發射平臺擺桿油缸推力計算研究

趙勁彪，黎定仕，馮 超，潘玉竹

北京航天發射技術研究所，北京 100076

發射平臺擺桿作為發射平臺系統中的重要單機，其功能是用于技術廠房、發射陣地和火箭、衛星之間加注供氣管路、衛星電纜、空調管路等設備的連接，在火箭運輸過程中保持各設備與地面接口狀態不變，在火箭起飛前將各種管路擺開至安全區域，為火箭起飛讓出安全通道[1-2]。

發射平臺擺桿運動依靠擺桿油缸驅動，其運動過程中有風載、擺桿自重、管路及連接器自重、擺桿軸承摩擦力等多種荷載作用，并且有啟動加速慣性作用過程。因此，擺桿油缸推力計算精度決定了油缸設計的正確性。然而，在油缸設計過程中，對推力計算大多采用傳統理論計算方法；由于擺桿為變截面桁架結構，且其內部鋪設管路，風載較難估算且擺桿主軸為過約束結構，其受力理論分析較復雜。為進一步優化擺桿油缸設計，提高油缸推力計算精度，有必要開展擺桿油缸計算方法研究。

目前，已經有學者研究油缸推力的計算方法，徐艷飛[3]對短壁采煤機的調高油缸和滑動油缸進行了受力分析，利用油缸受載力矩∑M=0 和∑F=0 原理，計算了油缸的設計荷載；王虎[4]利用油泵工作壓力P，計算了油缸推力F；許平勇[5]闡述了一種新型電液舉升機構的工作原理，通過簡化機構建立了液壓系統中油缸推力設計計算的數學模型；何雪浤等[6-8]針對折疊臂液壓缸推力問題，分別運用虛位移原理中的幾何法、坐標法以及傳統靜力學方法對其進行了分析，推導出了折疊臂液壓缸推力理論表達式。

但尚未有文獻較為全面地考慮各類受載情況，如外部環境風荷載、集中荷載、均布荷載、慣性作用等；而且尚未有學者通過建立有限元仿真模型進行油缸推力仿真計算。文章基于Abaqus 仿真模型，結合理論運動學公式，對擺桿機械系統進行仿真，通過將管路風載折算到桁架風載，并對主軸施加合理邊界條件約束，能有效考慮管路及桁架風載，解決主軸過約束問題。

1 擺桿工作原理及油缸推力計算模型

1.1 擺桿工作原理

擺桿系統主要由機械系統、液壓系統、電控系統組成，擺桿系統如圖1 所示。機械系統由擺桿桁架、擺桿軸系、拉索組成。其中，擺桿軸系包括主軸和軸承。

圖1 擺桿系統圖

擺桿運動過程原理：擺桿電控系統發出擺桿運動指令，擺桿液壓系統接到指令后，油泵啟動升壓，啟動擺桿液壓油缸，驅動液壓活塞桿運動，從而帶動擺桿齒條直線運動，通過齒條與主軸齒輪嚙合，主軸繞自身軸線轉動，實現擺桿桁架擺開運動。

1.2 油缸推力計算模型

擺桿油缸驅動齒條齒輪，擺桿繞主軸擺動，運動過程中阻力為風載、軸承摩擦力，考慮啟制動擺桿、鋪設管路及安裝連接器等慣性作用，根據力矩∑M-∑Jε=0 的平衡原理，擺桿運動動力學計算公式如下：

2 工程算例計算

2.1 工程概況

（1）基本參數。對某發射平臺擺桿系統油缸進行推力計算，擺桿有上、下兩套桁架，主軸上有3 組軸承；擺桿擺開運動角加速度ε 為0.05rad/s2，齒條半徑r 為0.4m，擺桿系統其他參數如表1 所示。

表1 擺桿系統參數

式中：q 為作用在地面設備上的風荷載，Pa；K 為考慮瞬間極大風速下偶發性風壓增值的系數，取值1.1 ～1.3；CT為風荷載體型系數；CG為風壓高度變化系數；CZH為高度Z 處的風振系數；q0為基本風壓，Pa。

將相關參數代入式（3），經計算得q=600Pa。

2.2 有限元仿真計算

（1）計算模型介紹。采用Abaqus 有限元軟件建模，擺桿桁架和主軸采用梁結構，在三維軟件中采用線條建模，導入Abaqus 軟件中，賦予梁單元屬性；拉索采用非性線彈簧單元（沿軸向僅承拉）建模，如圖2 所示。

圖2 擺桿有限元模型

（2）計算邊界描述。①上拉索隨擺桿轉動，拉索約束為鉸接；②簡化齒輪、齒條嚙合處為軸上一點，齒輪、齒條主要承扭矩，該點設置Y 向扭轉約束，如圖3 所示；③簡化主軸上、中軸承為軸上一點，軸承類型為調心軸承，起水平位移約束作用，設置X、Z 向約束；簡化主軸下軸承組為軸上一點，軸承組類型為調心軸承+止推軸承，起三向位移約束作用，設置X、Y、Z 向約束，如圖3 所示；擺桿施加邊界條件如表2 所示。

（3）計算荷載描述。①管路風載通過折算，在擺桿桁架上施加，管路與桁架關系如圖4 所示。桁架折算風載計算公式如下：

圖3 邊界施加情況

表2 邊界條件

圖4 管路與擺桿桁架關系圖

式中：q風載為作用在地面設備上的風荷載；S1為桁架某段迎風面積；S2為桁架自身迎風面積；②擺桿桁架上施加管路均布荷載，連接器等集中荷載；③擺桿施加角加速度；④模型省略管路及連接器，通過設置密度值模擬擺桿系統與管路、連接器質量。

（4）計算結果提取。經過擺桿有限元計算分析，提取齒輪、齒條約束點支反力矩，即M風載=64350N·m，如圖5 所示。提取上、中、下支反力，計算M摩擦力，即

根據軸承摩擦系數參考手冊[10]，將參數代入式（5），各軸承摩擦阻力扭矩匯總見表3。

2.3 油缸推力計算

圖5 支反力矩圖

表3 上、中、下軸承摩擦阻力扭矩

將上述計算結果帶入式（1）、（2），就可以得到M油缸= 82971N·m；F推力=M油缸/r ≈207428N，即某發射平臺擺桿油缸推力至少為207428N 才能滿足使用要求，該數可作為擺桿油缸設計要求輸入。

3 結束語

文章對發射平臺擺桿油缸推力計算進行研究，基于Abaqus 有限元仿真模型，提出一種油缸推力計算方法，經分析得出以下結論：

（1）風荷載為擺桿運動的主要阻力因素，在滿足剛強度的前提下，盡量減小擺桿桁架迎風面積，主動減小迎風荷載，或縮短擺桿桁架長度和風荷載扭矩力臂。

（2）擺桿運動啟動加速度較小，慣性作用可作為次要因素考慮，在滿足剛強度的前提下，可對擺桿桁架進行輕質量設計優化，減小轉動慣量。

（3）由于軸承內徑小，軸承摩擦阻力矩較小，計算油缸推力時亦可作為次要因素考慮。

（4）油缸推力設計可與擺桿系統結構剛強度設計進行有限元模型聯合迭代優化計算，既能滿足擺桿系統剛強度要求，又能準確獲得油缸推力值，便于油缸設計。