围裙连接件的改进设计及验证

罗伯军，顾力智，祁伟栋

（上海海迅机电工程有限公司，上海 202007）

0 引言

围裙连接件是保障气垫船水陆两栖性能的关键设备，与船的垫升性能、稳性、快速性及耐波性等总体性能密切相关。气垫船围裙连接件在使用中暴露出部分连接件损坏的问题，尤其是在艏转角围裙内安装边及艉转角围裙外安装边处，影响到气垫船的正常使用，尤其是围裙内安装边检查不便，损坏后较难发现而可能造成潜在风险。针对气垫船围裙连接件在使用中暴露的局部连接件损坏的特点，开展理论分析与研究，在原有形式上改进连接件结构型式，以期能提升围裙综合使用性能。

1 组成及连接型式

铰链连接件共有5种，分别为与艇体连接的上铰链I、上铰链II，与围裙连接的下铰链I、下铰链II、下铰链III，连接销轴有销轴φ6、销轴φ9这2种，分为3类组合方式，用于周边围裙及分隔围裙装艇连接。组合及应用区域见表1，铰链型式及铰链连接形式见图1～图3。

图1 上铰链结构型式

图2 下铰链结构型式

图3 围裙连接件连接示意图

表1 围裙连接件组合型式及应用区域

2 存在的问题

气垫船围裙寿命到期更换时，发现艏部围裙内安装边、艉转角围裙外安装边处连接件出现过损坏的情况，其中艉转角围裙内安装边处装艇连接件的下铰链II在接近穿销轴孔处发生过整体断裂的现象。

3 围裙连接件损坏原因分析

根据艏部围裙内安装边和艉转角围裙外安装边处受力分析得知艉转角围裙外安装边处所受的力比艏部围裙内安装边要大1倍。艏艉围裙在内安装边处采用同侧部围裙相同的连接铰链及销轴，艉转角围裙外安装边处的承载安全裕度相对更小一些，更容易发生损坏。

4 下铰链II 改进设计及试验验证

4.1 下铰链II 改进方案

根据艉转角围裙内安装边下铰链II在使用中反映出来的问题，有针对性的进行下铰链II的改进设计，将穿销轴孔处由原开口式改为封闭式，更改后的型式不影响铰链与销轴结合处转动，也不影响与围裙胶布的安装。形成几种初步方案见图4～图6。

图4 下铰链II-1

图5 下铰链II-2

图6 下铰链II-3

4.2 静应力分析

根据改进下铰链II 3种不同的改进方案，我司对3种类型改进下铰链II单个铰链进行了建模和应力分析。要求强度≥190 kN/m，按照要求均匀划分受力，单个铰链所受到的力≥9.12 kN，为满足要求在进行有限元计算时单个铰链受力取10 kN进行计算。材料强度见表2。3种类型改进下铰链II受力分析结果见图7～图9。

图7 下铰链II-1 应力云图

图8 下铰链II-2 应力云图

图9 下铰链II-3 应力云图

表2 06Cr18Ni11Ti 材料强度

下铰链II-1和下铰链II-3最大应力点都在铰链颈部位置（实船铰链断裂位置），最大应力分别为492.22 MPa和571.34 MPa。下铰链II-2最大应力点在螺栓孔位置，铰链颈部最大应力约为393.61 MPa。通过对3类方案静应力比较，下铰链II-2相对其他2种方案受力情况更好。

4.3 改进下铰链II 的质量变化

不同方案改进下铰链II质量与原下铰链II比较见表3。

表3 不同方案上、下铰链II 的质量

4.4 改进下铰链II 拉力试验方案

根据初步改进方案上海海迅机电工程有限公司对3种方案改进下铰链II进行了样件制作和拉力试验，与原下铰链II拉力试验结果进行对比。为了达到下铰链II破断的效果，我司将陪试件材料更换为高强度材料来达到下铰链II破断的目的，见表4。

表4 拉力试验连接形式

4.5 改进下铰链II 受力情况分析

根据上述拉力试验情况（见表5）表明，3种改进下铰链II方案强度均大于原下铰链II强度，拉力试验中原下铰链II在试验过程中出现破断，改进下铰链II在拉力试验过程中出现变形，未发生断裂现象。

表5 不同方案铰链破断载荷

试验结果证明3种改进型式下铰链II强度均大于原下铰链II。

4.6 下铰链II 改进方案对比分析

通过对损坏原因分析、初样设计及制作和拉力试验等工作，对3种改进下铰链II方案进行对比分析，结果见表6。

表6 改进下铰链II 方案对比分析表

5 结论

根据气垫船在长期使用中的柔性围裙的连接件损坏情况，对易损部位的损坏原因进行分析，通过前期研究和初样拉力试验，提出相应改进方案，确定连接件结构改进型式，使其受力更为合理，保证足够安全系数，增加可靠性，提高承载能力，提升围裙综合使用性能。本次改进设计可为后续围裙连接件的技术创新提供参考。