上下板对折式多级扩展方舱的设计

孟晓东，郑静晨，李明，黄山林，徐冬，赵喆，郝昱文，李晓雪

1.武警总医院，北京 100039；2.南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006；3.南阳二机车辆制造有限公司，河南 南阳 473006

引言

方舱具有严密可靠的环境保障系统，并且内部可以集成各种专用设备，因此在军事、通信、检测、气象、工程抢修、医疗卫生、抢险救灾、后勤保障等方面发挥不可替代的作用，而扩展方舱因其扩展后内部空间大越来越得到青睐。在需要大量人员、设备协同工作的重大突发事件和重大活动现场中，单级扩展方舱内部空间已经不能满足设备安装及人员活动的要求，通常需要多台方舱联合工作。多台方舱不仅增加了运输及作业的能源消耗，又大大降低了这类作业响应的时效性。因此研究大扩展比的多级扩展方舱集成更多作业设备，是保障方舱作业迅速有效的迫切需求[1-8]。

目前仍在使用的作业帐篷等装备虽然轻便，但需要现场架设，而且环境保障性能很差；折叠式活动板房对使用环境要求较高，也需要现场架设和撤收，架设时需要吊车等额外设备，同时转运不便。近年来国内外有各种固定方舱和单级扩展方舱产品，但是均由于空间限制只能装载有限的设备。例如华海高圣投资控股有限公司研发的磁共振医疗方舱，只装载了医疗MRI系统，无法集成其他医疗检查设备，也无法在方舱内进行手术等医疗手段。中国电子科技集团公司第二十八研究所研发的野外宿营方舱，每侧可水平抽拉扩展出两个侧拉舱，方舱总体空间比较大，但是方舱长度达到了13 m，影响了方舱公路运输的便捷性及通过性[8]。

针对上述问题，本文介绍了一种上下板对折式多级扩展方舱，并以三级扩展为例详述了方舱的设计布局。该方舱扩展后内部空间宽敞，可以作为作业方向的一体化平台集成大量专用设备，同时操作简单，能够实现一键式控制，维护保养方便，具有很好的应用前景。

1 多级扩展方舱设计

1.1 总体布局

多级扩展方舱内外两级舱体结构与扩展机构必然与其他级不同，这造成了机械结构的对称破缺，削弱了方舱各部分受力的均匀性和传动的等时性，研究这种对称破缺引起的功能演变规律及载荷变化规律，可以对方舱各部分结构强度及扩展动力选择进行针对性的设计[9]。

依据结构对称破缺的应用规律，设计出上下板对折式多级扩展方舱，舱体结构采用铝合金框架加大板式，分为固定部分和扩展部分；扩展机构采用上下板对折式；各部分之间严格密封以达到保温的目的。

三级扩展方舱撤收时宽度为2.5 m，满足公路运输要求；扩展后宽度为13 m，舱室面积增加了4.2倍。方舱的总体布局，见图1～2。方舱的前后侧布局，见图3～4。

图1 三级扩展方舱撤收后总体布局图

图2 三级扩展方舱扩展后总体布局图

图3 三级扩展方舱撤收后前后侧布局图

图4 三级扩展方舱扩展后前后侧布局图

1.2 舱体结构设计

舱体固定部分承载了方舱撤收后整体的重力、设备的重力、风力载荷、运输载荷，对稳定性有很高的要求，所以固定部分采用在框架内镶嵌复合夹心大板的结构。框架各横撑、纵撑通过球形包角、角铝或其他专用型材铆接成型方式连接，框架内填充聚氨酯泡沫，大板与框架间安装有断热桥，可以使框架也具有良好的隔热、保温、隔音等功能[8,10]。固定部分的结构，见图5。

1.2.2 扩展部分的设计

扩展部分最内级与方舱固定部分固定一起，其余上下大板及框架与固定部分均有相对运动，通过铰链顺次铰接。每级的框架横撑和立柱通过角铝铆接连接。每级前后侧侧板与立柱铰接，方舱撤收时旋转收拢在框架内，方舱展开时旋转后与框架密封。方舱上下大板及前后侧侧板的展开过程，见图6～7。

图5 舱体固定部分

图6 方舱上下大板展开过程

图7 方舱前后侧板展开过程

1.3 结构间密封设计

扩展框架与舱体固定部分之间、侧板与扩展框架周边均采用密封条压紧密封，大板与框架间两个对折的大板间采用迷宫加密封条密封，密封形式，见图8～9。

图8 大板与框架间密封形式

图9 对折大板间密封形式

1.4 扩展机构设计

尺度约束类型是指构件为其所连接的运动副轴线之间的相对方位提供的几何约束类型[11]，研究每个曲柄滑块机构的尺度约束类型，依据其传动顺序，确定它们为所连接的相邻两构件之间提供的几何曲面约束类型，进而确定其运动特性，设计出整个扩展结构的拓扑结构。

4)便捷性原则：在绿道系统与外界的联系上，将公共交通系统与慢行道系统无缝连接，方便游客与市民进入绿道网络中，将公共服务设施适当分布在各个大小节点，以便游客随取随用。

多级扩展方舱的扩展机构每级都由动力传动系统、两个串联的曲柄滑块机构组成。每级扩展机构又作为一个支链，各支链相互并联形成并联拓扑。扩展机构的拓扑结构，见图 3～4。

1.4.1 扩展机构组成

每级扩展机构组成，见图10。步进电机、双膜片联轴器、自润滑轴承及轴承座一、滚珠丝杠副和自润滑轴承及轴承座二组成动力传动系统；连杆机构部分由两种曲柄滑块机构组成，法兰耳板、连杆、方舱上板和方舱下板组成曲柄滑块机构一，法兰耳板相当于机构中的滑块，与滚珠螺母通过螺栓连接，方舱上下板相当于机构中的曲柄，分别与连杆铰接；两块可对折的方舱上板8与舱体组成曲柄滑块机构二，舱体相当于滑块。步进电机带动滚珠丝杠副驱动机构一，机构一的运动输出零件为机构二的运动输入，两机构构成串联运动拓扑。

图10 每级扩展机构组成

1.4.2 动力传动系统设计

动力传动系统载荷变化不大，工作平稳，转速低，功率较小，电机可以正反转运动来控制方舱舱室的展开和收折。

该系统由步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠副组成。滚珠丝杠副同时带动上下两套曲柄滑块机构运动，所以每根丝杠两端螺纹旋向相反，配套两个旋向相反的滚珠螺母。丝杠两端和中部选用自润滑轴承支承，联轴器可选用无需润滑的涨紧双膜片式，这样可以不需额外设计润滑系统，降低了制造和维护成本。

滚珠丝杠副是动力传动的重要组成部分，它的性能直接影响扩展机构工作的平顺性，是引起扩展机构振动的主要原因，需要对它的参数进行优化设计。滚珠丝杠进给系统是一个非线性系统[12]，对系统进行动力学仿真，随着丝杠长度、导程、直径等结构参数的变化，其振动螺旋线轨迹的特征呈现非线性变化，依据其变化轨迹选择最合适的丝杠参数。

1.4.3 连杆机构设计

连杆机构作为扩展机构的主要组成部分，为保证扩展机构运动快速平顺，需要对其进行最优化设计。对其优化设计的基本原则是保证其在满足扩展机构运动特性，满足疲劳应力强度、稳定约束和变形约束的前提下质量更轻。建立机构基于响应面的近似模型，建立曲柄和连杆状态变量的二阶响应面近似模型，对模型进行准确性校验后，建立曲柄连杆协同优化模型，对曲柄和连杆基于响应面近似模型进行协同优化设计[13]。优化后可大幅减小机构总体积，并使运动中连杆所受载荷尽可能均匀，提高机构寿命。

1.5 控制系统设计

多级扩展方舱控制系统由车载移动式控制器输出高速宽度可调制脉冲信号，通过控制步进驱动器，进而驱动步进电机运行。采用CoDeSys开发程序，精确控制多台步进电机同步运转，带动滚珠丝杠及连杆机构，实现上下板对折式多级方舱的一键式自动扩展和撤收。

z级扩展舱每侧需要2(z+1)套传动系统，每套传动系统由一台步进电机提供动力。为使扩展撤收机构运动快速平稳，需要考虑多个电机协调同步问题。设计多电机监控系统及模块组合通讯协议，采用耦合控制，实时监测所有电机的电流，及时消除每台电机自己的跟踪误差及相邻电机的同步误差[14]，可以改善负载扰动、环境或驱动不匹配、不协调等因素对机构运行的影响。

为提高永磁同步电机对控制信号的响应速度，提高其对系统参数的辨识度，可以在矢量控制的基础上进行基于动态矩阵的电流环预测控制，使控制系统的动静态性能更优，鲁棒性更强[15]，实现电流的快速稳定跟踪。

为提高每台永磁同步电机运行的精确度，可以针对每一种电压矢量预先计算出使得下一时刻转矩和磁链误差最小的占空比，再通过价值函数同时选取出电压矢量和占空比的组合[16]。这种控制方法能够很好地抑制转矩和磁链脉动，在不影响电机动态响应性能的同时提高电机的稳态性能。

2 应用

本文作者依据该方案进行了工程设计，建造了3D模型和三级扩展方舱验证装置，进行了验证试验。试验时能够扩展6米的三级扩展结构扩展或撤收快速平顺无卡阻，证明该方案切实可行。依据试验结果，进一步的正在制作基于该方案的大扩展比车载方舱，并以该车载方舱为平台搭建出一台车便可整合全部野战检查检验功能的车载综合处置方舱。3D模型和验证装置，分别见图11～12。

图11 扩展舱3D模型

图12 验证装置

3 结论

本文设计了一种上下板对折式多级扩展方舱，利用机械结构对称破缺规律设计了方舱舱体结构及其密封形式，利用运动拓扑规律设计与舱体相适应的扩展机构，方舱的扩展和撤收采用多电机同步控制系统实现一键式控制。新型方舱具有很大的扩展比，扩展后内部空间宽敞，可以作为作业方向的一体化平台集成大量专用设备，同时操作简单，能够实现一键式控制，维护保养方便，具有很高的实用价值和推广前景。

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