車載活動(dòng)艙及組合升降平臺設(shè)計(jì)

鄧連輝 羅端華 趙柏程

摘要：為滿足X型軍用雷達(dá)天線裝車要求，需要設(shè)計(jì)車載活動(dòng)艙及組合升降平臺。通過GJB150規(guī)范對其傳動(dòng)鏈?zhǔn)芰退俣鹊葏?shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并研究車載工況下活動(dòng)艙及升降平臺受力工況。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，擬定出活動(dòng)艙的布局和組合升降平臺的原理圖，進(jìn)行元器件計(jì)算分析，確定出符合設(shè)計(jì)要求的車載活動(dòng)艙及組合升降平臺。

關(guān)鍵詞：活動(dòng)艙 ?組合升降平臺 ?設(shè)計(jì)

1前言

活動(dòng)艙與組合升降平臺固定在專用車輛上，實(shí)現(xiàn)X型地面固定導(dǎo)航站向集成式機(jī)動(dòng)導(dǎo)航站的全面升級。為實(shí)現(xiàn)在執(zhí)行任務(wù)期間完成雷達(dá)天線的迅速可靠的展開工作和安全防護(hù)功能，設(shè)計(jì)活動(dòng)方艙與組合升降平臺，其是導(dǎo)航站的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接決定導(dǎo)航站的可靠性。通過自主開發(fā)四桿聯(lián)動(dòng)升降技術(shù)、軟件控制技術(shù)、輕量化方艙技術(shù)，解決高度集成、快速機(jī)動(dòng)、靈活部署需求，解決大載荷升降平臺承載、方艙剛強(qiáng)度方面的問題[1-2]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

活動(dòng)艙內(nèi)主要安裝雷達(dá)天線和升降平臺，通過升降平臺和活動(dòng)艙頂蓋組合的方式來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的展開狀態(tài)和收藏狀態(tài)的切換。主要的技術(shù)性能要求如下。

a）應(yīng)符合GJB150的規(guī)定，滿足垂直2.2g橫向1.62g縱向2.05g振動(dòng)要求。

b）承載5.5t，升降行程1950mm的工作時(shí)間不大于2min。

c） 活動(dòng)艙頂蓋可向兩側(cè)開啟，開啟后距離艙頂不小于290mm，到位時(shí)間不大于0.5min。

d）活動(dòng)艙頂蓋的開啟和關(guān)閉、升降平臺的升降可由上位機(jī)車控終端進(jìn)行控制，通信方式為CAN總線通信。

3主要性能計(jì)算分析

3.1運(yùn)動(dòng)分析

本系統(tǒng)采用兩個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)艙頂蓋翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用四桿聯(lián)動(dòng)升降機(jī)支持平臺升降運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，頂蓋活動(dòng)取行程L1=300mm，時(shí)間取t1=28s，則開啟或關(guān)閉速度為v1=L1/t1=300/30=10.7mm/s≈0.011m/s。升降取行程L2=1960mm，時(shí)間取t2=118s，則上升或下降速度為v2=L2/t2=1960/118=16.6mm/s=0.016m/s。作速度循環(huán)圖如圖1。

3.2負(fù)載分析

當(dāng)活動(dòng)艙頂蓋翻轉(zhuǎn)到位打開，升降平臺升起到位即處于展開狀態(tài)，當(dāng)升降平臺降落到位，活動(dòng)艙頂蓋翻轉(zhuǎn)到位關(guān)閉即處于收藏狀態(tài)。活動(dòng)艙頂蓋與升降平臺運(yùn)動(dòng)順序控制與互鎖均通過電氣控制系統(tǒng)控制。開始活動(dòng)艙頂蓋運(yùn)動(dòng)時(shí)的外負(fù)載為頂蓋重力、連桿機(jī)構(gòu)摩擦力和頂蓋慣性力，恒速時(shí)的外負(fù)載為頂蓋重力和連桿機(jī)構(gòu)摩擦力，減速時(shí)的外負(fù)載為頂蓋重力、連桿機(jī)構(gòu)摩擦力和頂蓋慣性力。然后升降平臺開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的外負(fù)載為平臺的重力、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力和慣性力，恒速時(shí)的外負(fù)載為平臺重力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力，減速時(shí)的外負(fù)載為平臺重力、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力和平臺慣性力。關(guān)閉下降階段與開啟上升階段相似。除外負(fù)載外，作用在各傳動(dòng)件的摩擦阻力Fm，其大小與傳動(dòng)方式有關(guān)，通常計(jì)入傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率中（設(shè)翻蓋機(jī)構(gòu)的效率cm1=0.9，設(shè)升降平臺效率cm2=0.4）。由于負(fù)載工作速度很小，可忽略慣性力[3-4]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，頂蓋負(fù)載為180kg，考慮風(fēng)雪天氣等影響取頂蓋負(fù)載m1為280kg;平臺負(fù)載為5500kg，考慮雷達(dá)天線重心偏移和風(fēng)雪天氣等影響，取平臺負(fù)載m2為7000kg。為了便于加工和滿足升降平臺同步要求，這里四個(gè)升降機(jī)型號和尺寸一樣。

4活動(dòng)艙及組合升降平臺方案設(shè)計(jì)

4.1布局設(shè)計(jì)

活動(dòng)艙內(nèi)安裝有升降平臺，為保證遮護(hù)要求，在活動(dòng)艙上方安裝有一個(gè)活動(dòng)頂蓋，運(yùn)輸或儲存狀態(tài)下處于閉合狀態(tài)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)則處于打開狀態(tài)。

升降平臺分為天線托盤、升降裝置和驅(qū)動(dòng)換向裝置三部分，天線托盤上裝雷達(dá)天線，升降裝置由四個(gè)絲桿升降機(jī)組成，為提高傳動(dòng)效率，將升降機(jī)的滑動(dòng)螺母絲桿改為滾珠螺母絲杠。傳動(dòng)系統(tǒng)下部安裝在活動(dòng)艙底壁上，上部安裝與活動(dòng)頂蓋支架可靠連接，由驅(qū)動(dòng)換向裝置驅(qū)動(dòng)升降裝置，使天線托盤上下直線運(yùn)動(dòng)。

4.2同步性分析

采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，確保4根滾珠絲杠的同步性能。

托盤升起前后的角度偏差為a=2′。因?yàn)樗母鹕z桿之間距離為2400×1900mm，最大距離偏差的邊為2400，最大允許偏差距離δ=2400*tana=1.4mm。

1）升降機(jī)誤差

影響托盤平行度的主要因素為絲桿升降平臺的往返定位精度，升降機(jī)的往返定位誤差主要由蝸輪蝸桿的間隙所產(chǎn)生，在輸入軸正反轉(zhuǎn)的時(shí)候，會有一段空行程產(chǎn)生，導(dǎo)致絲桿的反向移動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生誤差，此誤差對平行度的影響又取決于每臺升降機(jī)之間的誤差絕對值，因?yàn)槿绻呐_升降機(jī)誤差一致的話，它們因?yàn)槠脚_和載荷重量作用之下，蝸輪蝸桿始終單面接觸，誤差是同步的，即不會產(chǎn)生理論上的誤差絕對值的情況。而，如果它們之間的誤差不一致時(shí)，由于每臺升降機(jī)出廠時(shí)的誤差在0.1-0.5mm，即最大和最小誤差時(shí)，其絕對值為0.6mm。

2）絲桿螺距誤差

滾珠絲桿的螺距加工誤差為±0.05mm。絲桿升降機(jī)移動(dòng)定位精度主要取決于絲桿的螺距誤差，也就是說，使用滾珠絲桿走完單向行程誤差是±0.05mm。

3）安裝精度

安裝調(diào)試對基準(zhǔn)面平行度的誤差主要體現(xiàn)在：各種連接軸和聯(lián)軸器以及升降換向機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)一致性。而影響一致性的主要因素是傳動(dòng)的不同步，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通過鍵和聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器對偏差值的影響值太小，此處計(jì)入經(jīng)驗(yàn)值±0.1mm。鍵與鍵槽的連接在現(xiàn)場通過人員安裝，影響頗大，調(diào)試不好的鍵與鍵槽其啟動(dòng)和停止時(shí)有沖擊力矩，噪音大，誤差也大。我方，人員調(diào)試后啟停沖擊造成的誤差一般在0.1-0.3mm之間。

綜上，托盤運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生的誤差：

δ1=0.6+0.05+0.3=0.95mm<預(yù)期1.4mm。可達(dá)到預(yù)期的平行度要求。

5活動(dòng)艙及組合升降平臺驗(yàn)證

計(jì)算車載運(yùn)輸時(shí)，按GJB150的規(guī)定，驗(yàn)證垂直2.2g橫向1.62g縱向2.05g振動(dòng)的受力情況。

5.1材料基本參數(shù)

托盤材料為Q345B，絲桿材料為1Cr15Co14，蝸桿材料為45鋼，渦輪材料為ZCuAl9Fe4，艙體材料為Q235B，材料參數(shù)如下表所示：

利用Creo建立天線座三維實(shí)體模型，保存文件格式為x.t，再導(dǎo)入到Ansys Workbench重新生成三維實(shí)體模型。可以對模型進(jìn)行前處理，以便于后續(xù)有限元網(wǎng)格劃分，提高計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。在不影響其結(jié)構(gòu)物理性能的前提下，去掉模型中無關(guān)的圓角及其他特征。

5.2有限元模型

在進(jìn)行分析之前必須先定義模型材料屬性，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于本模型結(jié)構(gòu)相對簡單，故采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分即可滿足要求。有限元模型如下圖所示。

5.3計(jì)算結(jié)果

經(jīng)Ansys Workbench計(jì)算，天線座的變形云圖及等效應(yīng)力云圖如下圖所示：

從應(yīng)力云圖中可以看出，其最大等效應(yīng)力分別約為54Mpa，在骨架下部位置，骨架的屈服強(qiáng)度為235MPa，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，在工況三下托盤強(qiáng)度安全系數(shù)約為4。從變形云圖中可以看出，其最大位移為0.68mm，在骨架上部位置，滿足結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求

6結(jié)論

本文通過載活動(dòng)艙及組合升降平臺的深入研究，經(jīng)設(shè)計(jì)分析及計(jì)算，采用Ansys Workbench進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度均符合設(shè)計(jì)要求，保證了升降平臺的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]盛先莉. 軍用方艙艙體屏蔽設(shè)計(jì)要求及措施[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（16）：117-118.

[2]馮文明. 典型軍用車載方艙設(shè)計(jì)研究[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2018（24）.

[3]刁世倫，王鵬飛. 基于車載雷達(dá)天窗與升降機(jī)構(gòu)機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015，000（008）：P.170-170.

[4]賈彥輝，石偉朝，李建軍，等. FAST艙停靠平臺升降立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2020，v.49;No.336（03）：139-140+195.