要 勇，郭 林，顏 劍，董曉彤

車載大型遙測天線新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

要 勇1，郭 林1，顏 劍2，董曉彤1

（1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076；2 衡陽泰豪通信車輛有限公司 衡陽 421001）

隨著航天遙測任務(wù)對機(jī)動(dòng)性和防護(hù)性要求越來越高，車載大型遙測天線開始嘗試安裝在方艙內(nèi)，運(yùn)輸時(shí)可以收藏防護(hù)，工作時(shí)可以展開，并要求在車輛運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)通信要求。方艙開蓋機(jī)構(gòu)是作為消除風(fēng)沙雨雪等環(huán)境負(fù)載影響、改善工作條件、提高車載大型遙測天線可靠性的一項(xiàng)重要舉措。開蓋機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)開啟和閉合，滿足大型遙測天線工作需求，收藏狀態(tài)能夠?qū)Υ笮瓦b測天線起到防雨、防塵和防撞擊等防護(hù)作用。由于大型遙測天線尺寸跨距大，又受鐵路、公路運(yùn)輸?shù)南拗疲瑢?dǎo)致常用的開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)空間受限制，并大幅增加了方艙開蓋機(jī)構(gòu)防護(hù)難度。針對上述問題，介紹了一套車載大型遙測天線新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將艙頂?shù)捻敯鍙淖笥曳较蚍譃閮蓧K，左右翻轉(zhuǎn)打開。為了完全不影響天線的工作，方艙左右壁上部的立板也隨著頂板一起翻轉(zhuǎn)，頂板和立板翻轉(zhuǎn)后，均與左右艙壁貼合，保證開蓋機(jī)構(gòu)打開后，整車寬度尺寸不影響車輛的公路運(yùn)輸性。該開蓋機(jī)構(gòu)采取電動(dòng)推桿和鋼絲繩絞盤方式進(jìn)行自動(dòng)開蓋和閉合，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算、電動(dòng)推桿和鋼絲繩絞盤選型確認(rèn)。新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了方艙頂蓋的自動(dòng)開啟和閉合，又滿足了大型遙測天線的車輛運(yùn)輸和運(yùn)動(dòng)過程中的通信要求，有效實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

大型遙測天線；開蓋機(jī)構(gòu)；車輛運(yùn)輸；防護(hù)

引言

隨著航天遙測任務(wù)需求的不斷提高，車載遙測站由小型化遙測天線向大型化遙測天線方向發(fā)展。為滿足此需求，通常使用方艙來實(shí)現(xiàn)大型遙測天線的運(yùn)輸，且方艙也可作為天線展開后進(jìn)行通訊工作時(shí)的平臺(tái)。當(dāng)天線處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，方艙可為天線提供防雨、防塵方面的保護(hù)；當(dāng)大型遙測天線需要展開進(jìn)行通訊工作時(shí)，方艙頂蓋能自動(dòng)開啟，并收藏在方艙兩側(cè)，不影響天線展開和方艙車靜止或行進(jìn)過程中進(jìn)行通訊工作。遙測天線（含天線座）尺寸為6.5 m（長）×2.4 m（寬），方艙尺寸為12 m（長）×2.55 m（寬），由于遙測天線尺寸大，導(dǎo)致常用的方艙開蓋機(jī)構(gòu)[1-6]設(shè)計(jì)空間受到限制，而且常用的方艙開蓋機(jī)構(gòu)在頂蓋打開時(shí)方艙車外形尺寸會(huì)變大超出公路運(yùn)輸尺寸要求。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種新型的方艙開蓋機(jī)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)了方艙頂蓋的自動(dòng)開啟和閉合，又滿足了車輛運(yùn)輸性（動(dòng)中通）的要求，提高了大型遙測天線的機(jī)動(dòng)性能力。

1 開蓋機(jī)構(gòu)方案

1.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)要求

①某遙測天線（含天線座）外形尺寸為6.5 m（長）×2.4 m（寬）×2.5 m（高），重量約為15 t；

②方艙外形尺寸為12 m（長）×2.55 m（寬）×3.1 m（高）；

③某遙測天線外形尺寸為4.65 m（長）×2.4 m（寬）×0.6 m（高）；

④方艙開蓋機(jī)構(gòu)閉合時(shí)，對天線起到遮擋與保護(hù)作用，需密封防雨，結(jié)構(gòu)美觀；

⑤方艙開蓋機(jī)構(gòu)打開時(shí)，不影響天線的升降或旋轉(zhuǎn)；

⑥方艙車在行駛過程中可進(jìn)行工作（動(dòng)中通），方艙開蓋機(jī)構(gòu)需打開，且滿足公路運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1.2 方艙開蓋機(jī)構(gòu)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

方艙開蓋機(jī)構(gòu)主要由方艙頂蓋、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。其工作原理是通過操作電氣控制，由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方艙頂蓋開啟或關(guān)閉。目前國內(nèi)常用的方艙開蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案主要有兩種：一種是電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)，靠電動(dòng)機(jī)通過四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方艙頂蓋進(jìn)行翻轉(zhuǎn)[7,8]，從而實(shí)現(xiàn)方艙頂蓋開啟及閉合；另一種是電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)，靠電動(dòng)機(jī)通過螺母絲桿帶動(dòng)頂蓋來進(jìn)行前后滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方艙頂蓋的開啟和關(guān)閉。

電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)原理：由電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，連桿機(jī)構(gòu)又與頂蓋進(jìn)行固連，從而帶動(dòng)頂蓋翻轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)示意圖

電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，適用于小型遙測天線（車頂開口直徑小于2 m），翻蓋質(zhì)量輕，方便手動(dòng)操作，但需要較大功率的電機(jī)，對焊接強(qiáng)度要求較高，故障率高，容易出現(xiàn)卡死、連接桿損壞等現(xiàn)象。大型遙測天線車頂開口尺寸大，接近方艙寬度，翻蓋質(zhì)量重，手動(dòng)操作存在較大安全隱患，并且對電機(jī)功率和焊接強(qiáng)度要求更加苛刻，可靠性低。由圖1可知，電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)長度由翻蓋長度、開合行程和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長度組成，方艙的長度至少是遙測天線長度的2.2倍，故用于大型遙測天線的電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)對方艙的長度有嚴(yán)格的要求。

電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)原理：電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，從而使絲桿上的螺母前后移動(dòng)，頂蓋固定在絲杠螺母上，從而使頂蓋前后滑動(dòng)，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)示意圖

電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)在安全性和可靠性上有了很大的提高，手動(dòng)可單人通過搖柄操作，并且可以在滑蓋上過人，對電機(jī)功率和焊接強(qiáng)度要求低，有效彌補(bǔ)了電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)的不足。但當(dāng)絲杠長度大于2.5 m時(shí)，由于跨距較大，絲杠加工困難，很難保證絲杠直線度。即使加工精度滿足要求，在使用過程中也容易發(fā)生變形，故電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)適合開口直徑2.5 m以內(nèi)的遙測天線。由圖2可知，電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)長度由頂蓋長度、開合行程和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長度組成，故方艙的長度至少是遙測天線長度的2.2倍，故用于大型遙測天線的電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)也同樣對方艙的長度有嚴(yán)格的要求。

根據(jù)GB7258-2017的規(guī)定，車輛總長不能超過16 m，故電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)和電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)兩種方案均不能滿足公路運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1.3 新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)方案

為了滿足大型遙測天線的運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)了一種新型的方艙開蓋機(jī)構(gòu)方案。此開蓋機(jī)構(gòu)將艙頂?shù)捻敯鍙淖笥曳较蚍譃閮蓧K，左右翻轉(zhuǎn)打開。為了完全不影響天線的工作，方艙左右壁上部的立板也隨著頂板一起翻轉(zhuǎn)，具體如圖3所示。頂板和立板翻轉(zhuǎn)后，均與左右艙壁貼合，保證開蓋機(jī)構(gòu)打開后，整車寬度尺寸不影響車輛的公路運(yùn)輸性。

圖3 新型的方艙開蓋機(jī)構(gòu)示意圖

由圖3可知，新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)對方艙長度無要求，彌補(bǔ)了電動(dòng)翻蓋機(jī)構(gòu)和電動(dòng)滑蓋機(jī)構(gòu)對方艙長度的約束，解決了大型遙測天線的運(yùn)輸問題和展開后在靜止和行進(jìn)過程中進(jìn)行通訊工作問題。但該開蓋機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)板塊翻轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，很難保證可靠性。

2 新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方艙開蓋機(jī)構(gòu)由左開蓋機(jī)構(gòu)和右開蓋機(jī)構(gòu)組合而成。左右開蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和功能一致，外觀對稱。左開蓋機(jī)構(gòu)主要由板片A、板片B、連桿1、連桿2、連桿3、電動(dòng)推桿、鉸支座1、鉸支座2、鉸支座3，鋼絲繩絞盤、鋼絲繩定滑輪、限位器、鋼絲繩固定塊、合頁等組成[11,12]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—板片B 2—鋼絲繩固定塊 3—鋼絲繩 4—限位器 5—板片A 6—鉸支座3 7—電動(dòng)推桿 8—鉸支座1 9—鉸支座2 10—連桿1 11—連桿2 12—連桿3 13—鋼絲繩絞盤 14—鋼絲繩定滑輪 15—合頁

2.2 工作原理

電動(dòng)推桿尾部通過鉸支座1鉸接固定在艙頂上，活塞桿前端鉸接在連桿2中間偏下位置；連桿2一端與連桿1連接，連桿1另一端鉸接在艙頂?shù)你q支座2上，連桿2另一端與連桿3連接，連桿3通過鉸支座3鉸接在板塊A上；當(dāng)電動(dòng)推桿活塞桿向外伸出，推動(dòng)連桿2，使連桿1繞鉸支座2做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)連桿1圓周運(yùn)動(dòng)到一定角度后，將改變運(yùn)動(dòng)的鉸支點(diǎn)，以連桿2與連桿1的連接點(diǎn)為鉸支點(diǎn)，連桿2繞此鉸支點(diǎn)做一定范圍內(nèi)的圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)；因?yàn)檫B桿3一端與鉸支座3連接，鉸支座3固定帶板塊A上，連桿3的另一端與連桿2的一端連接，連桿2的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿3運(yùn)動(dòng)，使板塊A繞合頁做圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)板塊A的打開與關(guān)閉。

板塊A與板塊B通過合頁連接，在板塊B上固定有鋼絲繩固定塊，在板塊A上固定有鋼絲繩定滑輪、限位器和鋼絲繩絞盤，鋼絲繩一端固定在鋼絲繩固定塊上，另一端通過鋼絲繩定滑輪固定在鋼絲繩絞盤上，通過鋼絲繩的收放來實(shí)現(xiàn)板塊B繞板塊A的90°圓周運(yùn)動(dòng)。在板塊A上設(shè)置限位器，使板塊B與板塊A最大行程為90°，且當(dāng)板塊A與板塊B垂直一起打開翻蓋和關(guān)閉翻蓋時(shí)承受板塊B的部分重量。

2.3 翻蓋打開與關(guān)閉

當(dāng)翻蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，首先電動(dòng)推桿伸出，使板塊A繞與艙頂鉸支座的合頁做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)板塊A打開180°后（即板塊A向下與艙壁平行），鋼絲繩絞盤釋放鋼絲繩，在重力的作用下使板塊B繞板塊B與板塊A之間的合頁做圓周運(yùn)動(dòng)，使板塊B運(yùn)動(dòng)到與板塊A平行，翻蓋打開。

當(dāng)翻蓋處于打開狀態(tài)時(shí)，首先鋼絲繩絞盤收縮鋼絲繩，板塊B在鋼絲繩的拉力作用下，讓板塊B繞板塊B與板塊A之間的合頁做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)板塊B運(yùn)動(dòng)到與板塊A垂直的方向時(shí)（即板塊B與艙壁垂直），然后電動(dòng)推桿收縮，板塊A與板塊B一起繞與艙連接的合頁做圓周運(yùn)動(dòng)，翻蓋關(guān)閉。

2.4 分析計(jì)算

2.4.1 板片規(guī)格

開蓋板片應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封要求的前提下盡量減重。借助有限元軟件，對板片的骨架與蒙皮進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[13,14]，最終確定板片A質(zhì)量為118 kg，板片B質(zhì)量為182 kg，相比傳統(tǒng)的方艙頂板，總質(zhì)量降低了8.5%。

2.4.2 電動(dòng)推桿選型

已知板片A和板片B共重300 kg，板片A與板片B垂直裝配，翻蓋翻轉(zhuǎn)過程中板片A與艙壁平行，其質(zhì)心距板片A與艙頂?shù)暮享摼嚯x最大。對開蓋機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿模型進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

圖5 開蓋機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿模型受力分析圖

根據(jù)驅(qū)動(dòng)扭矩公式：

式中，為作用力，為力臂，力臂是支點(diǎn)到力作用線的垂直距離。

以板片A與艙頂連接的合頁中心為轉(zhuǎn)軸，翻轉(zhuǎn)板片A和板片B所需要最大扭矩為

由力矩平衡原理可知，在質(zhì)心處翻轉(zhuǎn)板片和在鉸支座3處翻轉(zhuǎn)板片的力矩大小是一樣的，則有

根據(jù)力的分解公式：

由圖5可知，剛拉的時(shí)候連桿1和連桿2會(huì)先同時(shí)繞鉸支座2運(yùn)動(dòng)。以鉸支座2為旋軸，由力矩平衡原理可得

根據(jù)力的分解公式：

2.4.3 鋼絲繩絞盤選型

對鋼絲繩絞盤模型進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6 開蓋機(jī)構(gòu)鋼絲繩絞盤模型受力分析圖

以板片A和板片B的合頁為轉(zhuǎn)軸，由力矩平衡原理，則有

式中，為板片B的重力，；為翻轉(zhuǎn)板片B的作用力；L7為板片B質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的垂直距離，；L8為鋼絲繩固定件距離轉(zhuǎn)軸的垂直距離，。通過公式（8）計(jì)算，翻轉(zhuǎn)板片B所需作用力。

圖8 新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

根據(jù)力的分解公式：

2.4.4 防雨設(shè)計(jì)

在開蓋機(jī)構(gòu)閉合的時(shí)候，防止剛性碰撞，左右兩頂板之間留有間隙。防雨設(shè)計(jì)采用上擋雨沿、側(cè)擋雨沿、導(dǎo)水槽和密封圈，具體形式如圖7所示。為了能夠有效防止雨水進(jìn)入艙內(nèi)，防雨采用了兩級密封。如果兩級密封均失效，雨水進(jìn)入艙內(nèi)，也可以通過導(dǎo)水槽排出艙外。

3 應(yīng)用效果

新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖8所示，通過淋雨試驗(yàn)，運(yùn)行效果良好。經(jīng)過半年多的反復(fù)使用和運(yùn)輸，能夠正常運(yùn)行，并參與出海執(zhí)行任務(wù)，合蓋狀態(tài)時(shí)能夠有效防雨，滿足大型遙測天線的車輛運(yùn)輸要求和運(yùn)動(dòng)過程中的通訊要求，得到用戶的一致認(rèn)可。

4 結(jié)束語

實(shí)際應(yīng)用表明，新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)既能滿足大型遙測天線運(yùn)輸方艙合蓋后的運(yùn)輸要求，又能保證方艙車開蓋天線展開后在靜止或行進(jìn)過程中進(jìn)行通信工作時(shí)的使用要求。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、可靠、操作方便，且采用了國內(nèi)成熟的工藝技術(shù)，成本合理，經(jīng)濟(jì)性良好。裝載此新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)的方艙車已經(jīng)投入使用，運(yùn)行效果良好。

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An advanced opening-cover mechanism design of a vehicle-mounted square cabin for large-scale telemetering communication antenna

YAO Yong1, GUO Lin1, YAN Jian2, DONG Xiaotong1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 2. Hengyang Tellhow Communication Vehicle Co., Ltd., Hengyang 421001, China）

As aerospace telemetry missions require more mobility and protection, large vehicle-mounted telemetry antennas have begun to be installed in square cabins, which can be stored properly during transportation and deployed during work, and can be able to fulfill communication requirements in vehicle movement. The shelter roof opening mechanism is mean to suppress the environment factors such as wind, sand, rain and snow, to improve the working conditions, and to increase the reliability of telemetry antennas. In order to meet the antenna working requirements, the shelter roof opening mechanism can open and close automatically. And the storage state can keep the large telemetry antenna from rain, dust and unexpected impact for protection. Due to the limitation of the size and the transportation of large telemetry antenna, the traditional shelter roof opening mechanisms lack of design space and self-protection. Therefore, this paper introduces a new type of shelter roof opening mechanism for large vehicle-mounted telemetry antennas. In this mechanism, the shelter roof is divided into two parts from the left to right, and the two parts unfolds following their own direction. And the upper left and right cabin walls moves along with the shelter roofs. When the shelter roof mechanism opens to the limit, they ply-up with the left and right cabin walls. Hence, the total width of the shelter roof mechanism hardly increases, which guarantees the road transportation of the telemetry antenna. The shelter roof opening mechanism adopts electric push rod and wire rope winch to achieve automatically open and close. The mechanical analysis and selection of electric parts are introduced in this paper. The new shelter roof opening mechanism not only realizes the automatic opening and closing, but also meets the communication requirements of the large telemetry antenna in vehicle movement with effective protection. Finally, the shelter roof mechanism has been proved to show favorable application results in practice.

Large telemetry antenna; Opening mechanism; Vehicle transportation; Protection.

U463.82+9

A

CN11-1780(2022)05-0082-07

10.12347/j.ycyk.20210914002

要勇, 郭林, 顏劍, 等.車載大型遙測天線新型方艙開蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(5): 82–88.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210914002

: YAO Yong, GUO Lin, YAN Jian, et al. An advanced opening-cover mechanism design of a vehicle-mounted square cabin for large-scale telemetering communication antenna[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 82–88.

2021-09-14

2021-11-09

要 勇 1963年生，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成。

郭 林 1986年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)集成及電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

顏 劍 1981年生，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)檐娪密囕v改裝、軍用方艙及天線升降平臺(tái)設(shè)計(jì)。

董曉彤 1990年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析。

(本文編輯：楊秀麗)