一种低噪声分离装置研究

药文忠　张继鹏

摘 要：低噪声分离装置的主要功能是实现段间连接和可靠的低噪声分离。其工作原理主要为杠杆原理，主体采用完全机械结构，执行机构由小型机电结合件限位控制，在采用了适当的降噪措施后，其动作可靠，静音效果良好。

关键词：低噪声；杠杆原理；分离装置；降噪

中图分类号：TN722.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.022

随着科学技术的发展，各国对国防科研的重视程度在不断提高，全球海上防御能力也在不断进步，有效地带动了水下航行器技术的发展。分离技术作为水下航行器研究中的关键技术之一，也在被不断完善。从20世纪90年代开始，美国就开始研究多载荷分离技术，比如，被命名为“曼塔（Manta）”的概念性潜艇载UUV系统。该系统是一种自主式、可重复使用的新型无人潜水器，可展开、可远距离布放。与此同时，我国也在积极发展这方面的技术，研制了先进的远程攻势布雷武器，但是，它还存在战斗部与运载体分离噪声大、不利于隐蔽布雷的缺陷。

针对分离噪声过大的问题，本文主要介绍了一种低噪声分离装置。该装置采用机械式设计非传统火工的理念，利用杠杆原理将大的轴向承载力转化为小的执行力，而轴向连接件则采用高强度材料，通过合理的设计使其满足承载16 t轴向拉力的使用条件。执行件采用小型电机产品，并且整个装置都进行过合理的降噪处理。与同类产品相比，分离装置的动作过程能满足低噪声要求。经过测试，该设备的噪声水平处于国内领先地位，因此，针对这个问题，笔者简要叙述了设计方面的相关内容，以期为同类产品设计提供参考。

1 分离装置工作原理和组成

该装置的工作原理为杠杆原理，各级传递杆通过销子与基座固定，分离杆与杆Ⅰ的连接如图2 所示。各级杆逐级限位压紧，当分离杆受到拉力后，这种力会逐步传递到各级杆上，利用杠杆将该力逐级放小，执行机构将最后的杆限位，同时，电机将执行机构限位。当接到分离命令时，小型电机上的限位杆克服了与执行机构相互作用的摩擦力向里运动的问题，进而解除限位。在分离杆拉力的作用下，各级杆逐级释放，使其从整个装置上脱离，完成分离。

该装置由数级传递杆和分离杆组成，如图1、图2所示。分离杆用于水雷战斗部与运载体的连接，承受较大的轴向力。在设计分离杆时，选用优质的合金结构钢35CrMnSiA，设计相对圆滑，有效避免了应力过度集中的问题。同时，进行了有限元分析、计算，在加工上方面采用了合理的进给加工方法和热处理，单个分离杆能满足承载8 t轴向拉力的使用要求。在数级杆上运用聚氨酯塑料和橡胶制造缓冲垫，进而实现降噪处理，而各级传递杆在动作时，有效运用降噪材料，能满足动作过程无直接的金属碰撞声，并且能将承载的能量舒缓释放和吸收，以达到良好的降噪效果。

2 分离杆设计计算

2.1 分离杆理论计算

为了保证该装置安全、可靠地工作，利用有限元分析方法校验其中受力较大的分离杆的强度。要想保证构件在承受了8 t拉力时还可以安全、可靠地工作，构件的工作应力就要超过材料的许用应力。对于轴向拉伸的分离杆件，应满足的条件是：

式（1）中：σ为杆件横截面上的工作应力；Fs为横截面上的轴力；A为横截面面积；[σ]为材料的许用应力。

当轴力相同而横截面有变化时，应计算截面面积最小处的强度。在分离杆中，其最小截面如图3所示。因此，在分析过程中，主要考核这2处强度是否能满足工作要求。

2.2 分离杆有限元分析

为了校验分离杆的强度，用有限元方法对其进行强度分析。分离杆所用材料参数如表1所示。其分析、计算结果如图4所示。

分离杆承受的最大应力为1 015.2 MPa，这主要是因为应力集中和弯矩造成的，而它在危险截面处的应力均在864 MPa左右。在计算时，取安全系数为1.2，则分离杆所承受的应力要小于其材料的许用应力。由此可见，分离杆能满足其强度的要求。

3 设计验证

为了验证分离装置是否能够满足使用要求，完成动作过程，特对其进行了相关验证试验——动作可靠性试验、拉力试验和分离噪声测试试验。试验结果表明，分离装置满足设计要求。

3.1 动作可靠性试验

在水池和湖上验证分离装置的可靠性。将分离装置安装在段上并固定，利用专用工具将分离杆与模拟负载连接并预紧，将配重段与安装分离装置段连接，如图5所示。试验时，要将模拟配重固定。当接收到分离信号时，分离杆在外力和预紧力的作用下，从分离装置中解制拔出，模拟负载被释放。经过多次试验验证后，分离动作可靠且无失条性。由此说明，该分离装置可以有效、可靠地完成分离动作，满足设计要求。

3.2 拉力试验

通过分离杆将分离装置与工装Ⅰ连接，用螺钉将安装分离装置的段与工装Ⅱ连接，工装Ⅱ与拉力机台面固定，工装Ⅰ与拉力机拉力端连接，如图6所示。从试验过程中可以看出，该装置发生了塑性变形，并且分离杆断裂。由此可知，分离杆满足设计强度的要求。

3.3 分离噪声测试试验

分离装置在消声水池进行了噪声测试试验，图7为分离装置噪声测试示意图。将装有分离装置的样机和水听器放置于水下，确定测试距离R和测试深度H，将水听器与测试放大装置和计算机等设备连接，待接到点火信号后，分离装置动作，水听器开始采集声信号，并通过计算机分析采集到的信号。经过多次测试后，采集到的分离噪声均小于设计指标，所以，该装置满足低噪声的设计要求。

4 结论

该装置运用机械式设计思路克服了火工品难以克服的噪声大的问题。采用杠杆设计方法，将较大的连接预紧力转化为比较小的执行力，采用低噪声的小型机电结合产品限位执行件，而小型机电产品本身具备了低噪声的特点；再加上对整个装置进行了合理的降噪处理，使得该装置满足低噪声、高可靠性的要求。此设计提供了一种机械设计理念，为后续低噪声分离设计提供了参考。

参考文献

[1]许三祥.自导水雷及其自导装置发展初探[J].舰船科学技术，2008（02）.

[2]黄学辉，唐辉，陶志南.高性能聚氨酯基多孔复合吸声材料的研究[J].材料导报，2007（06）.

〔编辑：白洁〕