一種低噪聲分離裝置研究

藥文忠　張繼鵬

摘 要：低噪聲分離裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)段間連接和可靠的低噪聲分離。其工作原理主要為杠桿原理，主體采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由小型機(jī)電結(jié)合件限位控制，在采用了適當(dāng)?shù)慕翟氪胧┖?，其?dòng)作可靠，靜音效果良好。

關(guān)鍵詞：低噪聲；杠桿原理；分離裝置；降噪

中圖分類號：TN722.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.022

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各國對國防科研的重視程度在不斷提高，全球海上防御能力也在不斷進(jìn)步，有效地帶動(dòng)了水下航行器技術(shù)的發(fā)展。分離技術(shù)作為水下航行器研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也在被不斷完善。從20世紀(jì)90年代開始，美國就開始研究多載荷分離技術(shù)，比如，被命名為“曼塔（Manta）”的概念性潛艇載UUV系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種自主式、可重復(fù)使用的新型無人潛水器，可展開、可遠(yuǎn)距離布放。與此同時(shí)，我國也在積極發(fā)展這方面的技術(shù)，研制了先進(jìn)的遠(yuǎn)程攻勢布雷武器，但是，它還存在戰(zhàn)斗部與運(yùn)載體分離噪聲大、不利于隱蔽布雷的缺陷。

針對分離噪聲過大的問題，本文主要介紹了一種低噪聲分離裝置。該裝置采用機(jī)械式設(shè)計(jì)非傳統(tǒng)火工的理念，利用杠桿原理將大的軸向承載力轉(zhuǎn)化為小的執(zhí)行力，而軸向連接件則采用高強(qiáng)度材料，通過合理的設(shè)計(jì)使其滿足承載16 t軸向拉力的使用條件。執(zhí)行件采用小型電機(jī)產(chǎn)品，并且整個(gè)裝置都進(jìn)行過合理的降噪處理。與同類產(chǎn)品相比，分離裝置的動(dòng)作過程能滿足低噪聲要求。經(jīng)過測試，該設(shè)備的噪聲水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，因此，針對這個(gè)問題，筆者簡要敘述了設(shè)計(jì)方面的相關(guān)內(nèi)容，以期為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 分離裝置工作原理和組成

該裝置的工作原理為杠桿原理，各級傳遞桿通過銷子與基座固定，分離桿與桿Ⅰ的連接如圖2 所示。各級桿逐級限位壓緊，當(dāng)分離桿受到拉力后，這種力會逐步傳遞到各級桿上，利用杠桿將該力逐級放小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將最后的桿限位，同時(shí)，電機(jī)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位。當(dāng)接到分離命令時(shí)，小型電機(jī)上的限位桿克服了與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互作用的摩擦力向里運(yùn)動(dòng)的問題，進(jìn)而解除限位。在分離桿拉力的作用下，各級桿逐級釋放，使其從整個(gè)裝置上脫離，完成分離。

該裝置由數(shù)級傳遞桿和分離桿組成，如圖1、圖2所示。分離桿用于水雷戰(zhàn)斗部與運(yùn)載體的連接，承受較大的軸向力。在設(shè)計(jì)分離桿時(shí)，選用優(yōu)質(zhì)的合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMnSiA，設(shè)計(jì)相對圓滑，有效避免了應(yīng)力過度集中的問題。同時(shí)，進(jìn)行了有限元分析、計(jì)算，在加工上方面采用了合理的進(jìn)給加工方法和熱處理，單個(gè)分離桿能滿足承載8 t軸向拉力的使用要求。在數(shù)級桿上運(yùn)用聚氨酯塑料和橡膠制造緩沖墊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降噪處理，而各級傳遞桿在動(dòng)作時(shí)，有效運(yùn)用降噪材料，能滿足動(dòng)作過程無直接的金屬碰撞聲，并且能將承載的能量舒緩釋放和吸收，以達(dá)到良好的降噪效果。

2 分離桿設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 分離桿理論計(jì)算

為了保證該裝置安全、可靠地工作，利用有限元分析方法校驗(yàn)其中受力較大的分離桿的強(qiáng)度。要想保證構(gòu)件在承受了8 t拉力時(shí)還可以安全、可靠地工作，構(gòu)件的工作應(yīng)力就要超過材料的許用應(yīng)力。對于軸向拉伸的分離桿件，應(yīng)滿足的條件是：

式（1）中：σ為桿件橫截面上的工作應(yīng)力；Fs為橫截面上的軸力；A為橫截面面積；[σ]為材料的許用應(yīng)力。

當(dāng)軸力相同而橫截面有變化時(shí)，應(yīng)計(jì)算截面面積最小處的強(qiáng)度。在分離桿中，其最小截面如圖3所示。因此，在分析過程中，主要考核這2處強(qiáng)度是否能滿足工作要求。

2.2 分離桿有限元分析

為了校驗(yàn)分離桿的強(qiáng)度，用有限元方法對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。分離桿所用材料參數(shù)如表1所示。其分析、計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

分離桿承受的最大應(yīng)力為1 015.2 MPa，這主要是因?yàn)閼?yīng)力集中和彎矩造成的，而它在危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力均在864 MPa左右。在計(jì)算時(shí)，取安全系數(shù)為1.2，則分離桿所承受的應(yīng)力要小于其材料的許用應(yīng)力。由此可見，分離桿能滿足其強(qiáng)度的要求。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分離裝置是否能夠滿足使用要求，完成動(dòng)作過程，特對其進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)——?jiǎng)幼骺煽啃栽囼?yàn)、拉力試驗(yàn)和分離噪聲測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，分離裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 動(dòng)作可靠性試驗(yàn)

在水池和湖上驗(yàn)證分離裝置的可靠性。將分離裝置安裝在段上并固定，利用專用工具將分離桿與模擬負(fù)載連接并預(yù)緊，將配重段與安裝分離裝置段連接，如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，要將模擬配重固定。當(dāng)接收到分離信號時(shí)，分離桿在外力和預(yù)緊力的作用下，從分離裝置中解制拔出，模擬負(fù)載被釋放。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證后，分離動(dòng)作可靠且無失條性。由此說明，該分離裝置可以有效、可靠地完成分離動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 拉力試驗(yàn)

通過分離桿將分離裝置與工裝Ⅰ連接，用螺釘將安裝分離裝置的段與工裝Ⅱ連接，工裝Ⅱ與拉力機(jī)臺面固定，工裝Ⅰ與拉力機(jī)拉力端連接，如圖6所示。從試驗(yàn)過程中可以看出，該裝置發(fā)生了塑性變形，并且分離桿斷裂。由此可知，分離桿滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

3.3 分離噪聲測試試驗(yàn)

分離裝置在消聲水池進(jìn)行了噪聲測試試驗(yàn)，圖7為分離裝置噪聲測試示意圖。將裝有分離裝置的樣機(jī)和水聽器放置于水下，確定測試距離R和測試深度H，將水聽器與測試放大裝置和計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接，待接到點(diǎn)火信號后，分離裝置動(dòng)作，水聽器開始采集聲信號，并通過計(jì)算機(jī)分析采集到的信號。經(jīng)過多次測試后，采集到的分離噪聲均小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以，該裝置滿足低噪聲的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

該裝置運(yùn)用機(jī)械式設(shè)計(jì)思路克服了火工品難以克服的噪聲大的問題。采用杠桿設(shè)計(jì)方法，將較大的連接預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為比較小的執(zhí)行力，采用低噪聲的小型機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品限位執(zhí)行件，而小型機(jī)電產(chǎn)品本身具備了低噪聲的特點(diǎn)；再加上對整個(gè)裝置進(jìn)行了合理的降噪處理，使得該裝置滿足低噪聲、高可靠性的要求。此設(shè)計(jì)提供了一種機(jī)械設(shè)計(jì)理念，為后續(xù)低噪聲分離設(shè)計(jì)提供了參考。

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〔編輯：白潔〕