上下板對折式多級擴展方艙的設計

孟曉東，鄭靜晨，李明，黃山林，徐冬，趙喆，郝昱文，李曉雪

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

引言

方艙具有嚴密可靠的環(huán)境保障系統(tǒng)，并且內部可以集成各種專用設備，因此在軍事、通信、檢測、氣象、工程搶修、醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災、后勤保障等方面發(fā)揮不可替代的作用，而擴展方艙因其擴展后內部空間大越來越得到青睞。在需要大量人員、設備協(xié)同工作的重大突發(fā)事件和重大活動現(xiàn)場中，單級擴展方艙內部空間已經不能滿足設備安裝及人員活動的要求，通常需要多臺方艙聯(lián)合工作。多臺方艙不僅增加了運輸及作業(yè)的能源消耗，又大大降低了這類作業(yè)響應的時效性。因此研究大擴展比的多級擴展方艙集成更多作業(yè)設備，是保障方艙作業(yè)迅速有效的迫切需求[1-8]。

目前仍在使用的作業(yè)帳篷等裝備雖然輕便，但需要現(xiàn)場架設，而且環(huán)境保障性能很差；折疊式活動板房對使用環(huán)境要求較高，也需要現(xiàn)場架設和撤收，架設時需要吊車等額外設備，同時轉運不便。近年來國內外有各種固定方艙和單級擴展方艙產品，但是均由于空間限制只能裝載有限的設備。例如華海高圣投資控股有限公司研發(fā)的磁共振醫(yī)療方艙，只裝載了醫(yī)療MRI系統(tǒng)，無法集成其他醫(yī)療檢查設備，也無法在方艙內進行手術等醫(yī)療手段。中國電子科技集團公司第二十八研究所研發(fā)的野外宿營方艙，每側可水平抽拉擴展出兩個側拉艙，方艙總體空間比較大，但是方艙長度達到了13 m，影響了方艙公路運輸的便捷性及通過性[8]。

針對上述問題，本文介紹了一種上下板對折式多級擴展方艙，并以三級擴展為例詳述了方艙的設計布局。該方艙擴展后內部空間寬敞，可以作為作業(yè)方向的一體化平臺集成大量專用設備，同時操作簡單，能夠實現(xiàn)一鍵式控制，維護保養(yǎng)方便，具有很好的應用前景。

1 多級擴展方艙設計

1.1 總體布局

多級擴展方艙內外兩級艙體結構與擴展機構必然與其他級不同，這造成了機械結構的對稱破缺，削弱了方艙各部分受力的均勻性和傳動的等時性，研究這種對稱破缺引起的功能演變規(guī)律及載荷變化規(guī)律，可以對方艙各部分結構強度及擴展動力選擇進行針對性的設計[9]。

依據結構對稱破缺的應用規(guī)律，設計出上下板對折式多級擴展方艙，艙體結構采用鋁合金框架加大板式，分為固定部分和擴展部分；擴展機構采用上下板對折式；各部分之間嚴格密封以達到保溫的目的。

三級擴展方艙撤收時寬度為2.5 m，滿足公路運輸要求；擴展后寬度為13 m，艙室面積增加了4.2倍。方艙的總體布局，見圖1～2。方艙的前后側布局，見圖3～4。

圖1 三級擴展方艙撤收后總體布局圖

圖2 三級擴展方艙擴展后總體布局圖

圖3 三級擴展方艙撤收后前后側布局圖

圖4 三級擴展方艙擴展后前后側布局圖

1.2 艙體結構設計

艙體固定部分承載了方艙撤收后整體的重力、設備的重力、風力載荷、運輸載荷，對穩(wěn)定性有很高的要求，所以固定部分采用在框架內鑲嵌復合夾心大板的結構。框架各橫撐、縱撐通過球形包角、角鋁或其他專用型材鉚接成型方式連接，框架內填充聚氨酯泡沫，大板與框架間安裝有斷熱橋，可以使框架也具有良好的隔熱、保溫、隔音等功能[8,10]。固定部分的結構，見圖5。

1.2.2 擴展部分的設計

擴展部分最內級與方艙固定部分固定一起，其余上下大板及框架與固定部分均有相對運動，通過鉸鏈順次鉸接。每級的框架橫撐和立柱通過角鋁鉚接連接。每級前后側側板與立柱鉸接，方艙撤收時旋轉收攏在框架內，方艙展開時旋轉后與框架密封。方艙上下大板及前后側側板的展開過程，見圖6～7。

圖5 艙體固定部分

圖6 方艙上下大板展開過程

圖7 方艙前后側板展開過程

1.3 結構間密封設計

擴展框架與艙體固定部分之間、側板與擴展框架周邊均采用密封條壓緊密封，大板與框架間兩個對折的大板間采用迷宮加密封條密封，密封形式，見圖8～9。

圖8 大板與框架間密封形式

圖9 對折大板間密封形式

1.4 擴展機構設計

尺度約束類型是指構件為其所連接的運動副軸線之間的相對方位提供的幾何約束類型[11]，研究每個曲柄滑塊機構的尺度約束類型，依據其傳動順序，確定它們?yōu)樗B接的相鄰兩構件之間提供的幾何曲面約束類型，進而確定其運動特性，設計出整個擴展結構的拓撲結構。

4)便捷性原則：在綠道系統(tǒng)與外界的聯(lián)系上，將公共交通系統(tǒng)與慢行道系統(tǒng)無縫連接，方便游客與市民進入綠道網絡中，將公共服務設施適當分布在各個大小節(jié)點，以便游客隨取隨用。

多級擴展方艙的擴展機構每級都由動力傳動系統(tǒng)、兩個串聯(lián)的曲柄滑塊機構組成。每級擴展機構又作為一個支鏈，各支鏈相互并聯(lián)形成并聯(lián)拓撲。擴展機構的拓撲結構，見圖 3～4。

1.4.1 擴展機構組成

每級擴展機構組成，見圖10。步進電機、雙膜片聯(lián)軸器、自潤滑軸承及軸承座一、滾珠絲杠副和自潤滑軸承及軸承座二組成動力傳動系統(tǒng)；連桿機構部分由兩種曲柄滑塊機構組成，法蘭耳板、連桿、方艙上板和方艙下板組成曲柄滑塊機構一，法蘭耳板相當于機構中的滑塊，與滾珠螺母通過螺栓連接，方艙上下板相當于機構中的曲柄，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構二，艙體相當于滑塊。步進電機帶動滾珠絲杠副驅動機構一，機構一的運動輸出零件為機構二的運動輸入，兩機構構成串聯(lián)運動拓撲。

圖10 每級擴展機構組成

1.4.2 動力傳動系統(tǒng)設計

動力傳動系統(tǒng)載荷變化不大，工作平穩(wěn)，轉速低，功率較小，電機可以正反轉運動來控制方艙艙室的展開和收折。

該系統(tǒng)由步進電機通過聯(lián)軸器驅動滾珠絲杠副組成。滾珠絲杠副同時帶動上下兩套曲柄滑塊機構運動，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。絲杠兩端和中部選用自潤滑軸承支承，聯(lián)軸器可選用無需潤滑的漲緊雙膜片式，這樣可以不需額外設計潤滑系統(tǒng)，降低了制造和維護成本。

滾珠絲杠副是動力傳動的重要組成部分，它的性能直接影響擴展機構工作的平順性，是引起擴展機構振動的主要原因，需要對它的參數進行優(yōu)化設計。滾珠絲杠進給系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)[12]，對系統(tǒng)進行動力學仿真，隨著絲杠長度、導程、直徑等結構參數的變化，其振動螺旋線軌跡的特征呈現(xiàn)非線性變化，依據其變化軌跡選擇最合適的絲杠參數。

1.4.3 連桿機構設計

連桿機構作為擴展機構的主要組成部分，為保證擴展機構運動快速平順，需要對其進行最優(yōu)化設計。對其優(yōu)化設計的基本原則是保證其在滿足擴展機構運動特性，滿足疲勞應力強度、穩(wěn)定約束和變形約束的前提下質量更輕。建立機構基于響應面的近似模型，建立曲柄和連桿狀態(tài)變量的二階響應面近似模型，對模型進行準確性校驗后，建立曲柄連桿協(xié)同優(yōu)化模型，對曲柄和連桿基于響應面近似模型進行協(xié)同優(yōu)化設計[13]。優(yōu)化后可大幅減小機構總體積，并使運動中連桿所受載荷盡可能均勻，提高機構壽命。

1.5 控制系統(tǒng)設計

多級擴展方艙控制系統(tǒng)由車載移動式控制器輸出高速寬度可調制脈沖信號，通過控制步進驅動器，進而驅動步進電機運行。采用CoDeSys開發(fā)程序，精確控制多臺步進電機同步運轉，帶動滾珠絲杠及連桿機構，實現(xiàn)上下板對折式多級方艙的一鍵式自動擴展和撤收。

z級擴展艙每側需要2(z+1)套傳動系統(tǒng)，每套傳動系統(tǒng)由一臺步進電機提供動力。為使擴展撤收機構運動快速平穩(wěn)，需要考慮多個電機協(xié)調同步問題。設計多電機監(jiān)控系統(tǒng)及模塊組合通訊協(xié)議，采用耦合控制，實時監(jiān)測所有電機的電流，及時消除每臺電機自己的跟蹤誤差及相鄰電機的同步誤差[14]，可以改善負載擾動、環(huán)境或驅動不匹配、不協(xié)調等因素對機構運行的影響。

為提高永磁同步電機對控制信號的響應速度，提高其對系統(tǒng)參數的辨識度，可以在矢量控制的基礎上進行基于動態(tài)矩陣的電流環(huán)預測控制，使控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能更優(yōu)，魯棒性更強[15]，實現(xiàn)電流的快速穩(wěn)定跟蹤。

為提高每臺永磁同步電機運行的精確度，可以針對每一種電壓矢量預先計算出使得下一時刻轉矩和磁鏈誤差最小的占空比，再通過價值函數同時選取出電壓矢量和占空比的組合[16]。這種控制方法能夠很好地抑制轉矩和磁鏈脈動，在不影響電機動態(tài)響應性能的同時提高電機的穩(wěn)態(tài)性能。

2 應用

本文作者依據該方案進行了工程設計，建造了3D模型和三級擴展方艙驗證裝置，進行了驗證試驗。試驗時能夠擴展6米的三級擴展結構擴展或撤收快速平順無卡阻，證明該方案切實可行。依據試驗結果，進一步的正在制作基于該方案的大擴展比車載方艙，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。3D模型和驗證裝置，分別見圖11～12。

圖11 擴展艙3D模型

圖12 驗證裝置

3 結論

本文設計了一種上下板對折式多級擴展方艙，利用機械結構對稱破缺規(guī)律設計了方艙艙體結構及其密封形式，利用運動拓撲規(guī)律設計與艙體相適應的擴展機構，方艙的擴展和撤收采用多電機同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)一鍵式控制。新型方艙具有很大的擴展比，擴展后內部空間寬敞，可以作為作業(yè)方向的一體化平臺集成大量專用設備，同時操作簡單，能夠實現(xiàn)一鍵式控制，維護保養(yǎng)方便，具有很高的實用價值和推廣前景。

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