地面系留设施万向滑轮结构优化设计

李 浩，吕永超，王平安

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 工程系统研究部，安徽 合肥 230088)

1 引言

机动式系留气球作为浮空器领域的一个重要分支，因为其使用灵活方便，保障性能高并可根据任务需要随时进行转移的优点，在应急指挥、安防和通讯等方面发挥着越来越重要的作用[1-3]。

万向滑轮作为机动式系留气球地面系留设施重要组成部分，安装在地面系留设施水平横梁的最前端，在系留气球升空、回收、滞空工作过程中实现系留缆绳导向，同时通过内部安装的传感器实现缆绳载荷及缆绳倾角的测量。本文设计了一种新型的万向滑轮结构，可实现系留缆绳换向及缆绳拉力和倾角的测量，同时具有重量轻、可靠性高、便于拆卸和安装等优点。

2 设计要求

机动式系留气球万向滑轮结构主要是完成系留缆绳导向并实现缆绳拉力载荷及缆绳倾角的测量。由于受重量、风速和任务载荷等因素的制约，对万向滑轮结构设计提出如下要求：

(1)在缆绳受力张紧状态，万向滑轮应可随缆绳载荷方向的变化实现水平、前后摆动。在前后摆臂上应能够安装三维姿态传感器。

(2)在缆绳松弛状态下，万向滑轮应根据实际需求进行配平调整，要求滑轮转到任意位置均可自由停止。

(3)便于实现系留缆绳与万向滑轮的分离。

(4)万向滑轮应设有防跳线保护装置，防止缆绳脱槽损伤。

(5)设备应能进行分解或拆收，满足公路及铁路运输标准。

3 万向滑轮结构设计

3.1 结构形式设计

机动式系留气球地面系留设施万向滑轮结构主要由滑轮、颊板、支撑板、下侧板、前后底座、底座中心轴、配重块等组成，具体结构形式如图1所示。缆绳收放过程中，滑轮可在平面内绕底部中心轴A2左右自由旋转，同时也可以在垂直平面内绕中心轴B1B2前后自由转动，并通过万向轮底部配重块进行配平调整，可保证滑轮转到任意位置均可自由停止，从而可以实现缆绳在各种工况下顺利换向。

在系留气球升空、回收和滞空过程中，当缆绳受力张紧时，带动滑轮组件绕A2点处中心轴旋转，通过与支撑板连接的传感器压块挤压压力传感器，实现缆绳拉力的测量。当缆绳与竖直方向呈一定的偏转角度时，颊板可随缆绳绕滑轮中心轴同步旋转，在颊板顶端缆绳出口处安装惯性传感器，实现缆绳倾角测量。

图1 万向滑轮结构示意图

滑轮前端的缆绳限位装置由四个滚珠组件构成，水平和垂直方向的两个滚珠组件分别限制缆绳上下、左右方向摆动范围，在滑轮正下方及缆绳出口处安装防跳线装置，从而保证缆绳平稳可靠卡入滑轮轮槽顺利实现换向。同时，在支撑板的一侧留有开口槽，便于维修过程中实现缆绳与万向滑轮分离。

3.2 万向滑轮受力分析

系留气球正常稳定工作时，设缆绳所受拉力载荷为T1=T2，传感器压力为F，由力矩平衡原理(T*L1=F*L2)可确定压力传感器量程。万向滑轮受力示意图，如图2所示。

3.3 材料选取及工艺确定

导向滑轮作为主要受力件采用中碳铸钢材料，具有一定的韧性和塑性，强度和硬度较高。滑轮支撑板采用Q345钢板焊接而成，滑轮中心轴、底座中心轴、侧板与支撑板的连接轴均采用40Cr，并进行调质处理，提高强度和韧性。下侧板组件采用Q345钢板焊接而成，焊接过程中配合专用定位工装进行，为了减小焊接变形的影响，焊接件上的孔均进行焊后加工，同时进行焊后振动时效处理，提高焊缝强度，降低内应力，稳定尺寸[4-5]。

图2 万向滑轮受力示意图

4 万向滑轮结构有限元分析

根据万向滑轮结构形式和实际应用工况，建立有限元分析模型，模型使用实体单元，在转轴处使用连接单元释放其绕轴的转动约束。

4.1 材料确定

万向滑轮结构主要由前后底座、底座中心轴、下侧板、支撑板和传感器压块等组成，各部件型号及材料性能如表1所示。

表1 万向滑轮结构参数及材料性能

4.2 模型载荷

缆绳拉力载荷作用在万向轮上，水平和垂直载荷均为缆绳最大制动载荷，如表2所示。

表2 万向滑轮载荷

4.3 结果分析

借助有限元分析软件对万向滑轮结构进行静强度分析，由分析结果可以看出，万向滑轮最大应力位于支撑板中部边缘区域,应力云图如图3所示。万向滑轮关键部件应力分析结果如表3所示，各部件安全系数大于1.5，均小于材料屈服强度。万向滑轮最大变形量为7.075mm,位于支撑板顶端，变形图如图4所示。对万向滑轮的传力路径进行分析可知，通过增加支撑板和下侧板的厚度可有效减小万向滑轮变形，对于支撑板中部边缘应力集中区域，在左右支撑板外侧边缘处采用局部加厚的方式可减小局部应力集中，优化后的支撑板结构形式如图5所示。

表3 应力分析结果

图3万向滑轮应力云图

图4 万向滑轮变形云图

图5 优化后的支撑板示意图

5 结构优化分析

优化前的万向滑轮结构主要由底座、滑轮、中心轴、颊板、侧板、配重块等组成，结构示意图如图6所示。

图6 优化前的万向滑轮结构示意图

优化前的万向滑轮通过底座端部的法兰盘安装固定，优化后的万向滑轮则由壳体底座通过螺栓固定在底板上，安装固定较为安全可靠；优化前的万向滑轮由于结构形式的局限性，不具备测力功能，无法测量缆绳拉力，优化后的万向滑轮结构可实现缆绳拉力测量，并可实现缆绳拉力的实时监测，确保系留气球收放过程安全可靠；由于系留缆绳穿过底座壳体再经由滑轮换向，缆绳难以与万向滑轮分离，维修不便，优化后的万向滑轮支撑板上设计有开口槽，便于缆绳与万向滑轮分离，便于维修；优化前的滑轮重心距离中心轴线距离较近，导致配重块的重量较大，优化后的结构中滑轮重心距离中心轴线距离较远，从而减轻了配重块的重量。此外，优化后的万向滑轮支撑板和下侧板上设计有减重孔，进一步减轻了整体部件的重量。

机动式系留气球万向滑轮结构分别从安装固定方式、测力功能、重量、可靠性及维修性等方面进行优化设计，优化后的万向滑轮结构安全可靠，可实现缆绳拉力测量及缆绳与万向滑轮分离，可靠性维修性较高。优化前后万向滑轮结构对比分析如表4所示。

表4 万向滑轮结构优化分析

6 结语

本文介绍了一种新型的万向滑轮结构设计方案，既能实现缆绳换向又可实现缆绳拉力及倾角的测量，详细阐述了万向滑轮的结构形式和工艺实现过程，并对结构的刚度和强度进行有限元分析。分析结果表明，优化后的万向滑轮结构的强度和刚度均满足使用要求，具有广泛的工程应用前景。

[1] 侯东兴，刘东红.浮空器在军事斗争中的应用及发展趋势[J].航空兵器，2006(3)：60-64.

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[5] 王琼,王良,涂泽文，等.大型钢箱梁及其滑轮连接处同轴度控制的焊接制造工艺研究[J].船舶工程，2012(34):133-136.