地面系留設(shè)施萬向滑輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李 浩，呂永超，王平安

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)研究部，安徽 合肥 230088)

1 引言

機(jī)動式系留氣球作為浮空器領(lǐng)域的一個重要分支，因為其使用靈活方便，保障性能高并可根據(jù)任務(wù)需要隨時進(jìn)行轉(zhuǎn)移的優(yōu)點，在應(yīng)急指揮、安防和通訊等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。

萬向滑輪作為機(jī)動式系留氣球地面系留設(shè)施重要組成部分，安裝在地面系留設(shè)施水平橫梁的最前端，在系留氣球升空、回收、滯空工作過程中實現(xiàn)系留纜繩導(dǎo)向，同時通過內(nèi)部安裝的傳感器實現(xiàn)纜繩載荷及纜繩傾角的測量。本文設(shè)計了一種新型的萬向滑輪結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)系留纜繩換向及纜繩拉力和傾角的測量，同時具有重量輕、可靠性高、便于拆卸和安裝等優(yōu)點。

2 設(shè)計要求

機(jī)動式系留氣球萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要是完成系留纜繩導(dǎo)向并實現(xiàn)纜繩拉力載荷及纜繩傾角的測量。由于受重量、風(fēng)速和任務(wù)載荷等因素的制約，對萬向滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計提出如下要求：

(1)在纜繩受力張緊狀態(tài)，萬向滑輪應(yīng)可隨纜繩載荷方向的變化實現(xiàn)水平、前后擺動。在前后擺臂上應(yīng)能夠安裝三維姿態(tài)傳感器。

(2)在纜繩松弛狀態(tài)下，萬向滑輪應(yīng)根據(jù)實際需求進(jìn)行配平調(diào)整，要求滑輪轉(zhuǎn)到任意位置均可自由停止。

(3)便于實現(xiàn)系留纜繩與萬向滑輪的分離。

(4)萬向滑輪應(yīng)設(shè)有防跳線保護(hù)裝置，防止纜繩脫槽損傷。

(5)設(shè)備應(yīng)能進(jìn)行分解或拆收，滿足公路及鐵路運輸標(biāo)準(zhǔn)。

3 萬向滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

機(jī)動式系留氣球地面系留設(shè)施萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由滑輪、頰板、支撐板、下側(cè)板、前后底座、底座中心軸、配重塊等組成，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。纜繩收放過程中，滑輪可在平面內(nèi)繞底部中心軸A2左右自由旋轉(zhuǎn)，同時也可以在垂直平面內(nèi)繞中心軸B1B2前后自由轉(zhuǎn)動，并通過萬向輪底部配重塊進(jìn)行配平調(diào)整，可保證滑輪轉(zhuǎn)到任意位置均可自由停止，從而可以實現(xiàn)纜繩在各種工況下順利換向。

在系留氣球升空、回收和滯空過程中，當(dāng)纜繩受力張緊時，帶動滑輪組件繞A2點處中心軸旋轉(zhuǎn)，通過與支撐板連接的傳感器壓塊擠壓壓力傳感器，實現(xiàn)纜繩拉力的測量。當(dāng)纜繩與豎直方向呈一定的偏轉(zhuǎn)角度時，頰板可隨纜繩繞滑輪中心軸同步旋轉(zhuǎn)，在頰板頂端纜繩出口處安裝慣性傳感器，實現(xiàn)纜繩傾角測量。

圖1 萬向滑輪結(jié)構(gòu)示意圖

滑輪前端的纜繩限位裝置由四個滾珠組件構(gòu)成，水平和垂直方向的兩個滾珠組件分別限制纜繩上下、左右方向擺動范圍，在滑輪正下方及纜繩出口處安裝防跳線裝置，從而保證纜繩平穩(wěn)可靠卡入滑輪輪槽順利實現(xiàn)換向。同時，在支撐板的一側(cè)留有開口槽，便于維修過程中實現(xiàn)纜繩與萬向滑輪分離。

3.2 萬向滑輪受力分析

系留氣球正常穩(wěn)定工作時，設(shè)纜繩所受拉力載荷為T1=T2，傳感器壓力為F，由力矩平衡原理(T*L1=F*L2)可確定壓力傳感器量程。萬向滑輪受力示意圖，如圖2所示。

3.3 材料選取及工藝確定

導(dǎo)向滑輪作為主要受力件采用中碳鑄鋼材料，具有一定的韌性和塑性，強(qiáng)度和硬度較高。滑輪支撐板采用Q345鋼板焊接而成，滑輪中心軸、底座中心軸、側(cè)板與支撐板的連接軸均采用40Cr，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高強(qiáng)度和韌性。下側(cè)板組件采用Q345鋼板焊接而成，焊接過程中配合專用定位工裝進(jìn)行，為了減小焊接變形的影響，焊接件上的孔均進(jìn)行焊后加工，同時進(jìn)行焊后振動時效處理，提高焊縫強(qiáng)度，降低內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸[4-5]。

圖2 萬向滑輪受力示意圖

4 萬向滑輪結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)萬向滑輪結(jié)構(gòu)形式和實際應(yīng)用工況，建立有限元分析模型，模型使用實體單元，在轉(zhuǎn)軸處使用連接單元釋放其繞軸的轉(zhuǎn)動約束。

4.1 材料確定

萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由前后底座、底座中心軸、下側(cè)板、支撐板和傳感器壓塊等組成，各部件型號及材料性能如表1所示。

表1 萬向滑輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料性能

4.2 模型載荷

纜繩拉力載荷作用在萬向輪上，水平和垂直載荷均為纜繩最大制動載荷，如表2所示。

表2 萬向滑輪載荷

4.3 結(jié)果分析

借助有限元分析軟件對萬向滑輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，由分析結(jié)果可以看出，萬向滑輪最大應(yīng)力位于支撐板中部邊緣區(qū)域,應(yīng)力云圖如圖3所示。萬向滑輪關(guān)鍵部件應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示，各部件安全系數(shù)大于1.5，均小于材料屈服強(qiáng)度。萬向滑輪最大變形量為7.075mm,位于支撐板頂端，變形圖如圖4所示。對萬向滑輪的傳力路徑進(jìn)行分析可知，通過增加支撐板和下側(cè)板的厚度可有效減小萬向滑輪變形，對于支撐板中部邊緣應(yīng)力集中區(qū)域，在左右支撐板外側(cè)邊緣處采用局部加厚的方式可減小局部應(yīng)力集中，優(yōu)化后的支撐板結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

圖3萬向滑輪應(yīng)力云圖

圖4 萬向滑輪變形云圖

圖5 優(yōu)化后的支撐板示意圖

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

優(yōu)化前的萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由底座、滑輪、中心軸、頰板、側(cè)板、配重塊等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前的萬向滑輪結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)化前的萬向滑輪通過底座端部的法蘭盤安裝固定，優(yōu)化后的萬向滑輪則由殼體底座通過螺栓固定在底板上，安裝固定較為安全可靠；優(yōu)化前的萬向滑輪由于結(jié)構(gòu)形式的局限性，不具備測力功能，無法測量纜繩拉力，優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)纜繩拉力測量，并可實現(xiàn)纜繩拉力的實時監(jiān)測，確保系留氣球收放過程安全可靠；由于系留纜繩穿過底座殼體再經(jīng)由滑輪換向，纜繩難以與萬向滑輪分離，維修不便，優(yōu)化后的萬向滑輪支撐板上設(shè)計有開口槽，便于纜繩與萬向滑輪分離，便于維修；優(yōu)化前的滑輪重心距離中心軸線距離較近，導(dǎo)致配重塊的重量較大，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)中滑輪重心距離中心軸線距離較遠(yuǎn)，從而減輕了配重塊的重量。此外，優(yōu)化后的萬向滑輪支撐板和下側(cè)板上設(shè)計有減重孔，進(jìn)一步減輕了整體部件的重量。

機(jī)動式系留氣球萬向滑輪結(jié)構(gòu)分別從安裝固定方式、測力功能、重量、可靠性及維修性等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)安全可靠，可實現(xiàn)纜繩拉力測量及纜繩與萬向滑輪分離，可靠性維修性較高。優(yōu)化前后萬向滑輪結(jié)構(gòu)對比分析如表4所示。

表4 萬向滑輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

6 結(jié)語

本文介紹了一種新型的萬向滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，既能實現(xiàn)纜繩換向又可實現(xiàn)纜繩拉力及傾角的測量，詳細(xì)闡述了萬向滑輪的結(jié)構(gòu)形式和工藝實現(xiàn)過程，并對結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

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