王 鵬，王平安

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 工程技術研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

浮空器是一種輕于空氣，主要依靠空氣浮力來克服自身重力和有效載重的飛行器。飛艇作為浮空器的一種形式，具有續(xù)航時間長、載重量大、使用成本低、使用維護方便、起降場地要求低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可以通過搭載不同的任務載荷，廣泛應用于軍用、民用等領域[1]。

系留鎖緊裝置是飛艇的重要組成部分，一般安裝于地面系留設施系留塔上，通過系留鎖緊裝置可實現(xiàn)飛艇俯仰、橫滾和自由順槳要求[2]。目前國內(nèi)外對系留鎖緊裝置的總體結(jié)構設計研究較少，文獻[3]中對系留鎖緊裝置的功能及安裝位置做了相應的研究，文獻[4]中整體分析了系留系統(tǒng)的正常使用程序，確定系留鎖緊裝置在程序中的使用順序。綜合來看，目前國內(nèi)外對系留鎖緊裝置的研究主要側(cè)重在功能性上，對該裝置的結(jié)構設計研究較少，本文主要介紹了一種新型的系留鎖緊裝置結(jié)構設計思路，可實現(xiàn)飛艇系留、放飛的基本需求，同時具有可靠性高，便于安裝和拆卸等優(yōu)點。

1 設計原則

在進行系留鎖緊裝置結(jié)構設計時，始終按照如下原則進行，力爭使設計更完美。

1.1 合理性

系留鎖緊裝置作為地面系留設施的一部分，因滿足飛艇頭錐部件的系留要求，結(jié)構件在關聯(lián)處能夠快速可達，連接可靠，載荷傳遞方式合理[5]。

1.2 輕量化設計

設計時應盡量選用輕質(zhì)、高強度材料，保證結(jié)構可在滿足相應規(guī)定的載荷狀態(tài)下具有足夠的剛度、強度、壽命，在上述前提下，使整個結(jié)構質(zhì)量盡可能輕。

1.3 工藝性

結(jié)構工藝性的好壞直接關系到加工周期的長短和成本的高低。應少使新材料和新工藝、減少材料和緊固件的類型并且盡量選用標準件。

1.4 維修性

要合理布置分離面和開口，以保證壽命周期內(nèi)快速、可靠的進行維護、檢修工作。

1.5 先進的設計手段

采用先進的計算機設計手段和分析軟件，對系留鎖緊裝置進行力學分析和驗證[6]。

2 設計要求

飛艇系留鎖緊裝置主要是完成系留纜繩導向并實現(xiàn)飛艇同地面系留塔間的固定。由于受重量、風速、任務載荷等因素的制約，對系留鎖緊裝置結(jié)構設計提出如下要求：

（1）在飛艇系留狀態(tài)下確保飛艇與地面系留塔間連接牢固，并使飛艇在在地面系留狀態(tài)360°自由順槳。

（2）飛艇入鎖后，系留鎖緊裝置應同飛艇間留有一定合適距離，確保在露天環(huán)境下不會對飛艇囊體造成損傷。

（2）便于實現(xiàn)飛艇與地面系留塔的分離。

（3）系留鎖緊裝置應設有防脫所鎖裝置，防止飛艇系留狀態(tài)下意外脫鎖。

3 結(jié)構設計方案

通過系留鎖緊裝置可實現(xiàn)飛艇俯仰、橫滾和自由順槳要求。系留鎖緊裝置通過連接軸與系留塔旋轉(zhuǎn)軸連接，通過系留塔旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)飛艇在地面系留狀態(tài)360°來回自由順槳[7]。為滿足功能使用需求，將系留鎖緊裝置劃分為鎖體、連接軸、擋軸、導向輪、鎖擋、鎖口和鎖銷，具體結(jié)構形式見圖1。飛艇系留入鎖過程中，首先將兩處快卸銷拔出，向外側(cè)拉動鎖銷，將鎖擋打開。其次將系留拉索穿過鎖口，經(jīng)過導向輪后同地面系留設施固定，擋軸對系留拉索入鎖過程進行限位，防止系留拉索在飛艇地面自由順槳過程中出現(xiàn)纏繩狀態(tài)出現(xiàn)，因此導向輪與擋軸間的間隙應在一合適的范圍內(nèi)。同時，該間隙應同鎖擋的固定孔保持在一條線上，然后閉合鎖擋，如圖2 所示。飛艇導向管前端設計有環(huán)形卡槽，通過鎖擋與飛艇頭部導向管的間隙配合，實現(xiàn)飛艇同系留鎖緊裝置間的固定，最后將兩處快卸銷復位；飛艇放飛出鎖過程與入鎖過程相反，首先將系留拉索松開，將快卸銷拔出后，打開鎖擋，拉動飛艇頭部導向管，直至飛艇同系留鎖脫離，從而完成飛艇放飛操作[8]。

圖1 系留鎖緊裝置具體結(jié)構

圖2 飛艇入鎖結(jié)構

3.1 鎖體設計

鎖體作為整個系留鎖緊裝置的主承力單元，應在滿足設計載荷指標的基礎上，考慮當飛艇系留后，地面系留設施與飛艇之間的安全距離，防止飛艇撞塔。綜合考慮采用偏心式結(jié)構設計，一方面增加安全距離，另一方面通過強度計算仿真確保系留鎖緊裝置滿足強度設計要求。鎖體與連接軸配合處，因受到鎖體偏心距的影響，因此需要對連接軸及其配合處進行相應的強度校核計算。結(jié)合系留鎖緊裝置的實際使用工況，該鎖緊裝置同時承受拉伸載荷、彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷工況，依據(jù)結(jié)構的輕量化通用設計準則可得：

3.2 其他結(jié)構設計

鎖口設計應與飛艇頭錐系留管尺寸相配合，保證入鎖方便可靠，同時為提高系留鎖緊裝置整體結(jié)構強度，將鎖口與鎖體焊接成形優(yōu)化為一體成形。鎖擋、鎖銷配合使用確保操作方便，鎖擋、鎖銷是防止飛艇脫鎖情況發(fā)生的主要鎖定部件，其中鎖銷通過其內(nèi)部配有的專用彈簧使其與鎖擋緊密配合。為防止脫鎖情形產(chǎn)生，增加兩處快卸銷，其中，為防止誤操作情況發(fā)生，在鎖銷前端開一快卸銷安裝孔，通過穿過該孔的快卸銷避免意外脫鎖。為防止在露天環(huán)境下震動造成鎖銷與鎖擋分離，在鎖體上額外設計有單耳形式安裝孔，通過其上的快卸銷，增加防脫鎖措施。連接軸、擋軸、導向輪分別與系留塔旋轉(zhuǎn)軸、頭錐拉索配合。

3.3 材料選取及工藝確定

根據(jù)使用要求，系留鎖緊裝置結(jié)構應具備良好的防潮濕、防鹽霧和防霉菌性能。系留鎖緊裝置為露天工作狀態(tài)，工作環(huán)境比較惡劣，因此需要選用合適的材料和適合的表面涂覆方法，主要有下述設計手段：

（1）鎖體、鎖擋、鎖口、連接軸采用30CrMnSiA，并進行調(diào)質(zhì)處理，提高強度和韌性，從整體強度考慮將鎖體、鎖口采用整體模鍛件形式進行加工。擋軸、導向輪、鎖銷采用45#鋼，并進行調(diào)質(zhì)處理，上述零件完成調(diào)質(zhì)處理后進行鍍鋅處理進行表面防護。

（2）所有緊固件均采用經(jīng)過鈍化處理的不銹鋼材料制作，鈍化后的緊固件具有良好的“三防”性能。

3.4 輕量化舉措

在保證鋼強度的基礎上，采用高強度鋼材強度等代設計方法，主要承力部件材料由傳統(tǒng)的普通鋼材料更改為30CrMnSiA 材料，根據(jù)強度分析結(jié)果，對鎖體厚度進行縮減，并在非關鍵部位開有快卸銷防丟孔，對鎖體進行進一步的減重。經(jīng)測試及實物驗證，系留鎖緊裝置結(jié)構輕量化設計后質(zhì)量為30 kg，輕量化率為85%，有效減輕了該裝置的結(jié)構質(zhì)量。

4 有限元分析

有限元分析前處理軟件采用HypeMesh，有限元分析計算軟件采用Abaqus。依據(jù)系留鎖緊裝置的結(jié)構形式和實際應用工況，建立有限元分析模型，對系留鎖緊裝置在限制載荷工況下的結(jié)構強度和剛度響應進行有限元仿真校核分析。

4.1 結(jié)構材料

系留鎖緊裝置結(jié)構主要由鎖體、連接軸、擋軸、導向輪、鎖擋、鎖口和鎖銷組成，各部件型號及材料性能見表1。

表1 系留鎖緊裝置結(jié)構參數(shù)及材料性能

4.2 載荷工況

以飛艇在地面系留狀態(tài)，25 m/s 風速計算載荷工況，作用在系留鎖緊裝置上的外載荷可分為軸向載荷Fx、側(cè)向載荷Fy和垂向載荷Fz，各載荷大小見表2。

表2 系留鎖緊裝置載荷

4.3 有限元分析結(jié)果

計算結(jié)果表明，在地面系留狀態(tài)，系留鎖緊裝置的最大應力位于裝置與頭錐系留管配合處，其應力云圖如圖3 所示。系留鎖緊裝置應力分析結(jié)果見表3。裝置最大安全系數(shù)1.96 大于1.5 倍的設計要求，小于材料屈服強度。系留鎖緊裝置最大變形量為1.29 mm，位于系留鎖緊裝置鎖體支架側(cè)，變形云圖如圖4所示。

表3 系留鎖緊裝置分析結(jié)果

圖3 應力云圖

圖4 變形云圖

5 靜力試驗

為驗證系留鎖緊裝置的剛強度是否滿足要求，需模擬實際使用情況對系留鎖緊裝置進行靜力試驗[9]。靜力試驗時，使用作動筒進行載荷加載，在試驗件可能發(fā)生破壞區(qū)域貼應力片，在試驗過程中測量應變數(shù)據(jù)，檢驗是否發(fā)生破壞，如圖5 所示。

圖5 系留鎖緊裝置靜力試驗

試驗時載荷逐級施加，以10%級數(shù)加載至限制載荷，保持30 s，逐級采集數(shù)據(jù)并拍照記錄，以10%級數(shù)卸載至0，逐級采集數(shù)據(jù)。試驗過程中，各測量點的應變隨載荷基本呈線性變化的趨勢。其中，以裝置與頭錐系留管配合處應變峰值最大，試驗過程中系留鎖緊裝置無異常現(xiàn)象，卸載后，系留鎖緊裝置可以恢復至初始位置，且無損壞。

試驗結(jié)果表明系留鎖緊裝置滿足剛強度設計要求。

6 結(jié)語

本文提出了一種新型的系留鎖緊裝置結(jié)構設計方案，詳細闡述了系留鎖緊裝置的結(jié)構形式和工藝實現(xiàn)過程，對結(jié)構的剛度和強度進行有限元分析，并經(jīng)過強度試驗測試。分析結(jié)果表明，系留鎖緊裝置的結(jié)構尺寸符合相關標準要求，整體牢固可靠，“三防”性能優(yōu)良，完全滿足工程設計要求，具有廣泛的工程應用前景。