劉永亮，任克亮，馬旭輪，張基明

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015）

艙口蓋系統(tǒng)是艦載垂直發(fā)裝置的重要組成部分， 既要滿足開關(guān)蓋的技術(shù)性能要求，又要在波浪等外載荷的作用下滿足剛強(qiáng)度要求[1]。新型超音速導(dǎo)彈要求垂直發(fā)射裝置有高的貯彈密度和機(jī)動(dòng)性、快的瞬時(shí)反應(yīng)能力，客觀上要求艙口蓋系統(tǒng)開關(guān)蓋時(shí)間短、反應(yīng)快、耗能小、可靠性高。

目前垂直發(fā)射裝置的艙口蓋系統(tǒng)主要分為液壓式和機(jī)電式兩大類別。其中液壓式艙口蓋系統(tǒng)受航區(qū)、季節(jié)、氣候、海況的影響，對(duì)液壓啟閉系統(tǒng)的可靠性要求非常高[2]。在極端情況下，液壓系統(tǒng)存在脈動(dòng)沖擊、液壓油泄漏等不利因素，影響到艙口蓋系統(tǒng)密封的安全性。

平面四桿機(jī)構(gòu)作為一種常見的機(jī)械式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以方便地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。在連桿機(jī)構(gòu)中，可以傳遞較大的動(dòng)力?？梢缘玫讲煌膫鲃?dòng)比，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，便于加工，且生產(chǎn)成本低。

作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，文中提出采用平面四桿機(jī)構(gòu)電動(dòng)開蓋的方式，來實(shí)現(xiàn)艙口蓋的快速開啟和關(guān)閉，并通過計(jì)算、仿真和試驗(yàn)對(duì)艙口蓋的技術(shù)性能進(jìn)行摸底。

1 主要性能指標(biāo)

艦載垂直發(fā)射裝置帶有發(fā)控設(shè)備，對(duì)艙口蓋系統(tǒng)發(fā)出操控指令，完成艙口蓋動(dòng)作。有以下主要性能指標(biāo)：

1）自收到發(fā)控設(shè)備“艙口蓋打開”指令到控制設(shè)備給出“艙口蓋打開好”信號(hào)，時(shí)間不超過3 s。

2）艙口蓋開啟角度（甲板面夾角）應(yīng)大于93°。

2 理論計(jì)算

艙口蓋開蓋解鎖機(jī)構(gòu)分為開蓋機(jī)構(gòu)和解鎖機(jī)構(gòu)兩部分[3-10]：開蓋機(jī)構(gòu)為平面四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，解鎖機(jī)構(gòu)為平面四桿機(jī)構(gòu)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。兩機(jī)構(gòu)通過凸輪撥盤實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，其動(dòng)力由一臺(tái)低速大扭矩電機(jī)提供，彈艙蓋開蓋解鎖機(jī)構(gòu)循環(huán)完成的動(dòng)作順序是：解鎖、開蓋、關(guān)蓋、上鎖。

根據(jù)艙口蓋功能要求，確定開蓋機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的長度及其傳動(dòng)比，進(jìn)行負(fù)載分析，完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算。然后運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。

2.1 確定各構(gòu)件的長度及傳動(dòng)比

考慮裝置上所提供的安裝空間，最終選用下面的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)分析如圖1所示。機(jī)構(gòu)中兩個(gè)死點(diǎn)位置位于同一直線上，即圖1中所示的C1和C2點(diǎn)。其中，曲柄為桿CD；搖桿為桿AB；機(jī)構(gòu)中 AB1C1D位置表示艙口蓋關(guān)閉到位；AB2C2D位置表示艙口蓋開啟到位。曲柄CD轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為180°，搖桿AB轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為95°。

四桿機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：AB= 94.85 mm，BC=241.88 mm，CD=70 mm，AD=250.2 mm，θ=28.78°，CD+AD＜AB+BC，滿足桿長條件。

隨著艙口蓋開啟角度α的改變，艙口蓋連桿機(jī)構(gòu)瞬時(shí)傳動(dòng)比也在改變。用 C語言編制相應(yīng)的計(jì)算程序，可以計(jì)算出艙口蓋開啟角度α所對(duì)應(yīng)連桿機(jī)構(gòu)瞬時(shí)傳動(dòng)比的數(shù)值解，如圖2所示。

圖2 艙口蓋連桿機(jī)構(gòu)瞬時(shí)傳動(dòng)比曲線

由曲線可以看出，在接近兩個(gè)死點(diǎn)位置附近，傳動(dòng)比非常大，在中間位置最小。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際情況，假設(shè)曲柄作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度為常數(shù)。則搖桿即艙口蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化趨勢(shì)為：啟動(dòng)時(shí)角速度從0加速到最大，然后減速至終點(diǎn)時(shí)為0。在初始位置和終點(diǎn)位置的速度均近似為0，這種變化對(duì)開蓋是有利的。

2.2 負(fù)載分析

由開蓋過程可以看出：負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨開啟角度的變化而變化，如圖3所示。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

圖3 艙口蓋受力

式中：Pw為風(fēng)載荷，N；Fy為 y方向搖擺過載力；Fz為z方向搖擺過載力。

由此可見，負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨艙口蓋開啟角度的變化而變化，不是常數(shù)。

利用計(jì)算機(jī)編程求解出艙口蓋開啟角度負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值解。由數(shù)值解可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在彈艙蓋開啟約5°時(shí)，達(dá)到其最大值Mmax=812.7 N·m，如圖4所示。

圖4 艙口蓋負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

2.3 確定所選用電機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速

1）電機(jī)輸出扭矩。因?yàn)閯?dòng)能的增量必須≥0，從能量角度來說，必須滿足W驅(qū)≥W負(fù)（不考慮摩擦、機(jī)械損失），即：

式中：M為電機(jī)輸出扭矩，N·m；Mt為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。

電機(jī)輸出扭矩不小于機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的乘積，用C語言編制相應(yīng)的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)矩M應(yīng)滿足：M≥569 N·m。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速主要由開蓋時(shí)間和機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比確定。開蓋時(shí)間小于3 s，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°后彈艙蓋開啟到位，電機(jī)轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足：n≥10 r/min。

3 仿真分析

3.1 模型假設(shè)

通過對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，作出如下假設(shè)：

1）按機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況對(duì)各構(gòu)件分配質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2）各構(gòu)件之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）各桿件連接處在傳動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)副無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

4）忽略各桿件連接處在傳動(dòng)過程中的摩擦力和磨損情況。

5）忽略各部件之間的裝配誤差，不考慮其他因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)描述

四桿機(jī)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系如圖 5所示。機(jī)架通過 f1轉(zhuǎn)動(dòng)副與曲柄一端聯(lián)接，曲柄一端通過f2轉(zhuǎn)動(dòng)副與連桿一端聯(lián)接，連桿一端通過f3轉(zhuǎn)動(dòng)副與搖桿聯(lián)接，搖桿一端通過f4轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架聯(lián)接。整個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，共9個(gè)自由度。

圖5 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.3 動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型可導(dǎo)出系統(tǒng)總動(dòng)能T，總勢(shì)能V，總耗散能D，它們均為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與廣義坐標(biāo)的函數(shù)。由拉格朗日方程得：

x=x(x1,x2,x3…)最后得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：[M]、[C]、[K]分別為994階量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X、X˙、X˙˙分別是廣義坐標(biāo)的位移向量、速度向量和加速度向量；{Q}為廣義力向量。

3.4 仿真過程及結(jié)果分析

本次仿真環(huán)境是在軟件 ADAMS/View環(huán)境中進(jìn)行的[11]，在驅(qū)動(dòng)連桿的旋轉(zhuǎn)副上加角速度驅(qū)動(dòng)。在作用對(duì)象的連桿上加上負(fù)載。仿真模型及開蓋所需扭矩如圖6和圖7所示。從圖5中可以看出，開蓋所需的扭矩大于550 N·m，與理論計(jì)算值所得的扭矩不小于569 N·m基本一致，只要電機(jī)輸出扭矩大于569 N·m就能滿足開蓋所需動(dòng)力要求。

圖6 艙口蓋開蓋機(jī)構(gòu)仿真模型

4 試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行開蓋試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，反復(fù)執(zhí)行開關(guān)蓋動(dòng)作數(shù)次，記錄下每次開蓋時(shí)間和開蓋角度以及機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況，見表 1—4。為驗(yàn)證所選用電機(jī)的功率是否滿足要求，通過加配重塊來模擬風(fēng)載荷及搖擺載荷，每個(gè)配重塊質(zhì)量為30 kg，共3塊，每加一塊配重塊做10次。從表1—4中可以看出，配重塊對(duì)每次開蓋時(shí)間和開蓋角度影響不大，每次開蓋時(shí)間均小于3 s，開蓋角度均大于93°，且機(jī)構(gòu)運(yùn)行正常[12-15]。因此開蓋時(shí)間和開蓋角度均滿足艙口蓋系統(tǒng)主要性能要求。

圖7 艙口蓋開蓋機(jī)構(gòu)所需扭矩

表1 不加負(fù)載開蓋情況

表2 30 kg負(fù)載開蓋情況

表3 60 kg負(fù)載開蓋情況

表4 90 kg負(fù)載開蓋情況

5 結(jié)論

四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足艙口蓋系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)要求。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了艙口蓋系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可行，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了快速開蓋的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，可為其他垂直發(fā)射裝置的艙口蓋設(shè)計(jì)提供工程經(jīng)驗(yàn)。