一种高稳定性重载升降系统设计与仿真分析

2017-03-08陈世杰王庆虎徐焕焕

电子机械工程 2017年6期

陈世杰，王庆虎，徐焕焕，宋健

(安徽恒诺机电科技有限公司，安徽六安 237000)

引言

中国第一架商用飞机C919地面指挥舱的举升系统要求负载不小于6 t，压缩高度不大于650 mm，举升高度不小于2 850 mm， 8级风工况下，上下平台的晃动量小于±10 mm，10级风工况下设备不破坏。

目前，国内常见的大压缩比和大行程举升系统有剪刀撑式、多级丝杠式、多级液压缸式以及柔性柱式。剪刀撑举升系统其受力和导向为一体式，其承载一般不高，且晃动量较大；多级丝杠式和多级液压缸式举升系统体积小，一般应用在具有翻转功能产品上，但其传动效率和可靠性较低，且不适合该项目技术特点；柔性柱[1]式可将水平运动转化为直线运动，但其不能承受侧向力，无法保证晃动量。

基于以上举升系统的特点，本文提出以柔性柱为基础承载垂直方向力，利用剪刀撑机构为导向的一种新的设计方法，并通过有限元分析和试验测试来验证该设计方法是否满足C919地面指挥舱举升系统所提出的指标要求。

1 升降系统传动原理及特点

1.1 系统概述及工作原理

系统由上平台、下平台、半挂车、调平撑腿、柔性柱及其他柔性辅助装置(包括折叠拉杆、剪刀撑、斜拉杆)等组成，如图1所示。半挂车是整个升降设备的载体，其侧面装有4组机电调平撑腿；升降系统下平台与半挂车螺栓连接，4组柔性柱、2组一级剪刀撑、4组折叠拉杆、4组斜拉杆安装在上下平台之间；指挥舱与上平台螺栓连接。

图1 机电升降塔整体布局示意图

考虑到方舱底部尺寸为5 000 mm × 2 500 mm(长×宽)，质量为4.5 t，而选择柔性柱的截面尺寸为136 mm ×99 mm(承载2.3 t)，所以采用4组对称布置的柔性柱装置组成升降的执行机构，其压缩高度为420 mm，且由一台电机输出，通过两种刚性联轴器和两级减速机带动其动作，能够保证整个系统的同步性，如图2所示。

图2 传动系统方案

工作时，必须先将整个升降系统进行调平(升降系统所有的动作全都建立在自动调平的基础上)，然后解除快速锁定机构(手动反螺纹结构，用于运输时锁紧上下平台)。通过人工按键向控制系统发送举升指令，指令通过可编程逻辑控制器(PLC)集中处理后再传到电机端，解锁双制动器并带动电机的转动[2-5]；电机直接带动一级减速机，一级减速机为同轴双向输出，通过2个十字万向联轴器带动2个二级减速机，二级减速由双向输出轴通过刚性联轴器再带动4组柔性柱上升；柔性柱顶着上平台再带动折叠拉杆、剪刀撑进行上升动作。当举升到位时(接近开关判断)，系统停止动作，电机抱闸制动，剪刀撑锁定，折叠拉杆预紧。此时，再将4组斜拉杆取出，相互斜交叉挂在上下平台对应支耳处并锁紧。

撤收时，必须先将斜拉杆拆下放入下平台对应的存放位置。当存放斜拉杆位置上接近开关点亮时，按下撤收按键系统才会有反应，否则系统不动作。当撤收到位时(接近开关点亮)系统停止动作，电机抱闸制动，最后锁上快速锁定机构。

1.2 柔性柱传动装置

柔性柱是由一节一节的方柱铰接而成，具有刚性体特性。如图3所示，传动箱内部的链条为水平放置，在驱动齿轮处将链条柱节的水平运动转化为垂直运动，以实现平台的垂直升降。它的优点是能将水平运动直接转化为垂直运动、重复定位精度高、压缩空间小、无污染等。

图3 柔性柱装置结构示意图

1.3 系统稳定性

柔性柱是将水平运动转化为竖直运动，由图3可以看出单个柱节围绕柱销转动的自由度不是完全约束的，整个上平台的受力简化示意[6]如图4所示。结合图1和图3，在长度方向上柔性柱整体有向中间弯曲的趋势，对每个柱节而言，也都有向中间转动的趋势。这对于该升降系统而言，是不稳定的，尤其是处于工作状态时，侧向风载的随时变化都会对该结构产生影响。

图4 上平台受力示意图

因此，在长度方向上需要增加一种限制柔性柱节转动的抗拉装置，考虑其要随平台同步升降，采用折叠拉杆的方式解决这一问题如图5所示。在宽度方向上，由于柔性柱装置、折叠拉杆和上下平台组成的是不稳定的平行四边形结构，所以增加斜拉杆构成三角结构以提高抗风稳定性，各稳定性结构功能见表1。

表1 各稳定性结构功能表

图5 稳定性功能结构图

2 稳定性结构设计

2.1 折叠拉杆

折叠拉杆如图6所示，限于压缩高度和自动折展功能要求，折叠拉杆旋转中心为偏心设计，以保证拉杆顺利的撤收，拉杆旋转中心旁边留有一半5 mm深缺口的限位轴，用于在上升到位时的限位，同时起到抗拉作用。

图6 折叠拉杆结构动作示意图

如图6所示工作时，平台上升带动折叠拉杆从收拢极限状态沿展开方向动作，固定旋转轴为上下拉杆的旋转中心，两个拉杆限位半圆轴绕着固定旋转轴旋转，上、下平台支耳始终在一条直线上运动，当平台上升到位时，限位半圆轴旋转到位，互相啮合；撤收时，由于上下两杆的固定旋转轴(即旋转中心)与上、下平台支耳中心构成的三点不共线，因此在柔性柱拉力和拉杆自重的作用下，上平台支耳的Fb和下平台支耳的Fc交汇到固定旋转轴处会产生有一个横向的力Fa，在Fa的作用下，折叠拉杆便会自动沿着撤收方向自动折叠。

2.2 剪刀撑

剪刀撑按照级数可以分为一级、两级、多级；按照驱动形式可以分为液压式、机械式、机电式；按照驱动单元放置的形式又可分为水平式、垂直式、斜放式[7-8]。

该升降系统由于压缩高度只有650 mm，平台总长却达到5 000 mm，因此只能选择一级剪刀撑结构形式，如图7所示。该剪刀撑主要作用有两方面：一方面作为整个系统的升降导向；另一方面当系统举升到位后，对剪刀撑的滑块机构进行锁定，可以提高长度方向的抗风稳定性。

图7 一级剪刀撑结构伸缩形式示意图

考虑到剪刀撑旋转轴处有防盐雾、防霉菌、防湿热的要求，旋转轴除了表面三防处理外，还要在旋转摩擦部分进行结构密封，如图8所示。工作时，通过油杯向轴内部注入润滑油，由于端面密封件的存在，油被锁在内部形成油膜，延长旋转轴使用时间。

图8 剪刀撑旋转结构密封示意图

2.3 斜拉杆

斜拉杆结构如图9所示，分为下斜拉杆和上斜拉杆两部分，两个部分均有挂钩。下斜拉杆在圆管外面套有外螺纹衬套，外螺纹衬套和圆管之间配有尼龙衬套，可以顺着圆管滑动，它与把手螺母相配且通过装在下斜拉杆端部的螺柱进行限位。上斜拉杆的尾部也有一段螺纹圆柱，用于和把手螺母相配。使用时，只需要将把手螺母旋上上斜拉杆的螺纹并拉紧即可。

图9 斜拉杆结构密封示意图

斜拉杆在系统长度方向上共前后两组布置，每一组互相交叉排布，如图10所示，在每一组的两个上斜拉杆交叉处都安装有抱箍(抱箍可以沿着每个杆子调整位置)，抱箍和抱箍中间通过螺纹销轴进行连接，形成三角形结构。

图10 斜拉杆固定结构密封示意图

3 系统有限元分析

3.1 有限元模型定义

根据系统的结构形式，建模时进行一定的简化，去除对结构力学性能影响较小的倒角、小螺纹等细节特征[9]。有限元模型如图11所示，总质量为8.745 t，其中上平台负载为6 t，2个电机共460 kg，4组柔性柱装置共920 kg，其他采用质量单元进行等效。模型共268 698个单元，264 006个节点。系统结构材料为Q345D低合金结构钢。

图11 升降塔有限元模型

有限元模型所用的坐标系定义如下：坐标原点为下框架安装面的几何中心，向上方向为+Y方向，下框架宽度方向为Z向，下框架长度方向为X向，三方向满足右手准则。需要指出的是，由于当阵风沿Z方向加载时，只有一侧一个斜拉杆起作用，因此仅保留模型中的一侧斜拉杆进行分析计算。

边界条件为固定底座安装孔位置全约束。

力学环境条件分别为：8级风，正常工作；10级风，结构不被破坏。

3.2 载荷计算及分析

作用于结构上的风载荷F采用以下公式计算：

F=CFqA=1/2CFρ(ηκυm)2A

(1)

式中：CF为风阻系数，按实心平板取1.2；ρ与空气密度相关，取0.125 kg·s2/m4；η为风高系数，取10 m高度的风速修正系数，η=1；κ为阵风因子，按《军用地面雷达通用规范》要求，阵风风速与平稳风速的比值为1.5，因此取κ=1.5；υm为平稳风速，即指标要求中的风速值；A为天线的特征面积，迎风面A=12.5 m2。

根据公式(1)计算得到：8级风速时，单个天线风载荷为903.85 kg；10级风速时，单个天线风载荷为1 701.34 kg。

3.3 分析结果及汇总

系统一共在6个工况下进行有限元分析，工况1：8级风Z向加载；工况2：自重8级风X向加载；工况3：自重8级风45°加载，分析结果见表2。

表2 各种工况分析表

从表2中可以看出8级风速下系统最大变形为5.798 mm，小于系统技术指标10 mm；10级风速下系统最大应力为201.1 MPa，小于系统材料Q345D的屈服强度345 MPa。所以，从分析结果来看，方案合理可行。

4 加载试验

为了进一步验证整个升降系统是否确实满足抗风稳定性要求，经与客户协商使用以下方法进行加载试验如图12所示。

图12 试验方案原理示意图

将整个系统放置在一水平平台上，下平台与该水平平台螺栓紧固。立一根固定直杆在水平平台上并靠着上、下平台，并在上平台上利用直杆标记竖线。根据计算的8级风载，在上平台的Z方向和X方向(各取3等分点)分别加载相应的负载，此时上平台会向加载的方向偏移，再利用直杆对上平台标记。通过测量两次标记刻度的距离来读出相应的位移量，即约定为8级风载下Z方向和X方向的晃动量，见表3。