发射平台摆杆油缸推力计算研究

2021-03-20赵劲彪黎定仕潘玉竹

工程技术研究 2021年1期

赵劲彪，黎定仕，冯超，潘玉竹

北京航天发射技术研究所，北京 100076

发射平台摆杆作为发射平台系统中的重要单机，其功能是用于技术厂房、发射阵地和火箭、卫星之间加注供气管路、卫星电缆、空调管路等设备的连接，在火箭运输过程中保持各设备与地面接口状态不变，在火箭起飞前将各种管路摆开至安全区域，为火箭起飞让出安全通道[1-2]。

发射平台摆杆运动依靠摆杆油缸驱动，其运动过程中有风载、摆杆自重、管路及连接器自重、摆杆轴承摩擦力等多种荷载作用，并且有启动加速惯性作用过程。因此，摆杆油缸推力计算精度决定了油缸设计的正确性。然而，在油缸设计过程中，对推力计算大多采用传统理论计算方法；由于摆杆为变截面桁架结构，且其内部铺设管路，风载较难估算且摆杆主轴为过约束结构，其受力理论分析较复杂。为进一步优化摆杆油缸设计，提高油缸推力计算精度，有必要开展摆杆油缸计算方法研究。

目前，已经有学者研究油缸推力的计算方法，徐艳飞[3]对短壁采煤机的调高油缸和滑动油缸进行了受力分析，利用油缸受载力矩∑M=0 和∑F=0 原理，计算了油缸的设计荷载；王虎[4]利用油泵工作压力P，计算了油缸推力F；许平勇[5]阐述了一种新型电液举升机构的工作原理，通过简化机构建立了液压系统中油缸推力设计计算的数学模型；何雪浤等[6-8]针对折叠臂液压缸推力问题，分别运用虚位移原理中的几何法、坐标法以及传统静力学方法对其进行了分析，推导出了折叠臂液压缸推力理论表达式。

但尚未有文献较为全面地考虑各类受载情况，如外部环境风荷载、集中荷载、均布荷载、惯性作用等；而且尚未有学者通过建立有限元仿真模型进行油缸推力仿真计算。文章基于Abaqus 仿真模型，结合理论运动学公式，对摆杆机械系统进行仿真，通过将管路风载折算到桁架风载，并对主轴施加合理边界条件约束，能有效考虑管路及桁架风载，解决主轴过约束问题。

1 摆杆工作原理及油缸推力计算模型

1.1 摆杆工作原理

摆杆系统主要由机械系统、液压系统、电控系统组成，摆杆系统如图1 所示。机械系统由摆杆桁架、摆杆轴系、拉索组成。其中，摆杆轴系包括主轴和轴承。

图1 摆杆系统图

摆杆运动过程原理：摆杆电控系统发出摆杆运动指令，摆杆液压系统接到指令后，油泵启动升压，启动摆杆液压油缸，驱动液压活塞杆运动，从而带动摆杆齿条直线运动，通过齿条与主轴齿轮啮合，主轴绕自身轴线转动，实现摆杆桁架摆开运动。

1.2 油缸推力计算模型

摆杆油缸驱动齿条齿轮，摆杆绕主轴摆动，运动过程中阻力为风载、轴承摩擦力，考虑启制动摆杆、铺设管路及安装连接器等惯性作用，根据力矩∑M-∑Jε=0 的平衡原理，摆杆运动动力学计算公式如下：

2 工程算例计算

2.1 工程概况

（1）基本参数。对某发射平台摆杆系统油缸进行推力计算，摆杆有上、下两套桁架，主轴上有3 组轴承；摆杆摆开运动角加速度ε 为0.05rad/s2，齿条半径r 为0.4m，摆杆系统其他参数如表1 所示。

表1 摆杆系统参数

式中：q 为作用在地面设备上的风荷载，Pa；K 为考虑瞬间极大风速下偶发性风压增值的系数，取值1.1 ～1.3；CT为风荷载体型系数；CG为风压高度变化系数；CZH为高度Z 处的风振系数；q0为基本风压，Pa。

将相关参数代入式（3），经计算得q=600Pa。

2.2 有限元仿真计算

（1）计算模型介绍。采用Abaqus 有限元软件建模，摆杆桁架和主轴采用梁结构，在三维软件中采用线条建模，导入Abaqus 软件中，赋予梁单元属性；拉索采用非性线弹簧单元（沿轴向仅承拉）建模，如图2 所示。

图2 摆杆有限元模型

（2）计算边界描述。①上拉索随摆杆转动，拉索约束为铰接；②简化齿轮、齿条啮合处为轴上一点，齿轮、齿条主要承扭矩，该点设置Y 向扭转约束，如图3 所示；③简化主轴上、中轴承为轴上一点，轴承类型为调心轴承，起水平位移约束作用，设置X、Z 向约束；简化主轴下轴承组为轴上一点，轴承组类型为调心轴承+止推轴承，起三向位移约束作用，设置X、Y、Z 向约束，如图3 所示；摆杆施加边界条件如表2 所示。

（3）计算荷载描述。①管路风载通过折算，在摆杆桁架上施加，管路与桁架关系如图4 所示。桁架折算风载计算公式如下：