宋振越,曹秀芳,侯曉亭
(南京晨光集團有限責任公司,江蘇 南京 210006)
對于現(xiàn)代化特種車輛,例如,雷達車、火炮發(fā)射車、搶險救援車、野戰(zhàn)醫(yī)療車等,車上通常搭載有許多高精度設(shè)備。這類設(shè)備工作前,通常需要先對車載平臺進行調(diào)平以對其提供一個良好的基準平面。當車輛到達預(yù)定位置后,車載平臺調(diào)平動作及設(shè)備工作結(jié)束后車輛撤收所需時長是極其重要的技術(shù)指標,對提高整車機動性能、及時捕捉戰(zhàn)機、贏取作戰(zhàn)的主動性至關(guān)重要。作為調(diào)平動作的執(zhí)行機構(gòu),調(diào)平支腿根據(jù)驅(qū)動形式通常可分為電液調(diào)平支腿和電動調(diào)平支腿。對干電液調(diào)平支腿,系統(tǒng)需單獨配備液壓能源,存在維護和保養(yǎng)要求高、系統(tǒng)響應(yīng)慢、容易因泄漏導(dǎo)致平臺精度難長時間保持等不可忽視的缺點。電動調(diào)平支腿由電機直接驅(qū)動,結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、能夠長時間可靠鎖定,符合調(diào)平工況的使用要求。本文介紹了一種車載電動調(diào)平支腿,能夠?qū)崿F(xiàn)車載平臺的快速調(diào)平/撤收動作。
(1)調(diào)平支腿能夠承受軸向動載荷200kN,靜載荷300kN,沖擊載荷510kN;(2)調(diào)平支腿收攏長度:≤1384mm;(3)有效行程:≥600mm;(4)空載伸出速度:≥149.8mm/s;(5)負載伸出速度:≥49.9mm/s;(6)24h 內(nèi)位移變化量:≯1mm;(7)工作溫度:-40~70℃;(8)儲存溫度:-40 ~70℃;(9)具有防霉菌、防鹽霧、防砂塵等措施。
車載調(diào)平支腿通常通過安裝法蘭與車輛底盤安裝側(cè)板進行連接(如圖1 所示),各支腿底部支撐盤距離地面有一定的初始離地高度。以伸出調(diào)平過程為例,具體工作流程如下:支腿先按照指令同時空載伸出直至支撐盤撐實地面,隨后調(diào)平控制器根據(jù)安裝在底盤上傾角傳感器反饋的角度信息執(zhí)行調(diào)平控制算法,繼續(xù)控制各支腿伸出不同長度直至滿足預(yù)期調(diào)平精度。當精度滿足指標要求后,支腿電機制動器對各支腿鎖定,保證目標平臺當前姿態(tài)。
圖1 調(diào)平支腿安裝示意圖
為實現(xiàn)車載平臺的快速調(diào)平/撤收,本文設(shè)計了一種如圖2 所示通過雙電機聯(lián)合驅(qū)動運行的調(diào)平支腿。該調(diào)平支腿采用“電機+齒輪副+滾珠絲杠副”并聯(lián)布局的方案,主要由空載電機、負載電機、減速器、離合器、齒輪箱、滾珠絲杠副、缸筒、支撐盤、限位開關(guān)等組成。由于負載電機為懸臂形式,為提高整個支腿運行的剛性,在負載電機與缸筒之間設(shè)置抱箍結(jié)構(gòu)。齒輪箱兩側(cè)及缸筒側(cè)壁設(shè)有注油孔,方便使用過程中進行油脂加注。
圖2 調(diào)平支腿外形示意圖
該調(diào)平支腿采用兩個電機分別進行空載和負載的驅(qū)動。工作時,電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)傳動機構(gòu)最終轉(zhuǎn)化為活塞桿的直線運動,推動車體平臺升降動作直至實現(xiàn)預(yù)期平面精度。以伸出過程為例,支撐盤觸地前采用空載電機驅(qū)動,過程中電磁離合器斷開,空載電機的旋轉(zhuǎn)運動無法傳遞至行星減速器端而經(jīng)齒輪箱后直接帶動活塞桿伸出,當支撐盤運行至距離地面設(shè)定位置時,電磁離合器吸合,調(diào)平支腿切換為由負載電機提供動力來源,繼續(xù)進行后續(xù)觸地前的低速伸出以及觸地后的調(diào)平動作。
結(jié)合絲杠導(dǎo)程和受力情況,調(diào)平支腿最終選用高負載驅(qū)動滾珠絲杠副。該絲杠導(dǎo)程為10mm,承受額定靜載荷的能力為779.69kN(>510kN),動載荷能力338.57kN(>200kN),滿足使用要求。
綜合考慮調(diào)平支腿的結(jié)構(gòu)布局及減速比的設(shè)置,總減速比設(shè)為16.02,其中齒輪箱的減速比設(shè)為2.67,減速器的減速比選擇為6。
(1)離合器。離合器選用電磁齒式離合器,設(shè)置在主動齒輪與減速器之間??蛰d電機運行過程中離合器斷開,減速器不發(fā)生轉(zhuǎn)動;負載電機運行過程中離合器吸合,動力經(jīng)減速器、齒輪箱傳遞至絲杠端。
(2)減速器。絲杠端額定輸入扭矩:
式中,1F偉調(diào)平支腿額定出力,按200kN 計算;hP為滾珠絲杠導(dǎo)程;1η為滾珠絲杠的傳動效率,取η1=0.93。
減速器所承受的額定動扭矩:
式中,ig為齒輪副的傳動比;η2為齒輪副的傳動效率,取η2=0.97。
絲杠端最大輸入扭矩:
式中,2F為調(diào)平支腿最大靜載荷,按510kN 計算。
減速器所承受的最大扭矩:
減速器選用精密行星減速器,額定輸出扭矩600Nm(>132.2Nm),額定輸出轉(zhuǎn)速3000rpm,最大輸出扭矩1800Nm(>337.2Nm),最大輸出轉(zhuǎn)速6000rpm,使用溫度-40 ~+70℃,防護等級IP65,滿足使用要求。
(3)負載電機。調(diào)平支腿額定出力時電機的輸出力矩:
式中,i為傳動機構(gòu)的總傳動比;η為傳動機構(gòu)的總效率,η=η1η2η3=0.875;η3為行星減速器的傳動效率,取η3=0.97。
調(diào)平支腿應(yīng)在沖擊載荷的作用下保證可靠鎖定,按該數(shù)值進行電機失電制動器的計算:
根據(jù)上述計算,負載電機選用永磁同步伺服電機,該電機由永磁同步電機本體、磁極位置傳感器和失電制動器組成。電機額定輸出扭矩23.1Nm,1.2 倍過載扭矩27.72Nm(>22.7Nm)。電機配置90Nm(>57.9Nm)失電制動器,性能優(yōu)良,可以實現(xiàn)調(diào)平支腿斷電后的自鎖功能,所采用的失電制動器適用環(huán)境溫度范圍為-40~+155℃,防護等級為IP67,整體封裝在電機內(nèi)部,滿足使用要求。
(4)空載電機。調(diào)平支腿空載運行時電機的輸出力矩:
式中,3F為空載情況下調(diào)平支腿主要克服自身的摩擦力,參考絲杠的設(shè)計參數(shù)及運動件的摩擦力,取該力為10kN。
空載電機選用永磁無刷力矩電機,電機額定轉(zhuǎn)速1500rpm,額定輸出扭矩15Nm(>6.6Nm),設(shè)置絕對值編碼器。
傳統(tǒng)的調(diào)平支腿采用單電機作為動力來源,當支腿空載動作時,由于電機的高速旋轉(zhuǎn)運動會經(jīng)減速器減速,因此無法實現(xiàn)支腿在該過程中的快速運行。本文設(shè)計的利用雙電機傳動的調(diào)平支腿,在空載和負載運行階段可通過不同電機提供動力來源,空載運行時的電機動力通過齒輪箱直接傳遞至絲杠端,因此可快速實現(xiàn)空載伸縮運動,具有調(diào)平/撤收時間短的特點。
調(diào)平支腿在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,留有足夠的安全余量,支腿在伸出、縮回兩個極限位置設(shè)置限位開關(guān),同時負載電機采用多圈絕對值編碼器,支腿運行時在上位機程序中設(shè)置電機能夠運行的極限位置,確保在有效行程內(nèi)運行。
電動調(diào)平支腿根據(jù)調(diào)平控制系統(tǒng)指令,空載運行時由空載電機經(jīng)齒輪箱、絲杠直接帶動活塞桿進行快速伸縮,當帶載運行時,電磁離合器吸合,負載電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)減速器、齒輪箱、絲杠轉(zhuǎn)換為活塞桿的慢速伸縮。由于節(jié)省了空載運行時間,整個調(diào)平/撤收時長大大縮短,極大地提高了車載平臺的機動性能,對未來作戰(zhàn)具有重大意義。