UUV载小型大负载桅杆垂直升降技术研究∗

吴涛 郑佳 张寅

（华中光电技术研究所——武汉光电国家研究中心 武汉 430223）

1 引言

进入新世纪以后，无人水下航行器的装备和技术得到迅猛的发展，目前世界上的UUV已达到数百种［1］。美国海军计划要在2030年前组建一支大约有2000艘不同级别UUV的部队，主要用于浅海和近岸处的对敌情报收集和侦察监视，进行反潜战和反水雷站，满足近海和港口等地的国土防卫和反恐等需要［2］。

国外军用UUV向“大型化、多用途”方向发展［3］。美国正在开发一种巨型UUV—MANTA［4］，其重量达到50t量级，可装载鱼雷、导弹或水雷等武器。其采用模块化设计，并可根据任务不同改变配置。大型UUV为了实现情报侦察和无线电通信，可搭载光电桅杆和无线电通信桅杆。这些桅杆在水下航行时会收入UUV内部以减小流阻，在使用时通过升降装置将其伸出UUV。

UUV为了搭载更多的任务载荷，实现更远的航程，对搭载设备的小型化、轻量化提出了更高的需求。目前潜艇桅杆升降装置普遍应用导流罩式升降装置，其由支撑构架、液压升降机、二级升降机构、导流罩、集成阀组和显控设备等组成，可实现桅杆的升降、定位支撑和浪迹消隐等多种功能［5］。但对于UUV平台而言，其重量重、占用空间大，所以有必要研制适用于UUV的小型大负载桅杆升降装置。本文研制了一种基于圆柱齿条的升降装置，实现的1∶1的负载自重比，占用空间更小。

桅杆伸出UUV外部迎水运动时受流体力作用产生振动和弯曲变形，过大的弯曲变形可能导致结构的损坏。本文采用工程设计中广泛采用Morison方程计算其所受流体力，并采用有限元分析法对桅杆升降装置强度和振动特性进行了分析，力学性能满足使用要求。

2 桅杆升降装置设计

2.1 升级装置组成

为了实现升降装置小型化、轻量化，设计了一种蜗轮蜗杆减速、圆柱齿轮齿条传动升降装置，实现桅杆升降。如图1所示，UUV载桅杆升降装置由伺服电机、减速器组件、齿条升降杆、升降台组件、到位锁定机构和到位传感器等部分组成。减速器组件由蜗轮蜗杆机构、联轴节、调压油管、密封壳体等组成。

图1 UUV载桅杆升降装置示意图

该升降装置将齿条、导轨、传感器融合共形设计成一根圆柱齿条升降杆，其外柱面铣齿、导向槽并装有传感器，内腔异形适应外柱面变化，升降台装有轻质减磨材料套筒和橡胶去污环在单根升降杆上升降，极大减小了设备所占空间和重量，满足了小型平台对升降装置尺寸和重量的苛刻要求。

该升降装置设计了具有充油油囊调压功能的蜗轮蜗杆减速器组件，将外置非注油干式电机输出轴动密封置于油腔内部，提高了电机的防水性能。充油调压增强了减速器腔体耐压能力，降低了组件重量，同时解决了蜗轮蜗杆减速器的润滑和散热问题。

该升降装置设计了到位锁定机构，实现单杆升降和到位双杆支撑，到位后两个支撑杆与套筒精密配合，提高了支撑强度和支撑精度，减小了设备重量。该升降装置采用伺服电机和到位传感器驱动控制组合应用于水下平台升降装置，解决了到位缓冲和精确运动控制，减小了设备噪音。该升降装置将安装法兰设计成螺旋结构，可以周向旋转和轴向伸缩，补偿了不易修切的复合材料艇体上下安装法兰的孔位偏差和法兰距偏差，提高了产品易装性。

2.2 升降装置工作原理

当升降装置电机收到上电信号后，进行初始化，接收控制指令。当电机收到上升信号后，输出轴正向高速转动，经蜗轮蜗杆减速器减速后，输出齿轮旋转运动，齿轮带动升降台和桅杆沿齿条升降杆向上运动，当遇到到位传感器上到位信号后，电机减速缓冲，直至停止到上到位位置。

当电机收到下降信号后，电机反转，经减速器齿轮带动升降台和桅杆沿齿条升降杆向下运动，当遇到到位传感器下到位信号后，电机减速缓冲，直至停止到下到位位置。

当电机收到停止信号后，电机停止转动，升降台和桅杆停止在当前位置。减速器组件采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆，当电机停止输出转矩时，升降台组件可以锁定到当前位置，桅杆不会坠落。

3 负载能力和水动力学分析

3.1 负载能力分析

升降装置负载升起时，克服重力向上运动部分的总重量为G，则有：

其中，G1为桅杆本体重量，G2为升降台组件和减速器组件重量。

设升起阻力为F，则有：

其中，f为单个减磨材料套筒处的摩擦力。

设运动部分总重量对升降杆的弯矩为M1，则有：

其中，L1为升降部分重心距升降杆中心的距离。

设与M1平衡的减磨材料套筒支反力矩为M2，则有：

其中，N2为平衡运动部分总重量对升降杆的弯矩的套筒支反力，L2为两个减磨材料套筒上下端面距离。

设齿轮啮合产生的垂直于升降杆的压力为N1，则有：

其中，α为齿轮压力角。

设两个减磨材料套筒对升降杆的压力为N，则有：

根据摩擦力公式，则有：

设升降装置的输出功率为P0，电机的输出功率为P，则有：

其中，V为升降速度，η1为蜗轮蜗杆传动效率，η2为齿轮齿条传动效率，η3为其他运动副的效率。

综合以上各式，可以得出电机的输出功率。

蜗轮在传动过程中受交变应力影响，设蜗轮应力循环次数为Q，则有：

其中，n为蜗轮转速，j为蜗轮每转一圈同一齿面的啮合次数，Lh为蜗轮寿命。

设作用在蜗轮上的转矩为T2，则有：

其中，n1为蜗杆转速，i12为传动比。

根据蜗轮齿面接触疲劳强度计算公式［6］，则有：

其中，m为蜗轮模数，d1为蜗杆分度圆直径，K为载荷系数，z2为蜗轮齿数，[ ]σH为蜗轮的许用接触应力。

按上式可以选取蜗杆的模数和分度圆直径，经过弯曲疲劳强度校核，可以确定蜗轮蜗杆传动的主要参数和几何尺寸。根据疲劳强度计算和校核同样可以获得齿轮齿条传动参数。根据以上设计参数，可以开展整机设计。

某型桅杆重125kg，采用此设计的升降装置最大占用空间648mm×526mm×2130mm，重129kg，达到1∶1的负载自重比。UUV载桅杆升降装置负载试验见图2，将升降装置固定在试验台上，将试验负载安装在桅杆安装法兰上，试验负载重量135kg，以电机设计输出转速启动电机，升降装置工作正常。根据电机供电电源输出电流和电压值，可以算出升降装置输入功率为416W，与计算值符合性较高。

图2 UUV载桅杆升降装置负载试验

3.2 水动力作用下的弯曲特性分析

与波长相比尺度较小的细长柱体（例如圆柱体D/L<0.2）的波浪力计算，在工程设计中可应用Mor⁃ison方程［7-9］，该理论假定柱体的存在对波浪运动无显著影响，并认为波浪对柱体的主要作用是粘滞效应和附加质量效应［10］。

采用修正的莫里森方程［11］计算处于波流场中的杆件受到的流向力，公式如下：

式中：ρω为海水密度，kg/m3；cdc为波流场中的流体阻力系数；D为杆件直径，m；νS为航速，m/s；z0为迎水高度，m；H为波高，m；λ为波长，m；T为波浪周期，s；cmc波流场中的流体惯性力系数。

UUV桅杆升起潜越状态示意图如图3。

图3 UUV潜越状态示意图

将某型桅杆升降装置使用海况、航速等工程数据带入式（12），流体阻力系数和流体惯性力系数取0.5，可得桅杆所受流向力最大值为2966N。

UUV潜越时桅杆受到最大的流向力，为计算结构强度，运用ANSYS WORKBENCH对升降装置及桅杆潜越状态进行了仿真分析。建立桅杆升降装置的有限元模型，并施加流体力和约束。经运算，桅杆升降装置潜越状态的总变形云图如图4所示，应力云图如图5所示。

图4 桅杆升降装置总变形云图

图5 桅杆升降装置应力云图

通过仿真可以看出，潜越状态下桅杆头部最大变形为1.6mm，满足桅杆使用要求。升降装置最大应力为63.6MPa，小于钛合金TA5的588MPa屈服强度。升降装置搭载桅杆随UUV进行了海试，满足桅杆使用要求，升降装置强度满足要求。

3.3 振动特性分析

桅杆安装在升降装置上随UUV在水中运动时，由于受到周期性发放的卡门涡漩作用，将会产生振动。如果卡门涡漩的发放频率接近桅杆升降装置的固有频率时，将引起共振。桅杆升降装置设计，必须要避免使用时产生共振而导致内部机构和设备的损坏。所以，桅杆升降装置的结构必须要满足振动特性要求。

本文采用有限元分析法，运用ANSYS WORK⁃BENCH求出桅杆升降装置的固有频率。桅杆升降装置的固有频率总变形有限元分析云图如图6所示，固有频率有限元分析结果见表1。

图6 桅杆升降装置1阶固有频率总变形云图

表1 桅杆升降装置固有频率

通过分析可见，桅杆升降装置1阶振型与UUV行进时卡门涡漩作用的方向一致，如果卡门涡漩发放的频率与桅杆升降装置的固有频率一致，将发生共振。共振时，可能造成结构的强度问题，造成内部机构和设备的损坏。根据共振区经验公式［11］，可以得出桅杆升降装置的共振航速。

υ为航速；ν为固有频率；d为镜管外径。

经过计算可知，UUV航速在39Kn～56Kn时，桅杆升降装置会引起共振，满足适用航速要求。升降装置搭载桅杆随UUV进行了海试，在桅杆适用航速下，桅杆未发生共振，满足桅杆的使用要求。

4 结语

水下无人航行器（UUV）为了搭载更多的有效载荷，实现更远的航程，对搭载设备的小型化和轻量化提出了更高的要求。随着光电桅杆、通信桅杆等观通设备在UUV上的广泛应用，其升降装置的小型化和轻量化设计是研究的热点。本文研制了一种桅杆升降装置，实现了1∶1的负载自重比，且满足桅杆使用时水动力学要求，具有广泛的前景和较高的应用价值。