车载大型遥测天线新型方舱开盖机构的设计

要 勇，郭 林，颜 剑，董晓彤

车载大型遥测天线新型方舱开盖机构的设计

要 勇1，郭 林1，颜 剑2，董晓彤1

（1 北京遥测技术研究所 北京 100076；2 衡阳泰豪通信车辆有限公司 衡阳 421001）

随着航天遥测任务对机动性和防护性要求越来越高，车载大型遥测天线开始尝试安装在方舱内，运输时可以收藏防护，工作时可以展开，并要求在车辆运动过程中进行工作，实现通信要求。方舱开盖机构是作为消除风沙雨雪等环境负载影响、改善工作条件、提高车载大型遥测天线可靠性的一项重要举措。开盖机构能够自动开启和闭合，满足大型遥测天线工作需求，收藏状态能够对大型遥测天线起到防雨、防尘和防撞击等防护作用。由于大型遥测天线尺寸跨距大，又受铁路、公路运输的限制，导致常用的开盖机构设计空间受限制，并大幅增加了方舱开盖机构防护难度。针对上述问题，介绍了一套车载大型遥测天线新型方舱开盖机构的设计，将舱顶的顶板从左右方向分为两块，左右翻转打开。为了完全不影响天线的工作，方舱左右壁上部的立板也随着顶板一起翻转，顶板和立板翻转后，均与左右舱壁贴合，保证开盖机构打开后，整车宽度尺寸不影响车辆的公路运输性。该开盖机构采取电动推杆和钢丝绳绞盘方式进行自动开盖和闭合，并对机构进行力学分析计算、电动推杆和钢丝绳绞盘选型确认。新型方舱开盖机构既实现了方舱顶盖的自动开启和闭合，又满足了大型遥测天线的车辆运输和运动过程中的通信要求，有效实现防护功能，实际应用效果良好。

大型遥测天线；开盖机构；车辆运输；防护

引言

随着航天遥测任务需求的不断提高，车载遥测站由小型化遥测天线向大型化遥测天线方向发展。为满足此需求，通常使用方舱来实现大型遥测天线的运输，且方舱也可作为天线展开后进行通讯工作时的平台。当天线处于运输状态时，方舱可为天线提供防雨、防尘方面的保护；当大型遥测天线需要展开进行通讯工作时，方舱顶盖能自动开启，并收藏在方舱两侧，不影响天线展开和方舱车静止或行进过程中进行通讯工作。遥测天线（含天线座）尺寸为6.5 m（长）×2.4 m（宽），方舱尺寸为12 m（长）×2.55 m（宽），由于遥测天线尺寸大，导致常用的方舱开盖机构[1-6]设计空间受到限制，而且常用的方舱开盖机构在顶盖打开时方舱车外形尺寸会变大超出公路运输尺寸要求。为解决上述问题，设计了一种新型的方舱开盖机构，既实现了方舱顶盖的自动开启和闭合，又满足了车辆运输性（动中通）的要求，提高了大型遥测天线的机动性能力。

1 开盖机构方案

1.1 主要功能及技术指标要求

①某遥测天线（含天线座）外形尺寸为6.5 m（长）×2.4 m（宽）×2.5 m（高），重量约为15 t；

②方舱外形尺寸为12 m（长）×2.55 m（宽）×3.1 m（高）；

③某遥测天线外形尺寸为4.65 m（长）×2.4 m（宽）×0.6 m（高）；

④方舱开盖机构闭合时，对天线起到遮挡与保护作用，需密封防雨，结构美观；

⑤方舱开盖机构打开时，不影响天线的升降或旋转；

⑥方舱车在行驶过程中可进行工作（动中通），方舱开盖机构需打开，且满足公路运输的要求。

1.2 方舱开盖机构国内研究现状

方舱开盖机构主要由方舱顶盖、机械传动机构和电气控制系统组成。其工作原理是通过操作电气控制，由机械传动机构带动方舱顶盖开启或关闭。目前国内常用的方舱开盖机构的设计方案主要有两种：一种是电动翻盖机构，靠电动机通过四连杆机构带动方舱顶盖进行翻转[7,8]，从而实现方舱顶盖开启及闭合；另一种是电动滑盖机构，靠电动机通过螺母丝杆带动顶盖来进行前后滑动，实现方舱顶盖的开启和关闭。

电动翻盖机构原理：由电动机作为驱动力，带动四连杆机构进行翻转，连杆机构又与顶盖进行固连，从而带动顶盖翻转，如图1所示。

图1 电动翻盖机构示意图

电动翻盖机构结构简单，适用于小型遥测天线（车顶开口直径小于2 m），翻盖质量轻，方便手动操作，但需要较大功率的电机，对焊接强度要求较高，故障率高，容易出现卡死、连接杆损坏等现象。大型遥测天线车顶开口尺寸大，接近方舱宽度，翻盖质量重，手动操作存在较大安全隐患，并且对电机功率和焊接强度要求更加苛刻，可靠性低。由图1可知，电动翻盖机构长度由翻盖长度、开合行程和传动机构长度组成，方舱的长度至少是遥测天线长度的2.2倍，故用于大型遥测天线的电动翻盖机构对方舱的长度有严格的要求。

电动滑盖机构原理：电机驱动减速器，带动丝杆旋转，从而使丝杆上的螺母前后移动，顶盖固定在丝杠螺母上，从而使顶盖前后滑动，如图2所示。

图2 电动滑盖机构示意图

电动滑盖机构在安全性和可靠性上有了很大的提高，手动可单人通过摇柄操作，并且可以在滑盖上过人，对电机功率和焊接强度要求低，有效弥补了电动翻盖机构的不足。但当丝杠长度大于2.5 m时，由于跨距较大，丝杠加工困难，很难保证丝杠直线度。即使加工精度满足要求，在使用过程中也容易发生变形，故电动滑盖机构适合开口直径2.5 m以内的遥测天线。由图2可知，电动滑盖机构长度由顶盖长度、开合行程和传动机构长度组成，故方舱的长度至少是遥测天线长度的2.2倍，故用于大型遥测天线的电动翻盖机构也同样对方舱的长度有严格的要求。

根据GB7258-2017的规定，车辆总长不能超过16 m，故电动翻盖机构和电动滑盖机构两种方案均不能满足公路运输的要求。

1.3 新型方舱开盖机构方案

为了满足大型遥测天线的运输需求，设计了一种新型的方舱开盖机构方案。此开盖机构将舱顶的顶板从左右方向分为两块，左右翻转打开。为了完全不影响天线的工作，方舱左右壁上部的立板也随着顶板一起翻转，具体如图3所示。顶板和立板翻转后，均与左右舱壁贴合，保证开盖机构打开后，整车宽度尺寸不影响车辆的公路运输性。

图3 新型的方舱开盖机构示意图

由图3可知，新型方舱开盖机构对方舱长度无要求，弥补了电动翻盖机构和电动滑盖机构对方舱长度的约束，解决了大型遥测天线的运输问题和展开后在静止和行进过程中进行通讯工作问题。但该开盖机构需要两个板块翻转，结构复杂，设计难度较大，很难保证可靠性。

2 新型方舱开盖机构设计

2.1 结构设计

方舱开盖机构由左开盖机构和右开盖机构组合而成。左右开盖机构结构形式和功能一致，外观对称。左开盖机构主要由板片A、板片B、连杆1、连杆2、连杆3、电动推杆、铰支座1、铰支座2、铰支座3，钢丝绳绞盘、钢丝绳定滑轮、限位器、钢丝绳固定块、合页等组成[11,12]，其结构如图4所示。

1—板片B 2—钢丝绳固定块 3—钢丝绳 4—限位器 5—板片A 6—铰支座3 7—电动推杆 8—铰支座1 9—铰支座2 10—连杆1 11—连杆2 12—连杆3 13—钢丝绳绞盘 14—钢丝绳定滑轮 15—合页

2.2 工作原理

电动推杆尾部通过铰支座1铰接固定在舱顶上，活塞杆前端铰接在连杆2中间偏下位置；连杆2一端与连杆1连接，连杆1另一端铰接在舱顶的铰支座2上，连杆2另一端与连杆3连接，连杆3通过铰支座3铰接在板块A上；当电动推杆活塞杆向外伸出，推动连杆2，使连杆1绕铰支座2做圆周运动，当连杆1圆周运动到一定角度后，将改变运动的铰支点，以连杆2与连杆1的连接点为铰支点，连杆2绕此铰支点做一定范围内的圆周往复运动；因为连杆3一端与铰支座3连接，铰支座3固定带板块A上，连杆3的另一端与连杆2的一端连接，连杆2的运动带动连杆3运动，使板块A绕合页做圆周运动，从而实现板块A的打开与关闭。

板块A与板块B通过合页连接，在板块B上固定有钢丝绳固定块，在板块A上固定有钢丝绳定滑轮、限位器和钢丝绳绞盘，钢丝绳一端固定在钢丝绳固定块上，另一端通过钢丝绳定滑轮固定在钢丝绳绞盘上，通过钢丝绳的收放来实现板块B绕板块A的90°圆周运动。在板块A上设置限位器，使板块B与板块A最大行程为90°，且当板块A与板块B垂直一起打开翻盖和关闭翻盖时承受板块B的部分重量。

2.3 翻盖打开与关闭

当翻盖处于关闭状态时，首先电动推杆伸出，使板块A绕与舱顶铰支座的合页做圆周运动，当板块A打开180°后（即板块A向下与舱壁平行），钢丝绳绞盘释放钢丝绳，在重力的作用下使板块B绕板块B与板块A之间的合页做圆周运动，使板块B运动到与板块A平行，翻盖打开。

当翻盖处于打开状态时，首先钢丝绳绞盘收缩钢丝绳，板块B在钢丝绳的拉力作用下，让板块B绕板块B与板块A之间的合页做圆周运动。当板块B运动到与板块A垂直的方向时（即板块B与舱壁垂直），然后电动推杆收缩，板块A与板块B一起绕与舱连接的合页做圆周运动，翻盖关闭。

2.4 分析计算

2.4.1 板片规格

开盖板片应在满足结构强度和密封要求的前提下尽量减重。借助有限元软件，对板片的骨架与蒙皮进行了结构优化[13,14]，最终确定板片A质量为118 kg，板片B质量为182 kg，相比传统的方舱顶板，总质量降低了8.5%。

2.4.2 电动推杆选型

已知板片A和板片B共重300 kg，板片A与板片B垂直装配，翻盖翻转过程中板片A与舱壁平行，其质心距板片A与舱顶的合页距离最大。对开盖机构电动推杆模型进行受力分析，如图5所示。

图5 开盖机构电动推杆模型受力分析图

根据驱动扭矩公式：

式中，为作用力，为力臂，力臂是支点到力作用线的垂直距离。

以板片A与舱顶连接的合页中心为转轴，翻转板片A和板片B所需要最大扭矩为

由力矩平衡原理可知，在质心处翻转板片和在铰支座3处翻转板片的力矩大小是一样的，则有

根据力的分解公式：

由图5可知，刚拉的时候连杆1和连杆2会先同时绕铰支座2运动。以铰支座2为旋轴，由力矩平衡原理可得

根据力的分解公式：

2.4.3 钢丝绳绞盘选型

对钢丝绳绞盘模型进行受力分析，如图6所示。

图6 开盖机构钢丝绳绞盘模型受力分析图

以板片A和板片B的合页为转轴，由力矩平衡原理，则有

式中，为板片B的重力，；为翻转板片B的作用力；L7为板片B质心到转轴的垂直距离，；L8为钢丝绳固定件距离转轴的垂直距离，。通过公式（8）计算，翻转板片B所需作用力。

图8 新型方舱开盖机构实物图

根据力的分解公式：

2.4.4 防雨设计

在开盖机构闭合的时候，防止刚性碰撞，左右两顶板之间留有间隙。防雨设计采用上挡雨沿、侧挡雨沿、导水槽和密封圈，具体形式如图7所示。为了能够有效防止雨水进入舱内，防雨采用了两级密封。如果两级密封均失效，雨水进入舱内，也可以通过导水槽排出舱外。

3 应用效果

新型方舱开盖机构实物如图8所示，通过淋雨试验，运行效果良好。经过半年多的反复使用和运输，能够正常运行，并参与出海执行任务，合盖状态时能够有效防雨，满足大型遥测天线的车辆运输要求和运动过程中的通讯要求，得到用户的一致认可。

4 结束语

实际应用表明，新型方舱开盖机构既能满足大型遥测天线运输方舱合盖后的运输要求，又能保证方舱车开盖天线展开后在静止或行进过程中进行通信工作时的使用要求。其结构设计新颖、可靠、操作方便，且采用了国内成熟的工艺技术，成本合理，经济性良好。装载此新型方舱开盖机构的方舱车已经投入使用，运行效果良好。

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An advanced opening-cover mechanism design of a vehicle-mounted square cabin for large-scale telemetering communication antenna

YAO Yong1, GUO Lin1, YAN Jian2, DONG Xiaotong1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 2. Hengyang Tellhow Communication Vehicle Co., Ltd., Hengyang 421001, China）

As aerospace telemetry missions require more mobility and protection, large vehicle-mounted telemetry antennas have begun to be installed in square cabins, which can be stored properly during transportation and deployed during work, and can be able to fulfill communication requirements in vehicle movement. The shelter roof opening mechanism is mean to suppress the environment factors such as wind, sand, rain and snow, to improve the working conditions, and to increase the reliability of telemetry antennas. In order to meet the antenna working requirements, the shelter roof opening mechanism can open and close automatically. And the storage state can keep the large telemetry antenna from rain, dust and unexpected impact for protection. Due to the limitation of the size and the transportation of large telemetry antenna, the traditional shelter roof opening mechanisms lack of design space and self-protection. Therefore, this paper introduces a new type of shelter roof opening mechanism for large vehicle-mounted telemetry antennas. In this mechanism, the shelter roof is divided into two parts from the left to right, and the two parts unfolds following their own direction. And the upper left and right cabin walls moves along with the shelter roofs. When the shelter roof mechanism opens to the limit, they ply-up with the left and right cabin walls. Hence, the total width of the shelter roof mechanism hardly increases, which guarantees the road transportation of the telemetry antenna. The shelter roof opening mechanism adopts electric push rod and wire rope winch to achieve automatically open and close. The mechanical analysis and selection of electric parts are introduced in this paper. The new shelter roof opening mechanism not only realizes the automatic opening and closing, but also meets the communication requirements of the large telemetry antenna in vehicle movement with effective protection. Finally, the shelter roof mechanism has been proved to show favorable application results in practice.

Large telemetry antenna; Opening mechanism; Vehicle transportation; Protection.

U463.82+9

A

CN11-1780(2022)05-0082-07

10.12347/j.ycyk.20210914002

要勇, 郭林, 颜剑, 等.车载大型遥测天线新型方舱开盖机构的设计[J]. 遥测遥控, 2022, 43(5): 82–88.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210914002

: YAO Yong, GUO Lin, YAN Jian, et al. An advanced opening-cover mechanism design of a vehicle-mounted square cabin for large-scale telemetering communication antenna[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 82–88.

2021-09-14

2021-11-09

要 勇 1963年生，本科，高级工程师，主要研究方向为机械结构设计及系统集成。

郭 林 1986年生，硕士，工程师，主要研究方向为系统集成及电子产品结构设计。

颜 剑 1981年生，本科，高级工程师，主要研究方向为军用车辆改装、军用方舱及天线升降平台设计。

董晓彤 1990年生，博士，工程师，主要研究方向为系统结构设计和力学分析。

(本文编辑：杨秀丽)