薛建興，雷 政，古學(xué)東，王啟明

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

FAST故障促動(dòng)器快速拆換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究*

薛建興，雷 政，古學(xué)東，王啟明

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

針對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡FAST促動(dòng)器存在長(zhǎng)期承受重載拉力、洼地使用、潮濕多雨、數(shù)量大、分布廣、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)等維護(hù)不利條件，基于接口便于安裝、加載安全可靠、拉桿地面調(diào)節(jié)、拆換銷軸爬梯的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了一種故障促動(dòng)器快速拆換機(jī)構(gòu)方案，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：包括上連桿開(kāi)口非封閉C型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及輕量化有限元分析，抗剪鍵組件運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算。以上工作為后續(xù)快速拆換機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)研制提供了設(shè)計(jì)方案、分析思路及計(jì)算方法，也對(duì)解決同類重型加載裝置的拆換具有借鑒意義。

FAST促動(dòng)器；拆換機(jī)構(gòu)；有限元分析；運(yùn)動(dòng)控制

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)是國(guó)際上最大、最靈敏的射電天文望遠(yuǎn)鏡[1]。利用貴州喀斯特洼坑作為臺(tái)址，在洼坑內(nèi)鋪設(shè)500 m球冠狀反射面，通過(guò)主動(dòng)控制形成拋物面以匯聚電磁波，采用輕型鋼索拖動(dòng)饋源平臺(tái)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的指向跟蹤。圖1為FAST望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面工作原理示意圖。

在望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)，采用促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下拉索方式改變反射面單元面型，以跟蹤天體。促動(dòng)器為機(jī)、電、

液一體化單元，工作于貴州黔南潮濕洼地中，始終承受最大6～10×103kg拉力變載荷作用，平均速度約0.2 mm/s，數(shù)量為2 225套，部分促動(dòng)器處于連續(xù)工作狀態(tài)，發(fā)生故障不可避免[2]。望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)壽命30年，故障促動(dòng)器將降低望遠(yuǎn)鏡使用效率及面型精度。同時(shí)，促動(dòng)器分布較廣，洼地坡面崎嶇、陡峭，見(jiàn)圖2，且被下拉索、促動(dòng)器、法蘭及地錨阻擋，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)條件較差。

針對(duì)大射電天文望遠(yuǎn)鏡維修問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種故障促動(dòng)器快速拆換機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)要求包括：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，重量輕，易攜帶，拆換方便快速，出力大，可長(zhǎng)期保持大載荷。

1 方案設(shè)計(jì)

圖1 主動(dòng)反射面工作原理

Fig.1 Illustration of the operation of the main active reflector antenna

圖3為一種故障促動(dòng)器拆換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[3]。其工作順序?yàn)椋?1)組裝拆換機(jī)構(gòu)，與下拉索、法蘭接口連接；(2)采用左、右同步油缸加載，轉(zhuǎn)移故障促動(dòng)器載荷；(3)依次拔出故障促動(dòng)器上銷軸、下銷軸；(4)油缸保壓，更換新促動(dòng)器，依次插上促動(dòng)器下銷軸、上銷軸；(5)促動(dòng)器加載，轉(zhuǎn)移拆換機(jī)構(gòu)載荷；(6)拆卸與下拉索、法蘭接口結(jié)構(gòu)，取走拆換機(jī)構(gòu)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，有以下4方面考慮。

圖2 促動(dòng)器使用陡坡
Fig.2 The slope on which an actuator is positioned

1.1 接口便于安裝

促動(dòng)器下端與法蘭銷軸連接，為與拆換機(jī)構(gòu)連接，法蘭采用雙孔設(shè)計(jì)，該安裝靠近地面，可接近性好。而促動(dòng)器故障可能發(fā)生在運(yùn)行的任一時(shí)刻，促動(dòng)器上端與下拉索銷軸連接，該銷軸與地面之間的軸向距離約1.8～3 m，促動(dòng)器軸線最大豎直夾角約56°，部分洼地坡面較陡，該銷軸與地面之間的鉛垂距離將大于3 m。為快速、方便安裝拆換機(jī)構(gòu)，圖3上連桿為開(kāi)口非封閉C型結(jié)構(gòu)，安裝過(guò)程地面作業(yè)，無(wú)需空中操作。安裝過(guò)程：(1)兩側(cè)拉桿與上連桿地面連接；(2)利用拉桿舉起上連桿；(3)上連桿開(kāi)口穿過(guò)直徑較小的下拉索索體；(4)用力向下拉緊兩側(cè)拉桿，拉桿與下拉索錨具配合，完成安裝。

1.2 加載安全可靠

調(diào)節(jié)左右拉桿初始長(zhǎng)度后，加載裝置完成最大1×104kg載荷施加。加載方式選擇因素包括：(1)載荷較大，單側(cè)拉桿為5×103kg；(2)重量輕，易攜帶；(3)左、右兩側(cè)拉桿同時(shí)加載，需要同步；(4)盡量遠(yuǎn)程操作，避免發(fā)生事故；(5)技術(shù)成熟，常規(guī)設(shè)計(jì)?？紤]到液壓傳動(dòng)具有功率重量比大、負(fù)載大、可遠(yuǎn)距離控制、易實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由手動(dòng)泵、快插接頭、軟管、左油缸與右油缸組成的手動(dòng)液壓加載方案，見(jiàn)圖3，該方案可實(shí)現(xiàn)以上要求[4-5]。

圖3 促動(dòng)器拆換方案
Fig.3 Our design of a mechanism for dismounting and assembling an actuator

1.3 拉桿地面調(diào)節(jié)

長(zhǎng)度可調(diào)拉桿的設(shè)計(jì)要求包括：(1)促動(dòng)器行程1.2 m，故障可能發(fā)生在0～1.2 m任一位置，這要求左、右拉桿長(zhǎng)度1.2 m可調(diào)；(2)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)后，拉桿應(yīng)可靠鎖緊；(3)因拉桿與上連桿先掛在下拉索錨具上，人應(yīng)在地面可控制拉桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)或鎖緊；(4)重量輕，易攜帶。

圖4是一種拉桿設(shè)計(jì)方案，其原理是軟軸控制豎直導(dǎo)桿的升降，利用其斜面推動(dòng)抗剪鍵上的滾輪，完成抗剪鍵的伸縮，進(jìn)而控制抗剪鍵與伸縮桿環(huán)形槽嚙合或脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)伸縮桿的鎖緊或調(diào)節(jié)。軟軸通過(guò)軸向固定的外層鋼片套及非金屬保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)軟軸的遠(yuǎn)距離控制。

拉桿鎖緊組件如圖5，軟軸下側(cè)與活節(jié)螺栓連接，手柄旋轉(zhuǎn)±90°可實(shí)現(xiàn)軟軸伸與縮。底座設(shè)計(jì)了下止位沉孔與上止位沉孔，控制銷軸與沉孔配合可將軟軸在兩狀態(tài)終止位置鎖緊?？刂其N軸加工了兩個(gè)半圓槽道，可與手柄上彈簧壓緊的滾珠配合，實(shí)現(xiàn)防止控制銷軸脫落以及可靠鎖緊的功能。

1.4 拆換銷軸爬梯

促動(dòng)器與下拉索的連接銷軸與地面之間的軸向距離約1.8～3 m，故障促動(dòng)器卸載后，人手必須可觸碰到該銷軸，才能完成拆換。為此，利用左拉桿左側(cè)、右拉桿右側(cè)各焊接4根短軸，如圖6，鋁制爬梯卡在短軸上，通過(guò)爬梯，人可實(shí)現(xiàn)銷軸的拆換。

圖4 拉桿設(shè)計(jì)方案
Fig.4 Our design of a pull rod

圖5 鎖緊組件
Fig.5 Our design of the component for locking

圖6 爬梯
Fig.6 Our design of the ladder

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 上連桿強(qiáng)度、剛度及輕量化分析

如圖7，上連桿開(kāi)口尺寸23 mm，另一側(cè)尺寸100 mm增強(qiáng)開(kāi)口剛度，4組筋板增強(qiáng)抗彎能力，中心孔直徑分別為51 mm與68 mm，保證與下拉索錨頭緊密配合。材料為40 Cr，焊接而成。該結(jié)構(gòu)是與下拉索快速連接的保證，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)為大載荷下開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及質(zhì)量。為此，采用有限元方法對(duì)該零件進(jìn)行分析[6-7]。

圖7 上連桿結(jié)構(gòu)示意圖。(a)主視圖；(b)俯視圖
Fig.7 Our design of the upper-connecting rod. (a) The front view; (b) The top view

上連桿結(jié)構(gòu)及載荷具有對(duì)稱型，建立其1/2模型，利用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。下拉索錨頭頂面固定，單側(cè)施加5×103kg載荷，上連桿與下拉索錨頭結(jié)合面采用面面接觸非線性分析方法?？紤]加工、裝配及促動(dòng)器故障姿態(tài)，由上連桿、左右拉桿及油缸、下長(zhǎng)軸組成的長(zhǎng)方形框架存在不在同一平面情況，仿真時(shí)在Φ28孔位置施加1×103kg側(cè)向載荷，方向?yàn)樽蚤_(kāi)口向后的最為惡劣狀態(tài)。以靜強(qiáng)度計(jì)算為基礎(chǔ)，進(jìn)行輕量化分析。目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量，狀態(tài)變量為許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)變量為A、B、D，(1)式給出了其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

優(yōu)化分析結(jié)果見(jiàn)圖8，最大應(yīng)力為329 MPa，位于筒體后母線上端，最大位移為0.423 mm，發(fā)生在Φ28孔左端部，且上連桿不會(huì)因開(kāi)口擴(kuò)展而失效，滿足使用要求。模型質(zhì)量4.2 kg，整體質(zhì)量8.4 kg，為原結(jié)構(gòu)的91%。依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，A、B、D分別取整為30 mm、39 mm、68 mm。

(1)

2.2 抗剪鍵組件運(yùn)動(dòng)控制分析

抗剪鍵伸縮是否靈活是拉桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，其運(yùn)動(dòng)順序?yàn)椋簢Ш稀吕摮觥纤伞鷩Ш稀Ｒ粤W(xué)分析為基礎(chǔ)，部分變量初始值為：抗剪鍵水平位移10 mm，斜面傾角θ=60°，豎直導(dǎo)桿位移為10tanθ=17 mm。假設(shè)豎直彈簧17 mm變形對(duì)應(yīng)載荷變動(dòng)ΔFsv=10-15 kg，計(jì)算水平彈簧10 mm變形對(duì)應(yīng)載荷變動(dòng)ΔFsh=10-5 kg是否滿足抗剪鍵運(yùn)動(dòng)控制要求。

2.2.1 抗剪鍵處于嚙合狀態(tài)

先選豎直導(dǎo)桿為研究對(duì)象，其受力分析如圖9(a)，按圖示坐標(biāo)軸列出平衡方程[8]：

(2)

圖8 優(yōu)化分析結(jié)果。(a)應(yīng)力云圖；(b)變形云圖；(c)最大應(yīng)力與質(zhì)量關(guān)系

Fig.8 Our optimization-analysis results for the upper-connecting rod. (a) The stress distribution; (b) The deformation distribution; (c) The relation between maximum stress and mass

圖9 嚙合狀態(tài)受力分析。(a)豎直導(dǎo)桿；(b)水平導(dǎo)桿Fig.9 Our force analysis for the meshing state. (a) Forces in the vertical guide rod; (b) Forces in the horizontal guide rod

求解方式組(2)，可得Fn=155 N。再選水平導(dǎo)桿為研究對(duì)象，其受力分析如圖9(b)，法向力Fn與Fn′為作用力與反作用力，按圖示坐標(biāo)軸列出平衡方程：

(3)

求解方式組(3)，F(xiàn)sh=121 N，大于該狀態(tài)水平彈簧力100 N，可以鎖緊抗剪鍵。

2.2.2 豎直導(dǎo)桿處于下拉狀態(tài)

豎直導(dǎo)桿，F(xiàn)n接近為0，F(xiàn)fv亦接近為0，在大于Fsvmax=150 N的鋼絲繩拉力作用下，豎直導(dǎo)桿將向下運(yùn)動(dòng)。水平導(dǎo)桿，F(xiàn)n′接近為0，F(xiàn)fh亦接近為0，伸縮桿作用到抗剪鍵上的摩擦力Ffmax=umg/2=11 N，方向?yàn)閳D9(b)X軸負(fù)向，小于Fshmin=50 N，水平導(dǎo)桿將克服該摩擦力水平退出嚙合溝槽。

2.2.3 抗剪鍵處于脫出狀態(tài)

手柄處于鎖緊狀態(tài)，抗剪鍵退出伸縮桿嚙合溝槽，外筒體及導(dǎo)向管可沿伸縮桿自由滑動(dòng)，調(diào)節(jié)二者的相對(duì)長(zhǎng)度。

2.2.4 豎直導(dǎo)桿處于上松狀態(tài)

平衡方程同嚙合狀態(tài)，F(xiàn)sv自150 N減小至100 N。計(jì)算始末水平彈簧力，F(xiàn)sh_first=182 N，大于50 N，水平導(dǎo)桿能夠開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)；Fsh_end=121 N，大于100 N，水平導(dǎo)桿可進(jìn)入嚙合溝槽。

根據(jù)載荷與變形要求，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定彈簧的有關(guān)參數(shù)如下。

豎直彈簧：小徑d=3 mm；中徑D=38 mm；材料65 Mn；彈簧自由高度H0=100 mm；節(jié)距t=16.5 mm；彈簧的最大壓縮量81 mm；工作圈數(shù)n=6；當(dāng)載荷為150 N時(shí)，彈簧壓縮量為59 mm；當(dāng)載荷為100 N時(shí)，彈簧壓縮量為42 mm。

水平彈簧：小徑d=2.5 mm；中徑D=32 mm；材料65 Mn；彈簧自由高度H0=40 mm；節(jié)距t=14.7 mm；彈簧的最大壓縮量30.3 mm；工作圈數(shù)n=2.5；當(dāng)載荷為100 N時(shí)，彈簧壓縮量為21.2 mm；當(dāng)載荷為50 N時(shí)，彈簧壓縮量為10.5 mm。

斜面最大法向力Fnmax發(fā)生在上松開(kāi)始階段，大小為Fsv/(μsinθ+cosθ)=233 N，軸承選用深溝球軸承619/4，其基本額定載荷Cr=0.95 kN，C0r=0.35 kN。

鋼絲繩拉力最大值為150 N，選用6×7+IWS鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度1 470 MPa，直徑為2 mm，最小破斷拉力為2.11 kN。

通過(guò)抗剪鍵整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，ΔFsh=10-5 kg可以滿足抗剪鍵的運(yùn)動(dòng)控制要求。同時(shí)，該分析為彈簧、軸承、鋼絲繩的設(shè)計(jì)與選型提供了依據(jù)。

3 結(jié) 論

FAST望遠(yuǎn)鏡建成后，快速拆換機(jī)構(gòu)將是促動(dòng)器運(yùn)行維護(hù)的必要條件?；诮涌诒阌诎惭b、加載安全可靠、拉桿地面調(diào)節(jié)、拆換銷軸爬梯的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了一種拆換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析：

(1)利用有限元方法，分析了開(kāi)口非封閉C型上連桿承受軸向載荷與側(cè)向載荷的最不利工況，結(jié)果表明：最大應(yīng)力329 MPa，最大變形0.423 mm，且上連桿不會(huì)因開(kāi)口擴(kuò)展而失效，滿足其使用要求。經(jīng)輕量化分析，質(zhì)量減輕為原結(jié)構(gòu)的91%；

(2)以力學(xué)分析為基礎(chǔ)，假設(shè)豎直彈簧變形17 mm，載荷變動(dòng)為10-15 kg，計(jì)算了水平彈簧變形10 mm，載荷變動(dòng)可為10-5 kg，則抗剪鍵運(yùn)動(dòng)平順、伸縮可控、鎖緊可靠。

文中闡述的設(shè)計(jì)方案、分析思路及計(jì)算方法可用于后續(xù)FAST故障促動(dòng)器快速拆換機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)研制，也對(duì)解決同類重型加載裝置的拆換具有借鑒意義。

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CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

A Study of a Design of a Mechanism for Rapidly Dismounting and Assembling a Faulty FAST Actuator

Xue Jianxing, Lei Zheng, Gu Xuedong, Wang Qiming

(National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; Email: jxxue@bao.ac.cn)

The FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) now being assembled will be the largest and most sensitive single-dish radio telescope in the world. The FAST uses an Arecibo-type antenna of three outstanding aspects: its location within a Karst depression, its being an active reflector antenna, and its light-weight feed cabin. During observational tracking its reflector surface will be adjusted by down-pull cables and main cables, which are driven by actuators. The actuators consist of mechanical, electrical, and hydraulic components. The actuators will work in a high-humidity depression and constantly bear pulling forces with the maximum levels ranging from 6 to 10 tons. The actuators, which number in 2225 sets, have an average speed of about 0.2mm/s, and some actuators will work continuously. It will thus be inevitable for some actuators to have faults. Actuator faults will reduce service efficiencies and reflector-surface accuracies in the long lifetime of the FAST which is designed to be 30 years . However, the distance between any two of the actuators will be more than 10m, and the actuators will be distributed over the bottom of a 500m depression with some of them located in steep rugged areas or being blocked by down-pull cables, other actuators, flanges, and anchors. These factors make it hard for field maintenance of actuators. A mechanism for rapidly dismounting and assembling a faulty actuator will be an indispensable tool for normal operation of the FAST. We hereby propose a design of such a mechanism. We present several key aspects of the design, including easy installation of connections to actuators, safe force loading, manual adjustment of the pull-rod length by staff without being lifted above ground, and a ladder with dismountable pins. We analyze two particular issues of the design, The first is a finite-element analysis of the strength, stiffness, and weight-minimization of the open C-type upper-connecting rod. The second is control of moving shear-connector components. This study will provide design schemes，analysis approaches, and calculation methods for development of similar mechanisms in future.

FAST actuator; A mechanism for dismounting and assembling; Finite-element analysis; Control of moving

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11173035)；中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)青年人才基金項(xiàng)目資助.

2014-02-13；修定日期：2014-02-28

薛建興，男，工程師. 研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與研究. Email: jxxue@bao.ac.cn

P111.44

A

1672-7673(2015)01-0102-07