孟曉東，鄭靜晨，李明，黃山林，徐冬，楊林波，趙喆，李曉雪，郝昱文

1.武警總醫(yī)院，北京 100039；2.南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473006；3.南陽二機(jī)車輛制造有限公司，河南 南陽 473006

引言

擴(kuò)展方艙以其環(huán)境適應(yīng)性好、快速反應(yīng)強(qiáng)、機(jī)動性能好、擴(kuò)展后艙室空間大等優(yōu)點(diǎn)，在野外應(yīng)急生活保障、餐飲保障，尤其是醫(yī)療保障發(fā)揮重大作用?，F(xiàn)有擴(kuò)展方艙的擴(kuò)展形式主要有3種：抽拉式擴(kuò)展方艙每一級擴(kuò)展艙的長寬高尺寸均比前一級小，方艙內(nèi)部空間也逐級減小，而且方艙底面不可避免會產(chǎn)生臺階，導(dǎo)致地板不平整；多板聯(lián)動翻板式擴(kuò)展方艙在擴(kuò)展和撤收時動力作用于大板的幾個點(diǎn)上，大板受力較為集中，又因為大板面積大，剛度不足，所以產(chǎn)生較大的彈性變形，而且這種機(jī)構(gòu)對各個構(gòu)件的制造及裝配精度有很高的要求，生產(chǎn)難度大，成本高[1-3]；拆卸組合式擴(kuò)展方艙拆裝步驟繁瑣，操作困難，所需時間長，不能滿足快速擴(kuò)展和撤收的要求，而且連接件在反復(fù)拆裝后容易損壞，維護(hù)保養(yǎng)的時間和成本較高[4-8]。

上下板對折式多級擴(kuò)展方艙是一種新型結(jié)構(gòu)，尚處于試制階段。這種機(jī)構(gòu)擴(kuò)展撤收快速平穩(wěn)，操作簡潔，大板受力狀態(tài)好，彈性變形小，能適應(yīng)反復(fù)展收，修理維護(hù)方便，使用壽命長，綜合性價比高。擴(kuò)展機(jī)構(gòu)是保證方艙能正常發(fā)揮作用的核心機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有機(jī)構(gòu)均不適用于此種方艙[9-12]，本文針對上下板對折式多級擴(kuò)展方艙提出一種自動擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

1 新型擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的設(shè)計

1.1 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)組成

本文提出的自動擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，可以使多級擴(kuò)展方艙艙室快速平穩(wěn)地展開或收回。該機(jī)構(gòu)由控制系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)及連桿機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)動過程中既避開了自身的死點(diǎn)，又利用了方艙上下板本身的重力使機(jī)構(gòu)能夠鎖定。連桿機(jī)構(gòu)由兩種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成：一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動輸入零件為滑塊，運(yùn)動輸出零件為曲柄，曲柄即為方艙的上下板；另一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由方艙上下板、艙體組成，運(yùn)動輸入零件為上一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動輸出零件，相當(dāng)于曲柄，運(yùn)動輸出零件為艙體，相當(dāng)于滑塊。動力傳動系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠副運(yùn)動，滾珠絲杠副為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供動力，滑塊的運(yùn)動可以達(dá)到很高的精度，便于多套機(jī)構(gòu)聯(lián)合使用時的同步控制。控制系統(tǒng)采用高速脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)，可以使各個步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動步調(diào)協(xié)調(diào)一致，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式操作。

本文提出的自動擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，見圖1，右側(cè)可增加相同機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)多級艙室的擴(kuò)展。機(jī)構(gòu)由兩部分組成：步進(jìn)電機(jī)、雙膜片聯(lián)軸器、自潤滑軸承及軸承座一、滾珠絲杠副、自潤滑軸承及軸承座二組成動力傳動系統(tǒng)；連桿機(jī)構(gòu)部分由兩種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，法蘭耳板、連桿、方艙上板、方艙下板組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一，法蘭耳板相當(dāng)于機(jī)構(gòu)中的滑塊，與滾珠螺母通過螺栓連接，方艙上下板相當(dāng)于機(jī)構(gòu)中的曲柄，分別與連桿鉸接；兩塊可對折的方艙上板8與艙體組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)二，艙體相當(dāng)于滑塊。電機(jī)安裝在上部便于機(jī)構(gòu)斷電時手動應(yīng)急擴(kuò)展或收折。

圖1 上下板對折式多級擴(kuò)展方艙擴(kuò)展機(jī)構(gòu)

1.2 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

平面四桿機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)相對簡單且又能完成很多任務(wù)，所以得到了廣泛的應(yīng)用并得到深入的研究[13-16]。依據(jù)方艙整體尺寸確定連桿機(jī)構(gòu)中各桿件和滑塊的位置關(guān)系，從而設(shè)計出的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，見圖2。

圖2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

該連桿機(jī)構(gòu)可以拆解為兩種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來研究。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)二的運(yùn)動簡圖，見圖3。

在艙室由展開到收折過程中，該機(jī)構(gòu)兩個曲柄（方艙上下板）的轉(zhuǎn)角均為90°，滑塊（艙體）的位移為：

其中：l1為方艙上下板的長度，α為方艙上下板和框架間鉸鏈軸中心連線與上下板的夾角。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一的運(yùn)動簡圖，見圖4。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)二運(yùn)動簡圖

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一運(yùn)動簡圖

連桿的長度為：

連桿是該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件，需要根據(jù)下文中的載荷分析對其進(jìn)行強(qiáng)度校核計算以及壓桿穩(wěn)定性計算。

在艙室由展開到收折過程中，該機(jī)構(gòu)曲柄（方艙上下板）的轉(zhuǎn)角為90°，滑塊的位移，也即滾珠螺母的行程為：

1.3 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計及功率匹配計算

動力傳動系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動滾珠絲杠副組成。滾珠絲杠副同時帶動方艙上下板運(yùn)動，所以每根絲杠兩端螺紋旋向相反，配套兩個旋向相反的滾珠螺母。z級擴(kuò)展艙艙室每端都需要z+1套傳動系統(tǒng)。

從最內(nèi)側(cè)算起，第1套傳動系統(tǒng)滾珠絲杠所受軸向載荷最大值為：

其中：G1為單級方艙的重量；G2為方艙上下板的重量；μ為方艙艙底與滑道間的摩擦因數(shù)。

所受徑向載荷最大值為：

其余傳動系統(tǒng)滾珠絲杠所受軸向載荷最大值為：

所受徑向載荷最大值為：

連桿承受的載荷最大值為：

根據(jù)絲杠承受載荷情況，設(shè)計時以螺紋的耐磨性計算和絲杠的剛度計算來確定螺旋傳動的主要尺寸。由于絲杠承受一定的徑向載荷，還需對其進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性核算。為增加絲杠的穩(wěn)定性，采用兩端及中間三處軸承支承。當(dāng)選用線數(shù)為x，螺距為P，螺紋中徑為d2的滾珠絲杠時，所需要的輸出扭矩為M：

其中：λ為絲杠螺旋線升角，ρ′為絲杠當(dāng)量摩擦角，fs為軸向支承面間摩擦因數(shù)，D0及d0為支承環(huán)面的外徑及內(nèi)徑，F(xiàn)A為螺旋傳動的軸向載荷：

步進(jìn)電機(jī)的輸出功率為：

其中，t為擴(kuò)展方艙從收折到展開所用時間。

本文提出的動力傳動系統(tǒng)載荷變化不大，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速低，功率較小，可以正反轉(zhuǎn)運(yùn)動來控制方艙艙室的展開和收折，可以選用新型GLD雙膜片聯(lián)軸器。它能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn)，可進(jìn)行高精度控制，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、無需潤滑、維護(hù)方便的特點(diǎn)，同時夾緊螺栓的固定方式具有補(bǔ)償兩軸相對偏移的能力。GLD雙膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖5 新型GLD雙膜片聯(lián)軸器

絲杠的安裝固定選用剖分式青銅基體自潤滑軸承，這種軸承使用高強(qiáng)度和硬度的強(qiáng)力鋁青銅做基體，在基體中鑲嵌固體潤滑劑，無低溫冷脆現(xiàn)象，可在極低溫條件下使用，能滿足方艙在低溫惡劣環(huán)境下的使用要求，承載能力強(qiáng)，安裝方便，比一般的滑動軸承有更高的耐磨性、耐拉毛性，同時也不需潤滑、維護(hù)方便。自潤滑軸承結(jié)構(gòu)，見圖6。

動力傳動系統(tǒng)無油化的設(shè)計，無需供油裝置、注油孔、油槽加工，使結(jié)構(gòu)大幅簡化，降低了制造成本和設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)成本，也免除了由于供油不足造成的設(shè)備損壞等風(fēng)險，而且無需廢油回收處理，有利于環(huán)境保護(hù)。

圖6 自潤滑軸承

1.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

方艙擴(kuò)展控制系統(tǒng)主要由車載移動式控制器、步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及其他控制元件組成，采用CoDeSys開發(fā)程序，精確控制多臺步進(jìn)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠及連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上下板對折式多級方艙的一鍵式自動擴(kuò)展和撤收。

控制系統(tǒng)的流程為：車載移動式控制器，輸出高速PWM脈沖信號，通過控制步進(jìn)驅(qū)動器，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。在程序中可根據(jù)不同的驅(qū)動器設(shè)定PWM脈寬及頻率，以達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的。

本控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)方艙的一鍵式快速平穩(wěn)擴(kuò)展和撤收，解決了普通方艙擴(kuò)展系統(tǒng)步驟繁瑣費(fèi)時費(fèi)力的缺點(diǎn)，大大提高了移動方艙的可操作性和機(jī)動性，搬家移運(yùn)方便[17]。

2 應(yīng)用

本文作者依據(jù)該方案進(jìn)行了工程設(shè)計，建造了3D模型和三級擴(kuò)展方艙驗證裝置及相匹配的擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了擴(kuò)展撤收原理驗證試驗。試驗時能夠擴(kuò)展6 m的三級擴(kuò)展結(jié)構(gòu)擴(kuò)展或撤收平均需時137 s，機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢無卡阻，艙體擴(kuò)展撤收快速平順。3D模型，見圖7。驗證裝置，見圖8。

圖7 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)3D模型

圖8 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)驗證裝置

依據(jù)試驗結(jié)果，基于該方案的大擴(kuò)展比車載方艙正在進(jìn)一步制作，并以該車載方艙為平臺搭建出一臺車便可整合全部野戰(zhàn)檢查檢驗功能的車載綜合處置方艙。

3 結(jié)論

本文提出的上下板對折式多級擴(kuò)展方艙自動擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，擴(kuò)展撤收運(yùn)動快速平穩(wěn)無死點(diǎn)，操控簡捷，維護(hù)保養(yǎng)簡單方便。本文針對機(jī)構(gòu)的連桿機(jī)構(gòu)、動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，分別給出了詳細(xì)的設(shè)計方案。連桿機(jī)構(gòu)由兩種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，其中一種的運(yùn)動輸出作為另一種的運(yùn)動輸入，實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副帶動艙體的展開或撤收。動力傳動系統(tǒng)采取無油化設(shè)計，控制系統(tǒng)采用電磁脈沖控制器精準(zhǔn)控制整個系統(tǒng)所有步進(jìn)電機(jī)，對方艙的展開和撤收實(shí)現(xiàn)一鍵式控制。本文的研究成果對于多級擴(kuò)展方艙擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的設(shè)計具有一定的參考意義，尤其對于上下板對折式擴(kuò)展方艙的自動擴(kuò)展機(jī)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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