某浮空器收放牽引絞盤的設計與研究

程士軍，周光明，雷良超

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 合肥 230088；2.南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室， 南京 210016)

某浮空器收放牽引絞盤的設計與研究

程士軍1，周光明2，雷良超2

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 合肥 230088；2.南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室， 南京 210016)

本文通過對浮空器近地拉索收放狀態下載荷的仿真分析得出了牽引絞盤的負載特性及功能要求，設計了交流變頻控制的浮空器牽引絞盤。電機采用恒轉矩工作模式并配合機械排線同步，實現近地收放功能。此外，推導了驅動功率計算公式，采用鏈輪、鏈條、絲桿的排線傳動方案。通過一體化設計，很大程度上精簡結構、提高了浮空器在拉索收放狀態下的安全性、可靠性。

浮空器；拉索；牽引絞盤

目前，系留氣球是國內外應用廣泛的浮空器系統之一。它依靠氣囊內的輕質氣體獲得浮力，并依靠系留纜繩拴系，可以在空中特定范圍內實現定高度、長時間駐留的浮空器。

作為一種全新的空中平臺，浮空器可以在時間和空間上填補飛機和衛星的不足，并可搭載各類電子裝備，在軍事和民用方面都具有廣泛的應用前景。由于其滯空時間長、覆蓋面積大、能耗低、便于拆收、機動性強，可用于氣象探測、通訊中繼、地形測繪、低空預警、邊海防的空中監測以及反恐監測等，因而受到普遍的關注[1]。

系留氣球由氣球球體、系留纜繩、機械拉索、設備方艙組成。系留氣球的運動狀態主要包括空中纜繩收放、近地拉索收放及空中(地面)系泊等[2]。

系留氣球近地收放和地面系泊，可通過三套牽引絞盤直接對氣球球體自帶的三根機械拉索拖拽牽引，克服浮力、氣動升力載荷實現。牽引絞盤與設備方艙一起隨風轉動，其中一套位于設備方艙的前部,牽引頭部機械纜索,另外兩套分別位于設備方艙后部兩側，分別牽引球體左、右機械拉索。如圖1所示。

圖1 系留氣球近地收放示意

1 拉索收放過程分析

近地拉索收放是氣球空中纜繩收放與地面系泊之間的過渡狀態。氣球球體頭部機械拉索、左右兩側機械拉索和設備方艙相互牽引，在氣球浮力、氣動力與設備方艙慣性力、摩擦力等載荷的綜合作用下，運動狀態復雜。

根據系留氣球運動特征，對氣球拉索收放過程進行分析。氣球總體積約為600 m3，高度為囊體形心相對系留塔頂點的高度。系留氣球在地面拉索收放過程中所受的力和力矩分別為：

F=Fg+Fb+Ft+Fa+F′(1)

M=Mg+Mb+Mt+Ma+M′

(2)

式中，Fg、Fb、Ft、Fa、F′、Mg、Mb、Mt、Ma、M′ 分別為氣球的重力、浮力、拉索載荷、氣動力、附加慣性力及其所對應產生的力矩。

使用Matlab/simulink中的Aerospace模塊模擬氣球(Aerostat)。將地面設備水平橫梁、系留塔和設備艙等簡化成一個轉動梁(Rotor)，通過機械拉索約束氣球，在水平面內作單自由度轉動。使用SimMechanics模塊模擬轉動梁和三根機械拉索(Tethers)。模型總框圖如圖2，輸入氣球初始穩定值(如表1所示)開始計算，絞盤在第2 s以0.2 m/s速度同時勻速收卷三根機械拉索；在5 s施加3 m/s側向風速，改變輸入條件進一步計算[3]。

計算結果如圖3～圖5，分析發現：頭部機械拉索和左右機械拉索的初始載荷分別為1.9 kN、1.5 kN、1.5 kN。當三根機械拉索的收放速度從0 m/s增加到0.2 m/s時，氣球高度先快速下降，然后出現短暫上升，最后轉為穩定下降。由于機械拉索的反作用，系留設備跟隨氣球轉動，在3 m/s側風作用下，氣球俯仰角、橫滾角、航向角及三根機械拉索張力值產生較大的波動。左右機械拉索張力在0.5～3 kN波動，變化幅度為2.5 kN，最大值達到了初始載荷的2倍；頭部機械拉索波動幅度略小，在1.2～2.5 kN波動，變化幅度為1.3 kN，最大值達到初始載荷的1.3倍。側向風速擾動導致機械拉索最小載荷明顯降低，甚至接近為零。

圖2 系留氣球系統模型總框圖

表1 初始穩定狀態

圖3 氣球姿態-時間變化

圖4 拉索張力-時間變化

圖5 氣球高度-時間變化

2 牽引絞盤設計

2.1 設計思路

系留氣球近地面收放操作過程中，與常規的牽引設備不同：既需要調整收放速度，又要克服風速、風向實時變化引起的拉索載荷大小、方向變化，更要求設備具有高的可靠性。牽引絞盤主要設計思路如下：

1) 收放過程中，載荷實時、大幅度變化，最大值達初始載荷的2倍以上，最小值可能為零。要求牽引絞盤具有恒轉矩負載特性且速度不因載荷變化而發生變化；

2) 氣球姿態變化與系留設施方艙隨風轉動帶來拉索角度頻繁變化。牽引絞盤應能克服排線載荷，具有帶載主動排線功能；

3) 為提高系留氣球收放操作過程的安全性和靈活性，要求牽引絞盤收放速度具有線性調節功能；

4) 要考慮牽引絞盤除實現近地面收放外，還應具有可靠的地面系泊牽引功能。

2.2 傳動方案設計

針對系留氣球拉索收放狀態的載荷特點，設計了使用帶制動裝置的交流變頻電機作為動力源的牽引絞盤。傳動原理圖如圖6。電機與減速器通過法蘭連接，減速器輸出轉矩驅動卷筒收放機械拉索。卷筒一端直接安裝在減速器輸出軸上，依靠減速器殼體作為結構支撐；另一端單獨通過軸承座支撐。排線器通過鏈條、鏈輪、雙向絲桿機構從卷筒上直接獲得排線動力，無需單獨的排線動力源。排線速度和方向與卷筒通過傳動比的匹配實現機械同步。

圖6 傳動原理圖

2.3 驅動能力設計

為了實現浮空器變載荷下的近地面收放速度可調，選擇交流三相異步電機作為動力源，并采用變頻調速的控制方式。其特點為[4]：

1) 電機機械特性的硬度保持好，調速范圍寬；

2) 頻率連續可調，可實現無極調速。

電機額定功率應不小于機械拉索最大載荷作用下所需的收卷功率和排線功率總和(這里忽略了拉索離心力和彎曲剛度的影響)

P≥P1+P2

(3)

式中，P1為收卷功率；P2為排線功率。

收卷功率P1計算公式為

P1=M·n/955 000η0=F·Rn·n/955 000η0

(4)

式中，M為負載轉矩；n為負載轉速；η0為卷筒傳動效率；F為拉索最大載荷；Rn為最大收卷半徑。

最大收卷半徑Rn，可根據圖7計算得出

(5)

(6)

(7)

式中：D為卷筒直徑；r為拉索半徑；s為卷筒有效寬度；s/2r為卷筒每層纏繞的拉索圈數。

圖7 卷筒纏繞示意圖

排線功率P2的計算公式為

(8)

式中；Mq為驅動轉矩；n′為絲桿轉速；η1為螺紋效率；η2η3為軸承支撐效率。

Mq=Mt1+Mt2=

1/2d2Fsinα·tan(λ+ρ′)+μfd3/2

(9)

式中:Mt1為螺紋摩擦力矩；Mt2為軸承摩擦力矩；d2為絲桿螺紋中徑；λ為螺紋升角；ρ′為當量摩擦角；μ為軸承摩擦因數；f為軸承載荷；d3為軸承內徑；。

由式(3)～式(9)得出牽引絞盤所需的最小驅動功率，通常會加上不小于10%的功率冗余，從而確定牽引絞盤電機的驅動功率[5]。

驅動電機選定后，根據電機額定轉速和卷筒最高轉速及絲桿的節距等參數確定減速器及排線的傳動比。

2.4 排線系統設計

常規的排線系統通常采用編碼器或測速電機測量收卷速度，再通過可編程控制器驅動排線專用伺服電機實現同步。這種方式雖然控制精度較高，但因引入較多的測量環節和控制環節，導致系統控制復雜，可靠性降低[6]。為了提高排線系統的同步性及可靠性，采用了鏈條、鏈輪、絲桿傳動機構。通過匹配傳動比，實現了排線速度、方向與卷筒的機械自動同步。

2.5 制動系統可靠性設計

為了提高牽引絞盤地面系泊牽引的可靠性，使用多重制動及制動保護裝置。主制動裝置采用摩擦制動器制動電機，輔助制動采用棘輪制動系統制動卷筒。

3 創新點及使用效果

根據仿真及計算結果，采用收放系泊一體化設計、多重安全保護制動、可靠的機械排線、恒轉矩線性調速等技術，設計出的牽引絞盤性能穩定可靠、結構緊湊。

將設計的絞盤用于車載系留氣球系統的收放和地面系泊，并開展飛行測試。系留氣球近地面回收時頭部絞盤牽引速度實驗結果如圖8所示?？梢钥闯觯诶鬏d荷變化過程中，牽引絞盤啟動5 s后速度基本穩定在0.2 m/s，運行平穩可靠。

圖8 氣球回收牽引速度實驗結果

4 結論

本文根據系留氣球拉索收放狀態進行載荷仿真分析，基于仿真結果設計了恒轉矩驅動、機械排線同步的牽引絞盤。所設計牽引絞盤具有以下特點：

1) 結構簡單、可靠性高，能具有可靠的系留氣球拉索近地收放功能。

2) 用于某車載系留氣球系統產品，牽引速度穩定、運行平穩。

3) 通用性強，還可作為通用設備廣泛應用于各種飛艇、空飄氣球等浮空器的近地面收放、牽引。

[1] 郭緒猛,蘇潤.新型系留氣球纜繩收放系統設計[J].機械與電子，2009(8):71-73.

[2] 何強.系留氣球系留系統的設計[J].電子世界,2015(19):34-35.

[3] 趙攀峰，王永林，薛松海.系留氣球系統拉索收放狀態建模與仿真[J].航空工程進展,2011,2(3):255-259.

[4] 劉錦波,張承慧.電機與拖動[M].北京:清華大學出版社，2005:270-273.

[5] 成大先.機械設計手冊[M].5版.北京:化學工業出版社，2008,3(12):4-8.

[6] 鄢華林.收放系統恒張力研究[J].機床與液壓，2012,40(17):44-49.

(責任編輯周江川)

DesignandResearchofHaulWinchforLaunchingandRecoveringofAerostatSystem

CHENG Shijun1, ZHOU guangming2, LEI liangchao2

(1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088, China; 2.Nanjing University of Aeronautics amp; Astronautics， Nanjing 210016， China)

A designing scheme of haul winch is introduced, which can be used for launching and recovering for the aerostat system. By analyzing load characteristic and functional requirements from simulations of aerostat system near ground, a haul winch was designed. Motors can work in constant-torque mode under AC variable frequency, and coordinate winding displacement synchronization. Furthermore, technical scheme of this winch was detailed, in which computational formula for driving power was derived and winding displacement transmission mode using sprocket wheel, chain and lead screw was also illustrated. By integrated design and structure simplification of such winch, safety and reliability for aerostat system are improved.

aerostat system; cable; haul winch

2017-07-14；

2017-08-10

程士軍(1979—)，男，碩士，高級工程師，主要從事浮空器結構及總體設計研究。

裝備理論與裝備技術

10.11809/scbgxb2017.11.004

本文引用格式：程士軍，周光明，雷良超.某浮空器收放牽引絞盤的設計與研究[J].兵器裝備工程學報，2017(11):17-20.

formatCHENG Shijun, ZHOU guangming, LEI liangchao.Design and Research of Haul Winch for Launching and Recovering of Aerostat System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):17-20.

V273

A

2096-2304(2017)11-0017-04