看，回轉力矩仍然保持在較低的狀態。

表2 偏載試驗前后回轉力矩Tab.2 Torque of partial load test

5 結 語

本文針對潛艇升降桅桿回轉力矩過大的故障，通過結構分析和改進設計，制定了減小桅桿回轉力矩的改進方案，并進行了臺架試驗驗證，得到結論如下：

1）通過在桅桿回轉機構內部增加推力滾動軸承的改進設計，有效降低了升降桅桿的回轉力矩。

2）臺架試驗表明，改進方案的回轉力矩遠遠低于給定指標，耐久性好。

3）改進方案不改變設備的對外接口和物理尺寸，牽連影響小，便于工程實施。