淺議新型自動掛彈車設計及優(yōu)化

張潤凱，馬鶴坤

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100074）

全剛性機構掛彈車設備是由鉸接和滑動桿件系統(tǒng)組成的升降機構，通過升降臺舉升懸掛物，在上端平臺調(diào)整懸掛物的位置和姿態(tài)進行對位，整套機構安裝在可移動的底盤上，就構成了一輛掛彈車。升降機構多采用液壓缸驅動的平行剪叉機構，此類機構特點是運輸方便，但卻受限于低位掛點（比如機腹下）位置，進行懸掛裝卸的操作，同時，也受飛機起落架、天線位置限制。連桿機構綜合設計的主要問題為對于機構運動簡圖的設計，傳統(tǒng)的連桿機構綜合方法可分為軌跡發(fā)生、函數(shù)發(fā)生和剛體引導3種方法。傳統(tǒng)意義下的連桿方案制定有計算量大、間接不直觀等問題，限制這種機構的實際應用。國內(nèi)眾多研究人員探索使用現(xiàn)代設計軟件等方式進行連桿機構的設計，并將智能算法等引入四桿機構的優(yōu)化中。本設計滿足飛機外懸掛物的快速裝配和拆卸需求，開發(fā)了一種智能自動懸掛掛彈車，該設計掛彈車具有對飛機準確掛彈，操作方便、安全、靈活、良好的的通用性和復雜環(huán)境下的高可靠性。自動掛單車由調(diào)姿機構、舉升機構、底架、電氣控制等部分構成，如圖1所示。

圖1 小車組成圖

1 組成機構設計

1.1 底架

移動平臺基于人機功效和安全性設計，配置操作平臺和急停裝置等便于操作人員進行控制和故障保護，并設計擴展接口可根據(jù)實際需求，安裝相應的功能組件。底盤上采用麥克納姆車輪，是一種可在二維平面無死角任意移動的高精度設備，通過單獨控制輪子轉速、轉向實現(xiàn)車的直行、橫行、斜行、原地旋轉、連續(xù)曲線移動，運動靈活、平穩(wěn)可實現(xiàn)靈活精準定位和控制。全向AGV能根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)指令自主完成移動，在斷電或者故障情況下，也可通過機械解鎖，采用人力推拉移動。小車底盤移動平臺圖如圖2。

圖2 小車底盤移動平臺

1.2 調(diào)姿機構

調(diào)姿機構組成包括橫移電機導軌、螺旋升降電機、手輪、固定夾、彈托、壓力傳感器等。位姿調(diào)整通過直線滑軌和螺旋升降機，來完成載體三維位置空間上的移動，包括橫移、前進、上下動作。載體中心垂直位置設置有標尺即對準刻度，通過調(diào)節(jié)標尺指針對齊調(diào)整姿態(tài)。固定托和夾彈托上裝有聚四氟乙烯樹脂和羊毛氈，保護導彈的外殼免受劃傷，以及起到緩沖作用，防止內(nèi)部電器件損壞。同時，夾彈托上有力傳感器，可智能控制對載體的支持力。兩組調(diào)姿機構中心對稱放置，通過橫移電機帶動絲桿轉動和螺旋升降機上下移動來實現(xiàn)水平±10°，俯仰±5°的姿態(tài)調(diào)整及位置的實現(xiàn)。調(diào)姿機構圖如圖3。

圖3 調(diào)姿機構

1.3 舉升機構

舉升機構設計采用絲桿齒條齒輪傳動，帶動連桿使平臺升降，由減速電機提供動力來帶動絲桿轉動，絲桿上的絲母帶動齒條推動叉，進而帶動齒輪和連桿一起轉動，驅動平臺升降。齒輪齒條傳動具有工作性連續(xù)、升降速度快、操作簡單同步性好等優(yōu)點。整個舉升機構采用多種傳動方式相結合的方式，與剪叉式相比，四連桿平動系統(tǒng)占用的基坑小、行程大、質(zhì)量輕、操作簡便、維護方便等優(yōu)點。鑒于整車的機動性及輕量化的考慮，小車整體的重量需要控制在一定范圍，進而需要很大程度的減重，減重主要集中在上板、下板及連桿上，同時保證其強度和剛度。圖4為舉升系統(tǒng)上下板結構優(yōu)化示意圖，優(yōu)化后重量比優(yōu)化前輕了300kg。舉升機構的上板加有蒙皮，同時，裝有防護罩安裝，防止車身進水，防雨。

圖4 舉升機構示意圖

2 結構分析及優(yōu)化

2.1 底架

底盤不僅作為整個機構的移動平臺，也作為整體的承重平臺。底盤采用Q345方管焊接而成，自重400kg，額定載重700kg。根據(jù)安裝位置來設定邊界條件和載荷受力。如圖5所示為底盤承重受力分析，最大應力16.49MPa，最大變形1.5mm。

圖5 底盤受力分析

2.2 舉升機構

（1）上下底板的優(yōu)化。舉升機構的上下板作為載體，下板固定在底盤上，同時，通過安裝座和連桿鏈接；上板安裝有兩組調(diào)姿夾彈裝置，作為平臺固定調(diào)姿夾彈機構。上下板在滿足結構強度和剛度前提下，進行減重優(yōu)化，優(yōu)化前后，上板減重26kg，下板減重104kg，優(yōu)化前后模型圖如圖6、圖7所示。

圖6 上板優(yōu)化前后

圖7 下板優(yōu)化前后

（2）連桿受力分析。舉升機構的連桿作為主要驅動機構，通過軸承傳動，平動舉升上工作臺，達到升降的目的。工作過程中受較大變化的動載影響，要考慮其應有較高的強度和可靠性。本部分采用剛柔耦合的瞬態(tài)動力學仿真，進行邊界條件求解，確定連桿最大壓力載荷，取1/6連桿組，將上板和承載的重力平均分布在一組連桿上端即700N，施加轉動角度，在此基礎上進行連桿受力分析。如圖8～10所示，主動連桿從和地面平行位置開始旋轉，當旋轉角度為60°時，最大變形為1003.3mm。初始位置連桿克服阻力最大，此時，連桿所受最大應力為149.5MPa，最大應力位置在連桿和軸承座連接部位即下連桿根部，整個過程中安全系數(shù)最小為1.672，大于1，整體機構安全。

圖8 連桿組合的變形云圖

圖9 連桿的應力云圖

圖10 連桿的安全系數(shù)

（3）齒輪齒條嚙合分析。一些學者對齒輪齒條在傳動舉升過程中的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度進行計算和強度校核，發(fā)現(xiàn)彎曲疲勞破壞是其失效的主要形式，其研究發(fā)現(xiàn)，升降平臺的齒輪齒條機構在海洋復雜情況下易產(chǎn)生疲勞損壞，其破壞程度和齒輪齒條的倒角大小有關。學者采用ANSYS軟件建立升降平臺齒輪齒條的二維和三維數(shù)值模型并進行應力分析，通過仿真結果優(yōu)化齒輪過度圓角和齒條齒寬。本部分采用穩(wěn)態(tài)靜力學分析，研究齒輪齒條嚙合過程中，齒尖受力情況。其中，電機帶動齒條移動，作為主動裝置，齒輪作為從動裝置阻力單元，施加阻力扭矩載荷，進行受力分析，結果云圖如圖11所示，最大應力處位于齒輪齒根處，大小值為92MPa，遠小于結構鋼許用應力，結構安全。

圖11 齒輪齒條直接受力云圖

3 結語

（1）設計開發(fā)一種新型連桿平動舉升的智能掛彈車，傳動方式采用絲桿齒條齒輪傳動，整體可控性好，操作方便。（2）結合剛體動力學和靜力學分析，分析傳動過程中連桿、齒輪齒條強度分析，連桿最大應力在140MPa,安全因子為1.6，滿足工程要求安全系數(shù)。（3）設計研發(fā)一種新型自動掛彈車，提高作戰(zhàn)效率，縮短戰(zhàn)時準備時間，為持續(xù)作戰(zhàn)能力提供一種實踐；對推動新型舉升裝置的研發(fā)，提升舉升平臺設備產(chǎn)品的性能及優(yōu)化改進有著重要意義。