孟曉東，鄭靜晨，李明，黃山林，徐冬，趙喆，郝昱文，李曉雪

1.武警總醫(yī)院，北京 100039；2.南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473006；3.南陽二機(jī)車輛制造有限公司，河南 南陽 473006

引言

方艙具有嚴(yán)密可靠的環(huán)境保障系統(tǒng)，并且內(nèi)部可以集成各種專用設(shè)備，因此在軍事、通信、檢測(cè)、氣象、工程搶修、醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、后勤保障等方面發(fā)揮不可替代的作用，而擴(kuò)展方艙因其擴(kuò)展后內(nèi)部空間大越來越得到青睞。在需要大量人員、設(shè)備協(xié)同工作的重大突發(fā)事件和重大活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)中，單級(jí)擴(kuò)展方艙內(nèi)部空間已經(jīng)不能滿足設(shè)備安裝及人員活動(dòng)的要求，通常需要多臺(tái)方艙聯(lián)合工作。多臺(tái)方艙不僅增加了運(yùn)輸及作業(yè)的能源消耗，又大大降低了這類作業(yè)響應(yīng)的時(shí)效性。因此研究大擴(kuò)展比的多級(jí)擴(kuò)展方艙集成更多作業(yè)設(shè)備，是保障方艙作業(yè)迅速有效的迫切需求[1-8]。

目前仍在使用的作業(yè)帳篷等裝備雖然輕便，但需要現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)，而且環(huán)境保障性能很差；折疊式活動(dòng)板房對(duì)使用環(huán)境要求較高，也需要現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)和撤收，架設(shè)時(shí)需要吊車等額外設(shè)備，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)不便。近年來國內(nèi)外有各種固定方艙和單級(jí)擴(kuò)展方艙產(chǎn)品，但是均由于空間限制只能裝載有限的設(shè)備。例如華海高圣投資控股有限公司研發(fā)的磁共振醫(yī)療方艙，只裝載了醫(yī)療MRI系統(tǒng)，無法集成其他醫(yī)療檢查設(shè)備，也無法在方艙內(nèi)進(jìn)行手術(shù)等醫(yī)療手段。中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所研發(fā)的野外宿營方艙，每側(cè)可水平抽拉擴(kuò)展出兩個(gè)側(cè)拉艙，方艙總體空間比較大，但是方艙長度達(dá)到了13 m，影響了方艙公路運(yùn)輸?shù)谋憬菪约巴ㄟ^性[8]。

針對(duì)上述問題，本文介紹了一種上下板對(duì)折式多級(jí)擴(kuò)展方艙，并以三級(jí)擴(kuò)展為例詳述了方艙的設(shè)計(jì)布局。該方艙擴(kuò)展后內(nèi)部空間寬敞，可以作為作業(yè)方向的一體化平臺(tái)集成大量專用設(shè)備，同時(shí)操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式控制，維護(hù)保養(yǎng)方便，具有很好的應(yīng)用前景。

1 多級(jí)擴(kuò)展方艙設(shè)計(jì)

1.1 總體布局

多級(jí)擴(kuò)展方艙內(nèi)外兩級(jí)艙體結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展機(jī)構(gòu)必然與其他級(jí)不同，這造成了機(jī)械結(jié)構(gòu)的對(duì)稱破缺，削弱了方艙各部分受力的均勻性和傳動(dòng)的等時(shí)性，研究這種對(duì)稱破缺引起的功能演變規(guī)律及載荷變化規(guī)律，可以對(duì)方艙各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及擴(kuò)展動(dòng)力選擇進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)[9]。

依據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱破缺的應(yīng)用規(guī)律，設(shè)計(jì)出上下板對(duì)折式多級(jí)擴(kuò)展方艙，艙體結(jié)構(gòu)采用鋁合金框架加大板式，分為固定部分和擴(kuò)展部分；擴(kuò)展機(jī)構(gòu)采用上下板對(duì)折式；各部分之間嚴(yán)格密封以達(dá)到保溫的目的。

三級(jí)擴(kuò)展方艙撤收時(shí)寬度為2.5 m，滿足公路運(yùn)輸要求；擴(kuò)展后寬度為13 m，艙室面積增加了4.2倍。方艙的總體布局，見圖1～2。方艙的前后側(cè)布局，見圖3～4。

圖1 三級(jí)擴(kuò)展方艙撤收后總體布局圖

圖2 三級(jí)擴(kuò)展方艙擴(kuò)展后總體布局圖

圖3 三級(jí)擴(kuò)展方艙撤收后前后側(cè)布局圖

圖4 三級(jí)擴(kuò)展方艙擴(kuò)展后前后側(cè)布局圖

1.2 艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙體固定部分承載了方艙撤收后整體的重力、設(shè)備的重力、風(fēng)力載荷、運(yùn)輸載荷，對(duì)穩(wěn)定性有很高的要求，所以固定部分采用在框架內(nèi)鑲嵌復(fù)合夾心大板的結(jié)構(gòu)?？蚣芨鳈M撐、縱撐通過球形包角、角鋁或其他專用型材鉚接成型方式連接，框架內(nèi)填充聚氨酯泡沫，大板與框架間安裝有斷熱橋，可以使框架也具有良好的隔熱、保溫、隔音等功能[8,10]。固定部分的結(jié)構(gòu)，見圖5。

1.2.2 擴(kuò)展部分的設(shè)計(jì)

擴(kuò)展部分最內(nèi)級(jí)與方艙固定部分固定一起，其余上下大板及框架與固定部分均有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過鉸鏈順次鉸接。每級(jí)的框架橫撐和立柱通過角鋁鉚接連接。每級(jí)前后側(cè)側(cè)板與立柱鉸接，方艙撤收時(shí)旋轉(zhuǎn)收攏在框架內(nèi)，方艙展開時(shí)旋轉(zhuǎn)后與框架密封。方艙上下大板及前后側(cè)側(cè)板的展開過程，見圖6～7。

圖5 艙體固定部分

圖6 方艙上下大板展開過程

圖7 方艙前后側(cè)板展開過程

1.3 結(jié)構(gòu)間密封設(shè)計(jì)

擴(kuò)展框架與艙體固定部分之間、側(cè)板與擴(kuò)展框架周邊均采用密封條壓緊密封，大板與框架間兩個(gè)對(duì)折的大板間采用迷宮加密封條密封，密封形式，見圖8～9。

圖8 大板與框架間密封形式

圖9 對(duì)折大板間密封形式

1.4 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

尺度約束類型是指構(gòu)件為其所連接的運(yùn)動(dòng)副軸線之間的相對(duì)方位提供的幾何約束類型[11]，研究每個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的尺度約束類型，依據(jù)其傳動(dòng)順序，確定它們?yōu)樗B接的相鄰兩構(gòu)件之間提供的幾何曲面約束類型，進(jìn)而確定其運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出整個(gè)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4)便捷性原則：在綠道系統(tǒng)與外界的聯(lián)系上，將公共交通系統(tǒng)與慢行道系統(tǒng)無縫連接，方便游客與市民進(jìn)入綠道網(wǎng)絡(luò)中，將公共服務(wù)設(shè)施適當(dāng)分布在各個(gè)大小節(jié)點(diǎn)，以便游客隨取隨用。

多級(jí)擴(kuò)展方艙的擴(kuò)展機(jī)構(gòu)每級(jí)都由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、兩個(gè)串聯(lián)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。每級(jí)擴(kuò)展機(jī)構(gòu)又作為一個(gè)支鏈，各支鏈相互并聯(lián)形成并聯(lián)拓?fù)?。擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖 3～4。

1.4.1 擴(kuò)展機(jī)構(gòu)組成

每級(jí)擴(kuò)展機(jī)構(gòu)組成，見圖10。步進(jìn)電機(jī)、雙膜片聯(lián)軸器、自潤滑軸承及軸承座一、滾珠絲杠副和自潤滑軸承及軸承座二組成動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；連桿機(jī)構(gòu)部分由兩種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，法蘭耳板、連桿、方艙上板和方艙下板組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一，法蘭耳板相當(dāng)于機(jī)構(gòu)中的滑塊，與滾珠螺母通過螺栓連接，方艙上下板相當(dāng)于機(jī)構(gòu)中的曲柄，分別與連桿鉸接；兩塊可對(duì)折的方艙上板8與艙體組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)二，艙體相當(dāng)于滑塊。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一，機(jī)構(gòu)一的運(yùn)動(dòng)輸出零件為機(jī)構(gòu)二的運(yùn)動(dòng)輸入，兩機(jī)構(gòu)構(gòu)成串聯(lián)運(yùn)動(dòng)拓?fù)洹?/p>

圖10 每級(jí)擴(kuò)展機(jī)構(gòu)組成

1.4.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)載荷變化不大，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速低，功率較小，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來控制方艙艙室的展開和收折。

該系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副組成。滾珠絲杠副同時(shí)帶動(dòng)上下兩套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，所以每根絲杠兩端螺紋旋向相反，配套兩個(gè)旋向相反的滾珠螺母。絲杠兩端和中部選用自潤滑軸承支承，聯(lián)軸器可選用無需潤滑的漲緊雙膜片式，這樣可以不需額外設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)，降低了制造和維護(hù)成本。

滾珠絲杠副是動(dòng)力傳動(dòng)的重要組成部分，它的性能直接影響擴(kuò)展機(jī)構(gòu)工作的平順性，是引起擴(kuò)展機(jī)構(gòu)振動(dòng)的主要原因，需要對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)[12]，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，隨著絲杠長度、導(dǎo)程、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，其振動(dòng)螺旋線軌跡的特征呈現(xiàn)非線性變化，依據(jù)其變化軌跡選擇最合適的絲杠參數(shù)。

1.4.3 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連桿機(jī)構(gòu)作為擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的主要組成部分，為保證擴(kuò)展機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)快速平順，需要對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則是保證其在滿足擴(kuò)展機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，滿足疲勞應(yīng)力強(qiáng)度、穩(wěn)定約束和變形約束的前提下質(zhì)量更輕。建立機(jī)構(gòu)基于響應(yīng)面的近似模型，建立曲柄和連桿狀態(tài)變量的二階響應(yīng)面近似模型，對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性校驗(yàn)后，建立曲柄連桿協(xié)同優(yōu)化模型，對(duì)曲柄和連桿基于響應(yīng)面近似模型進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]。優(yōu)化后可大幅減小機(jī)構(gòu)總體積，并使運(yùn)動(dòng)中連桿所受載荷盡可能均勻，提高機(jī)構(gòu)壽命。

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多級(jí)擴(kuò)展方艙控制系統(tǒng)由車載移動(dòng)式控制器輸出高速寬度可調(diào)制脈沖信號(hào)，通過控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。采用CoDeSys開發(fā)程序，精確控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾珠絲杠及連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上下板對(duì)折式多級(jí)方艙的一鍵式自動(dòng)擴(kuò)展和撤收。

z級(jí)擴(kuò)展艙每側(cè)需要2(z+1)套傳動(dòng)系統(tǒng)，每套傳動(dòng)系統(tǒng)由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。為使擴(kuò)展撤收機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)快速平穩(wěn)，需要考慮多個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)同步問題。設(shè)計(jì)多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及模塊組合通訊協(xié)議，采用耦合控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有電機(jī)的電流，及時(shí)消除每臺(tái)電機(jī)自己的跟蹤誤差及相鄰電機(jī)的同步誤差[14]，可以改善負(fù)載擾動(dòng)、環(huán)境或驅(qū)動(dòng)不匹配、不協(xié)調(diào)等因素對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的影響。

為提高永磁同步電機(jī)對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度，提高其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的辨識(shí)度，可以在矢量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)矩陣的電流環(huán)預(yù)測(cè)控制，使控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能更優(yōu)，魯棒性更強(qiáng)[15]，實(shí)現(xiàn)電流的快速穩(wěn)定跟蹤。

為提高每臺(tái)永磁同步電機(jī)運(yùn)行的精確度，可以針對(duì)每一種電壓矢量預(yù)先計(jì)算出使得下一時(shí)刻轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差最小的占空比，再通過價(jià)值函數(shù)同時(shí)選取出電壓矢量和占空比的組合[16]。這種控制方法能夠很好地抑制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，在不影響電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的同時(shí)提高電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。

2 應(yīng)用

本文作者依據(jù)該方案進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)，建造了3D模型和三級(jí)擴(kuò)展方艙驗(yàn)證裝置，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)能夠擴(kuò)展6米的三級(jí)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)擴(kuò)展或撤收快速平順無卡阻，證明該方案切實(shí)可行。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步的正在制作基于該方案的大擴(kuò)展比車載方艙，并以該車載方艙為平臺(tái)搭建出一臺(tái)車便可整合全部野戰(zhàn)檢查檢驗(yàn)功能的車載綜合處置方艙。3D模型和驗(yàn)證裝置，分別見圖11～12。

圖11 擴(kuò)展艙3D模型

圖12 驗(yàn)證裝置

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種上下板對(duì)折式多級(jí)擴(kuò)展方艙，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)稱破缺規(guī)律設(shè)計(jì)了方艙艙體結(jié)構(gòu)及其密封形式，利用運(yùn)動(dòng)拓?fù)湟?guī)律設(shè)計(jì)與艙體相適應(yīng)的擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，方艙的擴(kuò)展和撤收采用多電機(jī)同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵式控制。新型方艙具有很大的擴(kuò)展比，擴(kuò)展后內(nèi)部空間寬敞，可以作為作業(yè)方向的一體化平臺(tái)集成大量專用設(shè)備，同時(shí)操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式控制，維護(hù)保養(yǎng)方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

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