韋 磊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

山頂雷達(dá)由于裝備位置的特殊性，不僅給安裝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，而且給日常的調(diào)試、維護(hù)、檢修等帶來(lái)極大的不便。本文充分考慮地形因素，設(shè)計(jì)出一種用于山頂雷達(dá)的斜向運(yùn)輸裝置，方便人員攜帶設(shè)備到達(dá)指定位置完成作業(yè)[1]。該斜向運(yùn)輸裝置采用鋼絲繩曳引提升實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備的運(yùn)輸，提升鋼絲繩及限速繩在布置的過(guò)程中需要與山坡、導(dǎo)向系統(tǒng)的軌跡保持一致，具體可以通過(guò)曳引繩調(diào)節(jié)裝置[2]和限速繩導(dǎo)向裝置[3]進(jìn)行調(diào)節(jié)。轎廂運(yùn)行過(guò)程中的傾角會(huì)隨著坡度而變化，因此需要通過(guò)廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)轎廂傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，抵消水平加速度的影響，滿足人員和設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性和舒適性[45]。本文設(shè)計(jì)的用于山頂雷達(dá)的曳引斜向運(yùn)輸裝置相比垂直運(yùn)輸?shù)囊芬嵘×?，更省能量，而且結(jié)構(gòu)緊湊、便于布置，滿足了該特殊應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行的需求。

1 斜向運(yùn)輸裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

山頂雷達(dá)斜向運(yùn)輸裝置的布置圖如圖1所示，主要包括轎廂系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、對(duì)重系統(tǒng)、曳引裝置和層門(mén)。其中導(dǎo)向系統(tǒng)布設(shè)在山坡上，曳引裝置布設(shè)在山坡頂端，轎廂系統(tǒng)和對(duì)重系統(tǒng)通過(guò)曳引裝置驅(qū)動(dòng)、曳引鋼絲繩牽引分別沿著導(dǎo)向系統(tǒng)的上層、下層導(dǎo)軌移動(dòng)。導(dǎo)向系統(tǒng)包含導(dǎo)軌架、轎廂導(dǎo)軌、對(duì)重導(dǎo)軌、曳引繩調(diào)節(jié)裝置和限速繩導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖如圖2所示，轎廂導(dǎo)軌、對(duì)重導(dǎo)軌和曳引繩調(diào)節(jié)裝置均固定在導(dǎo)軌架上，限速繩導(dǎo)向裝置單獨(dú)布置在導(dǎo)軌架一側(cè)，且與導(dǎo)軌架平行布置。

圖1 斜向運(yùn)輸裝置布置圖

圖2 導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

曳引繩調(diào)節(jié)裝置控制曳引鋼絲繩的軌跡與導(dǎo)軌軌跡一致，防止曳引鋼絲繩干涉導(dǎo)軌架或者飄懸于空中，保證轎廂和對(duì)重的平穩(wěn)運(yùn)行。曳引繩調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，曳引繩被限制在2個(gè)旋轉(zhuǎn)輪內(nèi)。限速繩導(dǎo)向裝置控制限速繩的軌跡與導(dǎo)軌軌跡一致，防止限速繩干涉地面或者飄懸于空中，保證限速繩能夠在轎廂發(fā)生斷繩等超速事故時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)，限速繩導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，通過(guò)滑輪對(duì)限速繩實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，根據(jù)坡度的變化分別布置限速繩托繩裝置和限速繩壓繩裝置。

圖3 曳引繩調(diào)節(jié)裝置

為了在轎廂運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)廂體傾角，在廂體和底部滑車之間一側(cè)鉸接，另一側(cè)連接有廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，廂體調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖如圖5所示。通過(guò)廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)廂體與底部滑車之間的夾角，從而使廂體適應(yīng)坡度的變化。

圖5 廂體調(diào)節(jié)過(guò)程

廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用臥式螺旋千斤頂?shù)脑韺?shí)現(xiàn)廂體的調(diào)節(jié)，廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括主動(dòng)千斤頂、主動(dòng)千斤頂螺桿、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、從動(dòng)千斤頂螺桿、從動(dòng)千斤頂、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪和同步齒輪。通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和螺桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的升降，通過(guò)聯(lián)軸器連接主動(dòng)千斤頂螺桿和從動(dòng)千斤頂螺桿保證了主動(dòng)千斤頂和從動(dòng)千斤頂調(diào)節(jié)的同步性。

圖6 廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2 斜向運(yùn)輸裝置運(yùn)動(dòng)特性研究

2.1 斜向運(yùn)輸裝置物理模型

設(shè)斜向運(yùn)輸裝置運(yùn)行路徑為y=f(x)，假設(shè)為光滑曲線，曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)速度為v。

轎廂從底層開(kāi)始勻速向上運(yùn)行時(shí)間為t，走過(guò)的導(dǎo)軌曲線弧長(zhǎng)為：

轎廂走過(guò)的水平距離x隨時(shí)間t的變化為：

轎廂底部滑車傾角φ隨時(shí)間t的變化為：

為進(jìn)一步得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n與廂體水平期望傾角γ、底部滑車傾角φ的關(guān)系，建立如圖7所示的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，根據(jù)幾何關(guān)系可得：

圖7 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型

式中：θ為電機(jī)轉(zhuǎn)角；s為螺桿螺距；L為螺桿初始水平跨度；i為減速比；l為螺桿水平跨度；d為調(diào)平機(jī)構(gòu)支撐臂臂長(zhǎng)；b為轎廂廂體長(zhǎng)度；c為底部滑車長(zhǎng)度；h為廂體調(diào)平機(jī)構(gòu)支撐高度。

可得電機(jī)轉(zhuǎn)速n與廂體水平期望傾角γ、底部滑車傾角φ的關(guān)系：

2.2 無(wú)摩擦力時(shí)的力學(xué)模型

轎廂運(yùn)行過(guò)程中，為了保證乘客的舒適性和安全性，需對(duì)廂體傾角實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使乘客與廂體之間的摩擦力為0。圖8為乘客受力分析圖，通過(guò)牛頓第二定律，可得：

圖8 乘客受力分析圖

式中：Fp為廂體底板對(duì)乘客的支撐力；m為乘客質(zhì)量；a x為轎廂水平加速度；a y為轎廂豎直加速度。

得出廂體水平期望傾角γ與轎廂水平加速度a x、底部滑車傾角φ的關(guān)系：

綜上，將式(3)和式(7)代入式(5)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速n與時(shí)間t的關(guān)系函數(shù)：

其中：

2.3 軌跡規(guī)劃

對(duì)于一個(gè)確定的斜向運(yùn)輸裝置，裝置運(yùn)行路徑是已知的。如圖9(a)所示作出運(yùn)行路徑，假設(shè)平臺(tái)運(yùn)行路徑為：

令s=0.005 m，i=2，L=0.8 m，d=0.4 m，b=1.68 m，c=1.68 m，通過(guò)代入數(shù)值求解并通過(guò)MATLAB進(jìn)行曲線擬合[67]，得到轎廂水平加速度、底部滑車傾角、電機(jī)轉(zhuǎn)速(負(fù)值表示電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng))隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)出一種用于山頂雷達(dá)的斜向運(yùn)輸裝置，其中導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轎廂和對(duì)重在運(yùn)行過(guò)程中的限位導(dǎo)向；曳引繩調(diào)節(jié)裝置、限速繩導(dǎo)向裝置解決了曳引繩和限速繩在變坡度地形上干涉和飄繩的問(wèn)題；廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)解決了斜向運(yùn)輸裝置在運(yùn)行時(shí)廂體傾角需要不斷調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

建立了斜向運(yùn)輸裝置的物理模型及無(wú)摩擦力時(shí)的力學(xué)模型，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，代入數(shù)值求解得到相應(yīng)的變化曲線，解決了人員乘坐轎廂時(shí)存在水平加速度而感到不適的問(wèn)題，給出廂體運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)具體的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的數(shù)值結(jié)果。