潛艇典型多桿機構的動態響應研究

王海聲 張增磊* 趙 燈

(1、海裝駐葫蘆島地區軍事代表室,遼寧 葫蘆島 125000 2、武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430000)

引言

多桿傳動機構具有結構簡單、使用方便、效率較高等特點，在潛艇內部諸多系統中都有廣泛應用。

潛艇是個多學科耦合的復雜系統[1]，在水中正常工作過程涉及機械、液壓、電氣、計算機等多領域的協同運行，其中處于終端執行特定功能的機械傳動機構種類和結構形式多樣，考慮到內部空間狹小和提升空間利用率的需求，大多數傳動機構需開展緊湊性設計[2]，并應能長期穩定運行在高鹽霧、油霧等惡劣環境中，因此潛艇中機械傳動機構出現問題或故障的頻率較高。一旦出現機構傳動卡滯、異響等故障，開展整改所需的人力、時間和經濟等成本往往很高。

隨著國家對裝備實戰化和可靠性的要求越來越高，潛艇裝備設計和監管人員需更加細致深入地了解所負責設備的運行機理，采用科學可信的分析方法，合理評估設計方案的可行性，并能在設備運行出現問題或故障時，提出有效的分析手段和解決方案，切實承擔起裝備高質量發展的重任。本文首先介紹了潛艇典型多桿機構的運行特點，其次在建立考慮傳動鉸接間隙的機構動力學模型基礎上，完成了機構運行的動力學響應分析，并針對不同間隙大小和不同表面粗糙度，開展了關鍵參數對接觸碰撞的對比分析。在此基礎上提出了可用于進行典型多桿機構設計狀態評估的方法。

1 運行特點分析

在連桿傳動機構的設計過程中，工業部門的傳統設計方法為開展理想運動學分析，暫忽略各連桿之間的鉸鏈間隙和連桿彈性變形，認為各連桿為剛體且通過零間隙鉸連接，得到的設計方案具有一定的原理指導意義，但考慮鉸鏈間隙的傳動機構設計和分析方法對工廠生產制造有實際意義。

所研究典型多桿傳動機構屬于潛艇舷外某大型裝置的啟閉機構，具有驅動力大、動作迅速、沖擊效果明顯等特點。根據上級系統的運行指令，傳動機構在液壓動力作用下，需在幾十至幾百毫秒內及時動作，驅動大型結構體按設定行程動作，因此該典型連桿傳動機構具有重載、瞬態的運行特征。在設計分析過程中引入鉸間間隙會引起所研究的鉸接位置處于“接觸-擠壓-反彈-碰撞”的持續接觸狀態，在某些特殊位置還可能體現出瞬時沖擊現象，能夠較真實反映機構的實際運行狀態。

針對所研究的典型連桿傳動機構，利用剛度動力學進行運動特性求解會產生較大的偏差，而接觸間隙可能放大該計算偏差[3]。從能量損耗的角度分析，若考慮所有構件自身彈性，增大間隙會導致桿件在碰撞前瞬間達到更高的相對速度，造成桿件更劇烈的暫態沖擊，加大了沖擊過程中的能量損耗，但能夠減弱桿件在重載條件下產生的幾何變形[4]。

2 典型多桿機構動力學響應分析

典型多桿機構主要由動靜觸頭、長連桿、短連桿以及連接板構成，其中由于導向環的限制，動靜觸頭僅能沿著水平方向發生平動。

考慮鉸接間隙碰撞的典型多桿機構的各桿件受力示意圖如圖1 所示。動觸頭端面承受來自液壓系統輸出力Fh，帶動機構各桿件發生運動，動觸頭運動會引起負載對其形成的反力Fg。

圖1 典型多桿操動機構

動觸頭的運動特性直接決定了上級系統功能實現的可靠性，因此重點對動觸頭的相對位移和速度響應進行了分析。圖2 展示了間隙對多桿機構動力學響應的影響。

圖2 運行過程位移和速度響應

其整個運行過程可分為三個階段：(1) 控制閥啟動階段。該階段中液壓系統接受外部信號，在液壓泵作用下驅動控制閥定向移動。該階段中整個系統運動響應不會發生任何變化。(2) 加速運動階段。在該階段由于液壓動力完成切換，液壓系統輸出力迅速增大，驅動機構動觸頭速度快速增加。(3) 多級緩沖階段。在運動后期，由于工作缸與油箱之間的過流面積迅速降低，導致工作缸內油壓增大，引起液壓系統輸出力降低，使得機構運行速度逐漸降低。

對比如圖2 所示的多桿機構動靜觸頭行程曲線，整個過程中無間隙模型和含間隙模型在行程曲線的變化趨勢幾乎完全一致，均沒有產生明顯的波動，但間隙大小對動靜觸頭的相對速度影響較大。相較于無間隙多桿機構動力學模型，在鉸接處引入接觸間隙后，動靜觸頭速度變化趨勢仍能保持一致，但速度出現了明顯的波動，意味著在運動過程中由于各桿間隙的存在使得各桿件發生一定的接觸碰撞，運動速度在加速階段存在較大波動。

3 機構鉸接碰撞特性分析

由于加工/裝配質量、運動需求、精度要求、表面粗糙等方面原因，潛艇多桿機構各連接桿件之間一般會存在接觸間隙，必然導致在運動過程中接觸桿件之間發生碰撞、反彈等，直接影響到整個多桿機構的動力學特性。因此結合實際系統的鉸接精度區間，設置了一系列間隙尺寸，對機構運動過程中鉸間接觸力進行分析。

圖3 展示了不同接觸間隙下動觸頭鉸接處接觸力的大小變化曲線。在9ms 前處于液壓系統控制閥響應階段，多桿機構并未發生任何移動，各桿件接觸部位由于間隙的存在導致接觸力近似為零。當各構件在液壓控制系統輸出力作用下開始運動后，接觸位置的力傳遞和位移傳遞使得各桿件依次發生運動。

由于接觸間隙的存在，在運動過程中機構動觸頭的速度在進入多級緩沖階段前具有較為明顯的速度波動，導致動觸頭鉸接處接觸力具有劇烈的波動，無法進入穩定接觸狀態。當工作缸進入多級緩沖階段后，機構各構件運動速度逐漸減緩，幾乎消除了速度波動，但操動機構接觸力仍處于不斷振蕩狀態，其振蕩幅值逐漸降低。

若逐漸增大接觸間隙，可以發現動觸頭鉸接處接觸力振動幅值有所增加，且最大瞬時接觸力有增大的趨勢，但整個過程中平均接觸力變化趨勢和大小近似保持一致。當兩構件之間并未接觸時，其間接觸力為零。當接觸間隙為0.063mm 時，在運動過程中動觸頭幾乎與長連桿處于接觸狀態。但隨著接觸間隙的增大，動觸頭與長連桿之間的接觸狀態發生改變的頻率逐漸增加。如圖3所示，在現有三種接觸間隙尺寸下，接觸間隙增大后接觸力為零的概率增加，意味著在運動過程中桿件之間發生接觸碰撞的頻率越高，將產生更多的能量損耗。

圖3 間隙對接觸力的影響曲線

在保持0.063 mm 接觸間隙的條件下，圖4 展示了不同接觸表面粗糙度條件下接觸力的變化曲線。逐漸增加表面粗糙度后，動觸頭接觸界面上平均接觸力也并未發生明顯的改變，且變化趨勢也近似完全一致，但接觸力振動幅度明顯減弱。增大接觸表面粗糙度能夠保證接觸面上具有更多的接觸點，增大了桿件間接觸面積，導致每個接觸點處接觸力降低，能夠適當降低整體接觸力振動幅值。同時，增大表面粗糙度使得接觸力幾乎大于零，意味著幾乎在整個運動過程中，接觸界面之間持續保持著接觸狀態，可以有效避免運動過程中碰撞的產生，能夠獲取相對更穩定的動力學響應。桿件之間能夠持續保持接觸狀態，將導致多桿機構系統內能量損耗將以摩擦消耗為主，碰撞損耗為輔。

圖4 接觸表面形貌對接觸力的影響曲線

4 結論

4.1 考慮鉸接間隙的多桿機構動力學分析能較真實的反映系統的運行特性，間隙值大小和接觸位置粗糙度的差異，均會引起機構動力學特性的不同，潛艇中各型連桿傳動機構的設計和特性分析均可參考該方法。

4.2 針對潛艇中舷外啟閉連桿機構曾出現的卡滯、振動、異響等問題，在大量的問題收集、歸類和分析工作基礎上，提出的考慮鉸接間隙的設計分析方法和仿真模型具有較高的可信度，對工廠的建造生產提供了指導，在提升裝備質量和可靠性過程中發揮了較強的作用。