一種系留氣球用萬向滑輪*

賴貞華，杜鵬程

（1. 中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；2. 中國人民解放軍 93253部隊，遼寧 大連 116000）

引 言

系留氣球是一種依靠空氣浮力（靜升力）來克服其自身重力并通過纜繩系固約束的航空器[1]。與其他飛行器相比，它具有滯空時間長、覆蓋范圍廣、偵查功能強、生存能力強、機動性好、成本低的特點[2-3]，其市場應(yīng)用越來越廣泛。

系留氣球主要包括空中設(shè)備和地面系留裝置?？罩性O(shè)備主要包括球體結(jié)構(gòu)、系留纜繩、測控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等；系留裝置由系留塔、防護艙、控制艙、承重框、旋轉(zhuǎn)平臺等組成[4]。萬向滑輪屬于系留氣球系統(tǒng)的一個結(jié)構(gòu)部件，通常安裝于錨泊設(shè)備旋轉(zhuǎn)平臺尾部，主要用于將連接系留氣球的豎直系留纜繩導(dǎo)向后水平傳輸至纜繩收放設(shè)備，實現(xiàn)絞盤對系留纜繩的卷繞收放，并在系留氣球系留和收放過程中承受系留纜繩的張力。目前對萬向滑輪的深入研究較少，通常只是為了簡單地實現(xiàn)導(dǎo)向功能[5]，部分增加了系留纜繩的測量功能[6]，對性能、制造和使用維護方面考慮較少。本文基于萬向滑輪的功能需求，系統(tǒng)分析了設(shè)計要求，并從結(jié)構(gòu)工藝、使用維護和在線測量方面進行了綜合優(yōu)化設(shè)計。

1 萬向滑輪設(shè)計要求

1.1 系留氣球使用模式

系留氣球通常有地面錨泊、維修系固、升空、回收和空中系留5種工作模式。在升空、回收和空中系留3種工作模式下，萬向滑輪均處于受力工作狀態(tài)。同時，由于受風(fēng)載影響，球體將帶動系留纜繩沿周邊的各個方向做水平偏移運動，因此要求萬向滑輪能夠向各個方向自由轉(zhuǎn)動[7]。系留狀態(tài)下的系留氣球見圖1。

圖1 系留氣球系留狀態(tài)

1.2 萬向滑輪設(shè)計要求

根據(jù)萬向滑輪的主要功能需求，考慮實際使用要求及安全性要求，萬向滑輪的設(shè)計通常應(yīng)滿足以下要求：1）萬向滑輪應(yīng)能承受產(chǎn)品規(guī)定工況條件下的載荷，并具備測量纜繩張力的能力；2）萬向滑輪應(yīng)適應(yīng)系留纜繩前后偏轉(zhuǎn)和橫向擺動，并能測量系留纜繩相對鉛垂方向的偏擺角度；3）經(jīng)萬向滑輪導(dǎo)向后的系留纜繩應(yīng)保持水平方向的穩(wěn)定，以利于纜繩收放設(shè)備對系留纜繩的卷繞收放；4）萬向滑輪應(yīng)設(shè)置保護裝置，防止纜繩松弛以及在抖動過程中脫槽損傷，應(yīng)對系留纜繩在風(fēng)載激勵下的振動沖擊；5）應(yīng)對萬向滑輪進行配平，使其能在任意偏擺位置自由平衡，減小系留纜繩的橫向受力及彎折損傷；6）萬向滑輪應(yīng)滿足系留纜繩的彎曲半徑要求，其導(dǎo)向滑輪直徑一般不應(yīng)小于系留纜繩直徑的40倍；7）萬向滑輪應(yīng)便于實現(xiàn)系留纜繩與滑輪的分離。

2 萬向滑輪設(shè)計方案

2.1 萬向滑輪的組成及功能

萬向滑輪通常由偏轉(zhuǎn)軸承、安裝支架、導(dǎo)向滑輪、限位機構(gòu)、滑輪軸等組成，并安裝在旋轉(zhuǎn)平臺的尾部，如圖2所示。圖中T為系留纜繩下端的張力，α為系留纜繩在導(dǎo)向滑輪中性平面內(nèi)隨限位機構(gòu)的前后偏擺角度，β為萬向滑輪在系留纜繩帶動下繞偏轉(zhuǎn)軸線的偏擺角度，F(xiàn)為系留纜繩作用在導(dǎo)向滑輪上的合力。

圖2 系留纜繩萬向滑輪結(jié)構(gòu)

偏轉(zhuǎn)軸承用于萬向滑輪與旋轉(zhuǎn)平臺的連接并適應(yīng)系留纜繩的橫向偏擺；安裝支架用于固定導(dǎo)向滑輪同時傳遞系留纜繩載荷；導(dǎo)向滑輪用于系留纜繩導(dǎo)向，并適應(yīng)系留纜繩的連續(xù)收放卷繞和前后偏轉(zhuǎn)；限位機構(gòu)用于防止系留纜繩脫出導(dǎo)向滑輪槽，并用于間接測量系留纜繩在導(dǎo)向滑輪中性平面內(nèi)的前后偏轉(zhuǎn)角度；配重可使萬向滑輪沿偏轉(zhuǎn)軸線靜平衡，降低系留纜繩的橫向偏擺阻力。

2.2 基于制造工藝的安裝支架優(yōu)化設(shè)計

萬向滑輪安裝支架的側(cè)板一般會設(shè)計成一個整體，同時作為導(dǎo)向滑輪的安裝支撐和轉(zhuǎn)動過程中的側(cè)面防護。

為了使經(jīng)導(dǎo)向滑輪導(dǎo)向后的系留纜繩與偏轉(zhuǎn)軸承中心重合，安裝導(dǎo)向滑輪時，需要使之相對偏轉(zhuǎn)軸承的軸線存在一定的偏置，這使得安裝支架尺寸很大。為了節(jié)約成本，安裝支架通常采取2塊鋼板與偏轉(zhuǎn)軸承安裝座進行焊接，同時為了滿足承載能力，在側(cè)板上布置較多的加強筋，如圖3所示。但采取此種焊接方式，在軸承安裝座附近區(qū)域集中存在較多的焊縫，將產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊接變形較大，難以控制2個側(cè)板之間的平行間距，從而在實際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)向滑輪與側(cè)板干涉，且在承受系留纜繩沖擊振動載荷過程中，容易產(chǎn)生進一步的變形和焊接疲勞失效問題。

圖3 萬向滑輪常規(guī)安裝支架

為解決焊接變形、焊接疲勞失效問題，基于受力特性，將安裝支架側(cè)板的支撐固定功能和側(cè)面防護功能分割開來獨立考慮，即將側(cè)板分割成兩部分，承力支承部分經(jīng)整體加工后與軸承安裝座焊接，側(cè)面防護部分采取非金屬材料制品與支承部分螺栓連接或鉚接，如圖4所示。此方法的優(yōu)點在于可解決焊接變形問題，控制加工精度，且非金屬材料的應(yīng)用可減輕安裝支架的重量。

圖4 安裝支架與側(cè)防護板分離

2.3 基于拆裝維護的安裝支架優(yōu)化設(shè)計

系留纜繩一般長達幾百米到幾千米，為了可靠地承受球體載荷，通常是整體成型，且與較大尺寸的纜繩接頭采取不便拆卸的連接結(jié)構(gòu)[8]，而纜繩接頭截斷后重新制作的固化周期通常需要1～2周。結(jié)合圖2—圖4，由萬向滑輪的結(jié)構(gòu)特征可知，在不破壞系留纜繩和纜繩接頭的情況下，系留纜繩無法與萬向滑輪分離，這不利于萬向滑輪的維修更換或系留纜繩的拆裝。針對該問題，可增大萬向滑輪的安裝支架，將系留纜繩移出偏轉(zhuǎn)軸承，如圖5所示。

圖5 系留纜繩可分離萬向滑輪結(jié)構(gòu)

顯然，采用圖5所示的結(jié)構(gòu)形式可以實現(xiàn)與系留纜繩的在線分離，但將額外產(chǎn)生以下不足：1）安裝支架的力臂明顯增加，萬向滑輪受力增大；2）需要拆除導(dǎo)向滑輪及滑輪軸，而滑輪軸與軸承通常為過盈配合，在線拆卸困難；3）系留纜繩經(jīng)滑輪導(dǎo)向后未經(jīng)過萬向滑輪偏轉(zhuǎn)中心，因此在使用過程中，將在水平面內(nèi)隨萬向滑輪的左右偏擺進行橫向的小幅度擺動，這將不利于系留纜繩的安全防護，且易造成后端絞盤收/放系留纜繩的不穩(wěn)定波動。

針對該方案的不足，從兩個方面進行改進：一方面，基于萬向滑輪各部件的受力特點，將萬向滑輪的安裝支架更改為剖分式的結(jié)構(gòu)形式；另一方面，改變?nèi)f向滑輪常規(guī)正向安裝的安裝方式，使系留纜繩不經(jīng)過偏轉(zhuǎn)軸承，但保持導(dǎo)向后的系留纜繩軸線依然經(jīng)過偏轉(zhuǎn)中心，實現(xiàn)系留纜繩在線分離的同時保證系留纜繩導(dǎo)向后的穩(wěn)定性。考察萬向滑輪受系留纜繩的合力方向，在垂直于合力方向采用燕尾鍵槽形式連接，可從側(cè)方滑動裝入，然后利用少量螺栓固定，如圖6和圖7所示。當(dāng)需要分離系留纜繩與萬向滑輪時，僅需從圖7所示的分離面拆除即可。

圖6 剖分式萬向滑輪主體結(jié)構(gòu)

圖7 剖分式萬向滑輪工作狀態(tài)

2.4 基于在線測量需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系留氣球使用過程中，為監(jiān)測系留纜繩狀態(tài)及空中球體姿態(tài)，通常在球體結(jié)構(gòu)安裝慣性導(dǎo)航儀和在系留纜繩頂端設(shè)置拉力傳感器外，從系統(tǒng)安全角度考慮，同時在萬向滑輪處測量系留纜繩的張力和系留纜繩與鉛垂線的夾角狀態(tài)，測量結(jié)果可以作為監(jiān)測備份，從而在通信失效的情況下有效評估空中系留氣球的狀態(tài)。

在萬向滑輪偏轉(zhuǎn)軸承中心安裝角位移傳感器，可準確測量系留纜繩的橫向偏擺角度β；在滑輪軸的端部安裝角位移傳感器，通過限位機構(gòu)可間接測量系留纜繩在導(dǎo)向滑輪中性面內(nèi)的前后偏轉(zhuǎn)角度α（初始與水平方向垂直狀態(tài)為0°），從而可準確計算出系留纜繩下端在空間內(nèi)的系留方向。同時，導(dǎo)向滑輪的滑輪軸采用成熟的軸用力傳感器，用于測量系留纜繩對導(dǎo)向滑輪的作用力，從而間接計算系留纜繩的張力，如圖8所示。

圖8 角位移傳感器安裝

根據(jù)定滑輪特性，結(jié)合系留纜繩前后偏轉(zhuǎn)的角度α，依據(jù)靜力平衡得：

式中，G為導(dǎo)向滑輪的質(zhì)量。

考慮系留纜繩的張力與導(dǎo)向滑輪的質(zhì)量通常存在數(shù)量級差別，忽略導(dǎo)向滑輪的質(zhì)量，則由上式可得系留纜繩下端的張力T=F(2-2 sinα)-1/2。

因傳感器本身的誤差、安裝誤差及限位機構(gòu)的累計誤差，系留纜繩的張力存在一定誤差。依據(jù)某系留氣球產(chǎn)品的實際使用結(jié)果，該誤差通常為恒定誤差或線性誤差，可在集成后對測量結(jié)果進行標定和修正。

另外，由空間幾何關(guān)系可快速獲取系留纜繩與鉛垂線方向的空間夾角γ=arccos(cosαcosβ)。

3 結(jié)束語

本文從萬向滑輪的功能需求和安全使用要求出發(fā)，提出了萬向滑輪的通用設(shè)計要求，并基于萬向滑輪的不足，從制造工藝、拆裝維護和在線測量3個方面進行了優(yōu)化改進設(shè)計，降低了制造加工難度，可精確測量系留纜繩下端的張力和系留纜繩與鉛垂線的夾角，提升了產(chǎn)品的在線監(jiān)測能力，實現(xiàn)了系留纜繩與萬向滑輪的在線便捷分離，利于系留纜繩和萬向滑輪的維護和更換，可廣泛應(yīng)用于各種系留氣球的萬向滑輪設(shè)計。