LDUUV密封筒分段设计

LDUUV密封筒分段设计

吴书广黄彦

中国船舶重工集团公司第七一〇研究所湖北宜昌443003

摘要：探讨了LDUUV密封筒分段技术方案的相关问题，介绍分段的必要性、原则、及利弊，分析了分段后所产生的新技术问题，着重阐述了解决问题的具体措施。最后得出结论：LDUUV密封筒分段技术方案具备可操作性，其可行性在实物样机上得到验证。

关键词：LDUUV；连接界面；导引头；密封

引言

大型水下无人机器人（LDUUV）使用密封筒装载电子设备、能源，或提供浮力，在密封筒体长度超过操作人员可达的深度极限时，就提出了密封筒分段的需求。LDUUV外形尺寸大，所使用的密封筒体的外径、壁厚尺寸都支持多种分段连接方式的实施。但从降低UUV流体阻力的角度出发，应尽量减少潜航体外壁上的突出部分[1]，分段连接方式的选择也应遵循这项设计原则。密封筒体分段后，产生一系列技术问题：连接界面设计、连接筒体的同轴度设计、连接界面的密封设计、连接界面整流设计、连接段面局部加强设计、密封筒分段保障性设计等，本文将针对上述技术问题进行逐一阐述。

1密封筒分段

1）UUV密封筒分段是为了提高安装、调试、维修等操作的便利性，提高UUV的使用性能。

密封筒内部是一个封闭的空间，当筒体深度（或轴向长度）超过人体手臂伸展所能触碰的极限范围时，各项手动操作的便利性降低，将增加安装、调试的难度。另一项弊病是降低了可视性，可能无法直观、可见地安装螺钉，无法看清楚设备安装状态，盲视操作不可避免，甚至可能出现设备无法完成安装的状况。对于大型密封筒体，可以进入筒体内作业，但活动空间受到限制，存在着人与设备发生碰撞伤害的风险。

UUV的维修性也是设计中需要重点关注的“六性”指标之一，采用平均修复时间（MTTR）[2]进行计量。密封筒体内部装载设备一般采用堆栈式布置，先进后出或后进先出，当需要维修靠近最远端（靠近盲端）的某个零件或设备时，不可避免地需要将靠近外面的设备依次移出舱外，增加了工作量，提高了平均修复时间（MTTR）指标，降低了UUV的维修性。

将密封筒体进行分段设计，可以降低安装、调试的难度，避免盲视操作，降低人员碰撞伤害的风险，提高维修性，最大限度的改善安装、调试、维修等操作的便利性，提高UUV的使用性能。

2）功能分区、降低灾害蔓延风险的需要，将密封筒分段。

UUV在考虑电磁兼容、声学信号干扰、强弱电隔离等技术问题时，将密封筒分为不同的功能搭载段（区）。

UUV使用的能源一般是各种电池组，电池将化学能转化为电能，同时释放气体，是存在着液体泄漏、高温燃烧、爆炸等风险的易燃易爆物品，有些电池在放电时释放有害气体，腐蚀电子元器件和橡胶类零件，所以往往将能源单独分段存放，避免电池组造成的灾害进一步蔓延，损坏其它功能设备。

3）潜航体纵向平衡（纵倾角）调节的需要，将密封筒分段。

LDUUV具有布放载荷的功能需求，载荷的释放将造成潜航体水中衡重参数的变化，影响潜航体的稳定性，需要采取浮力调节手段来消除倾斜力矩。如果载荷装载在潜航体的首部或尾部，离浮心远，作用力臂长，载荷释放后的倾斜力矩也大，非常不利于浮力调节的设计。为保持潜航体水中稳定性的常态化，将提供浮力的密封筒分成艏、艉段，载荷装载在潜航体的舯段，缩短载荷作用力臂长度，减小倾斜力矩，降低由于载荷释放造成的纵倾角变化对潜航体稳定性的影响，更有利于浮力调节的设计。

2连接界面设计

舱段的连接常用焊接和螺纹连接两种方法。焊接变形量大，破坏加工面，当有形位公差要求，焊后又无法校正或机加工修复的密封筒体，焊接连接的方法是不可取的。螺纹连接可以避免焊接的弊端，但存在连接、密封和强度削弱等技术问题，它们是本文重点讨论的内容。

分段连接过程中，需要做好导引、定位和连接的设计工作，可以从设计功能件、结构尺寸增加形位公差两方面寻找技术方案。

LDUUV密封筒体口径大，重量重，需要采用专用保障设备推移靠近合拢，为保证靠近合拢位置准确，在筒体端面设置导引头，引导一段向另一段沿着轴线靠拢。导引头的结构形式可以是：楔形块、带斜面的圆环、导杆轴等，根据结构形式及受力情况选择。

为保持潜航体的直线度，连接段之间垂直轴线的纵向端面应保持平行，并且两轴线同轴度公差小于设计值。两舱段衔接端面（A垂直面和B垂直面）也存在相互平行但错位的现象，根据三点确定一个平面的原理，在其中一个舱段的端面安装3个定位销，另一舱段端面对应方位钻定位销孔，销和孔的配合公差根据工作环境和受力情况确定。

在连接端面处采用螺钉连接，螺钉连接方式的选择、螺钉规格和材料的选用、螺钉组的计算、预紧力的计算等技术问题可参照《机械设计手册》相关章节，本文不做详述。

3连接界面密封设计

密封筒分段连接处密封属于水下外部静压密封问题，常用O形圈填料径向密封和轴向密封形式，两种密封形式都能满足密封筒水密功能及指标要求，在具体选用上有区别，不同密封形式对总体结构布局影响各异，使用便利性也不同。

LDUUV密封筒使用的O形圈内径大，由于自重作用下坠，径向密封如果采用“活塞杆”密封形式，装配困难，常用“活塞”密封形式，在内舱段圆环导引头表面加工密封沟槽，如图2所示，圆环厚度为密封沟槽的深度（h）与预留底厚之和。径向密封的O形圈突出圆环外表面，与外舱段密封面产生轴向摩擦力，合段时需要外加作用力推送，同时完成对O形圈预压缩，分段时需要外加作用力分离。

轴向密封在密封筒A垂直面或B垂直面加工密封沟槽，从密封筒的外径向内延伸壁厚，用于设计密封沟槽的壁厚为沟槽的宽度（b）与预留厚度之和，O形圈的预压力通过连接螺钉拧紧时施加。O形圈由于自重作用下坠的原因，装配时O形圈拉伸变形量延周长方向逐变，在密封筒上半圆拉伸变形量大，下半圆拉伸变形量下，圆弧上象限点拉伸变形量最大，下象限点拉伸变形量最小，所以在每次分段后重新合段时，建议将O形圈转动180°。

比较密封沟槽的深度（h）和宽度（b）可知，b>h，所以轴向密封需要密封筒预留更大的壁厚供密封沟槽加工。采用径向密封的连接界面需要更大的外力来完成分段和合段操作，且合段对中的要求更高，对保障设备提出了更多的要求。

4密封筒分段保障性设计

密封筒的分段和合段操作需要一套台架类保障设备来保证作业流程的顺利开展，按质量程序要求编制《分/合段操作程序表》指导操作过程。保障设备的设计输入（功能要求和性能指标）为分/合段操作过程中的出现的各项需求。首先，操作现场需要作业平台搁置密封筒（内舱段和外舱段），根据密封筒的外形尺寸设计支撑台架的搁置面，同时考虑人机工程设计；支撑台架在导轨上滑动能实现舱段分开或合拢的移动功能；径向密封面在分/合段时需要施加外力克服O形圈的摩擦阻力，外力将造成密封筒与支撑台架相对移动，不利于操作，可使用箍紧带、螺钉等工具将密封筒与支撑台架固定。其次，合段时内、外舱段需要对中，支撑台架要具备三自由度的调节功能：上下升降，左右横移，绕轴翻转。最后是外力施加的方案，小直径密封面可以采用人工推拉实现，对于大直径密封面，摩擦阻力超出了人力的范围，需要采用专用工具，例如螺杆支顶，杠杆拉伸等。合段前在O形圈表面、密封沟槽内表面涂覆润滑脂也是必要的保障手段。

结束语

LDUUV密封筒分段设计是必要的，分段设计提高了LDUUV的使用性能，也产生了一系列新的技术问题，包括：导引、同轴度、密封、整流、局部加强、保障性等，针对这些技术问题，提出了相应的解决措施，证明LDUUV密封筒的分段技术方案是具备可操作性的，分段技术方案在我国某型号LDUUV产品中得到应用，进一步验证了分段技术方案的可行性。通过该型号LDUUV长时间的湖、海试验，发现分段技术方案还存在进一步优化的可能。

参考文献：

[1]蒋新松，封锡盛，王隶棠—水下机器人[M]辽宁科学技术出版社，2000.11；

[2]孙元泉，马运义，邓志纯—潜艇和深潜器的现代操纵理论与应用[M]国防工业出版社，2001.1；

[3]汪琪，李钧—机械设计计算[M]中国致公出版社，1998.5。