李 亮，吳啟鵬，馬 聰，康昌璽

(蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

車載升降裝置是裝甲車武器系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是完成發(fā)射裝置、觀瞄制導裝置及綜管裝置等設備的上升和下降。剪叉式升降裝置主要包括驅動部件和剪叉機構。剪叉機構作為剪叉式升降裝置的主體具有伸展、折疊性能[1]。雙剪叉式升降裝置具有結構緊湊、承載量大、驅動裝置通用性強和操控性好等特點，因而在各種場合中得到廣泛應用[2]。常見的剪叉式升降裝置大多采用液壓驅動，缺點是存在漏油、污染及需要設計特定的液壓油路、油站等問題，使得中小型升降平臺的設計變得較為復雜、成本較高且外形和體積較大[3-4]，不適用于裝甲車對環(huán)境要求較高的工況。相比于液壓驅動，電動剪叉式升降裝置具有安裝維護簡單、升降速度快、升降精度高且無污染等優(yōu)點[5]。

本文設計的車載升降裝置是利用伺服電機作為驅動部件，驅動結構自鎖的梯形絲桿螺母副運動，舉升雙剪叉機構伸展、折疊，實現(xiàn)平臺的上升、下降和任意位置的鎖定，具有安裝高度低、升降行程長、升降速度快、運行平穩(wěn)、安全性高等優(yōu)點，為同類型的車載升降裝置的研究提供了新的思路。

1 裝置組成與工作原理

車載升降裝置主要由下底座、電機組件、齒輪組件、支撐套、梯形絲桿螺母副、抬升軸、雙剪叉機構、導向組件、限位開關、上平臺等組成，如圖1所示。

圖1 裝置的組成圖

車載升降裝置工作原理如圖2所示，接到上升/下降指令后，電機組件(電機+減速器)工作，通過齒輪組件驅動梯形絲桿螺母副運動，使抬升軸向上/向下運動，帶動雙剪叉機構伸展/折疊，實現(xiàn)上平臺的上升/下降，升降過程中通過梯形絲桿自鎖實現(xiàn)上平臺任意位置的鎖定，導向組件進行運動導向，待接近上到位/下到位位置時，觸發(fā)頂部/底部限位開關，電機組件減速進行電氣緩沖，上平臺上升/下降運動減速，直至上升到位/下降到位，完成升降裝置的上升/下降工作。

圖2 車載升降裝置工作原理圖

2 傳動系統(tǒng)運動學和動力學仿真

本文研究的新型車載升降裝置設計參數(shù)：外形尺寸為1 378 mm×378 mm，最大安裝高度為400mm，最小升降高度為700 mm，抬升負載為1 000 kg，升降時間為10 s。將建好的三維模型導入ADAMS 中建立傳動系統(tǒng)虛擬樣機，如圖3所示。根據(jù)實際運動情況，在虛擬樣機上施加約束，在螺母與絲桿之間的移動副上添加驅動，將螺母的速度設定為17.5 m/s，設置仿真結束時間為10 s，步長為500 步，進行運動學仿真分析。仿真結束后進入后處理模塊獲得升降裝置螺母位移曲線和上平臺位移曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖3 傳動系統(tǒng)動力學仿真模型

圖4 螺母位移曲線

圖5 上平臺位移曲線

從圖4、圖5可以看出，10 s的上升時間螺母移動175 mm，能實現(xiàn)上平臺上升700 mm高度，說明該升降裝置可使升降行程放大4倍，有利于解決安裝高度低、升降行程長的技術難題，能為有同樣升降需求的車載升降裝置設計提供參考。當螺母速度恒定時，升降裝置上平臺上升過程比較平緩，滿足車載升降裝置抬升武器系統(tǒng)的工作需求，從上平臺位移曲線圖可得出上平臺的速度、加速度變化規(guī)律，在上升初期上平臺的速度、加速度較大，隨著上平臺不斷地上升，上平臺的速度與加速度不斷減小，在上平臺升高350 mm前速度快速減小，之后減小緩慢，最終趨于平緩。

對升降裝置進行動力學仿真前需為模型添加工作載荷，考慮升降裝置的抬升負載無偏心，在升降裝置4個上滾輪鉸接處各添加一個2.5 kN 的集中載荷。設置仿真時間為10 s，步長為500 步，使升降裝置上平臺升高至到位位置并停止，得到螺母舉升力曲線和各鉸接點受力曲線如圖6、圖7 所示。

圖6 螺母舉升力曲線

圖7 各鉸接點受力曲線

從圖6可以看出，升降過程中螺母舉升力比較穩(wěn)定，趨于恒定值40 334 N，約為抬升負載的4倍，說明負載升降行程放大4倍的同時，螺母舉升力相對于負載也增大4倍，這為螺母舉升力提供了一種簡單可靠的計算方法，可避免復雜的受力分析。由圖 7曲線可知，隨著上平臺的上升，下層剪叉中間鉸點受力不變，保持在12.8 kN，兩層剪叉連接鉸點、上層剪叉中間鉸點和下滾輪鉸點受力均逐漸減小，其中兩層剪叉連接鉸點受力最大值為23.5 kN，上層剪叉中間鉸點受力最大值為17.5 kN，下滾輪鉸點受力最大值為17.0 kN，可為升降裝置鉸接處的疲勞強度分析提供參考。

3 驅動部件設計

3.1 絲桿螺母副設計

為了保證車載升降裝置升降過程的安全性，考慮到滑動螺旋副易于自鎖、能夠任意位置停止、抗沖擊性好的特點，絲桿螺母副采用單頭梯形螺紋的滑動螺旋副。

絲桿螺母副螺旋升角φ計算公式：

(1)

式中：L為絲桿導程，取10 mm；d2為絲桿中徑，取45 mm。計算得螺旋升角φ=4.05°<4.5°,滿足自鎖條件。

絲桿驅動力矩T1計算公式：

(2)

式中：F為絲桿螺母副提供的舉升力；η為絲桿螺母副傳遞效率，梯形絲桿一般取0.4。由第2節(jié)動力學仿真分析結果可知，F(xiàn)=40 334 N，L=10 mm，計算得絲桿驅動力矩T1=160.6 N·m。

絲桿轉速n1計算公式：

(3)

式中：V1為螺母滑動速度。由第2節(jié)動力學仿真分析結果可知，10 s負載上升到位，螺母移動最大位移為175 mm，則螺母滑動速度V1=1 050 mm/min，L取10 mm，計算得絲桿轉速n1=105 r/min。

根據(jù)以上分析和計算，絲桿螺母副主要設計參數(shù)見表1。

表1 絲桿螺母副主要設計參數(shù)

3.2 電機組件設計

電機組件是車載升降裝置的驅動源，電機組件主要由直流無刷電機和減速器組成。減速器選用一種行星齒輪減速器，該行星齒輪減速器減速比i1為28∶1，額定輸出扭矩T額為200 N·m。

由驅動部件傳動比關系計算電機轉速n0和輸出扭矩T0，公式如下：

n0=n1i1i2

(4)

(5)

由n0和T0計算電機輸出功率Pout：

(6)

式中：μ為電機組件效率，取0.8。計算得電機輸出功率Pout=2.3 kW。

根據(jù)電機主要設計參數(shù)對電機進行設計，采用一種直流無刷電機作為升降裝置的驅動源。電機工作電壓為48 V，額定轉速為3 000 r/min，額定功率為2.5 kW，額定扭矩為6.5 N·m。

4 主要承載部件力學仿真分析

利用ANSYS 軟件對由上平臺、雙剪叉機構、抬升軸和下底座組成的主要承載部件整體結構進行力學仿真，分析結構設計中的薄弱點。首先對模型進行簡化，設置各部件之間的連接關系，分配材料屬性，并進行網(wǎng)格劃分，然后對模型施加約束、載荷等邊界條件[6]，建立的有限元模型如圖8所示，有限元分析結果如圖9、圖10所示。

圖8 關鍵承載部件有限元模型 圖9 關鍵承載部件應力云圖 圖10 關鍵承載部件變形云圖

部件的材料均為合金鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為930 MPa。從圖9可以看出，主要承載部件的最大應力發(fā)生在剪叉臂上滾輪與上平臺滑槽接觸處，最大值為301.43 MPa，小于材料的屈服強度；從圖10可以看出，主要承載部件最大變形量位于上平臺中部，最大變形量為3.47 mm，滿足設計要求。分析可知，升降裝置結構設計中的薄弱點位于剪叉臂上滾輪與上平臺滑槽接觸處和上平臺中部，設計時需充分考慮這些區(qū)域的強度和剛度。

5 加載試驗驗證

制備了與車載武器系統(tǒng)同等質量1 000 kg的鐵塊，附加到上平臺上進行加載試驗，如圖11所示。測試過程中裝置工作比較平穩(wěn)，完成上平臺700 mm行程的升降所需時間為9.8 s。實際測試中，上平臺初始上升時速度和加速度很快，隨后逐漸減小，與運動學仿真分析結果基本一致。舉升過程中電流測試值維持在49 A左右，說明電機驅動絲桿螺母的舉升力恒定，與動力學仿真分析結果吻合。測試實際消耗的功率為2.35 kW，與理論計算結果相符，說明驅動部件參數(shù)設計合理。經(jīng)過多次加載試驗，裝置主要承載部件無變形和結構破壞，與力學仿真分析結果相符。

圖11 加載測試

6 結束語

本文提出了一種電機組件驅動絲桿螺母垂直舉升剪叉架的新型車載升降裝置。利用ADAMS軟件對傳動系統(tǒng)進行了運動學和動力學仿真分析，獲得了上平臺的運動特性、絲桿螺母的舉升力以及各鉸接點的受力情況，分析計算了驅動部件的設計參數(shù)，并對主要承載部件進行了力學仿真。最后對裝置進行了加載試驗，試驗結果表明裝置工作平穩(wěn)可靠，升降行程、時間和功率滿足設計要求。本文設計的新型車載升降裝置對安裝高度低、升降行程長、負載重和升降速度快的同類產(chǎn)品開發(fā)具有一定借鑒意義。