某水下航行器舱段联接结构的设计

彭阿静

（中国船舶重工集团公司第710研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

某水下航行器采用了模块化的设计技术,将耐压壳体按功能划分为各个独立的模块单元，如探测识别舱、电池能源舱、导航定位舱、综合控制舱和动力推进舱等。水下航行器工作环境的复杂性和水下无人值守等的特点,决定了水下航行器除满足功能要求和性能指标外,还要具有较高的可靠性。耐压壳体主要用来提供水下航行器功能设备的密闭安装空间和航行所需要的正浮力,各个模块间的联接必须要有足够的抗拉和抗弯强度以承受深水压力和涌流冲击，此外还要有可靠的密封以满足水下航行器大深度、长航程的需要。因此，如何选择模块之间的联接形式是保证水下航行器可靠工作的关键。

1 几种联接方案

1）方案1：螺栓联接。螺栓联接是采用径向螺栓或轴向螺栓将两个独立的模块联接在一起。如图1所示,在模块1的外壁上加工一系列径向或轴向孔，在模块2的对应位置加工一系列径向或轴向螺纹孔,螺栓穿过模块1与模块2的螺纹孔形成螺纹副，从而将两段固联成一个整体。其联接处的密封采用O型橡胶圈来实现。

图1 螺栓联接

2）方案2：螺纹联接。螺纹联接是在模块1和模块2的端部分别加工大小一致的内外螺纹，由内、外螺纹的旋合将两段壳体联接在一起。

3）方案3：楔环联接。楔环联接是在模块1和模块2的端部分别加工内环槽和外环槽，内外环槽相互套合形成矩形截面的环形空腔。再将与环形空腔同尺寸的矩形环以一定的螺旋角从中间剖开，形成两条楔形的左、右楔环，从外壳体开槽处相向插入环形空腔中，使其紧密贴合，将两段壳体紧密联接在一起。

2 方案分析和选定

2.1 方案分析

足够的强度和可靠的密封是保证模块成组联接的关键因素。此外,成本、模块化程度、拆装方便性以及对水下航行器总体性能的影响也是选择方案时不可忽视的因素。成本决定了一种方案的普及性和推广性。模块化程度主要由模块间联接的一致性来体现,可保证模块单元组合的可靠性和水下航行器功能的稳定性。拆装的方便性直接影响到水下航行器的维修性能。此外，联接方式尽可能避免对总体造成不利影响,如联接部位有突起,会破坏水下航行器的流线型外形,从而会增大水流阻力及功耗,这样有可能导致电池的能量不足以提供水下航行器全航程所需的能源。

1）成本。螺栓联接形式是由螺栓穿过模块1与模块2的螺纹孔形成螺纹副，从而将两段固联成一个整体。由于采用直接在模块上攻丝，在与之联接的另一个模块上加工出比螺栓公称直径稍大的光孔，对制造工艺没有特殊要求，因而制造成本较低。螺纹联接形式采用两个模块的内、外螺纹的旋合形成螺纹副进行联接，因而对不同模块的螺纹加工的同轴度要求较高。该壳体采用薄壳加筋、并在两端焊接联接法兰的结构形式，要保证螺纹的同轴度精度，就要采用时效处理、高温回火等复杂的制造工艺来消除焊接残余应力对尺寸变形的影响，制造成本较高。楔环联接要求楔环具有良好的径向挠性和较高的强度，对原材料要求较高。同时，由于楔环是通过选配挂轮，采用加工螺旋线的方法来进行成对加工，这就要求设备必须有与楔环螺纹升角对应的直角边高度相对应的螺距，对设备要求也较高。楔环对原材料和设备的特殊要求而直接导致制造成本过高。

2）模块化程度。螺栓联接和楔环联接不需要相联接的两个模块作相对旋转运动，很容易实现每个模块方向的一致性，模块化程度较高。螺纹联接要求两个模块作相对的旋转运动，这种运动很难或几乎不可能达到当两个模块端面贴紧时，每个模块的方向均保持一致性，因而模块化程度较低。

3）拆装方便性。螺栓联接拆装时，无需专用设备来保障,采用通用扳手即可,但对称紧固若干螺栓耗时较多。螺纹联接和楔环联接需要先用专用保障设备对水下航行器水下载体加固,再用专用工具进行拆装。

4）对总体的影响。水下航行器为保证模块间的联接强度，一般采用多个螺栓进行联接。螺栓径向联接相对轴向联接而言，由于壳体外表面多处存在孔穴和间隙，会造成壳体外的流体阻力和噪声增加，对总体影响较大。而螺栓轴向联接是用螺栓将两段壳体端面紧密贴在一起后，再安装整流盖板，使壳体外表面光滑，这对总体影响较小。螺纹联接虽然外表面光顺,但很难或几乎不可能保证每个模块方向的一致性。当电池能源舱模块偏置安装时，占水下航行器绝大部分重量的电池能源舱模块会对水下航行器产生较大的横滚力矩，进而影响到水下航行器的运动控制。此外，导航定位舱模块的偏置安装也会对惯导的定位精度产生较大的影响。楔环联接的壳体外表面光顺，结构紧凑，联接附加质量轻，几乎对总体不造成任何不利影响。

2.2 方案选定

该水下航行器耐压壳体上开有多个操作孔来进行电气调试和数据上传、下载工作，并在端面上安装有水密接插件对电池进行充电，因而模块舱段要经常拆装的可能性不大。同时考虑到原材料的采购成本和工艺制造成本直接影响到水下航行器应用的普及性和大众化程度。分析以上3种方案，模块间的联接形式最后选定螺栓轴向联接的方式来实现。

图2 法兰结构示意图

3 方案实施

一种方案选定后，接下来就要对其方案进行详细设计工作。采用螺栓联接方案的主要设计工作是螺栓规格、数量的确定和联接法兰的设计。经理论计算和仿真分析，至少要24个M16的螺栓将两个模块进行联接才能保证其联接处的抗压和抗弯强度。鉴于法兰用5A06防锈铝材料制造，采用在法兰上内嵌钢丝螺套来提高螺栓联接的强度和刚度，并在与之相联的法兰上加工有螺栓过孔。考虑到螺栓数量较多，为保证每个螺栓均能与螺孔对准装配，孔与螺栓之间设计有较大的间隙，并用定位销来保证重复装配的一致性。两段壳体采用O型橡胶圈进行密封，为保证密封的可靠性，采用了径向密封与角向密封相结合的形式。加工有螺栓过孔的法兰结构如图2所示。在法兰上加工有8个均布的凹槽以便于安装螺栓，并加工有标准的径向密封圈沟槽。两段进行联接装配时，先将两个O型橡胶圈分别在法兰上的沟槽内和端面上装好并抹上适量的润滑脂；再将螺栓从凹槽内依次放入并穿过端面上预制的螺栓过孔,将螺栓对称旋紧；然后用合适的填块如浮力材料将凹槽填满；最后安装整流盖板，使壳体外表面光滑。此外，为便于分段，在法兰上加工有起盖螺孔。

4结语

对基于模块化设计的某水下航行器的模块舱段的联接形式进行了分析，并根据实际使用情况选定了用螺栓轴向联接的方案，并给出了其详细设计。