陳世杰，王慶虎，徐煥煥，宋 健

(安徽恒諾機電科技有限公司， 安徽 六安 237000)

引 言

中國第一架商用飛機C919地面指揮艙的舉升系統(tǒng)要求負載不小于6 t，壓縮高度不大于650 mm，舉升高度不小于2 850 mm， 8級風工況下，上下平臺的晃動量小于±10 mm，10級風工況下設(shè)備不破壞。

目前，國內(nèi)常見的大壓縮比和大行程舉升系統(tǒng)有剪刀撐式、多級絲杠式、多級液壓缸式以及柔性柱式。剪刀撐舉升系統(tǒng)其受力和導(dǎo)向為一體式，其承載一般不高，且晃動量較大；多級絲杠式和多級液壓缸式舉升系統(tǒng)體積小，一般應(yīng)用在具有翻轉(zhuǎn)功能產(chǎn)品上，但其傳動效率和可靠性較低，且不適合該項目技術(shù)特點；柔性柱[1]式可將水平運動轉(zhuǎn)化為直線運動，但其不能承受側(cè)向力，無法保證晃動量。

基于以上舉升系統(tǒng)的特點，本文提出以柔性柱為基礎(chǔ)承載垂直方向力，利用剪刀撐機構(gòu)為導(dǎo)向的一種新的設(shè)計方法，并通過有限元分析和試驗測試來驗證該設(shè)計方法是否滿足C919地面指揮艙舉升系統(tǒng)所提出的指標要求。

1 升降系統(tǒng)傳動原理及特點

1.1 系統(tǒng)概述及工作原理

系統(tǒng)由上平臺、下平臺、半掛車、調(diào)平撐腿、柔性柱及其他柔性輔助裝置(包括折疊拉桿、剪刀撐、斜拉桿)等組成，如圖1所示。半掛車是整個升降設(shè)備的載體，其側(cè)面裝有4組機電調(diào)平撐腿；升降系統(tǒng)下平臺與半掛車螺栓連接，4組柔性柱、2組一級剪刀撐、4組折疊拉桿、4組斜拉桿安裝在上下平臺之間；指揮艙與上平臺螺栓連接。

圖1 機電升降塔整體布局示意圖

考慮到方艙底部尺寸為5 000 mm × 2 500 mm(長×寬)，質(zhì)量為4.5 t，而選擇柔性柱的截面尺寸為136 mm ×99 mm(承載2.3 t)，所以采用4組對稱布置的柔性柱裝置組成升降的執(zhí)行機構(gòu)，其壓縮高度為420 mm，且由一臺電機輸出，通過兩種剛性聯(lián)軸器和兩級減速機帶動其動作，能夠保證整個系統(tǒng)的同步性，如圖2所示。

圖2 傳動系統(tǒng)方案

工作時，必須先將整個升降系統(tǒng)進行調(diào)平(升降系統(tǒng)所有的動作全都建立在自動調(diào)平的基礎(chǔ)上)，然后解除快速鎖定機構(gòu)(手動反螺紋結(jié)構(gòu)，用于運輸時鎖緊上下平臺)。通過人工按鍵向控制系統(tǒng)發(fā)送舉升指令，指令通過可編程邏輯控制器(PLC)集中處理后再傳到電機端，解鎖雙制動器并帶動電機的轉(zhuǎn)動[2-5]；電機直接帶動一級減速機，一級減速機為同軸雙向輸出，通過2個十字萬向聯(lián)軸器帶動2個二級減速機，二級減速由雙向輸出軸通過剛性聯(lián)軸器再帶動4組柔性柱上升；柔性柱頂著上平臺再帶動折疊拉桿、剪刀撐進行上升動作。當舉升到位時(接近開關(guān)判斷)，系統(tǒng)停止動作，電機抱閘制動，剪刀撐鎖定，折疊拉桿預(yù)緊。此時，再將4組斜拉桿取出，相互斜交叉掛在上下平臺對應(yīng)支耳處并鎖緊。

撤收時，必須先將斜拉桿拆下放入下平臺對應(yīng)的存放位置。當存放斜拉桿位置上接近開關(guān)點亮時，按下撤收按鍵系統(tǒng)才會有反應(yīng)，否則系統(tǒng)不動作。當撤收到位時(接近開關(guān)點亮)系統(tǒng)停止動作，電機抱閘制動，最后鎖上快速鎖定機構(gòu)。

1.2 柔性柱傳動裝置

柔性柱是由一節(jié)一節(jié)的方柱鉸接而成，具有剛性體特性。如圖3所示，傳動箱內(nèi)部的鏈條為水平放置，在驅(qū)動齒輪處將鏈條柱節(jié)的水平運動轉(zhuǎn)化為垂直運動，以實現(xiàn)平臺的垂直升降。它的優(yōu)點是能將水平運動直接轉(zhuǎn)化為垂直運動、重復(fù)定位精度高、壓縮空間小、無污染等。

圖3 柔性柱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

柔性柱是將水平運動轉(zhuǎn)化為豎直運動，由圖3可以看出單個柱節(jié)圍繞柱銷轉(zhuǎn)動的自由度不是完全約束的，整個上平臺的受力簡化示意[6]如圖4所示。結(jié)合圖1和圖3，在長度方向上柔性柱整體有向中間彎曲的趨勢，對每個柱節(jié)而言，也都有向中間轉(zhuǎn)動的趨勢。這對于該升降系統(tǒng)而言，是不穩(wěn)定的，尤其是處于工作狀態(tài)時，側(cè)向風載的隨時變化都會對該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖4 上平臺受力示意圖

因此，在長度方向上需要增加一種限制柔性柱節(jié)轉(zhuǎn)動的抗拉裝置，考慮其要隨平臺同步升降，采用折疊拉桿的方式解決這一問題如圖5所示。在寬度方向上，由于柔性柱裝置、折疊拉桿和上下平臺組成的是不穩(wěn)定的平行四邊形結(jié)構(gòu)，所以增加斜拉桿構(gòu)成三角結(jié)構(gòu)以提高抗風穩(wěn)定性，各穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)功能見表1。

表1 各穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)功能表

圖5 穩(wěn)定性功能結(jié)構(gòu)圖

2 穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 折疊拉桿

折疊拉桿如圖6所示，限于壓縮高度和自動折展功能要求，折疊拉桿旋轉(zhuǎn)中心為偏心設(shè)計，以保證拉桿順利的撤收，拉桿旋轉(zhuǎn)中心旁邊留有一半5 mm深缺口的限位軸，用于在上升到位時的限位，同時起到抗拉作用。

圖6 折疊拉桿結(jié)構(gòu)動作示意圖

如圖6所示工作時，平臺上升帶動折疊拉桿從收攏極限狀態(tài)沿展開方向動作，固定旋轉(zhuǎn)軸為上下拉桿的旋轉(zhuǎn)中心，兩個拉桿限位半圓軸繞著固定旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，上、下平臺支耳始終在一條直線上運動，當平臺上升到位時，限位半圓軸旋轉(zhuǎn)到位，互相嚙合；撤收時，由于上下兩桿的固定旋轉(zhuǎn)軸(即旋轉(zhuǎn)中心)與上、下平臺支耳中心構(gòu)成的三點不共線，因此在柔性柱拉力和拉桿自重的作用下，上平臺支耳的Fb和下平臺支耳的Fc交匯到固定旋轉(zhuǎn)軸處會產(chǎn)生有一個橫向的力Fa，在Fa的作用下，折疊拉桿便會自動沿著撤收方向自動折疊。

2.2 剪刀撐

剪刀撐按照級數(shù)可以分為一級、兩級、多級；按照驅(qū)動形式可以分為液壓式、機械式、機電式；按照驅(qū)動單元放置的形式又可分為水平式、垂直式、斜放式[7-8]。

該升降系統(tǒng)由于壓縮高度只有650 mm，平臺總長卻達到5 000 mm，因此只能選擇一級剪刀撐結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。該剪刀撐主要作用有兩方面：一方面作為整個系統(tǒng)的升降導(dǎo)向；另一方面當系統(tǒng)舉升到位后，對剪刀撐的滑塊機構(gòu)進行鎖定，可以提高長度方向的抗風穩(wěn)定性。

圖7 一級剪刀撐結(jié)構(gòu)伸縮形式示意圖

考慮到剪刀撐旋轉(zhuǎn)軸處有防鹽霧、防霉菌、防濕熱的要求，旋轉(zhuǎn)軸除了表面三防處理外，還要在旋轉(zhuǎn)摩擦部分進行結(jié)構(gòu)密封，如圖8所示。工作時，通過油杯向軸內(nèi)部注入潤滑油，由于端面密封件的存在，油被鎖在內(nèi)部形成油膜，延長旋轉(zhuǎn)軸使用時間。

圖8 剪刀撐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)密封示意圖

2.3 斜拉桿

斜拉桿結(jié)構(gòu)如圖9所示，分為下斜拉桿和上斜拉桿兩部分，兩個部分均有掛鉤。下斜拉桿在圓管外面套有外螺紋襯套，外螺紋襯套和圓管之間配有尼龍襯套，可以順著圓管滑動，它與把手螺母相配且通過裝在下斜拉桿端部的螺柱進行限位。上斜拉桿的尾部也有一段螺紋圓柱，用于和把手螺母相配。使用時，只需要將把手螺母旋上上斜拉桿的螺紋并拉緊即可。

圖9 斜拉桿結(jié)構(gòu)密封示意圖

斜拉桿在系統(tǒng)長度方向上共前后兩組布置，每一組互相交叉排布，如圖10所示，在每一組的兩個上斜拉桿交叉處都安裝有抱箍(抱箍可以沿著每個桿子調(diào)整位置)，抱箍和抱箍中間通過螺紋銷軸進行連接，形成三角形結(jié)構(gòu)。

圖10 斜拉桿固定結(jié)構(gòu)密封示意圖

3 系統(tǒng)有限元分析

3.1 有限元模型定義

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，建模時進行一定的簡化，去除對結(jié)構(gòu)力學性能影響較小的倒角、小螺紋等細節(jié)特征[9]。有限元模型如圖11所示，總質(zhì)量為8.745 t，其中上平臺負載為6 t，2個電機共460 kg，4組柔性柱裝置共920 kg，其他采用質(zhì)量單元進行等效。模型共268 698個單元，264 006個節(jié)點。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料為Q345D低合金結(jié)構(gòu)鋼。

圖11 升降塔有限元模型

有限元模型所用的坐標系定義如下：坐標原點為下框架安裝面的幾何中心，向上方向為+Y方向，下框架寬度方向為Z向，下框架長度方向為X向，三方向滿足右手準則。需要指出的是，由于當陣風沿Z方向加載時，只有一側(cè)一個斜拉桿起作用，因此僅保留模型中的一側(cè)斜拉桿進行分析計算。

邊界條件為固定底座安裝孔位置全約束。

力學環(huán)境條件分別為：8級風，正常工作；10級風，結(jié)構(gòu)不被破壞。

3.2 載荷計算及分析

作用于結(jié)構(gòu)上的風載荷F采用以下公式計算：

F=CFqA=1/2CFρ(ηκυm)2A

(1)

式中：CF為風阻系數(shù)，按實心平板取1.2；ρ與空氣密度相關(guān)，取0.125 kg·s2/m4；η為風高系數(shù)，取10 m高度的風速修正系數(shù)，η=1；κ為陣風因子，按《軍用地面雷達通用規(guī)范》要求，陣風風速與平穩(wěn)風速的比值為1.5，因此取κ=1.5；υm為平穩(wěn)風速，即指標要求中的風速值；A為天線的特征面積，迎風面A=12.5 m2。

根據(jù)公式(1)計算得到：8級風速時，單個天線風載荷為903.85 kg；10級風速時，單個天線風載荷為1 701.34 kg。

3.3 分析結(jié)果及匯總

系統(tǒng)一共在6個工況下進行有限元分析，工況1：8級風Z向加載；工況2：自重8級風X向加載；工況3：自重8級風45°加載，分析結(jié)果見表2。

表2 各種工況分析表

從表2中可以看出8級風速下系統(tǒng)最大變形為5.798 mm，小于系統(tǒng)技術(shù)指標10 mm；10級風速下系統(tǒng)最大應(yīng)力為201.1 MPa，小于系統(tǒng)材料Q345D的屈服強度345 MPa。所以，從分析結(jié)果來看，方案合理可行。

4 加載試驗

為了進一步驗證整個升降系統(tǒng)是否確實滿足抗風穩(wěn)定性要求，經(jīng)與客戶協(xié)商使用以下方法進行加載試驗如圖12所示。

圖12 試驗方案原理示意圖

將整個系統(tǒng)放置在一水平平臺上，下平臺與該水平平臺螺栓緊固。立一根固定直桿在水平平臺上并靠著上、下平臺，并在上平臺上利用直桿標記豎線。根據(jù)計算的8級風載，在上平臺的Z方向和X方向(各取3等分點)分別加載相應(yīng)的負載，此時上平臺會向加載的方向偏移，再利用直桿對上平臺標記。通過測量兩次標記刻度的距離來讀出相應(yīng)的位移量，即約定為8級風載下Z方向和X方向的晃動量，見表3。

表3 8級風模擬情況下系統(tǒng)晃動量(近似值)

從表2可知，模擬8級風情況下，系統(tǒng)在Z方向的位移最大，約為7.5 mm。與實際差別主要是由裝置時各零部件的間隙及制造誤差造成，但依然滿足系統(tǒng)指標要求。

5 結(jié)束語

該產(chǎn)品是將機電調(diào)平和舉升系統(tǒng)集成為一體的智能控制系統(tǒng)，采用柔性柱的舉升機構(gòu)，輔以折疊拉桿和斜拉桿的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)整體從柔型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為剛性結(jié)構(gòu)并解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。該產(chǎn)品在8級風的工況下上下平臺相對晃動量小于±10 mm，滿足研制的技術(shù)指標。整機性能穩(wěn)定，運行可靠，總體技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

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