防波板平面四杆机构设计与实现

2012-03-07向平韩宗真郑卉凌

舰船科学技术 2012年7期

关键词：调节器铰链连杆

向平，韩宗真，郑卉凌

（武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

0 引言

防波板及其传动装置是船体界面技术的重要内容之一，其设计的好坏将直接影响到舰船总体性能和装置的使用效果。由于舰船上防波板传动机构的运行空间狭小，防波板的开启和关闭位置受到客观因素限制，因此对防波板传动机构的设计和实现提出了很高的要求。

1 防波板的设计要求和机构设计

防波板作为舰船上的重要设备，打开后应能形成舰船设备所需通道，关闭时应能保证船体流线外形完整。防波板机构工作空间狭小，长期浸泡在海水中，因此传动机构及动力应简单，可靠性高。

1.1 设计输入和具体要求

根据防波板机构工作特定的空间特点，综合比较了各种方案后，确定以平面四连杆机构作为防波板的传动装置方案。其中动力输入杆为防波板对应舰船设备上的某运动部件，这样就可以实现防波板与对应的舰船设备的连动，确保二者动作协调一致。其方案简图如图1所示。

图1 防波板设计输入尺寸简图Fig.1The drawing of the input dimensions to design shutter

在图1中，已知曲柄AB为舰船设备机架的一部分，与舰船设备连动。铰链A距设备中心线距离为L1，曲柄AB长度为L2和转动角度为β1。铰链D的位置在船体内部，且需留出一定的安装和运动空间。初步选定铰链D的相对位置（L3，L4）和防波板转动角度β2后，利用相对旋转作图法找到铰链C的位置。其中转动角度的要求是防波板开启后所有相关机构及防波板在舰船设备所需的通道之外。

如果以上找到C的位置不合适，修改D位置，重复以上步骤，直到找到合适的C点位置为止。

1.2 传动四连杆机构设计过程

防波板的传动尺寸链是整套装置运转时满足要求的关键。对于防波板传动装置而言，不同的传动尺寸链可以带来不同的运转结果。

参考相对极点法［1］，运用如下的相对旋转作图法来确定C点的位置。

图2 相对旋转作图法Fig.2The method of relative rotation to draw

图2中，假定C点已知，且ABCD和AB1C1D分别是四杆机构2个极限位置时的位置。

保持四杆机构AB1C1D的四杆（即4点）的相对位置不变，以D为中心将四杆机构AB1C1D整体固定顺时针旋转防波板角度β，即将AB1绕D点旋转到A'B'位置。旋转完毕时，C1点回到了C点的位置，B1点转到B'点的位置。由于AB1C1D四点的相对位置关系不变，所以B'C=BC，因为它们是同1根杆BC。

做BB'垂直平分线，则铰链C在BB'的垂直平分线上。

在BB'垂直平分线上适当位置确定C点的位置，综合权衡位置布置、离防波板距离等因素，即可确定铰链C的位置，从而确定杆BC和CD的长度。

2 防波板传动机构受力计算

确定了防波板传动装置的传动尺寸链后，通过结构计算，明确各零部件的结构尺寸，并对其进行受力分析。

防波板在启闭过程中受到的阻力主要来自海水。由于该阻力的效果主要是水流对运动的防波板表面进行冲击造成的，所以在关防波板过程中，需克服的阻力要远大于在开启过程中克服的阻力。所以对平面四杆机构进行受力分析，在某确定航速时，求出需要多大的力矩才能保证防波板的闭合状态，而不被水阻力顶开。

防波板四杆传动机构关闭到位时的整体受力分析见图3，各杆的分解受力分析见图4。

由力系平衡方程∑M=0，∑F=0，可得如下方程:

式中:α，β，γ如图所示;M为转臂需要提供的力矩;NB，NC，ND为B，C，D所受到的运动副反力; MZ为防波板正压力阻力矩;MG为防波板重力产生的阻力矩。

式中:P为防波板表面压力，kg/cm2;α为防波板位置角;K为系数22.5;A为等效受力面积，m2。

防波板阻力P选用乔瑟尔公式［2］来计算。

3 防波板的三维设计和安装实现

防波板的结构基本上采用纵横肘板予以加强。连杆采用无缝钢管制作。防波板零件三维模型在PRO/E环境下建立并进行运动验证。

由于船体建造的误差，完全按理论设计的平面四连杆机构很难使防波板运动准确到位，需要有一个方便的微调机构。为此，在连杆BC的中部按反螺纹调节原理设置了1个长度调节器，用以调节连杆长度，使整个防波板装置处于最佳状态。即连杆BC由前连杆、后连杆和中间的调节器3个部分组成。前后连杆和调节器之间分别通过左旋螺纹和右旋螺纹来连接。通过微调旋入连杆调节器内的螺纹长度来调整连杆BC的长度，从而达到微调防波板传动装置的目的。