一種翻蓋式集裝箱的設計與實現(xiàn)

郭 黎

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

伴隨著無人機在軍事領域的成功運用，世界各國都注意到了軍用無人機的優(yōu)勢。各國對軍用無人機越來越重視。軍用無人機是充分利用信息技術革命成果發(fā)展的高性能信息化武器裝備。而集裝箱式無人機發(fā)射系統(tǒng)，將無人機和發(fā)射架收納在集裝箱內，具有機動性強、隱蔽性好的特點，是近幾年無人機領域研究的熱點[1-2]。

本文從集裝箱結構設計、翻轉機構設計與計算、伺服控制系統(tǒng)設計三個方面，系統(tǒng)地介紹了某翻蓋式集裝箱的設計與實現(xiàn)。結構設計充分考慮了無人機發(fā)射空間要求、發(fā)射時產生的高溫和振動載荷對集裝箱的影響，伺服控制器采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主處理器。目前該翻蓋式集裝箱已經實現(xiàn)，滿足無人機發(fā)射系統(tǒng)工作方式等要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，環(huán)境適應性強。

1 系統(tǒng)總體設計

翻蓋式集裝箱系統(tǒng)的主要功能是接收控制中心指令，對集裝箱進行展開和撤收，與無人機發(fā)射系統(tǒng)進行數(shù)據通信，接收無人機發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)，并上報當前自動架設狀態(tài)。

該系統(tǒng)總體設計主要包括集裝箱結構設計和伺服控制系統(tǒng)設計。集裝箱結構設計主要包括安裝框架、左右翻轉頂蓋、右翻轉頂蓋、翻轉機構、開門機構以及鎖緊機構的設計，伺服控制系統(tǒng)設計主要完成狀態(tài)數(shù)據采集、邏輯運算及控制驅動等功能的實現(xiàn)。

2 集裝箱結構設計

2.1 總體結構設計

該集裝箱為開頂式集裝箱，上半部設置為左右頂蓋結構，頂蓋相對車廂沿兩側軸心線旋轉，左右翻轉頂蓋分別為向車廂兩側開蓋形式，頂蓋通過內部的電動缸完成開閉。頂蓋關閉時，通過鎖緊機構可靠鎖緊，頂蓋開蓋角度180°。電動缸的展開及撤收通過多圈編碼器控制，在折疊到位均設置減速功能，避免頂部展開和閉合到位時產生沖擊。集裝箱后端采用對開門扇結構，方便人員維修及工作狀態(tài)氣流快速排出?；顒禹斏w與端部門扇與箱體對接處采用密封圈進行密封，同時接縫處采用排水槽結構以滿足防雨要求?；顒禹斏w設計有鎖閉結構，保證運輸狀態(tài)頂蓋可靠鎖緊及密封要求[3]?？傮w結構如圖1 所示。

圖1 翻蓋式集裝箱總體結構示意圖

2.2 主要結構設計

2.2.1 翻轉機構

翻轉機構主要用于頂蓋的打開及閉合。翻轉機構由一組同步電動缸、四連桿機構、安裝座以及傳動軸等部件組成，通過電動缸推動四連桿機構運動，達到左右頂蓋打開及閉合的目的[4]。整個集裝箱共設置2 個翻轉機構，為保證左、右翻轉頂蓋到位后定位，以及避免沖擊翻轉機構，集裝箱兩側壁下方設置有兩個定位擋塊。

2.2.2 開門機構

為了方便車廂內部設備的安裝、操作、維修以及為無人機尾焰預留空間，在集裝箱尾部設有電動推缸打開式對開門，所有門和門框均為矩形鋼管拼焊成型，強度可靠[5]。開門系統(tǒng)的承載驅動機構具有結構簡潔、運動阻力小、安裝方便及可靠性高等優(yōu)點。開門機構采用兩組電動推桿控制兩扇門的關閉和開啟，通過信號控制電子鎖解鎖，然后通過電動推桿帶動左右門繞鉸鏈旋轉打開，從而完成后門的開啟和閉合。

3 翻轉機構計算

翻轉機構[6]由同步電動缸驅動四連桿機構，達到左、右頂蓋翻轉180 度的運動，主要克服左、右頂蓋的重力和風阻。因右翻轉頂蓋的質量較大，所以以右翻轉頂蓋為計算對象。并且，因采用的是機械同步的電動缸，所以不考慮不同步造成的影響。將右翻轉頂蓋簡化為質點，最大拉力的位置根據結構分析可能有兩處。

（1）當右頂蓋處于最底部位置時，其受力情況如下圖2 所示。當重心與鉸鏈鉸點處于同個水平線，所需的電動缸拉力最大。質心位置可簡化為質心G。連桿因質量較小可忽略不計。取右翻轉頂蓋單獨進行靜力學分析，承受重力、連桿對右翻轉頂蓋的作用力。根據力矩平衡原理，以O1點對右翻轉頂蓋取矩。因兩個翻轉電動缸同時動作，所以單個電動缸負載按照重力的一半計算。

圖2 右翻轉頂蓋受力圖

式中：F1為連桿對右翻轉頂蓋的作用力，L1為連桿對右翻轉頂蓋的作用力相對于鉸接O1點的力臂，L2為右翻轉頂蓋的重力相對于鉸接O1點的力臂。

再對四連桿機構進行靜力學分析，其受力情況如圖3 所示。

圖3 右翻轉頂蓋受力圖

式中：F為電動缸的作用力，L3為連桿對右翻轉頂蓋的作用力相對于鉸接O2點的力臂，L4為電動缸作用力相對于鉸接O2點的力臂。

（2）當重心與鉸鏈鉸點處于同個水平線時，其受力情況如圖4 所示。

圖4 右翻轉頂蓋受力圖

再對四連桿機構進行靜力學分析，其受力情況如圖5 所示。

圖5 右翻轉頂蓋受力圖

本文中右翻轉頂蓋質量為540 kg，取翻轉電動缸最大拉力1 500 kg，根據鉸點起始位置，可得翻轉電動缸最小絞點距為772 mm，最大絞點距為1 323 mm，行程要求為551 mm。

4 伺服控制系統(tǒng)設計

伺服控制系統(tǒng)具有頂蓋解鎖/鎖緊、翻轉頂蓋展開/閉合、尾門解鎖/鎖緊、尾門打開/關閉、無線互聯(lián)、狀態(tài)指示以及報警等功能。伺服控制系統(tǒng)構成及接口框圖如圖6 所示。觸摸屏作為主要操作設備使用，按鈕為冗余設計，在觸摸屏失效時使用。

圖6 伺服系統(tǒng)構成及接口框圖

5 伺服系統(tǒng)的組成

該伺服系統(tǒng)主要由集裝箱翻轉頂蓋展開/閉合、尾門展開/關閉、運輸鎖定、控制箱以及供電系統(tǒng)等方面組成。

集裝箱在運輸時處于關閉狀態(tài)。在進入發(fā)射陣地、飛機起飛前，要將頂蓋展開，使無人機發(fā)射架能夠升起。在發(fā)射完畢后，運輸前，需要將頂蓋重新閉合。頂蓋的展開和閉合，由電動缸推動頂蓋翻轉打開，頂蓋到位檢測采用多圈編碼器實現(xiàn)。

尾門的展開、關閉由電動撐桿完成動作，實現(xiàn)集裝箱尾門的展開和關閉功能。

頂蓋展開前，伺服系統(tǒng)首先將頂蓋運輸鎖進行電動解鎖，解鎖后再進行展開動作。頂蓋閉合到位后，進行頂蓋運輸鎖鎖定。頂蓋運輸鎖均由電機帶動鎖定機構實現(xiàn)，解鎖和鎖定均由檢測開關進行檢測，以確保頂蓋在解鎖后才能展開和運輸前鎖定，確保設備的安全性。

伺服控制箱是伺服分系統(tǒng)的控制核心，安裝在運輸平臺上，主要有頂蓋展開/關閉、運輸鎖定、操作及狀態(tài)指示等功能，主要由PLC 控制器、電源模塊、繼電器、水平儀及操作面板等組成。

6 結語

本文從結構設計、翻轉機構計算、伺服控制系統(tǒng)設計三個方面詳細介紹了某翻蓋式集裝箱的工程設計與實現(xiàn)。該集裝箱已完成實現(xiàn)，相關指標達到要求，具備耐熱、防水等功能，環(huán)境適應性強。