某浮空器收放牵引绞盘的设计与研究

程士军，周光明，雷良超

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 合肥 230088；2.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室， 南京 210016)

某浮空器收放牵引绞盘的设计与研究

程士军1，周光明2，雷良超2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 合肥 230088；2.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室， 南京 210016)

本文通过对浮空器近地拉索收放状态下载荷的仿真分析得出了牵引绞盘的负载特性及功能要求，设计了交流变频控制的浮空器牵引绞盘。电机采用恒转矩工作模式并配合机械排线同步，实现近地收放功能。此外，推导了驱动功率计算公式，采用链轮、链条、丝杆的排线传动方案。通过一体化设计，很大程度上精简结构、提高了浮空器在拉索收放状态下的安全性、可靠性。

浮空器；拉索；牵引绞盘

目前，系留气球是国内外应用广泛的浮空器系统之一。它依靠气囊内的轻质气体获得浮力，并依靠系留缆绳拴系，可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留的浮空器。

作为一种全新的空中平台，浮空器可以在时间和空间上填补飞机和卫星的不足，并可搭载各类电子装备，在军事和民用方面都具有广泛的应用前景。由于其滞空时间长、覆盖面积大、能耗低、便于拆收、机动性强，可用于气象探测、通讯中继、地形测绘、低空预警、边海防的空中监测以及反恐监测等，因而受到普遍的关注[1]。

系留气球由气球球体、系留缆绳、机械拉索、设备方舱组成。系留气球的运动状态主要包括空中缆绳收放、近地拉索收放及空中(地面)系泊等[2]。

系留气球近地收放和地面系泊，可通过三套牵引绞盘直接对气球球体自带的三根机械拉索拖拽牵引，克服浮力、气动升力载荷实现。牵引绞盘与设备方舱一起随风转动，其中一套位于设备方舱的前部,牵引头部机械缆索,另外两套分别位于设备方舱后部两侧，分别牵引球体左、右机械拉索。如图1所示。

图1 系留气球近地收放示意

1 拉索收放过程分析

近地拉索收放是气球空中缆绳收放与地面系泊之间的过渡状态。气球球体头部机械拉索、左右两侧机械拉索和设备方舱相互牵引，在气球浮力、气动力与设备方舱惯性力、摩擦力等载荷的综合作用下，运动状态复杂。

根据系留气球运动特征，对气球拉索收放过程进行分析。气球总体积约为600 m3，高度为囊体形心相对系留塔顶点的高度。系留气球在地面拉索收放过程中所受的力和力矩分别为：

F=Fg+Fb+Ft+Fa+F′(1)

M=Mg+Mb+Mt+Ma+M′

(2)

式中，Fg、Fb、Ft、Fa、F′、Mg、Mb、Mt、Ma、M′ 分别为气球的重力、浮力、拉索载荷、气动力、附加惯性力及其所对应产生的力矩。

使用Matlab/simulink中的Aerospace模块模拟气球(Aerostat)。将地面设备水平横梁、系留塔和设备舱等简化成一个转动梁(Rotor)，通过机械拉索约束气球，在水平面内作单自由度转动。使用SimMechanics模块模拟转动梁和三根机械拉索(Tethers)。模型总框图如图2，输入气球初始稳定值(如表1所示)开始计算，绞盘在第2 s以0.2 m/s速度同时匀速收卷三根机械拉索；在5 s施加3 m/s侧向风速，改变输入条件进一步计算[3]。

计算结果如图3～图5，分析发现：头部机械拉索和左右机械拉索的初始载荷分别为1.9 kN、1.5 kN、1.5 kN。当三根机械拉索的收放速度从0 m/s增加到0.2 m/s时，气球高度先快速下降，然后出现短暂上升，最后转为稳定下降。由于机械拉索的反作用，系留设备跟随气球转动，在3 m/s侧风作用下，气球俯仰角、横滚角、航向角及三根机械拉索张力值产生较大的波动。左右机械拉索张力在0.5～3 kN波动，变化幅度为2.5 kN，最大值达到了初始载荷的2倍；头部机械拉索波动幅度略小，在1.2～2.5 kN波动，变化幅度为1.3 kN，最大值达到初始载荷的1.3倍。侧向风速扰动导致机械拉索最小载荷明显降低，甚至接近为零。

图2 系留气球系统模型总框图

表1 初始稳定状态

图3 气球姿态-时间变化

图4 拉索张力-时间变化

图5 气球高度-时间变化

2 牵引绞盘设计

2.1 设计思路

系留气球近地面收放操作过程中，与常规的牵引设备不同：既需要调整收放速度，又要克服风速、风向实时变化引起的拉索载荷大小、方向变化，更要求设备具有高的可靠性。牵引绞盘主要设计思路如下：

1) 收放过程中，载荷实时、大幅度变化，最大值达初始载荷的2倍以上，最小值可能为零。要求牵引绞盘具有恒转矩负载特性且速度不因载荷变化而发生变化；

2) 气球姿态变化与系留设施方舱随风转动带来拉索角度频繁变化。牵引绞盘应能克服排线载荷，具有带载主动排线功能；

3) 为提高系留气球收放操作过程的安全性和灵活性，要求牵引绞盘收放速度具有线性调节功能；

4) 要考虑牵引绞盘除实现近地面收放外，还应具有可靠的地面系泊牵引功能。

2.2 传动方案设计

针对系留气球拉索收放状态的载荷特点，设计了使用带制动装置的交流变频电机作为动力源的牵引绞盘。传动原理图如图6。电机与减速器通过法兰连接，减速器输出转矩驱动卷筒收放机械拉索。卷筒一端直接安装在减速器输出轴上，依靠减速器壳体作为结构支撑；另一端单独通过轴承座支撑。排线器通过链条、链轮、双向丝杆机构从卷筒上直接获得排线动力，无需单独的排线动力源。排线速度和方向与卷筒通过传动比的匹配实现机械同步。

图6 传动原理图

2.3 驱动能力设计

为了实现浮空器变载荷下的近地面收放速度可调，选择交流三相异步电机作为动力源，并采用变频调速的控制方式。其特点为[4]：

1) 电机机械特性的硬度保持好，调速范围宽；

2) 频率连续可调，可实现无极调速。

电机额定功率应不小于机械拉索最大载荷作用下所需的收卷功率和排线功率总和(这里忽略了拉索离心力和弯曲刚度的影响)

P≥P1+P2

(3)

式中，P1为收卷功率；P2为排线功率。

收卷功率P1计算公式为

P1=M·n/955 000η0=F·Rn·n/955 000η0

(4)

式中，M为负载转矩；n为负载转速；η0为卷筒传动效率；F为拉索最大载荷；Rn为最大收卷半径。

最大收卷半径Rn，可根据图7计算得出

(5)

(6)

(7)

式中：D为卷筒直径；r为拉索半径；s为卷筒有效宽度；s/2r为卷筒每层缠绕的拉索圈数。

图7 卷筒缠绕示意图

排线功率P2的计算公式为

(8)

式中；Mq为驱动转矩；n′为丝杆转速；η1为螺纹效率；η2η3为轴承支撑效率。

Mq=Mt1+Mt2=

1/2d2Fsinα·tan(λ+ρ′)+μfd3/2

(9)

式中:Mt1为螺纹摩擦力矩；Mt2为轴承摩擦力矩；d2为丝杆螺纹中径；λ为螺纹升角；ρ′为当量摩擦角；μ为轴承摩擦因数；f为轴承载荷；d3为轴承内径；。

由式(3)～式(9)得出牵引绞盘所需的最小驱动功率，通常会加上不小于10%的功率冗余，从而确定牵引绞盘电机的驱动功率[5]。

驱动电机选定后，根据电机额定转速和卷筒最高转速及丝杆的节距等参数确定减速器及排线的传动比。

2.4 排线系统设计

常规的排线系统通常采用编码器或测速电机测量收卷速度，再通过可编程控制器驱动排线专用伺服电机实现同步。这种方式虽然控制精度较高，但因引入较多的测量环节和控制环节，导致系统控制复杂，可靠性降低[6]。为了提高排线系统的同步性及可靠性，采用了链条、链轮、丝杆传动机构。通过匹配传动比，实现了排线速度、方向与卷筒的机械自动同步。

2.5 制动系统可靠性设计

为了提高牵引绞盘地面系泊牵引的可靠性，使用多重制动及制动保护装置。主制动装置采用摩擦制动器制动电机，辅助制动采用棘轮制动系统制动卷筒。

3 创新点及使用效果

根据仿真及计算结果，采用收放系泊一体化设计、多重安全保护制动、可靠的机械排线、恒转矩线性调速等技术，设计出的牵引绞盘性能稳定可靠、结构紧凑。

将设计的绞盘用于车载系留气球系统的收放和地面系泊，并开展飞行测试。系留气球近地面回收时头部绞盘牵引速度实验结果如图8所示。可以看出，在拉索载荷变化过程中，牵引绞盘启动5 s后速度基本稳定在0.2 m/s，运行平稳可靠。

图8 气球回收牵引速度实验结果

4 结论

本文根据系留气球拉索收放状态进行载荷仿真分析，基于仿真结果设计了恒转矩驱动、机械排线同步的牵引绞盘。所设计牵引绞盘具有以下特点：

1) 结构简单、可靠性高，能具有可靠的系留气球拉索近地收放功能。

2) 用于某车载系留气球系统产品，牵引速度稳定、运行平稳。

3) 通用性强，还可作为通用设备广泛应用于各种飞艇、空飘气球等浮空器的近地面收放、牵引。

[1] 郭绪猛,苏润.新型系留气球缆绳收放系统设计[J].机械与电子，2009(8):71-73.

[2] 何强.系留气球系留系统的设计[J].电子世界,2015(19):34-35.

[3] 赵攀峰，王永林，薛松海.系留气球系统拉索收放状态建模与仿真[J].航空工程进展,2011,2(3):255-259.

[4] 刘锦波,张承慧.电机与拖动[M].北京:清华大学出版社，2005:270-273.

[5] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社，2008,3(12):4-8.

[6] 鄢华林.收放系统恒张力研究[J].机床与液压，2012,40(17):44-49.

(责任编辑周江川)

DesignandResearchofHaulWinchforLaunchingandRecoveringofAerostatSystem

CHENG Shijun1, ZHOU guangming2, LEI liangchao2

(1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088, China; 2.Nanjing University of Aeronautics amp; Astronautics， Nanjing 210016， China)

A designing scheme of haul winch is introduced, which can be used for launching and recovering for the aerostat system. By analyzing load characteristic and functional requirements from simulations of aerostat system near ground, a haul winch was designed. Motors can work in constant-torque mode under AC variable frequency, and coordinate winding displacement synchronization. Furthermore, technical scheme of this winch was detailed, in which computational formula for driving power was derived and winding displacement transmission mode using sprocket wheel, chain and lead screw was also illustrated. By integrated design and structure simplification of such winch, safety and reliability for aerostat system are improved.

aerostat system; cable; haul winch

2017-07-14；

2017-08-10

程士军(1979—)，男，硕士，高级工程师，主要从事浮空器结构及总体设计研究。

装备理论与装备技术

10.11809/scbgxb2017.11.004

本文引用格式：程士军，周光明，雷良超.某浮空器收放牵引绞盘的设计与研究[J].兵器装备工程学报，2017(11):17-20.

formatCHENG Shijun, ZHOU guangming, LEI liangchao.Design and Research of Haul Winch for Launching and Recovering of Aerostat System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):17-20.

V273

A

2096-2304(2017)11-0017-04