系留气球锚泊车转台阻尼机构分析

颜 标

( 中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台研发中心，合肥 230088)

0 引言

图1系留气球地面锚泊状态

系留气球作为一种轻于空气的浮空器[1](LTA)，凭借其滞空时间长、覆盖范围广、平台载荷尺寸大、效率高、使用成本低等优势，在国民经济和军事活动中的应用越来越多[2]。系留气球平台系统主要由系留气球、载荷、缆绳、锚泊车、地面控制系统等组成。锚泊车是系留气球系统重要的地面设施，主要用于设备运输、气球的地面和空中系留以及收放操作，在其内部安装各种电子设备和缆绳收放设备，组成包括牵引车、半挂拖车和回转上装等，如图1所示。

锚泊车转台通常设计成不带动力的随风自由回转机构，以保证气球头部始终迎风，减少风载，提升系统安全。但在某些气象条件下，如地面风速较大、风向不稳定时，系留气球会带动锚泊车大范围摆动，影响系留气球近地系留操作[3]。为此需要设计一套转台阻尼机构，以减缓锚泊车摆动幅度，提高近地系留操作的安全性。

1 转台阻尼机构组成

转台阻尼机构布置在锚泊车底盘，与锚泊车大梁集成化设计，合理利用底盘空间。除转台阻尼控制箱外，其余设备均隐藏布置在锚泊车底部。转台阻尼机构由液压泵站、液压管路、液压蓄能器、液压控制阀、制动盘、液压钳式制动器、小齿轮、带外齿的回转支撑、齿轮箱和控制箱组成，具体如图2所示。控制箱可根据需要布置在锚泊车侧面，方便人员操作，图上未做标识。

1-液压泵站 2-液压管路 3-液压蓄能器 4-液压控制阀 5-制动盘 6-液压钳式制动器 7-小齿轮 8-带外齿的回转支撑 9-齿轮箱图2转台阻尼机构组成示意图

1.1 系统工作原理

锚泊车阻尼机构工作原理如下：

当液压控制阀处于释放状态时，整个液压管路压力为零，液压钳式制动器处于开合状态，锚泊车转台阻尼机构不工作，锚泊车处于自由顺桨状态。

启动液压泵站，通过调整液压控制阀，控制液压管路的压力，实现液压钳式制动器与制动盘贴合，制动力通过齿轮箱和小齿轮，传递到回转支撑上，实现锚泊车转台制动。制动力的大小与管路液体压力相关，可通过控制箱的旋钮选择相应的压力，同时系统还配备了液压蓄能器，既可以避免液压泵站频繁启动，又可以在系统断电时提供足够的压力，实现转台阻尼和制动[4-5]。

锚泊车转台可按照设定程序实现一键制动和解除，也可以通过控制箱中的调节旋钮，手动选择制动压力，逐步降低转台制动力矩。机构操作方便，简单可靠。

锚泊车制动原理如图3所示。

图3锚泊车阻尼机构液压原理图

1.2 阻尼机构设计

转台锁定力矩设计指标为0～101.76KNm连续可调，且能实现任意方位锁定。

锁定方案采用液压制动盘带动小齿轮锁定回转支撑外齿，实现锚泊车空中锁定，具体结构如图4所示。

回转支撑选用带外齿单排交叉滚子轴承，滚道直径1250mm；外齿参数：m=10；Z2=144；制动机构小齿轮参数：m=10；Z1=15。

锁定机构由安装支座、小齿轮、传动轴、轴承、制动盘和液压钳式制动器组成[6]，安装方式如图5所示，制动盘刹车圆直径A=300mm，盘外径350mm。

图4 转台锁定机构示意图

图5锁定机构示意图

自动锁定制动力矩计算：

液压钳式制动器选用MICO的02-520-260型号，活塞直径D=3.5英寸(89mm)，油压按p=2000PSI(14MPa)计算，摩擦蹄片与制动盘间的摩擦系数为f=0.3，则每个钳式制动器(装1对活塞及蹄片)产生总摩擦力为：

F=2D2πpf/4

=2×0.0892×π×14×106×0.3/4

=52231N

制动力矩为：M2=FA/2=52231×0.3/2=7834Nm

制动装置沿制动盘圆周方向共设3个钳式制动器，其中1个作为备份，则传到回转支撑的总的制动力矩为：

M=2M2×Z2/Z1=2×7834×144/15=150.4KNm>101.76KNm，满足制动要求。

2 试验情况

锚泊车在长达半年的外场试验中，历经大风、暴雨等极端环境的考验，有转动阻尼和无转台阻尼两种工况下，球体顺桨的情况如下：无转台阻尼时，锚泊车随球体大范围摆动，地面操作人员在执行地面系留或对设备进行维护时受影响较大，经常需要人工辅助，减缓变化幅度，存在较严重的安全隐患；启动转台阻尼机构，依据风速大小、风向变化等因素，选择合理的制动压力后，锚泊车在转台阻尼的作用下，能有效地减缓锚泊车摆动幅度，对锚泊车操作人员尤其是锚泊车旋转平台以上的操作人员尤其重要，有效地实现了锚泊车平稳转动，保证了系留气球及操作人员的安全。

3 结语

转台阻尼机构可以有效地减轻地面风场紊乱情况下系留气球大范围剧烈摆动，提升系统安全性。试验结果表明，不同的制动压力会导致不同的阻尼效果：阻尼太小，效果有限；阻尼太大，锚泊车几乎不随球体转动，会造成安全隐患。因此选择适当的制动力是转台阻尼机构能有效工作的关键。经过外场的多次试验，研发团队积累了一些数据和使用经验，后期要针对这些数据作进一步分析研究，考虑将风力、风向等气象数据与转台制动力结合起来，实现转台阻尼自动控制，进一步降低对操作者经验的要求，更好地保障系留气球的安全。