飛艇系留鎖緊裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 鵬，王平安

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 工程技術(shù)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

浮空器是一種輕于空氣，主要依靠空氣浮力來(lái)克服自身重力和有效載重的飛行器。飛艇作為浮空器的一種形式，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、載重量大、使用成本低、使用維護(hù)方便、起降場(chǎng)地要求低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)搭載不同的任務(wù)載荷，廣泛應(yīng)用于軍用、民用等領(lǐng)域[1]。

系留鎖緊裝置是飛艇的重要組成部分，一般安裝于地面系留設(shè)施系留塔上，通過(guò)系留鎖緊裝置可實(shí)現(xiàn)飛艇俯仰、橫滾和自由順槳要求[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)系留鎖緊裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究較少，文獻(xiàn)[3]中對(duì)系留鎖緊裝置的功能及安裝位置做了相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)[4]中整體分析了系留系統(tǒng)的正常使用程序，確定系留鎖緊裝置在程序中的使用順序。綜合來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)系留鎖緊裝置的研究主要側(cè)重在功能性上，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究較少，本文主要介紹了一種新型的系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，可實(shí)現(xiàn)飛艇系留、放飛的基本需求，同時(shí)具有可靠性高，便于安裝和拆卸等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，始終按照如下原則進(jìn)行，力爭(zhēng)使設(shè)計(jì)更完美。

1.1 合理性

系留鎖緊裝置作為地面系留設(shè)施的一部分，因滿(mǎn)足飛艇頭錐部件的系留要求，結(jié)構(gòu)件在關(guān)聯(lián)處能夠快速可達(dá)，連接可靠，載荷傳遞方式合理[5]。

1.2 輕量化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料，保證結(jié)構(gòu)可在滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)定的載荷狀態(tài)下具有足夠的剛度、強(qiáng)度、壽命，在上述前提下，使整個(gè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡可能輕。

1.3 工藝性

結(jié)構(gòu)工藝性的好壞直接關(guān)系到加工周期的長(zhǎng)短和成本的高低。應(yīng)少使新材料和新工藝、減少材料和緊固件的類(lèi)型并且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件。

1.4 維修性

要合理布置分離面和開(kāi)口，以保證壽命周期內(nèi)快速、可靠的進(jìn)行維護(hù)、檢修工作。

1.5 先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手段和分析軟件，對(duì)系留鎖緊裝置進(jìn)行力學(xué)分析和驗(yàn)證[6]。

2 設(shè)計(jì)要求

飛艇系留鎖緊裝置主要是完成系留纜繩導(dǎo)向并實(shí)現(xiàn)飛艇同地面系留塔間的固定。由于受重量、風(fēng)速、任務(wù)載荷等因素的制約，對(duì)系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出如下要求：

（1）在飛艇系留狀態(tài)下確保飛艇與地面系留塔間連接牢固，并使飛艇在在地面系留狀態(tài)360°自由順槳。

（2）飛艇入鎖后，系留鎖緊裝置應(yīng)同飛艇間留有一定合適距離，確保在露天環(huán)境下不會(huì)對(duì)飛艇囊體造成損傷。

（2）便于實(shí)現(xiàn)飛艇與地面系留塔的分離。

（3）系留鎖緊裝置應(yīng)設(shè)有防脫所鎖裝置，防止飛艇系留狀態(tài)下意外脫鎖。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)系留鎖緊裝置可實(shí)現(xiàn)飛艇俯仰、橫滾和自由順槳要求。系留鎖緊裝置通過(guò)連接軸與系留塔旋轉(zhuǎn)軸連接，通過(guò)系留塔旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)飛艇在地面系留狀態(tài)360°來(lái)回自由順槳[7]。為滿(mǎn)足功能使用需求，將系留鎖緊裝置劃分為鎖體、連接軸、擋軸、導(dǎo)向輪、鎖擋、鎖口和鎖銷(xiāo)，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。飛艇系留入鎖過(guò)程中，首先將兩處快卸銷(xiāo)拔出，向外側(cè)拉動(dòng)鎖銷(xiāo)，將鎖擋打開(kāi)。其次將系留拉索穿過(guò)鎖口，經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪后同地面系留設(shè)施固定，擋軸對(duì)系留拉索入鎖過(guò)程進(jìn)行限位，防止系留拉索在飛艇地面自由順槳過(guò)程中出現(xiàn)纏繩狀態(tài)出現(xiàn)，因此導(dǎo)向輪與擋軸間的間隙應(yīng)在一合適的范圍內(nèi)。同時(shí)，該間隙應(yīng)同鎖擋的固定孔保持在一條線上，然后閉合鎖擋，如圖2 所示。飛艇導(dǎo)向管前端設(shè)計(jì)有環(huán)形卡槽，通過(guò)鎖擋與飛艇頭部導(dǎo)向管的間隙配合，實(shí)現(xiàn)飛艇同系留鎖緊裝置間的固定，最后將兩處快卸銷(xiāo)復(fù)位；飛艇放飛出鎖過(guò)程與入鎖過(guò)程相反，首先將系留拉索松開(kāi)，將快卸銷(xiāo)拔出后，打開(kāi)鎖擋，拉動(dòng)飛艇頭部導(dǎo)向管，直至飛艇同系留鎖脫離，從而完成飛艇放飛操作[8]。

圖1 系留鎖緊裝置具體結(jié)構(gòu)

圖2 飛艇入鎖結(jié)構(gòu)

3.1 鎖體設(shè)計(jì)

鎖體作為整個(gè)系留鎖緊裝置的主承力單元，應(yīng)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)載荷指標(biāo)的基礎(chǔ)上，考慮當(dāng)飛艇系留后，地面系留設(shè)施與飛艇之間的安全距離，防止飛艇撞塔。綜合考慮采用偏心式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面增加安全距離，另一方面通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算仿真確保系留鎖緊裝置滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。鎖體與連接軸配合處，因受到鎖體偏心距的影響，因此需要對(duì)連接軸及其配合處進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度校核計(jì)算。結(jié)合系留鎖緊裝置的實(shí)際使用工況，該鎖緊裝置同時(shí)承受拉伸載荷、彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷工況，依據(jù)結(jié)構(gòu)的輕量化通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可得：

3.2 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎖口設(shè)計(jì)應(yīng)與飛艇頭錐系留管尺寸相配合，保證入鎖方便可靠，同時(shí)為提高系留鎖緊裝置整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將鎖口與鎖體焊接成形優(yōu)化為一體成形。鎖擋、鎖銷(xiāo)配合使用確保操作方便，鎖擋、鎖銷(xiāo)是防止飛艇脫鎖情況發(fā)生的主要鎖定部件，其中鎖銷(xiāo)通過(guò)其內(nèi)部配有的專(zhuān)用彈簧使其與鎖擋緊密配合。為防止脫鎖情形產(chǎn)生，增加兩處快卸銷(xiāo)，其中，為防止誤操作情況發(fā)生，在鎖銷(xiāo)前端開(kāi)一快卸銷(xiāo)安裝孔，通過(guò)穿過(guò)該孔的快卸銷(xiāo)避免意外脫鎖。為防止在露天環(huán)境下震動(dòng)造成鎖銷(xiāo)與鎖擋分離，在鎖體上額外設(shè)計(jì)有單耳形式安裝孔，通過(guò)其上的快卸銷(xiāo)，增加防脫鎖措施。連接軸、擋軸、導(dǎo)向輪分別與系留塔旋轉(zhuǎn)軸、頭錐拉索配合。

3.3 材料選取及工藝確定

根據(jù)使用要求，系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的防潮濕、防鹽霧和防霉菌性能。系留鎖緊裝置為露天工作狀態(tài)，工作環(huán)境比較惡劣，因此需要選用合適的材料和適合的表面涂覆方法，主要有下述設(shè)計(jì)手段：

（1）鎖體、鎖擋、鎖口、連接軸采用30CrMnSiA，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高強(qiáng)度和韌性，從整體強(qiáng)度考慮將鎖體、鎖口采用整體模鍛件形式進(jìn)行加工。擋軸、導(dǎo)向輪、鎖銷(xiāo)采用45#鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，上述零件完成調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行鍍鋅處理進(jìn)行表面防護(hù)。

（2）所有緊固件均采用經(jīng)過(guò)鈍化處理的不銹鋼材料制作，鈍化后的緊固件具有良好的“三防”性能。

3.4 輕量化舉措

在保證鋼強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用高強(qiáng)度鋼材強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)方法，主要承力部件材料由傳統(tǒng)的普通鋼材料更改為30CrMnSiA 材料，根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，對(duì)鎖體厚度進(jìn)行縮減，并在非關(guān)鍵部位開(kāi)有快卸銷(xiāo)防丟孔，對(duì)鎖體進(jìn)行進(jìn)一步的減重。經(jīng)測(cè)試及實(shí)物驗(yàn)證，系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)后質(zhì)量為30 kg，輕量化率為85%，有效減輕了該裝置的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4 有限元分析

有限元分析前處理軟件采用HypeMesh，有限元分析計(jì)算軟件采用Abaqus。依據(jù)系留鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際應(yīng)用工況，建立有限元分析模型，對(duì)系留鎖緊裝置在限制載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度響應(yīng)進(jìn)行有限元仿真校核分析。

4.1 結(jié)構(gòu)材料

系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)主要由鎖體、連接軸、擋軸、導(dǎo)向輪、鎖擋、鎖口和鎖銷(xiāo)組成，各部件型號(hào)及材料性能見(jiàn)表1。

表1 系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料性能

4.2 載荷工況

以飛艇在地面系留狀態(tài)，25 m/s 風(fēng)速計(jì)算載荷工況，作用在系留鎖緊裝置上的外載荷可分為軸向載荷Fx、側(cè)向載荷Fy和垂向載荷Fz，各載荷大小見(jiàn)表2。

表2 系留鎖緊裝置載荷

4.3 有限元分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，在地面系留狀態(tài)，系留鎖緊裝置的最大應(yīng)力位于裝置與頭錐系留管配合處，其應(yīng)力云圖如圖3 所示。系留鎖緊裝置應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表3。裝置最大安全系數(shù)1.96 大于1.5 倍的設(shè)計(jì)要求，小于材料屈服強(qiáng)度。系留鎖緊裝置最大變形量為1.29 mm，位于系留鎖緊裝置鎖體支架側(cè)，變形云圖如圖4所示。

表3 系留鎖緊裝置分析結(jié)果

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 變形云圖

5 靜力試驗(yàn)

為驗(yàn)證系留鎖緊裝置的剛強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，需模擬實(shí)際使用情況對(duì)系留鎖緊裝置進(jìn)行靜力試驗(yàn)[9]。靜力試驗(yàn)時(shí)，使用作動(dòng)筒進(jìn)行載荷加載，在試驗(yàn)件可能發(fā)生破壞區(qū)域貼應(yīng)力片，在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)是否發(fā)生破壞，如圖5 所示。

圖5 系留鎖緊裝置靜力試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)載荷逐級(jí)施加，以10%級(jí)數(shù)加載至限制載荷，保持30 s，逐級(jí)采集數(shù)據(jù)并拍照記錄，以10%級(jí)數(shù)卸載至0，逐級(jí)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變隨載荷基本呈線性變化的趨勢(shì)。其中，以裝置與頭錐系留管配合處應(yīng)變峰值最大，試驗(yàn)過(guò)程中系留鎖緊裝置無(wú)異常現(xiàn)象，卸載后，系留鎖緊裝置可以恢復(fù)至初始位置，且無(wú)損壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明系留鎖緊裝置滿(mǎn)足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的系留鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了系留鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)形式和工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試。分析結(jié)果表明，系留鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，整體牢固可靠，“三防”性能優(yōu)良，完全滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。