李 浩,呂永超,王平安
(中國電子科技集團公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)研究部,安徽 合肥 230088)
機動式系留氣球作為浮空器領(lǐng)域的一個重要分支,因為其使用靈活方便,保障性能高并可根據(jù)任務(wù)需要隨時進行轉(zhuǎn)移的優(yōu)點,在應(yīng)急指揮、安防和通訊等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。
萬向滑輪作為機動式系留氣球地面系留設(shè)施重要組成部分,安裝在地面系留設(shè)施水平橫梁的最前端,在系留氣球升空、回收、滯空工作過程中實現(xiàn)系留纜繩導(dǎo)向,同時通過內(nèi)部安裝的傳感器實現(xiàn)纜繩載荷及纜繩傾角的測量。本文設(shè)計了一種新型的萬向滑輪結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)系留纜繩換向及纜繩拉力和傾角的測量,同時具有重量輕、可靠性高、便于拆卸和安裝等優(yōu)點。
機動式系留氣球萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要是完成系留纜繩導(dǎo)向并實現(xiàn)纜繩拉力載荷及纜繩傾角的測量。由于受重量、風(fēng)速和任務(wù)載荷等因素的制約,對萬向滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計提出如下要求:
(1)在纜繩受力張緊狀態(tài),萬向滑輪應(yīng)可隨纜繩載荷方向的變化實現(xiàn)水平、前后擺動。在前后擺臂上應(yīng)能夠安裝三維姿態(tài)傳感器。
(2)在纜繩松弛狀態(tài)下,萬向滑輪應(yīng)根據(jù)實際需求進行配平調(diào)整,要求滑輪轉(zhuǎn)到任意位置均可自由停止。
(3)便于實現(xiàn)系留纜繩與萬向滑輪的分離。
(4)萬向滑輪應(yīng)設(shè)有防跳線保護裝置,防止纜繩脫槽損傷。
(5)設(shè)備應(yīng)能進行分解或拆收,滿足公路及鐵路運輸標(biāo)準(zhǔn)。
機動式系留氣球地面系留設(shè)施萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由滑輪、頰板、支撐板、下側(cè)板、前后底座、底座中心軸、配重塊等組成,具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。纜繩收放過程中,滑輪可在平面內(nèi)繞底部中心軸A2左右自由旋轉(zhuǎn),同時也可以在垂直平面內(nèi)繞中心軸B1B2前后自由轉(zhuǎn)動,并通過萬向輪底部配重塊進行配平調(diào)整,可保證滑輪轉(zhuǎn)到任意位置均可自由停止,從而可以實現(xiàn)纜繩在各種工況下順利換向。
在系留氣球升空、回收和滯空過程中,當(dāng)纜繩受力張緊時,帶動滑輪組件繞A2點處中心軸旋轉(zhuǎn),通過與支撐板連接的傳感器壓塊擠壓壓力傳感器,實現(xiàn)纜繩拉力的測量。當(dāng)纜繩與豎直方向呈一定的偏轉(zhuǎn)角度時,頰板可隨纜繩繞滑輪中心軸同步旋轉(zhuǎn),在頰板頂端纜繩出口處安裝慣性傳感器,實現(xiàn)纜繩傾角測量。
圖1 萬向滑輪結(jié)構(gòu)示意圖
滑輪前端的纜繩限位裝置由四個滾珠組件構(gòu)成,水平和垂直方向的兩個滾珠組件分別限制纜繩上下、左右方向擺動范圍,在滑輪正下方及纜繩出口處安裝防跳線裝置,從而保證纜繩平穩(wěn)可靠卡入滑輪輪槽順利實現(xiàn)換向。同時,在支撐板的一側(cè)留有開口槽,便于維修過程中實現(xiàn)纜繩與萬向滑輪分離。
系留氣球正常穩(wěn)定工作時,設(shè)纜繩所受拉力載荷為T1=T2,傳感器壓力為F,由力矩平衡原理(T*L1=F*L2)可確定壓力傳感器量程。萬向滑輪受力示意圖,如圖2所示。
導(dǎo)向滑輪作為主要受力件采用中碳鑄鋼材料,具有一定的韌性和塑性,強度和硬度較高?;喼伟宀捎肣345鋼板焊接而成,滑輪中心軸、底座中心軸、側(cè)板與支撐板的連接軸均采用40Cr,并進行調(diào)質(zhì)處理,提高強度和韌性。下側(cè)板組件采用Q345鋼板焊接而成,焊接過程中配合專用定位工裝進行,為了減小焊接變形的影響,焊接件上的孔均進行焊后加工,同時進行焊后振動時效處理,提高焊縫強度,降低內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定尺寸[4-5]。
圖2 萬向滑輪受力示意圖
根據(jù)萬向滑輪結(jié)構(gòu)形式和實際應(yīng)用工況,建立有限元分析模型,模型使用實體單元,在轉(zhuǎn)軸處使用連接單元釋放其繞軸的轉(zhuǎn)動約束。
萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由前后底座、底座中心軸、下側(cè)板、支撐板和傳感器壓塊等組成,各部件型號及材料性能如表1所示。
表1 萬向滑輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料性能
纜繩拉力載荷作用在萬向輪上,水平和垂直載荷均為纜繩最大制動載荷,如表2所示。
表2 萬向滑輪載荷
借助有限元分析軟件對萬向滑輪結(jié)構(gòu)進行靜強度分析,由分析結(jié)果可以看出,萬向滑輪最大應(yīng)力位于支撐板中部邊緣區(qū)域,應(yīng)力云圖如圖3所示。萬向滑輪關(guān)鍵部件應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示,各部件安全系數(shù)大于1.5,均小于材料屈服強度。萬向滑輪最大變形量為7.075mm,位于支撐板頂端,變形圖如圖4所示。對萬向滑輪的傳力路徑進行分析可知,通過增加支撐板和下側(cè)板的厚度可有效減小萬向滑輪變形,對于支撐板中部邊緣應(yīng)力集中區(qū)域,在左右支撐板外側(cè)邊緣處采用局部加厚的方式可減小局部應(yīng)力集中,優(yōu)化后的支撐板結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。
表3 應(yīng)力分析結(jié)果
圖3萬向滑輪應(yīng)力云圖
圖4 萬向滑輪變形云圖
圖5 優(yōu)化后的支撐板示意圖
優(yōu)化前的萬向滑輪結(jié)構(gòu)主要由底座、滑輪、中心軸、頰板、側(cè)板、配重塊等組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
圖6 優(yōu)化前的萬向滑輪結(jié)構(gòu)示意圖
優(yōu)化前的萬向滑輪通過底座端部的法蘭盤安裝固定,優(yōu)化后的萬向滑輪則由殼體底座通過螺栓固定在底板上,安裝固定較為安全可靠;優(yōu)化前的萬向滑輪由于結(jié)構(gòu)形式的局限性,不具備測力功能,無法測量纜繩拉力,優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)纜繩拉力測量,并可實現(xiàn)纜繩拉力的實時監(jiān)測,確保系留氣球收放過程安全可靠;由于系留纜繩穿過底座殼體再經(jīng)由滑輪換向,纜繩難以與萬向滑輪分離,維修不便,優(yōu)化后的萬向滑輪支撐板上設(shè)計有開口槽,便于纜繩與萬向滑輪分離,便于維修;優(yōu)化前的滑輪重心距離中心軸線距離較近,導(dǎo)致配重塊的重量較大,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)中滑輪重心距離中心軸線距離較遠,從而減輕了配重塊的重量。此外,優(yōu)化后的萬向滑輪支撐板和下側(cè)板上設(shè)計有減重孔,進一步減輕了整體部件的重量。
機動式系留氣球萬向滑輪結(jié)構(gòu)分別從安裝固定方式、測力功能、重量、可靠性及維修性等方面進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)安全可靠,可實現(xiàn)纜繩拉力測量及纜繩與萬向滑輪分離,可靠性維修性較高。優(yōu)化前后萬向滑輪結(jié)構(gòu)對比分析如表4所示。
表4 萬向滑輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
本文介紹了一種新型的萬向滑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,既能實現(xiàn)纜繩換向又可實現(xiàn)纜繩拉力及傾角的測量,詳細闡述了萬向滑輪的結(jié)構(gòu)形式和工藝實現(xiàn)過程,并對結(jié)構(gòu)的剛度和強度進行有限元分析。分析結(jié)果表明,優(yōu)化后的萬向滑輪結(jié)構(gòu)的強度和剛度均滿足使用要求,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
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