蔡 榮，祁 蒙，李利亞

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

車載光電偵察系統(tǒng)升降平臺設(shè)計

蔡 榮，祁 蒙，李利亞

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

結(jié)合車載光電偵察系統(tǒng)的發(fā)展需求，針對國內(nèi)現(xiàn)有某型車載偵察系統(tǒng)存在的升降高度低、低溫環(huán)境工作能力差等問題，對系統(tǒng)升降平臺單元進(jìn)行了多方面的分析。從升降平臺的機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式入手，介紹了升降平臺改進(jìn)設(shè)計的思路和方法，并舉例說明，對升降平臺改良設(shè)計的方案和方法進(jìn)行了驗證。

車載；光電偵察系統(tǒng)；升降平臺

1 引 言

光電偵察系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可或缺的組成部分，而光電系統(tǒng)車載化更是提高了它的機動性與靈活性，使其能夠快速偵察、定位、識別多種威脅，更好地隱蔽自己，提高生存能力，彌補大型系統(tǒng)的不足。隨著車載偵察系統(tǒng)引入越來越多電子設(shè)備的發(fā)展需求，對載車的設(shè)計也提出了更高的要求。

升降平臺作為車載系統(tǒng)的一個重要組成單元，主要用于承載光電偵察系統(tǒng)，為其提供一個升降高度可以調(diào)節(jié)的穩(wěn)定支撐。光電偵察系統(tǒng)需在高穩(wěn)定精度下工作，因此升降平臺在設(shè)計過程中需要考慮的因素較多，如升降平臺的受力情況、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式、線纜連接等。增加升降平臺的升降高度，提高其環(huán)境適應(yīng)性，是縮小車載偵察系統(tǒng)與國外同類產(chǎn)品差距的關(guān)鍵因素。

2 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

車載升降平臺結(jié)構(gòu)組成的關(guān)鍵要素包括結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動形式的選擇與設(shè)計，不同的組合具有各自的特點，能滿足不同的工作要求。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

目前常用的車載升降平臺結(jié)構(gòu)主要有折疊式和伸縮式兩種，不同的結(jié)構(gòu)特點適用于不同的使用要求和使用條件。伸縮式升降平臺采用電動、氣動和液壓三種驅(qū)動方式，其升降速度較折疊式快，但舉升承載能力相對較小，適于承載體積質(zhì)量相對較小的光電儀器、通信天線等設(shè)備；折疊式升降平臺以剪刀叉式結(jié)構(gòu)為主，多采用液壓驅(qū)動，具備較高的升降高度、承載能力和抗風(fēng)性能。提升升降平臺的升降高度，其結(jié)構(gòu)高度和體積上增加量也相對較小。

因此，結(jié)合本文中載車光電偵察系統(tǒng)負(fù)載重量較大、升降高度較高、車內(nèi)安裝空間較小的特點，在原有車載系統(tǒng)升降平臺的結(jié)構(gòu)形式上選用折疊式升降結(jié)構(gòu)。

2.2 驅(qū)動形式

車載升降平臺大多數(shù)采用液壓驅(qū)動的方式完成平臺的升降功能，工作過程中可能存在以下缺陷：

（1）液壓驅(qū)動舉升力大，承載能力強，但升降速度較慢，在滿足戰(zhàn)場準(zhǔn)備和撤收時間要求方面有所欠缺；

（2）液壓油具有可壓縮性，液壓系統(tǒng)中的密封件也會產(chǎn)生泄露，這些因素都會導(dǎo)致升降平臺位置不穩(wěn)定，從而影響光電設(shè)備的穩(wěn)定性，使圖像產(chǎn)生抖動；

（3）液壓油黏度系數(shù)隨著溫度變化的特性會導(dǎo)致液壓油在低溫環(huán)境下出現(xiàn)流動性差甚至固化的現(xiàn)象，嚴(yán)重時導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法工作，增加車載系統(tǒng)低溫環(huán)境工作的風(fēng)險；

（4）液壓系統(tǒng)較難維護，維護周期短，維護工作量大。

氣壓驅(qū)動雖然在維護上優(yōu)于液壓，但是氣體壓縮性強，受壓力和溫度影響，體積變化更大，很難滿足設(shè)備的穩(wěn)定性要求，因此更不宜使用。

電機驅(qū)動則能較好地克服液壓驅(qū)動所存在的缺點，且環(huán)境適應(yīng)性強，適合本方案選用。

2.3 電動剪式升降平臺工作原理

根據(jù)車載偵察光電系統(tǒng)升降平臺存在問題及增加升降高度的需求，以國內(nèi)現(xiàn)有某車載偵察系統(tǒng)為例，圍繞升降平臺的機械結(jié)構(gòu)形式與驅(qū)動方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，新方案采用電動剪式升降機構(gòu)，如圖1所示（以三個剪叉組件為例）。

圖1 組成原理圖

電動剪式升降機構(gòu)由剪叉組件、驅(qū)動電機、負(fù)載安裝板及底座等組成。剪叉組件為對稱結(jié)構(gòu)，由多個撐臂通過軸承鉸接而成，其固定端與軸承座鉸接，移動端通過傳動導(dǎo)桿實現(xiàn)水平平移；驅(qū)動電機通過傳動絲杠提供水平方向推力，從而實現(xiàn)平臺的上升和下降。剪叉組件的數(shù)量及撐臂的長度決定了升降平臺的升降高度。

3 設(shè)計計算與實例分析

3.1 車載升降平臺設(shè)計與計算

3.1.1 升降平臺結(jié)構(gòu)尺寸計算

對圖1所示的電動剪式升降機構(gòu)建立坐標(biāo)系并進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 運動結(jié)構(gòu)簡圖

其中，L為撐臂長度；?為撐臂與水平面夾角；h為單剪叉升程高度；D為絲杠移動位移。

為提高升降臺的工作行程H（即轉(zhuǎn)臺安裝面高度方向的最大位移），同時降低電機的驅(qū)動負(fù)載，升降臺采用多段剪叉機構(gòu)組合而成，每段剪叉機構(gòu)由一個電機驅(qū)動，各段之間由固定平板連接，以提高升降臺的穩(wěn)定度和可靠性。剪叉組合數(shù)為n，每組內(nèi)剪叉數(shù)量為m，則升降臺的總行程高度為：

為保證升降平臺的穩(wěn)定性和電機的驅(qū)動可靠性，根據(jù)經(jīng)驗值：

由圖2可知：

每組電機的行程為：

3.2 升降平臺驅(qū)動電機參數(shù)計算

根據(jù)圖2建立坐標(biāo)系，每組剪叉的電機負(fù)載用力Fi替代，每組剪叉的提升角度相同為α，平臺上的負(fù)載標(biāo)記為符號G，每組剪叉機構(gòu)的自重為Gi（i＝1～n），且假設(shè)重心為該組剪叉結(jié)構(gòu)的中心位置。

根據(jù)虛位移原理：為了簡化計算，在此假設(shè)每組剪叉的自重相同均為G1，每個電機的負(fù)載Fi相同，均為F，將上述分量帶入虛位移原理式中，得到：

從上式可以看出，隨著?的變大，即隨著平臺的不斷升高，電機的負(fù)載是不斷變小的。因此，在?最小時，F(xiàn)具有最大負(fù)載，而在?最大時，F(xiàn)具有最小負(fù)載，因此電機的堵轉(zhuǎn)扭矩為：

其中，F(xiàn)為軸向負(fù)載；d為傳動螺桿螺紋中徑；Φ為螺紋升角，Φ＝arctan（P／πd）；P為螺紋導(dǎo)程；ρ為當(dāng)量摩擦角，ρ＝arctan（μ／cosα）；μ為螺紋副摩擦系數(shù)，取值0.1；α為螺紋牙形角的一半，取值15°。

電機的轉(zhuǎn)速W直接影響升降平臺的升降速度，要保證升降平臺在時間S（秒）內(nèi)上升到規(guī)定高度，此時絲杠的行程為D，則電機的最小轉(zhuǎn)速（rpm）計算如下：

其中，P為絲杠螺紋導(dǎo)程。

3.2 實例分析

假設(shè)車載偵察系統(tǒng)對升降臺的要求以及邊界尺寸如下：

升降臺的行程H≈5 m，要求完全展開為10 s；升降臺的臂長尺寸L＝0.9 m；負(fù)載G＝200 kg

若剪叉自重G1＝50 kg，電機傳動絲杠螺紋中徑d＝50 mm，螺距為p＝5 mm，導(dǎo)程P＝15 mm，那么照上述要求，升降臺的尺寸設(shè)計參數(shù)中可以采用m＝3，n＝3。則：

為進(jìn)一步驗證設(shè)計的可行性，本文主要針對剪叉組件的關(guān)鍵部件即傳動絲杠進(jìn)行自鎖以及強度校核計算；同時選配合適的力矩電機以滿足式（3）中的設(shè)計要求。其中絲杠材料選用40 CrMn。

3.2.1 自鎖校核

當(dāng)絲杠的螺紋升角Φ小于或等于傳動的當(dāng)量摩擦角ρ時，螺紋傳動副可以實現(xiàn)自鎖。其中：

由上述計算結(jié)果可見Φ≤ρ，螺紋傳動能夠自鎖。

3.2.2 螺桿強度校核

其中，F(xiàn)為軸向載荷，取值2244 N；d1為外螺紋小徑，取值44.587 mm；N為傳動扭矩，取值7700 mN·m。

螺桿材料的許用應(yīng)力［σ］＝167～278MPa

因為σ＜［σ］，因此螺桿的強度滿足設(shè)計要求。

3.2.3 電機選型

本文設(shè)計選取的電機除了需要滿足扭矩、轉(zhuǎn)速等本身的性能參數(shù)外，還需適應(yīng)低溫和高溫的工作環(huán)境。針對式（3）中所計算的電機相關(guān)參數(shù)，本文選用表1所示的永磁式直流力矩電機，其性能參數(shù)均能滿足設(shè)計需求。

表1 永磁式直流力矩電機性能參數(shù)

通過選用上述國內(nèi)某型號電機，同時設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)尺寸，就能實現(xiàn)升降平臺較快速升高5米的設(shè)計目標(biāo)。因此，該電動剪式升降平臺的設(shè)計方案是可行的。

4 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭在地域上的大為擴展，越來越多的偵察監(jiān)視車需要投入到各種不同的使用環(huán)境之中，不斷增大升降平臺的上升高度是車載偵察系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。本文通過對目前車載偵察系統(tǒng)升降平臺幾種常用升降方式的分析，針對車載偵察系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，在增加升降平臺單元升降高度方面做了一些嘗試，論述了設(shè)計思路與實現(xiàn)方案。這種升降平臺適合在包括低溫的各種環(huán)境下使用，將逐步在車載化技術(shù)中得到應(yīng)用并發(fā)揮重要的作用，但是就升降高度而言，還需展開進(jìn)一步研究，使車載偵查系統(tǒng)能夠升得更高，“看”得更遠(yuǎn)。

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Design of the lifting platform of vehicular electro-optical reconnaissance system

CAIRong，QIMeng，LILi-ya
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

In order to increase the lifting range and low-temperature-environment adaptability of vehicular reconnaissance system，the lifting platform is analyzed in detail.From the mechanical structure and drive mode of the lifting platform，the improved designmethod of lifting platform is presented，and one example is illustrated.The improved design method is verified by practical engineering project.

vehicular；photoelectric reconnaissance system； lifting platform

TN97

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.03.11

1001-5078（2014）03-0273-04

蔡 榮（1977－），女，工程師，主要從事光電探測系統(tǒng)和伺服平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：qrwen＠sina.com

2013-05-14；

2013-07-17