胡海滨，魏 芳，肖 清

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引 言

潜艇升降桅杆用于升降观通、导航设备，是潜艇重要的机械设备。为满足顶部传感载荷周向观测需要，桅杆需要绕轴线进行转动。在装备使用过程中，某桅杆出现“回转部位异常磨损、回转力矩过大”的问题，影响了装备正常操作使用。因此，通过对桅杆回转结构进行分析，制定改进设计方案，并通过台架试验进行验证，显著降低了回转力矩，有效解决了装备出现的问题。

1 故障描述

潜艇升降桅杆一般由升降液缸驱动升降，通过2个支撑轴承进行导向支撑。为满足桅杆回转运动，在升降液缸于桅杆之间设置了回转机构，实现桅杆借助人力或马达进行转动。回转机构包括液缸球头、承座等部件。桅杆回转过程中，液缸球头和承座平面的配合实现转动和桅杆轴线定位作用。升降桅杆结构示意如图1（a）所示，回转机构如图1（b）所示。

在装备使用过程中，桅杆出现回转力矩过大且回转部位出现响声的异常现象。拆检发现，液缸球头的顶面处和承座下表面出现了明显的磨损面。经更换零件使用一段时间后，故障现象再次出现，问题无法彻底解决。

2 问题分析

为寻找故障原因，针对升降桅杆和回转机构的结构开展分析，认为故障原因如下：

1）升降桅杆的垂向负载通过回转机构传递给升降液缸，同时，升降桅杆以回转机构的液缸球头为支点进行回转。回转机构承座与液缸球头之间为球头铰接结构型式，满足了桅杆定心与减小旋转阻力的要求。但由于承座与液缸球头之间为点接触形式，为应力集中部位。随着桅杆长期正向、反向转动使用，接触部位易于出现磨损。

图1 潜艇升降桅杆及回转机构示意图Fig.1 Submarine hoisting mast and rotating mechanism

2）承座与液缸球头之间的磨损，会增大回转阻力，而增大的回转阻力又加剧了两者之间的磨损，形成恶性循环，最终导致故障产生。

3 改进方案

为降低液缸球头承座之间的回转阻力、减小磨损，在保持回转机构外部接口不变的情况下，采用在液缸球头内部增设一个推力圆柱滚子轴承的改进方案，实施方案如下：

1）对液缸球头部位进行改进，分为液缸和球头2个零件。在液缸和球头之间增加推力圆柱滚子轴承；同时，加深承座的接触平面凹孔，形成容纳轴承的高度空间，以保证外部接口和物理尺寸不发生变化。

2）对承座、球头进行表面处理，提高其表面硬度。承座和球头材料均为45号钢，对承座内孔配合表面、球头配合表面均进行淬火处理，硬度为HRC45～50。

改进后的回转机构结构如图2所示。结构改进后，升降桅杆的载荷通过承座、球头、轴承传递给升降液缸。由于轴承的作用，能够保证桅杆和液缸之间的转动阻力较小。

图2 升降桅杆回转机构改进结构示意图Fig.2 Structure of optimized rotating mechanism for hoisting mast

4 试验验证

4.1 试验方案

试验台架主要包括加载液缸、升降液缸、测试设备等组成。通过加载液缸模拟升降桅杆承受的不同顶部载荷，模拟试验台架如图3所示。试验包括回转试验和偏载工况试验。

图3 回转试验装置示意图Fig.3 Test device for rotating-test

回转试验选定30 kN为最大载荷进行试验，分15 kN，20 kN，25 kN，30 kN四档逐渐加载，其中25 kN为额定工况。在各档负载下，分别进行1 000次、1 000次、5 000次、500次回转，并按正转10次，反转10次的规律回转。每档负载试验前和试验结束，分别测量正反向回转力矩。

考虑到实艇状态下，升降液缸轴线与桅杆轴线之间存在同轴度装配偏差，造成回转机构偏载，进而影响回转力矩。为此，在台架上设定了偏载状态，模拟升降桅杆与升降液缸最大同轴度Φ1 mm偏差。试验按照最大载荷30 kN进行偏载回转试验，共进行500次，同样按照正转10次、反转10次进行。

4.2 回转试验

表1为各档载荷下试验前和试验后的回转力矩测试值。从表中可以看出，试验前后回转力矩均变化不大，最大值远小于指标值。

表1 回转试验前后转动力矩Tab.1 Torque of rotating test

4.3 偏载回转试验

表2为偏载下试验前后的回转力矩对比。从表中可以看出，偏载情况下，试验前回转力矩要大于表1中的回转力矩，试验后回转力矩与表1相当。整体来看，回转力矩仍然保持在较低的状态。

表2 偏载试验前后回转力矩Tab.2 Torque of partial load test

5 结 语

本文针对潜艇升降桅杆回转力矩过大的故障，通过结构分析和改进设计，制定了减小桅杆回转力矩的改进方案，并进行了台架试验验证，得到结论如下：

1）通过在桅杆回转机构内部增加推力滚动轴承的改进设计，有效降低了升降桅杆的回转力矩。

2）台架试验表明，改进方案的回转力矩远远低于给定指标，耐久性好。

3）改进方案不改变设备的对外接口和物理尺寸，牵连影响小，便于工程实施。