岳 通，魏 國，王率軍，趙 益，雷 晗

（西南技術(shù)物理研究所，成都 610041）

0 引言

機動性是武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的重要指標，車載集成模塊化設(shè)計和整車輕量化設(shè)計是實現(xiàn)武器系統(tǒng)機動性的重要途徑[1]。一方面，從總體布局層面進行模塊化設(shè)計，將各分系統(tǒng)的儀器設(shè)備集中布置，可有效降低分系統(tǒng)間設(shè)備連接件的體積與重量，實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)最優(yōu)[2]。另一方面，在實現(xiàn)模塊化和輕量化設(shè)計的同時兼顧良好的通過性，是保證車載武器系統(tǒng)高機動性的關(guān)鍵[3]。這就要求在總體最優(yōu)集成的基礎(chǔ)上，全系統(tǒng)滿足鐵路、公路運輸尺寸界限，尤其是針對具有偵測天線的車載武器，偵測設(shè)備的高安裝精度和快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換對裝備的架設(shè)/撤收結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大困難。

為了滿足我軍裝備的發(fā)展需要，各科研院所在車載雷達架設(shè)/撤收結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已有較多研究。李陽等[4]針對機動雷達反射面天線尺寸運輸超限問題，設(shè)計了一種自動展開/折疊反射面天線的結(jié)構(gòu)形式；瞿亦峰[5]、孫穎[6]對大尺寸大重量雷達天線的自動展開/撤收技術(shù)進行了研究，設(shè)計出天線邊塊折疊、整體倒豎的方案；周紅[7]設(shè)計了一種大型陣列天線雷達的架撤機構(gòu)并采用虛擬樣機技術(shù)驗證了裝置的可行性。已有的設(shè)計經(jīng)驗多基于車載大尺寸天線，并不適用于某些具有小型復(fù)合探測設(shè)備（由不同偵測設(shè)備構(gòu)成的模塊單元）的武器系統(tǒng)。車載武器系統(tǒng)復(fù)合探測模塊的自動架撤結(jié)構(gòu)設(shè)計依舊是一大難題。

論文基于某車載武器系統(tǒng)總體布局方案，采用模塊化設(shè)計思想將微波雷達、光電雷達和無線電偵測這三類偵測設(shè)備組合，構(gòu)成復(fù)合探測模塊，集成于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺頂部，共同組成為戰(zhàn)斗功能單元。同時，為滿足公路和鐵路運輸限高要求，創(chuàng)新設(shè)計了一種雙曲柄折疊機構(gòu)，以實現(xiàn)偵測安裝小轉(zhuǎn)臺相對于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺的自動架設(shè)和撤收。論文詳細闡述了基于該機構(gòu)的偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)組成、工作原理及驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計過程。最后，論文采用有限元法對偵測折疊裝置進行了力學(xué)分析以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

1 復(fù)合探測模塊設(shè)計要求

根據(jù)某車載武器系統(tǒng)總體布局方案，復(fù)合探測模塊運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)示意如圖1所示，具體設(shè)計要求如下：

圖1 復(fù)合探測模塊設(shè)計要求

1）偵測設(shè)備包括微波雷達、光電雷達和無線電偵測，并需集成在回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺頂部；

2）回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺俯仰轉(zhuǎn)動角度：-5°～+85°；

3）回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動角度：360°全角度；

4）偵測設(shè)備運動自由度要求：光電雷達可實現(xiàn)全范圍獨立運動，且不能與回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生結(jié)構(gòu)干涉，不遮擋轉(zhuǎn)臺發(fā)射光路；

5）折疊機構(gòu)的架撤運動應(yīng)達到即時、安全和平穩(wěn)要求；

6）偵測設(shè)備需要保證較高的定位與安裝精度；

7）偵測設(shè)備可在運輸過程中實現(xiàn)即時撤收，滿足公路、鐵路運輸高度限制。

2 偵測折疊裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

借鑒和參考我軍武器系統(tǒng)總體集成的成熟經(jīng)驗，為保證功能單元可拆卸、獨立作戰(zhàn)，以及武器系統(tǒng)各設(shè)備間功能界限清晰、維修性能良好[8]，本文將復(fù)合探測模塊集成于回轉(zhuǎn)發(fā)射平臺頂部，共同組成為戰(zhàn)斗功能單元。同時，為滿足公路和鐵路運輸限高要求，設(shè)計了偵測折疊裝置以實現(xiàn)偵測安裝小轉(zhuǎn)臺相對于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺的自動架設(shè)和撤收。偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)組成包括：回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺、偵測安裝小轉(zhuǎn)臺、驅(qū)動系統(tǒng)和架撤折疊機構(gòu)。其中，架撤折疊機構(gòu)是實現(xiàn)偵測安裝小轉(zhuǎn)臺相對于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺自動架撤運動的關(guān)鍵，本文提出一種新型的雙曲柄折疊機構(gòu)來實現(xiàn)偵測安裝小轉(zhuǎn)臺相對回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺的架設(shè)和撤收；而驅(qū)動系統(tǒng)采用標準機電伺服系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電液系統(tǒng)相比，具有反應(yīng)速度快、速度調(diào)節(jié)范圍寬、靈敏度高且維護成本低的特點。為了保證偵測折疊裝置架撤完成后穩(wěn)定可靠，在小轉(zhuǎn)臺處設(shè)計錐形定位與鎖緊結(jié)構(gòu)，運輸狀態(tài)時保證偵測安裝小轉(zhuǎn)臺可靠鎖定，工作狀態(tài)時實現(xiàn)小轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺準確定位。

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

根據(jù)上述設(shè)計思路，論文設(shè)計的偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。偵測折疊裝置主要由回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺、偵測安裝小轉(zhuǎn)臺、雙曲柄折疊機構(gòu)、中間支架、減速箱及電機等組成。其中，雙曲柄折疊機構(gòu)可實現(xiàn)偵測安裝小轉(zhuǎn)臺相對于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺的架撤折疊運動；其主動曲柄與減速箱傳動軸采用雙鍵連接，從動曲柄以鉸鏈連接于中間支架，中間支架固定于回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺側(cè)面。主從動曲柄力臂等長且論文對主從動曲柄及中間支架進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)輕量化和產(chǎn)品美觀。雙曲柄折疊機構(gòu)工作時，初始力矩經(jīng)伺服電機、減速箱減速增扭后驅(qū)動主動曲柄旋轉(zhuǎn)。

圖2 偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)組成

偵測折疊裝置的工作原理為：

工作狀態(tài)時，由伺服電機驅(qū)動主動曲柄旋轉(zhuǎn)運動，并帶動偵測安裝小轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)向上做圓周運動。整個運動過程中，小轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)120°到達回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺頂部定位點，再由螺釘鎖緊后完成偵測設(shè)備的架設(shè)。

運輸狀態(tài)時，由伺服電機驅(qū)動主動曲柄反向轉(zhuǎn)動，促使偵測安裝小轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)向下做圓周運動，到達鎖緊結(jié)構(gòu)定位點并采用電動插銷鎖緊后完成偵測設(shè)備的撤收。

偵測折疊裝置在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，由于小轉(zhuǎn)臺重心與主從動曲柄兩連接點直線相重合，因而偵測設(shè)備在整個架撤過程中不發(fā)生自轉(zhuǎn)，僅產(chǎn)生平穩(wěn)位移。全過程用時40s，運動行程安全、穩(wěn)定，保證了折疊裝置具有較好的可靠性。

2.3 定位與鎖緊結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計要求，偵測折疊裝置在架撤完成時，偵測安裝小轉(zhuǎn)臺必須與回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺可靠定位和鎖緊，以保證武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性良好。在運輸過程中，偵測折疊裝置處于撤收狀態(tài)，小轉(zhuǎn)臺通過鎖緊結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)的錐形配合面可實現(xiàn)準確定位并約束左右方向的移動和轉(zhuǎn)動，如圖3所示。隨車前進方向的移動由檔塊和雙曲柄折疊機構(gòu)約束，上下方向通過電動插銷和雙曲柄折疊機構(gòu)進行約束。

圖3 錐形定位結(jié)構(gòu)示意圖

駐車工作時，偵測折疊裝置完成解鎖并自動架設(shè)，同樣通過回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺頂部的錐形配合面實現(xiàn)小轉(zhuǎn)臺的準確定位。雙曲柄折疊機構(gòu)架設(shè)完成后，使用快拆螺栓完成小轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺的鎖緊，以保證偵測設(shè)備工作時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

2.4 驅(qū)動系統(tǒng)選型計算

驅(qū)動系統(tǒng)作為偵測折疊裝置的動力輸入，是整個裝置能否實現(xiàn)自動化和小型化的關(guān)鍵。驅(qū)動系統(tǒng)采用機電伺服系統(tǒng)，伺服電機的選型和減速器的設(shè)計不僅需要充分考慮載荷因素，還需兼顧傳動機構(gòu)安裝空間。為計算驅(qū)動系統(tǒng)輸入扭矩，論文根據(jù)偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)組成建立了機構(gòu)原理圖，并進行了雙曲柄折疊機構(gòu)力學(xué)分析，如圖4所示。

圖4 雙曲柄折疊機構(gòu)受力分析示意圖

如表1所示，為偵測折疊裝置部分結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)。

表1 偵測折疊裝置相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1中參數(shù)，由扭矩計算公式Mt=KtGgL[9，10]，可求得：

偵測設(shè)備及安裝平臺的旋轉(zhuǎn)扭矩M負為：

曲柄的旋轉(zhuǎn)扭矩M桿為：

考慮加速度產(chǎn)生的扭矩，角加速度扭矩可由公式計算M加=Jβ計算[10]，式中β為角加速度，J為轉(zhuǎn)動慣量，J=GL2，由此可得：

則總的扭矩負載為：

根據(jù)計算的扭矩負載，兼顧驅(qū)動系統(tǒng)安裝空間和重量，并盡可能采用標準減速器，傳動系統(tǒng)選擇三級減速實現(xiàn)減速增扭。其中，一級減速為便于電機安裝和實現(xiàn)靜態(tài)自鎖，采用渦輪蝸桿傳動，蝸桿安裝在電機軸上，傳動比為30，傳動效率為47%；二級減速采用標準行星齒輪減速器，傳動比為25，傳動效率為80%；三級減速齒輪箱采用單級圓柱齒輪傳動，從動齒輪與傳動軸以平鍵連接，齒輪模數(shù)為5.0，傳動比為2.89，齒寬為55mm。同時，論文選用功率為0.75kW的伺服電機，整個驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計如表2所示。

表2 驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計

對驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計方案進行校核，齒輪箱從動齒輪輸出扭矩為：

輸出扭矩校核結(jié)果表明，該方案不僅充分保證了載荷因素的扭矩需求，同時實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)的小型化和標準化。驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計方案滿足偵測折疊裝置的使用要求。

3 偵測折疊裝置力學(xué)分析

基于設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，論文采用有限元方法，開展了偵測折疊裝置架撤折疊運動過程的力學(xué)分析。為了減少有限元分析計算量，將折疊運動過程視為準靜態(tài)過程，通過分析運輸、工作以及極限狀態(tài)下偵測折疊裝置的應(yīng)力和變形分布，以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

3.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

基于偵測折疊裝置幾何模型進行適當簡化，輸入有限元分析軟件HypeMesh14.0進行力學(xué)分析。將偵測安裝小轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺視為剛性體，雙曲柄折疊機構(gòu)主從動曲柄及中間支架選用材料Q345B，材料屬性見表3，各零部件質(zhì)量信息參考雙曲柄折疊機構(gòu)原理圖。分別建立三種狀態(tài)下偵測折疊裝置的有限元模型，三種狀態(tài)輸入的載荷邊界條件如下[11]：

表3 Q345B材料數(shù)據(jù)

1）運輸狀態(tài)載荷邊界條件：偵測設(shè)備重力、各零部件自重、側(cè)向6級風(fēng)；三向沖擊載荷：橫向、縱向1g慣性加速度，上下2g慣性加速度；

2）極限狀態(tài)載荷邊界條件：雙曲柄折疊機構(gòu)主動曲柄力臂最長時（偵測安裝小轉(zhuǎn)臺重心距離底面402mm處），承受偵測設(shè)備重力、各零部件自重、側(cè)向風(fēng)6級（小轉(zhuǎn)臺迎風(fēng)面積0.5m2，作用于重心高度位置）；

3）工作狀態(tài)載荷邊界條件：偵測設(shè)備重力、各零部件自重、側(cè)向風(fēng)6級（小轉(zhuǎn)臺迎風(fēng)面積0.5m2，作用于重心高度位置）。

根據(jù)偵測折疊裝置各組成單元機械接口形式進行適當簡化，設(shè)置各零部件接觸邊界條件。將回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺與底座連接螺紋孔施加固定約束，運輸狀態(tài)下將小轉(zhuǎn)臺鎖緊結(jié)構(gòu)與底座連接螺紋孔施加固定約束，雙曲柄折疊機構(gòu)從動曲柄各鉸鏈點創(chuàng)建1D鉸鏈連接。偵測折疊裝置主體結(jié)構(gòu)采用殼單元、局部采用體單元進行離散化[12]。根據(jù)輸入的載荷、接觸邊界條件，建立了三種狀態(tài)下偵測折疊裝置的有限元模型，如圖5所示。有限元模型建立完成后即可提交至求解器進行仿真計算。

圖5 偵測折疊裝置有限元模型

3.2 運輸狀態(tài)力學(xué)分析

由于整個武器系統(tǒng)集成在高機動車載平臺上，偵測折疊裝置在完成撤收后必須保證運輸過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。參考GJB 150A-2009，論文分析了運輸過程中三種典型沖擊載荷工況下偵測折疊裝置的應(yīng)力及變形量分布云圖，如圖6所示，雖然三種工況下的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布存在一定差異，但整體來看，在沖擊載荷作用下，偵測折疊裝置最大應(yīng)力為81.8MPa，最大變形量為0.38mm，滿足設(shè)計要求。

圖6 運輸過程中三種沖擊載荷工況下有限元分析結(jié)果

對比分析不同工況：其中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在Z向沖擊工況，最大應(yīng)力位于雙曲柄折疊機構(gòu)從動曲柄與中間支架連接的螺栓安裝孔區(qū)域；按照Q345鋼材料強度校核，安全系數(shù)為4.22，滿足強度要求。最大變形量出現(xiàn)在Y向沖擊工況，變形量滿足剛度要求。分析結(jié)果表明，車載運輸過程中偵測折疊裝置結(jié)構(gòu)可靠，滿足實際道路運輸需求。

3.3 極限狀態(tài)力學(xué)分析

偵測折疊裝置在架撤過程中，由伺服電機驅(qū)動雙曲柄折疊機構(gòu)主動曲柄旋轉(zhuǎn)運動，并帶動偵測安裝小轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)向上做圓周運動，整個過程小轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)120°。對其運動過程進行力學(xué)分析可知，當小轉(zhuǎn)臺向上旋轉(zhuǎn)30°時，偵測設(shè)備重力矩力臂最長，雙曲柄折疊機構(gòu)受力狀態(tài)最惡劣，此時偵測折疊裝置處于極限工作狀態(tài)。

極限狀態(tài)下偵測折疊裝置的應(yīng)力及變形量分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，在各零部件自重和側(cè)向6級風(fēng)的綜合作用下，極限狀態(tài)下偵測折疊裝置最大應(yīng)力位于雙曲柄折疊機構(gòu)主動曲柄中部，最大應(yīng)力值為136.1MPa；按照Q345鋼材料強度校核，安全系數(shù)為2.53，滿足強度要求；同時，偵測折疊裝置最大變形量為4.72mm，滿足剛度要求。分析結(jié)果表明，偵測折疊裝置在整個架撤運動過程中結(jié)構(gòu)可靠。

圖7 極限狀態(tài)有限元分析結(jié)果

3.4 工作狀態(tài)力學(xué)分析

偵測設(shè)備工作時，小轉(zhuǎn)臺由運輸狀態(tài)解鎖后旋轉(zhuǎn)120°，完成自動架設(shè)并與回轉(zhuǎn)發(fā)射轉(zhuǎn)臺鎖定。工作狀態(tài)下偵測折疊裝置的應(yīng)力及變形量分布云圖如圖8所示。從圖可以看出，在各零部件自重和側(cè)向6級風(fēng)的綜合作用下，最大應(yīng)力位于雙曲柄折疊機構(gòu)主動曲柄中部，最大應(yīng)力值為52.0MPa；按照Q345鋼材料強度校核，安全系數(shù)為6.63，滿足強度要求。同時，偵測折疊裝置最大變形量為1.36mm，滿足剛度要求。分析結(jié)果表明，駐車工作時偵測折疊裝置具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，滿足偵測設(shè)備工作時的安裝要求。

圖8 工作狀態(tài)有限元分析結(jié)果

4 結(jié)語

論文針對某車載武器系統(tǒng)偵測設(shè)備模塊化設(shè)計需求和道路運輸高度限制，設(shè)計了一種新型雙曲柄折疊機構(gòu)，并給出基于該機構(gòu)的偵測折疊裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和驅(qū)動系統(tǒng)選型設(shè)計，最后通過有限元法對整體結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析。論文結(jié)論如下：

1）論文采用模塊化設(shè)計思想完成了偵測設(shè)備的車載集成，設(shè)計的新型雙曲柄折疊機構(gòu)實現(xiàn)了偵測安裝小轉(zhuǎn)臺的自動架撤；設(shè)計的電動鎖銷可保證運輸過程中小轉(zhuǎn)臺與鎖緊結(jié)構(gòu)快速可靠鎖定，設(shè)計的錐形結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)工作狀態(tài)下小轉(zhuǎn)臺的自動架設(shè)和準確定位。

2）論文基于雙曲柄折疊機構(gòu)原理分析完成了驅(qū)動系統(tǒng)的選型設(shè)計，傳動系統(tǒng)采用了三級減速以實現(xiàn)減速增扭，不僅滿足了載荷因素的扭矩需求，同時實現(xiàn)了傳動機構(gòu)的小型化和標準化。

3）有限元仿真結(jié)果表明，偵測折疊裝置在架撤折疊運動過程中結(jié)構(gòu)可靠，滿足復(fù)合探測模塊在運輸和工作過程中的安裝要求。

論文設(shè)計的偵測折疊裝置滿足某車載系統(tǒng)復(fù)合探測模塊設(shè)計要求，仿真分析結(jié)果合理，是系統(tǒng)模塊化、集成化設(shè)計的成功嘗試。該裝置可推廣應(yīng)用至武器系統(tǒng)中有架撤運動需求的結(jié)構(gòu)中，保證光機電設(shè)備可靠安裝。同時，鑒于時間和成本的限制，本文僅采用力學(xué)計算和仿真分析驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，為進一步提高設(shè)計方案的可靠性，有必要在樣機開發(fā)和實驗驗證方面進行深入研究。