劉永亮，任克亮，馬旭輪，張基明

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

艙口蓋系統(tǒng)是艦載垂直發(fā)裝置的重要組成部分， 既要滿足開關蓋的技術性能要求，又要在波浪等外載荷的作用下滿足剛強度要求[1]。新型超音速導彈要求垂直發(fā)射裝置有高的貯彈密度和機動性、快的瞬時反應能力，客觀上要求艙口蓋系統(tǒng)開關蓋時間短、反應快、耗能小、可靠性高。

目前垂直發(fā)射裝置的艙口蓋系統(tǒng)主要分為液壓式和機電式兩大類別。其中液壓式艙口蓋系統(tǒng)受航區(qū)、季節(jié)、氣候、海況的影響，對液壓啟閉系統(tǒng)的可靠性要求非常高[2]。在極端情況下，液壓系統(tǒng)存在脈動沖擊、液壓油泄漏等不利因素，影響到艙口蓋系統(tǒng)密封的安全性。

平面四桿機構作為一種常見的機械式傳動機構，可以方便地實現(xiàn)較復雜的運動。在連桿機構中，可以傳遞較大的動力?？梢缘玫讲煌膫鲃颖龋瑢崿F(xiàn)不同運動規(guī)律的要求，便于加工，且生產(chǎn)成本低。

作為一項關鍵技術，文中提出采用平面四桿機構電動開蓋的方式，來實現(xiàn)艙口蓋的快速開啟和關閉，并通過計算、仿真和試驗對艙口蓋的技術性能進行摸底。

1 主要性能指標

艦載垂直發(fā)射裝置帶有發(fā)控設備，對艙口蓋系統(tǒng)發(fā)出操控指令，完成艙口蓋動作。有以下主要性能指標：

1）自收到發(fā)控設備“艙口蓋打開”指令到控制設備給出“艙口蓋打開好”信號，時間不超過3 s。

2）艙口蓋開啟角度（甲板面夾角）應大于93°。

2 理論計算

艙口蓋開蓋解鎖機構分為開蓋機構和解鎖機構兩部分[3-10]：開蓋機構為平面四桿機構中的曲柄搖桿機構，解鎖機構為平面四桿機構的曲柄滑塊機構。兩機構通過凸輪撥盤實現(xiàn)聯(lián)動，其動力由一臺低速大扭矩電機提供，彈艙蓋開蓋解鎖機構循環(huán)完成的動作順序是：解鎖、開蓋、關蓋、上鎖。

根據(jù)艙口蓋功能要求，確定開蓋機構曲柄搖桿機構各構件的長度及其傳動比，進行負載分析，完成電機的轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩計算。然后運用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS進行計算機仿真。

2.1 確定各構件的長度及傳動比

考慮裝置上所提供的安裝空間，最終選用下面的曲柄搖桿機構來實現(xiàn)傳動，其運動分析如圖1所示。機構中兩個死點位置位于同一直線上，即圖1中所示的C1和C2點。其中，曲柄為桿CD；搖桿為桿AB；機構中 AB1C1D位置表示艙口蓋關閉到位；AB2C2D位置表示艙口蓋開啟到位。曲柄CD轉(zhuǎn)動幅度為180°，搖桿AB轉(zhuǎn)動幅度為95°。

四桿機構的主要設計參數(shù)分別為：AB= 94.85 mm，BC=241.88 mm，CD=70 mm，AD=250.2 mm，θ=28.78°，CD+AD＜AB+BC，滿足桿長條件。

隨著艙口蓋開啟角度α的改變，艙口蓋連桿機構瞬時傳動比也在改變。用 C語言編制相應的計算程序，可以計算出艙口蓋開啟角度α所對應連桿機構瞬時傳動比的數(shù)值解，如圖2所示。

圖2 艙口蓋連桿機構瞬時傳動比曲線

由曲線可以看出，在接近兩個死點位置附近，傳動比非常大，在中間位置最小。根據(jù)工程應用實際情況，假設曲柄作勻速轉(zhuǎn)動，其角速度為常數(shù)。則搖桿即艙口蓋的轉(zhuǎn)動角速度的變化趨勢為：啟動時角速度從0加速到最大，然后減速至終點時為0。在初始位置和終點位置的速度均近似為0，這種變化對開蓋是有利的。

2.2 負載分析

由開蓋過程可以看出：負載轉(zhuǎn)矩隨開啟角度的變化而變化，如圖3所示。

負載轉(zhuǎn)矩計算：

圖3 艙口蓋受力

式中：Pw為風載荷，N；Fy為 y方向搖擺過載力；Fz為z方向搖擺過載力。

由此可見，負載轉(zhuǎn)矩隨艙口蓋開啟角度的變化而變化，不是常數(shù)。

利用計算機編程求解出艙口蓋開啟角度負載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值解。由數(shù)值解可以看出，負載轉(zhuǎn)矩在彈艙蓋開啟約5°時，達到其最大值Mmax=812.7 N·m，如圖4所示。

圖4 艙口蓋負載轉(zhuǎn)矩曲線

2.3 確定所選用電機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速

1）電機輸出扭矩。因為動能的增量必須≥0，從能量角度來說，必須滿足W驅(qū)≥W負（不考慮摩擦、機械損失），即：

式中：M為電機輸出扭矩，N·m；Mt為負載轉(zhuǎn)矩，N·m；為機構傳動比。

電機輸出扭矩不小于機構傳動比與負載轉(zhuǎn)矩的乘積，用C語言編制相應的計算程序進行計算，電機轉(zhuǎn)矩M應滿足：M≥569 N·m。

2）電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速主要由開蓋時間和機構傳動比確定。開蓋時間小于3 s，電機轉(zhuǎn)動180°后彈艙蓋開啟到位，電機轉(zhuǎn)速n應滿足：n≥10 r/min。

3 仿真分析

3.1 模型假設

通過對四桿機構的運動分析，作出如下假設：

1）按機構運行情況對各構件分配質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量。

2）各構件之間可以相互轉(zhuǎn)動。

3）各桿件連接處在傳動過程中，運動副無相對運動。

4）忽略各桿件連接處在傳動過程中的摩擦力和磨損情況。

5）忽略各部件之間的裝配誤差，不考慮其他因素對系統(tǒng)的影響。

3.2 結構描述

四桿機構的拓撲關系如圖 5所示。機架通過 f1轉(zhuǎn)動副與曲柄一端聯(lián)接，曲柄一端通過f2轉(zhuǎn)動副與連桿一端聯(lián)接，連桿一端通過f3轉(zhuǎn)動副與搖桿聯(lián)接，搖桿一端通過f4轉(zhuǎn)動副與機架聯(lián)接。整個系統(tǒng)可以進行平面運動，共9個自由度。

圖5 結構拓撲圖

3.3 動力學模型

根據(jù)動力學模型可導出系統(tǒng)總動能T，總勢能V，總耗散能D，它們均為系統(tǒng)的結構參數(shù)與廣義坐標的函數(shù)。由拉格朗日方程得：

x=x(x1,x2,x3…)最后得系統(tǒng)運動微分方程：

式中：[M]、[C]、[K]分別為994階量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X、X˙、X˙˙分別是廣義坐標的位移向量、速度向量和加速度向量；{Q}為廣義力向量。

3.4 仿真過程及結果分析

本次仿真環(huán)境是在軟件 ADAMS/View環(huán)境中進行的[11]，在驅(qū)動連桿的旋轉(zhuǎn)副上加角速度驅(qū)動。在作用對象的連桿上加上負載。仿真模型及開蓋所需扭矩如圖6和圖7所示。從圖5中可以看出，開蓋所需的扭矩大于550 N·m，與理論計算值所得的扭矩不小于569 N·m基本一致，只要電機輸出扭矩大于569 N·m就能滿足開蓋所需動力要求。

圖6 艙口蓋開蓋機構仿真模型

4 試驗及結果

對機構進行開蓋試驗，試驗過程中，反復執(zhí)行開關蓋動作數(shù)次，記錄下每次開蓋時間和開蓋角度以及機構運行情況，見表 1—4。為驗證所選用電機的功率是否滿足要求，通過加配重塊來模擬風載荷及搖擺載荷，每個配重塊質(zhì)量為30 kg，共3塊，每加一塊配重塊做10次。從表1—4中可以看出，配重塊對每次開蓋時間和開蓋角度影響不大，每次開蓋時間均小于3 s，開蓋角度均大于93°，且機構運行正常[12-15]。因此開蓋時間和開蓋角度均滿足艙口蓋系統(tǒng)主要性能要求。

圖7 艙口蓋開蓋機構所需扭矩

表1 不加負載開蓋情況

表2 30 kg負載開蓋情況

表3 60 kg負載開蓋情況

表4 90 kg負載開蓋情況

5 結論

四桿機構的設計滿足艙口蓋系統(tǒng)的主要技術指標要求。通過試驗驗證了艙口蓋系統(tǒng)方案設計可行，運行可靠，實現(xiàn)了快速開蓋的戰(zhàn)術指標要求，可為其他垂直發(fā)射裝置的艙口蓋設計提供工程經(jīng)驗。