一种鱼雷楔环连接结构保障性改进设计方法

陈少强, 王红卫, 李建辰, 刘 津, 张建亭



一种鱼雷楔环连接结构保障性改进设计方法

陈少强, 王红卫, 李建辰, 刘 津, 张建亭

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710077)

目前对鱼雷舱段楔环连接方式的研究均未考虑实际使用过程中的反复拆装问题, 对楔环连接结构的保障性考虑不足。针对这一问题, 根据楔环工作原理和拆装过程受力分析, 从拆装方便、提升保障能力角度, 提出了一种鱼雷楔环连接结构的改进设计方法, 并通过仿真分析、拆装试验和强度试验等对改进后的结构进行了验证。试验结果表明, 改进后的楔环连接结构在满足舱段连接强度需要的同时, 可大幅度提高楔环连接结构的保障性。

鱼雷; 楔环连接结构; 保障性; 改进设计

0 引言

鱼雷舱段连接设计是鱼雷结构设计的重要组成部分, 其设计性能的好坏将直接影响鱼雷噪声、阻力等指标的实现。舱段连接结构主要有螺钉连接、螺环连接、卡箍连接和楔环连接等形式, 由于楔环连接结构可使舱段连接后外表面光顺、结构紧凑, 有利于减小阻力、降低流噪声、隔离振动传递, 对促进鱼雷结构小型化、轻量化及提高自导系统性能有重要作用, 现已经被广泛运用[1-2]。

楔环连接结构由于其诸多优点, 近10年来得到了国内外相关研究机构和学者不断深入的研究。卜广志、毛昭勇和宋保维等[3-6]以减轻结构质量为目标, 从可靠性角度对楔环连接结构进行了优化设计。黄鹏、尹益辉等[7-12]利用应力解析方法和ANSYS结构分析方法, 以提高结构承载能力为目标对楔环连接结构尺寸进行了优化。马锐磊、刘飞飞等从结构性能的角度, 进行了楔环连接结构的刚度建模与模态分析, 研究了楔环连接方式下壳体振动传递特性[13-15]。虽然现有学者开展了大量研究工作, 但这些研究均未考虑实际使用过程的拆装问题, 在某些产品中, 由于过度强调连接结构对连接体强度的影响, 造成楔环装配和拆卸困难, 容易使楔环变形损坏, 严重影响了产品的保障性。为此, 文中根据楔环连接结构工作原理及楔环拆装受力情况, 从提高楔环保障性的角度开展研究, 提出楔环连接结构的改进设计方法, 并通过实际拆装和强度试验验证了改进设计对保障性和连接体强度的影响。

1 楔环连接结构及受力分析

1.1 楔环结构及连接原理

楔环连接的结构形式如图1所示[2]。在需连接的内壳体外圆上制成内连接环, 在外壳体内圆上制成外连接环, 内外连接环相互套合后, 在内外壳体间形成楔环槽。楔环则是一对矩形截面的环形金属带(如图2), 在相互拼合的边上做成一定斜度。连接时, 先将带销钉楔环A的小端由外壳体上的拆装孔口插入楔环腔并连续推入, 直到大端全部进入腔内, 用楔环A上的销钉将其周向固定; 然后将另一根楔环B的小端沿与带销钉楔环A相反方向插入楔环腔内, 并使用专用工装将其全部打入楔环腔内(见图3), 依靠尺寸的改变使两壳体端面压紧; 再用与2条楔环末端距离等长的填片顶紧2条楔环; 最后安装盖板盖住外壳体上的拆装孔口, 保持壳体外表面的光顺。壳体连接后, 依靠楔环传递轴向力, 为了防止楔环松脱, 楔环拼合边的斜度一般应小于滑动的自锁角。

图1 楔环连接结构示意图

图2 一对楔环图

图3 楔环安装示意图

1.2 楔环结构连接强度分析

而楔环槽在力作用下产生弯曲应力, 最大弯曲应力发生在点(见图4), 其值由下式确定[2]

从式(1)和式(2)可以看出, 楔环连接强度与楔环厚度、楔环槽处壳体壁厚及楔环拆装孔口尺寸密切相关。

图4 连接处的结构尺寸图

1.3 楔环拆装受力分析

如图5所示, 楔环安装时是通过外壳体的孔口插入内、外壳体形成的楔环槽中, 楔环通过内、外壳体的、、3点时, 要将楔环自身的弯曲半径改变, 相当于以点为原点,点向上抬,点向下压, 楔环向前运动, 会在这3点产生较大的摩擦力, 尤其是点处摩擦力最大, 当楔环装入较多时, 需要外壳体的内壁将弯曲半径变大的楔环再约束回其自身的弯曲半径, 楔环和外壳体内壁也会产生一定的摩擦力; 另外, 第2根楔环安装时不仅会受到上述外力作用, 还会受到第1根楔环与楔环槽之间的轴向挤压产生的摩擦力。楔环拆卸时, 其受力情况与安装过程基本相同。将拆装时的楔环近似于两端铰支(和点)固定、中间(点)受点力的简支梁, 楔环拆装出入壳体孔口过程中, 在点和点分别受到内壳体和外壳体楔环槽向上的支撑力, 而在点受到外壳体孔口向下的压力最大, 会产生一定的挠度, 其值由下式确定

从式(3)可以看出, 楔环拆装时的受力情况与楔环厚度、楔环槽拆装孔口尺寸密切相关。

2 楔环连接结构改进设计

2.1 原鱼雷楔环连接结构存在的问题

原楔环结构设计能满足鱼雷各种工况下的强度要求, 但存在拆装困难、楔环易变形损坏等问题。主要表现为: 第1条楔环(带销钉楔环)安装不够顺畅, 第2条楔环安装困难, 特别是大端难以进入壳体拆装孔口, 需要使用具有一定冲击频率的类似电动捣碎锤的专用工装进行锤击, 而且易造成楔环变形而无法重复使用; 熟练工人装配1对楔环平均需要约15 min, 而鱼雷装备一般有数个舱段互相连接而成, 完成一条鱼雷的技术准备, 单是楔环的装配就可能占到了技术准备时间的一半左右, 导致战备等级转换时间太长, 拆卸楔环同样也存在类似困难, 且楔环能够重复使用次数不超过10次, 使用寿命过短, 致使维修更换成本太高, 同时对作业人员技术水平要求高, 劳动强度大。原有楔环结构已经严重影响了装备保障能力的提升, 无法满足新形势下对新装备的保障性指标要求。因此, 在保证楔环连接强度的前提下, 提高楔环连接结构拆装的便捷性和楔环的使用寿命, 对提高装备的维修保障性意义重大。

图5 楔环安装过程示意图

2.2 楔环连接结构优化改进方案

图6 楔环改进方案优化流程图

经过优化分析, 最终拟定改进方案为楔环拆装孔口周向尺寸由95 mm增加到130 mm、孔口倒角由5 mm增加到10 mm, 同时将楔环厚度由6 mm减小到5.4 mm; 改进后的结构能够将楔环拆装时点变形量减小约30%, 受到的压力减小45%左右, 该点受到的摩擦力也同步降低, 同时可以保证连接结构在原弯矩作用下不会发生破坏和产生影响性能的变形。图7为改进后楔环拆装受力变形分析结果, 图8和图9为改进后壳体和楔环强度计算结果, 结构改进后楔环拆装时受力变形明显减小, 壳体楔环拆装孔口应力集中情况得到较大缓解, 楔环受到的应力有所增加但远未达到材料的屈服强度。

图7 改进后楔环拆装变形图

3 楔环连接结构改进试验

为了验证改进措施的有效性和确保改进后的设计满足舱段连接的强度要求, 对改进前后的楔环连接结构均加工了样件, 进行了楔环拆装试验和舱段弯曲强度试验。

图8 改进后楔环拆装孔口等效应力图

图9 改进后楔环等效应力图

3.1 楔环拆装保障性试验

对改进设计后的楔环和壳体进行了装配和拆卸试验, 装配过程中, 第1条楔环(带销钉楔环)单手便可安装到位, 第2条楔环亦可单手将其大端完全装入到拆装孔口内部, 再用铜棒轻轻敲击即可装配到位, 平均用时不到3 min; 拆卸过程中, 仅需使用工具将单孔楔环大端拉出拆装孔口即可用手将整条楔环轻松拉出, 带销钉楔环也可不使用工具直接全部拉出, 证明楔环拆装受力情况得到显著改善。而且经过多次拆装的楔环均无明显变形, 不影响楔环的重复使用, 楔环的使用寿命得到显著增加。楔环拆装试验证明改进措施对楔环连接结构的保障性有比较明显的提升。

3.2 连接强度试验

3.2.1 强度试验方法

试验设备主要由试验加载及支持系统、控制系统和测量系统等构成。其中, 试验加载及支持系统包括液压泵站、作动筒、拉压力传感器、伺服阀和试验件夹具等; 控制系统包括微型计算机及外部设备、模入模出、放大器和力传感器等; 测量系统包括ST-3B型动态数据自动处理仪、位移传感器和放大器等。控制系统为多通道协调加载控制系统, 其准确度误差≤1%, 线性度误差≤0.5%; 测量系统的系统误差≤0.5%。试验所用的仪器设备经检定/校准合格并在有效使用期内。

试验件由两段壳体组成, 中间用楔环连接。试验件一端固支, 与承力立柱连接, 另一端安装试验加载夹具, 通过加载系统加载实现弯矩。试验件安装形式见图10。

图10 试验现场安装图

在试验加载和卸载过程中每级进行位移和应变测量。位移测量点2个, 布置在壳体上母线靠近作动筒的位置; 应变测量通道共38个, 单片26个, 花片4个, 布置在壳体楔环拆装孔口和上下母线, 测量点和应变片分布见图11和图12。

图11 位移测量点分布示意图

强度试验为极限载荷(100%设计载荷)试验, 按照规定的载荷, 以15%设计载荷为级差从0逐级加载至100%设计载荷, 每级加载10 s, 0~60%每级保持30 s, 75%~100%每级保持60 s。100%保载结束后按20%设计载荷为级差逐级卸载至0, 加载和卸载过程中每级进行应变和位移测量。

图12 应变片分布示意图

3.2.2 强度试验结果与分析

对楔环连接结构改进前后2种状态的样件分别进行了相同载荷条件强度试验, 所有试验过程中试验件均未出现异常, 试验结束后试验件均无明显损伤。对所有应变进行统计分析, 最大应变发生在楔环孔口位置100%设计载荷作用时, 对结构改进前后的应变和位移进行对比发现, 在相同载荷作用下, 改进后结构的应变和位移均明显小于改进前结构, 说明改进后结构的应力集中情况得到了较大的改善, 整体受力情况更好, 可以满足舱段连接的强度需要。试验数据如图13和图14所示。

图13 载荷-应变曲线(100%设计载荷)

图14 载荷-位移曲线(100%设计载荷)

4 结束语

楔环连接方式能够保持鱼雷光顺的流线型外形, 利于减阻降噪, 在鱼雷等航行器舱段连接中得到广泛应用。文中重点从提高楔环连接结构保障性角度出发, 根据楔环连接结构工作原理及楔环拆装受力情况, 提出了一些楔环连接结构改进设计方法, 并通过仿真分析、拆装试验和强度试验等方面对改进结构的有效性进行了验证。试验结果表明, 改进后的楔环连接结构可以大幅度提高鱼雷装备保障性, 并满足舱段连接的强度要求, 证明了文中所提出的改进设计的合理性。

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(责任编辑: 陈 曦)

An Improved Design Method of Torpedo′s Wedge Ring Connection Structure for Enhancement of Supportability

CHEN Shao-qiang, WANG Hong-wei, LI Jian-chen, LIU Jin, ZHANG Jian-ting

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

The existing researches on the wedge ring structures for connection of torpedo cabins do not consider assembly and disassembly in application, and pay insufficient attention to the supportability of the wedge ring structures. In this study, an improved design method of the wedge ring structure for connection of torpedo cabins was proposed according to the working principle of wedge ring. The new design takes convenient assembly and disassembly as well as enhancement of the supportability into account. Numerical simulation, assembly and disassembly test, and strength test were conducted to validate the improved design. Results show that the improved wedge ring structure meets the strength requirement of the cabin connection, and greatly improves the supportability of the wedge ring structure.

torpedo; wedge ring connection strucutre; supportability; improved design

陈少强,王红卫,李建辰,等.一种鱼雷楔环连接结构保障性改进设计方法[J].水下无人系统学报,2017,25(4): 371-376.

TJ630.3；TH131.5

A

2096-3920(2017)04-0371-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.011

2017-05-17;

2017-07-13.

陈少强(1981-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为鱼雷总体技术.