一種系留氣球用萬向滑輪*

賴貞華，杜鵬程

（1. 中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；2. 中國人民解放軍 93253部隊，遼寧 大連 116000）

引 言

系留氣球是一種依靠空氣浮力（靜升力）來克服其自身重力并通過纜繩系固約束的航空器[1]。與其他飛行器相比，它具有滯空時間長、覆蓋范圍廣、偵查功能強、生存能力強、機動性好、成本低的特點[2-3]，其市場應用越來越廣泛。

系留氣球主要包括空中設備和地面系留裝置。空中設備主要包括球體結構、系留纜繩、測控系統、電源系統等；系留裝置由系留塔、防護艙、控制艙、承重框、旋轉平臺等組成[4]。萬向滑輪屬于系留氣球系統的一個結構部件，通常安裝于錨泊設備旋轉平臺尾部，主要用于將連接系留氣球的豎直系留纜繩導向后水平傳輸至纜繩收放設備，實現絞盤對系留纜繩的卷繞收放，并在系留氣球系留和收放過程中承受系留纜繩的張力。目前對萬向滑輪的深入研究較少，通常只是為了簡單地實現導向功能[5]，部分增加了系留纜繩的測量功能[6]，對性能、制造和使用維護方面考慮較少。本文基于萬向滑輪的功能需求，系統分析了設計要求，并從結構工藝、使用維護和在線測量方面進行了綜合優化設計。

1 萬向滑輪設計要求

1.1 系留氣球使用模式

系留氣球通常有地面錨泊、維修系固、升空、回收和空中系留5種工作模式。在升空、回收和空中系留3種工作模式下，萬向滑輪均處于受力工作狀態。同時，由于受風載影響，球體將帶動系留纜繩沿周邊的各個方向做水平偏移運動，因此要求萬向滑輪能夠向各個方向自由轉動[7]。系留狀態下的系留氣球見圖1。

圖1 系留氣球系留狀態

1.2 萬向滑輪設計要求

根據萬向滑輪的主要功能需求，考慮實際使用要求及安全性要求，萬向滑輪的設計通常應滿足以下要求：1）萬向滑輪應能承受產品規定工況條件下的載荷，并具備測量纜繩張力的能力；2）萬向滑輪應適應系留纜繩前后偏轉和橫向擺動，并能測量系留纜繩相對鉛垂方向的偏擺角度；3）經萬向滑輪導向后的系留纜繩應保持水平方向的穩定，以利于纜繩收放設備對系留纜繩的卷繞收放；4）萬向滑輪應設置保護裝置，防止纜繩松弛以及在抖動過程中脫槽損傷，應對系留纜繩在風載激勵下的振動沖擊；5）應對萬向滑輪進行配平，使其能在任意偏擺位置自由平衡，減小系留纜繩的橫向受力及彎折損傷；6）萬向滑輪應滿足系留纜繩的彎曲半徑要求，其導向滑輪直徑一般不應小于系留纜繩直徑的40倍；7）萬向滑輪應便于實現系留纜繩與滑輪的分離。

2 萬向滑輪設計方案

2.1 萬向滑輪的組成及功能

萬向滑輪通常由偏轉軸承、安裝支架、導向滑輪、限位機構、滑輪軸等組成，并安裝在旋轉平臺的尾部，如圖2所示。圖中T為系留纜繩下端的張力，α為系留纜繩在導向滑輪中性平面內隨限位機構的前后偏擺角度，β為萬向滑輪在系留纜繩帶動下繞偏轉軸線的偏擺角度，F為系留纜繩作用在導向滑輪上的合力。

圖2 系留纜繩萬向滑輪結構

偏轉軸承用于萬向滑輪與旋轉平臺的連接并適應系留纜繩的橫向偏擺；安裝支架用于固定導向滑輪同時傳遞系留纜繩載荷；導向滑輪用于系留纜繩導向，并適應系留纜繩的連續收放卷繞和前后偏轉；限位機構用于防止系留纜繩脫出導向滑輪槽，并用于間接測量系留纜繩在導向滑輪中性平面內的前后偏轉角度；配重可使萬向滑輪沿偏轉軸線靜平衡，降低系留纜繩的橫向偏擺阻力。

2.2 基于制造工藝的安裝支架優化設計

萬向滑輪安裝支架的側板一般會設計成一個整體，同時作為導向滑輪的安裝支撐和轉動過程中的側面防護。

為了使經導向滑輪導向后的系留纜繩與偏轉軸承中心重合，安裝導向滑輪時，需要使之相對偏轉軸承的軸線存在一定的偏置，這使得安裝支架尺寸很大。為了節約成本，安裝支架通常采取2塊鋼板與偏轉軸承安裝座進行焊接，同時為了滿足承載能力，在側板上布置較多的加強筋，如圖3所示。但采取此種焊接方式，在軸承安裝座附近區域集中存在較多的焊縫，將產生應力集中，焊接變形較大，難以控制2個側板之間的平行間距，從而在實際使用過程中經常出現導向滑輪與側板干涉，且在承受系留纜繩沖擊振動載荷過程中，容易產生進一步的變形和焊接疲勞失效問題。

圖3 萬向滑輪常規安裝支架

為解決焊接變形、焊接疲勞失效問題，基于受力特性，將安裝支架側板的支撐固定功能和側面防護功能分割開來獨立考慮，即將側板分割成兩部分，承力支承部分經整體加工后與軸承安裝座焊接，側面防護部分采取非金屬材料制品與支承部分螺栓連接或鉚接，如圖4所示。此方法的優點在于可解決焊接變形問題，控制加工精度，且非金屬材料的應用可減輕安裝支架的重量。

圖4 安裝支架與側防護板分離

2.3 基于拆裝維護的安裝支架優化設計

系留纜繩一般長達幾百米到幾千米，為了可靠地承受球體載荷，通常是整體成型，且與較大尺寸的纜繩接頭采取不便拆卸的連接結構[8]，而纜繩接頭截斷后重新制作的固化周期通常需要1～2周。結合圖2—圖4，由萬向滑輪的結構特征可知，在不破壞系留纜繩和纜繩接頭的情況下，系留纜繩無法與萬向滑輪分離，這不利于萬向滑輪的維修更換或系留纜繩的拆裝。針對該問題，可增大萬向滑輪的安裝支架，將系留纜繩移出偏轉軸承，如圖5所示。

圖5 系留纜繩可分離萬向滑輪結構

顯然，采用圖5所示的結構形式可以實現與系留纜繩的在線分離，但將額外產生以下不足：1）安裝支架的力臂明顯增加，萬向滑輪受力增大；2）需要拆除導向滑輪及滑輪軸，而滑輪軸與軸承通常為過盈配合，在線拆卸困難；3）系留纜繩經滑輪導向后未經過萬向滑輪偏轉中心，因此在使用過程中，將在水平面內隨萬向滑輪的左右偏擺進行橫向的小幅度擺動，這將不利于系留纜繩的安全防護，且易造成后端絞盤收/放系留纜繩的不穩定波動。

針對該方案的不足，從兩個方面進行改進：一方面，基于萬向滑輪各部件的受力特點，將萬向滑輪的安裝支架更改為剖分式的結構形式；另一方面，改變萬向滑輪常規正向安裝的安裝方式，使系留纜繩不經過偏轉軸承，但保持導向后的系留纜繩軸線依然經過偏轉中心，實現系留纜繩在線分離的同時保證系留纜繩導向后的穩定性。考察萬向滑輪受系留纜繩的合力方向，在垂直于合力方向采用燕尾鍵槽形式連接，可從側方滑動裝入，然后利用少量螺栓固定，如圖6和圖7所示。當需要分離系留纜繩與萬向滑輪時，僅需從圖7所示的分離面拆除即可。

圖6 剖分式萬向滑輪主體結構

圖7 剖分式萬向滑輪工作狀態

2.4 基于在線測量需求的結構設計

在系留氣球使用過程中，為監測系留纜繩狀態及空中球體姿態，通常在球體結構安裝慣性導航儀和在系留纜繩頂端設置拉力傳感器外，從系統安全角度考慮，同時在萬向滑輪處測量系留纜繩的張力和系留纜繩與鉛垂線的夾角狀態，測量結果可以作為監測備份，從而在通信失效的情況下有效評估空中系留氣球的狀態。

在萬向滑輪偏轉軸承中心安裝角位移傳感器，可準確測量系留纜繩的橫向偏擺角度β；在滑輪軸的端部安裝角位移傳感器，通過限位機構可間接測量系留纜繩在導向滑輪中性面內的前后偏轉角度α（初始與水平方向垂直狀態為0°），從而可準確計算出系留纜繩下端在空間內的系留方向。同時，導向滑輪的滑輪軸采用成熟的軸用力傳感器，用于測量系留纜繩對導向滑輪的作用力，從而間接計算系留纜繩的張力，如圖8所示。

圖8 角位移傳感器安裝

根據定滑輪特性，結合系留纜繩前后偏轉的角度α，依據靜力平衡得：

式中，G為導向滑輪的質量。

考慮系留纜繩的張力與導向滑輪的質量通常存在數量級差別，忽略導向滑輪的質量，則由上式可得系留纜繩下端的張力T=F(2-2 sinα)-1/2。

因傳感器本身的誤差、安裝誤差及限位機構的累計誤差，系留纜繩的張力存在一定誤差。依據某系留氣球產品的實際使用結果，該誤差通常為恒定誤差或線性誤差，可在集成后對測量結果進行標定和修正。

另外，由空間幾何關系可快速獲取系留纜繩與鉛垂線方向的空間夾角γ=arccos(cosαcosβ)。

3 結束語

本文從萬向滑輪的功能需求和安全使用要求出發，提出了萬向滑輪的通用設計要求，并基于萬向滑輪的不足，從制造工藝、拆裝維護和在線測量3個方面進行了優化改進設計，降低了制造加工難度，可精確測量系留纜繩下端的張力和系留纜繩與鉛垂線的夾角，提升了產品的在線監測能力，實現了系留纜繩與萬向滑輪的在線便捷分離，利于系留纜繩和萬向滑輪的維護和更換，可廣泛應用于各種系留氣球的萬向滑輪設計。