CN113928506A - 一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构及工装 - Google Patents

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单永志
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Abstract

本发明一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构及工装，属于水下航行器高速航行试验技术领域；所述连接结构为两端开口的直圆筒，其外周面沿轴向成阶梯结构，两端的外径小于中部外径；所述外周面的两端开有反向螺纹，左旋螺纹端与前舱段连接，右旋螺纹端与后舱段连接，实现前、后舱段同步旋紧；外周面的阶梯面为止口配合面，用于前、后舱段旋紧时的轴向限位；连接结构两端的螺纹根部沿周向开有多个紧定螺纹孔，紧定螺钉沿连接结构的径向穿过前、后舱段周壁上的通孔旋入紧定螺纹孔。连接结构通过反向螺纹连接增加了连接的可靠性、保证航行器的水密性、消除试验中的航行器所处的恶劣工作环境对航行器的影响以及航行器装配过程中出现电缆缠绕的现象。

Description

一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构及工装
技术领域
本发明属于水下航行器高速航行试验技术领域，具体涉及一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构及工装。
背景技术
采用超空泡减阻技术，水下航行器可以实现200节以上的巡航速度，但是由于高速条件下水动力的高效性和空泡-航行器间隙的存在，当航行器处于加速阶段时、受到剧烈扰动时或机动航行时，会诱发尾部周期性振荡，即航行器尾部拍击空泡壁，通常称为尾拍运动。尾拍运动时，航行器尾部受力会对质心形成很大的弯矩，对航行器结构具有强烈的破坏作用，通常会引起连接结构出现松动现象进而引发更大的振荡，最终导致航行器运动失稳、结构破坏、密封失效等故障，造成重大事故安全事故或财产损失。
跨介质航行器试验样机结构上通常由空化器、圆锥段、圆柱段等构成。试验样机内部通常由燃气发生器、测量仪器、火箭发动机、舵机、减速机构及回收装置等构成。所以样机设计时为了满足内部体积较大、快速安装与固定元器件、高效加工及减重等要求，采用薄壁和大段连接组成的结构形式。但是这样的结构形式带来了防水、装配困难以及电路电线绞线等难点。
通常，鱼雷等中低速水下航行器大段之间有止口，螺纹、卡箍、楔环等连接方式。
止口连接定位和导向性好、易于密封，可以满足大段连接的防松和电路电线不会绞线要求，但存在着连接强度低的缺点。在冲击振动作用下，连接结构容易出现紧定螺钉被剪断、止口变形、无法密封等现象，会导致航行器连接结构整体变形，甚至发生舱段分离现象，进而影响航行器的受力特性，使航行器模型弹道偏离预定轨迹，发生安全事故。
卡箍连接具有静态自锁能力，但当航行器在高频振动的影响下，卡箍连接会因材料变形导致连接结构松动，进而导致更高幅度的振动，最终出现材料断裂的现象。另外卡箍连接不利于密封。
楔环连接定位能力强、连接强度也高于止口现象，但是需要将舱段连接处加工成阶梯形并制作环形槽，给楔环预留安装空间。若试验样机大段采用此种连接方式会增加舱段连接处的壁厚和航行器的重量，而且楔环带弹性差、不易安装。对于200mm以下的小口径缩比模型若采用楔环结构，则连接结构尺寸太大，会减少模型内部的体积，也就会限制其它元器件的体积。
螺纹连接则相对于止口和卡箍连接具有较好的连接强度、航行器具有抗弯能力，在满足试验要求的入水速度或航行速度下，很少出现螺纹螺牙被剪断，前后舱段分离等问题。若试验样机大段采用此种连接方式，缺点主要有两点。第一点是连接螺纹容易出现松动现象，会导致航行器前后大段轴向相对转动，导致空化器的预置舵角出现偏离航行器纵平面的现象，从而使航行器弹道偏离预定轨迹，发生安全事故。第二点是试验样机装配时需要旋转舱段，会发生舱段前后贯通的电缆出现绞线现象，带来电路电缆断裂、连接不可靠等问题。
现有专利号CN112344808A，名称是插接结构及舱段组件，此专利提供了一种适用1米以上的口径飞行器舱段连接方式，采用的是止口和螺钉的连接方式，但是没有采用螺纹连接方式，若缩比后针对200口径以内的跨介质航行器使用，则无法保证承受高过载时的耐冲击特性。
现有专利CN111674575A，名称是一种舱段连接结构及飞行器，此专利提供了一种利用蜗轮蜗杆的舱段连接结构，但是该结构需要多个零件，结构复杂，对连接件精度要求高，并且不适用于200口径以内的跨介质航行器。
现有专利CN211820221U，名称是一种水下机器人大直径耐压舱段连接结构，该结构采用法兰盘的形式连接舱段，适用于较大直径的航行器，并且该结构破坏了航行器的表面，影响了航行器的流体动力特性。
因此，常规的连接结构难以满足防过载、防绞线、防松动的要求，亟需综合考虑跨介质航行器试验样机的工作环境及装配可靠等要求，研发一种适用于跨介质航行器高速入水及实航试验样机的大段连接方式，满足其要求。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构及工装，连接结构通过反向螺纹连接增加了连接的可靠性、保证航行器的水密性、消除试验中的航行器所处的恶劣工作环境对航行器的影响以及航行器装配过程中出现电缆缠绕的现象。
本发明的技术方案是：一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构为两端开口的直圆筒，其外周面沿轴向成阶梯结构，两端的外径小于中部外径；所述外周面的两端开有反向螺纹，左旋螺纹端与前舱段连接，右旋螺纹端与后舱段连接，实现前、后舱段同步旋紧；
所述外周面的阶梯面为止口配合面，用于前、后舱段旋紧时的轴向限位；
所述连接结构两端的螺纹根部沿周向开有多个紧定螺纹孔，紧定螺钉沿连接结构的径向穿过前、后舱段周壁上的通孔旋入紧定螺纹孔。
本发明的进一步技术方案是：所述连接结构两端的螺纹根部与紧定螺纹孔之间的周面上开有环形凹槽，用于安装密封圈，实现连接结构与前、后舱段的螺纹旋紧后航行器内部的密封性。
本发明的进一步技术方案是：所述环形凹槽与止口配合面之间的距离不少于连接结构轴向长度的1/10；所述止口配合面厚度不少于连接结构直径的1/15，能够保证螺纹连接不被剪断、止口台阶面不被挤压变形，径向紧定螺钉不会剪断。
本发明的进一步技术方案是：所述连接结构每端沿周向均布8个紧定螺纹孔，所述紧定螺纹孔的孔径为紧定螺纹孔与止口配合面之间距离的1/2，能够减小航行器表面外形的损坏程度。
本发明的进一步技术方案是：所述紧定螺钉为十字槽或者内六角沉头紧定螺钉。
本发明的进一步技术方案是：所述连接结构螺纹处的壁厚不少于连接结构直径的1/10，螺纹连接长度不少于连接结构轴向长度的1/5，且螺纹为粗牙螺纹，能够保证超空泡航行器水下高速航行时承受高过载，防止试验样机损坏。
本发明的进一步技术方案是：所述连接结构的中部外周面上沿周向开有多个装配工艺孔。
一种安装超空泡高速航行试验样机大段连接结构的工装，其特征在于：包括左半部分、右半部分和螺栓；所述左半部分一端为手柄，另一端为半圆环结构；所述右半部分与左半部分结构相同且对称设置，左、右半部分的半圆环结构一端铰接、另一端通过螺栓紧固，形成内径大于连接结构外径的圆环结构；
所述左、右半部分的半圆环结构外周面上开有径向螺纹孔，所述径向螺纹孔的位置和连接结构的装配工艺孔相对设置；通过径向螺栓将工装与连接结构紧固，转动两侧的手柄由工装带动连接结构旋紧。
本发明的进一步技术方案是：所述左半部分的半圆环结构一端设置有径向凸耳，另一端开有轴向通孔；右半部分的半圆环结构一端设置有径向凸耳，另一端沿半圆环的延伸方向设置有两个相对的凸耳；左、右半部分一端的径向凸耳通过螺栓紧固，另一端通过连接销穿过两个相对的凸耳和轴向通孔实现铰接。
本发明的进一步技术方案是：所述螺栓为蝶形螺栓。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种超空泡航行器高速入水及实航试验样机大段的连接方案。方案中提出采用不同旋向的螺纹连接、止口配合面、紧定螺钉孔、装配工艺孔相结合的连接结构，可以防止中间贯通的电缆缠绕、并能够简便省力将试验样机舱段进行连接。制造工序和工艺简单，降低了航行器的加工制作难度，缩短了航行器试验周期。
不同旋向的螺纹可同步使连接结构与前舱段和后舱段连接，同时段间电缆不会旋转，保证了前后舱段之间电缆不出现绞线现象。紧定螺钉孔通过安装十字槽或者内六角沉头紧定螺钉后，可进一步固定连接结构与前舱段和后舱段，防止出现螺纹松动现象。紧定螺钉孔在不破坏舱段表面的情况下，有良好的结构强度，保证了航行器耐冲击的特性。采用装配孔搭配专用工具可以简单省力安装连接结构，提高连接的可靠性。整个装配过程操作简单，安装省力，安全可靠等，对提高试验效率具有明显的效果。
接结构设计有止口配合面、两端径向设计有紧定螺纹孔，两端各采用8个十字槽或者内六角沉头紧定螺钉旋入，可进一步在径向方向上对连接结构与前后舱段的连接进行固定，这样可杜绝试验过程中航行器受到巨大的轴向过载和法向过载引起螺纹松动现象，导线前后舱段密封失效，航行器内部进水。止口配合面能够进一步抵抗模型的冲击载荷，保证航行器连接结构不会发生压溃现象，同时保证了紧定螺钉不会发生剪断现象，保证了连接结构的可靠性。
超空泡航行器要求航行器舱段连接必须紧密可靠。所以对连接结构的装配设计了专用工装，该工具设计为两部分组成结构，有两个较长的手柄，即力臂长，实现了装配省力。并且防滑动功能采用两个蝶形螺栓可以在装配连接结构时不用借助其他工具助力轻易实现互相定位，卡紧功能采用一个蝶形螺栓可以使工具抱紧连接结构，装配时不会出现滑落现象。在装配200口径以内的超空泡航行器使用工具装配操作省力，安全可靠，不用借助其他工具等，可轻易实现超空泡航行器的装配的要求。
进一步限定中，所述环形凹槽与止口配合面之间的距离不少于连接结构轴向长度的1/10，保证O圈密封圈与前舱段接触面长度，使密封有效、可靠；所述止口配合面厚度不少于连接结构直径的1/15，能够保证螺纹连接不被剪断、止口台阶面不被挤压变形，径向紧定螺钉不会剪断。
进一步限定中，所述连接结构每端沿周向均布8个紧定螺纹孔，所述紧定螺纹孔的孔径为紧定螺纹孔与止口配合面之间距离的1/2，能够减小航行器表面外形的损坏程度，进一步减小航行器外形变化对试验结构的影响；
进一步限定中，所述连接结构螺纹处的壁厚不少于连接结构直径的1/10，螺纹连接长度不少于连接结构轴向长度的1/5，且螺纹为粗牙螺纹，能够保证超空泡航行器水下高速航行时承受高过载，防止试验样机损坏。
本发明实施例中针对超空泡航行器水下高速航行试验承受的高过载，提出了连接结构螺纹处的壁厚不少于8mm，螺纹长度不少于15mm，尽可能选用粗牙连接螺纹，径向均匀分布的紧定螺钉至少选用M3，且不易过大，连接结构的止口台阶面厚度不少于6mm，可以保证螺纹连接不被破坏、止口台阶面不被挤压变形，径向紧定螺钉不会剪断，在尽不可能损坏外形的条件下达到了航行器承受高过载时不易破坏的目的，达到航行器内部连接电缆不会出现缠绕现象的目的。
该连接结构形式可满足跨介质航行器高速入水试验和超空泡高速实航试验对试验样机的高要求。
附图说明
图1为本发明的连接结构；
图2为本发明的试验样机大段连接结构剖视图；
图3为本发明的装配工具；
附图标记说明：1-左旋螺纹，2-紧定螺钉孔，3-装配工艺孔，4-右旋螺纹，5-电缆，6-后舱段，7-尾部***，8-密封O圈槽，9-连接结构，10-密封O圈槽，11-水密连接器，12-前舱段，13-内测***，14-左半部分，15-蝶形螺栓，16-蝶形螺栓，17-右半部分，18-连接销，19-蝶形螺栓。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，本发明一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构为两端开口的直圆筒，其外周面沿轴向成阶梯结构，两端的外径小于中部外径；所述外周面的两端开有反向螺纹，左旋螺纹端与前舱段12连接，右旋螺纹端与后舱段6连接，实现前、后舱段同步旋紧；
所述外周面的阶梯面为止口配合面，用于前、后舱段旋紧时的轴向限位；
所述连接结构9两端的螺纹根部均沿周向开有8个紧定螺纹孔，紧定螺钉沿连接结构的径向穿过前、后舱段周壁上的通孔旋入紧定螺纹孔。所述紧定螺钉为十字槽或者内六角沉头紧定螺钉。
所述连接结构9两端的螺纹根部与紧定螺纹孔之间的周面上开有环形凹槽，用于安装O型橡胶密封圈，实现连接结构与前、后舱段的螺纹旋紧后航行器内部的密封性。所述环形凹槽按国标GB\T 3452.3-2005设计，采用O型橡胶密封圈进行动密封或静密封，可保证连接结构与前后舱段的螺纹旋紧后航行器内部的水密性。
所述环形凹槽与止口配合面之间的距离不少于连接结构轴向长度的1/10，保证O圈密封圈与前舱段接触面长度，使密封有效、可靠；所述止口配合面厚度不少于连接结构直径的1/15，能够保证螺纹连接不被剪断、止口台阶面不被挤压变形，径向紧定螺钉不会剪断。
所述连接结构每端沿周向均布8个紧定螺纹孔，所述紧定螺纹孔的孔径为紧定螺纹孔与止口配合面之间距离的1/2，能够减小航行器表面外形的损坏程度，进一步减小航行器外形变化对试验结构的影响；
所述连接结构螺纹处的壁厚不少于连接结构直径的1/10，螺纹连接长度不少于连接结构轴向长度的1/5，且螺纹为粗牙螺纹，能够保证超空泡航行器水下高速航行时承受高过载，防止试验样机损坏。
所述连接结构的中部外周面上沿周向开有多个装配工艺孔，选用配套的旋紧工装。该工具设计有较长的手柄、卡紧功能及防滑动功能。连接段的装配孔搭配专用旋紧工具可以简单省力旋紧连接结构与前后舱段的连接螺纹，可以初步达到螺纹防松的目的。
实施例：
对于航行器可承受到高达80g的轴向载荷时，在选用连接螺纹大小时，螺纹处的壁厚不少于8mm，螺纹长度不少于15mm，且尽可能选用粗牙螺纹；径向8个均匀分布的紧定螺钉至少选用M3，且不易过大，有损于航行器外形；连接段的止口台阶面厚度不少于6mm，若过大，则连接段的内部面积过小，使内部电缆占用空间减小，会引发电缆缠绕现象。
本发明连接结构的装配使用如图2所示，连接结构前部左旋螺纹1与前舱段后部左旋内螺纹配合，连接结构后部右旋螺纹4与后舱段前部右旋内螺纹配合。连接结构9采用螺纹连接可比传统止口连接、卡箍连接增强连接的可靠性。连接结构9中间有电缆5通过，因此连接结构9前后螺纹采用旋向不同的螺纹，这样在旋转连接结构9时，可同时旋紧连接结构9与前舱段12和后舱段6的螺纹，中间贯通电缆5不会旋转，可杜绝电缆5出现绞线的现象，提高了电缆5前后贯通的可靠性。另外连接结构9外圆周设计有多个装配工艺孔3，此装配工艺孔3配合专用旋紧工具可以对试验样机前后舱端连接进行进一步的旋紧，装配简单、省力。
本发明连接结构的装配工具如图3所示，由左半部分14、右半部分17，蝶形螺栓15、16、19以及连接销18。工具的左半部分14和右半部分17通过连接销18连接，使得工具的开口可以扩大，以便于快速套入本发明的连接结构9。当工具套入连接结构9后并转到恰当位置后，人工拧紧蝶形螺栓15使工具与连接结构9相互夹紧。之后人工旋动蝶形螺栓16和18***连接结构上的装配工艺孔3，之后转动手柄，即可简单省力、快速旋紧连接结构装配试验样机。
本发明的安装及使用过程：
首先，将试验样机的内测***13的安装支架与其对应舱段连接组成前舱段12，连接紧密之后旋入紧定螺钉防止互相转动，将后舱段6准备好以及各尺寸的O型橡胶密封圈安装到位之后，将后舱段6的尾部***7的电缆5穿过连接结构9中间通孔，使尾部***7的水密连接器11与内测***连接。之后将前舱段12与后舱段6固定好防止转动，将旋紧工具套在连接结构9上，使旋紧工具的蝶形螺栓16和19的孔对准连接结构9的装配工艺孔3，拧紧工具上的蝶形螺栓15使工具夹紧连接结构9，然后旋动蝶形螺栓16和19固定旋紧工具与连接结构9的相对位置。之后旋转连接结构9，前舱段12和后舱段6会同时与连接结构9旋紧，此时中间贯通电缆5不会旋转，也就是没有绞线现象。旋紧之后，使用十字槽或者内六角沉头紧定螺钉旋入连接结构9的紧定螺钉孔2，使连接结构9在径向方向上与前舱段12和后舱段6固定。至此，装配好航行器试验样机。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构为两端开口的直圆筒，其外周面沿轴向成阶梯结构，两端的外径小于中部外径；所述外周面的两端开有反向螺纹，左旋螺纹端与前舱段连接，右旋螺纹端与后舱段连接，实现前、后舱段同步旋紧；
所述外周面的阶梯面为止口配合面，用于前、后舱段旋紧时的轴向限位；
所述连接结构两端的螺纹根部沿周向开有多个紧定螺纹孔，紧定螺钉沿连接结构的径向穿过前、后舱段周壁上的通孔旋入紧定螺纹孔。
2.根据权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构两端的螺纹根部与紧定螺纹孔之间的周面上开有环形凹槽，用于安装密封圈，实现连接结构与前、后舱段的螺纹旋紧后航行器内部的密封性。
3.根据权利要求2所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述环形凹槽与止口配合面之间的距离不少于连接结构轴向长度的1/10；所述止口配合面厚度不少于连接结构直径的1/15，能够保证螺纹连接不被剪断、止口台阶面不被挤压变形，径向紧定螺钉不会剪断。
4.根据权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构每端沿周向均布8个紧定螺纹孔，所述紧定螺纹孔的孔径为紧定螺纹孔与止口配合面之间距离的1/2，能够减小航行器表面外形的损坏程度。
5.根据权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述紧定螺钉为十字槽或者内六角沉头紧定螺钉。
6.根据权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构螺纹处的壁厚不少于连接结构直径的1/10，螺纹连接长度不少于连接结构轴向长度的1/5，且螺纹为粗牙螺纹，能够保证超空泡航行器水下高速航行时承受高过载，防止试验样机损坏。
7.根据权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构，其特征在于：所述连接结构的中部外周面上沿周向开有多个装配工艺孔。
8.一种安装权利要求1所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构的工装，其特征在于：包括左半部分、右半部分和螺栓；所述左半部分一端为手柄，另一端为半圆环结构；所述右半部分与左半部分结构相同且对称设置，左、右半部分的半圆环结构一端铰接、另一端通过螺栓紧固，形成内径大于连接结构外径的圆环结构；
所述左、右半部分的半圆环结构外周面上开有径向螺纹孔，所述径向螺纹孔的位置和连接结构的装配工艺孔相对设置；通过径向螺栓将工装与连接结构紧固，转动两侧的手柄由工装带动连接结构旋紧。
9.根据权利要求8所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构的工装，其特征在于：所述左半部分的半圆环结构一端设置有径向凸耳，另一端开有轴向通孔；右半部分的半圆环结构一端设置有径向凸耳，另一端沿半圆环的延伸方向设置有两个相对的凸耳；左、右半部分一端的径向凸耳通过螺栓紧固，另一端通过连接销穿过两个相对的凸耳和轴向通孔实现铰接。
10.根据权利要求8所述超空泡高速航行试验样机大段连接结构的工装，其特征在于：所述螺栓为蝶形螺栓。
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