上下板对折式多级扩展方舱自动扩展机构

孟晓东，郑静晨，李明，黄山林，徐冬，杨林波，赵喆，李晓雪，郝昱文

1.武警总医院，北京 100039；2.南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006；3.南阳二机车辆制造有限公司，河南 南阳 473006

引言

扩展方舱以其环境适应性好、快速反应强、机动性能好、扩展后舱室空间大等优点，在野外应急生活保障、餐饮保障，尤其是医疗保障发挥重大作用。现有扩展方舱的扩展形式主要有3种：抽拉式扩展方舱每一级扩展舱的长宽高尺寸均比前一级小，方舱内部空间也逐级减小，而且方舱底面不可避免会产生台阶，导致地板不平整；多板联动翻板式扩展方舱在扩展和撤收时动力作用于大板的几个点上，大板受力较为集中，又因为大板面积大，刚度不足，所以产生较大的弹性变形，而且这种机构对各个构件的制造及装配精度有很高的要求，生产难度大，成本高[1-3]；拆卸组合式扩展方舱拆装步骤繁琐，操作困难，所需时间长，不能满足快速扩展和撤收的要求，而且连接件在反复拆装后容易损坏，维护保养的时间和成本较高[4-8]。

上下板对折式多级扩展方舱是一种新型结构，尚处于试制阶段。这种机构扩展撤收快速平稳，操作简洁，大板受力状态好，弹性变形小，能适应反复展收，修理维护方便，使用寿命长，综合性价比高。扩展机构是保证方舱能正常发挥作用的核心机构，现有机构均不适用于此种方舱[9-12]，本文针对上下板对折式多级扩展方舱提出一种自动扩展机构的设计。

1 新型扩展机构的设计

1.1 扩展机构组成

本文提出的自动扩展机构，可以使多级扩展方舱舱室快速平稳地展开或收回。该机构由控制系统、动力传动系统及连杆机构组成，运动过程中既避开了自身的死点，又利用了方舱上下板本身的重力使机构能够锁定。连杆机构由两种曲柄滑块机构组成：一种曲柄滑块机构运动输入零件为滑块，运动输出零件为曲柄，曲柄即为方舱的上下板；另一种曲柄滑块机构由方舱上下板、舱体组成，运动输入零件为上一种曲柄滑块机构的运动输出零件，相当于曲柄，运动输出零件为舱体，相当于滑块。动力传动系统采用步进电机驱动滚珠丝杠副运动，滚珠丝杠副为曲柄滑块机构提供动力，滑块的运动可以达到很高的精度，便于多套机构联合使用时的同步控制。控制系统采用高速脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）脉冲信号控制步进电机，可以使各个步进电机的运动步调协调一致，而且能够实现一键式操作。

本文提出的自动扩展机构，见图1，右侧可增加相同机构以实现多级舱室的扩展。机构由两部分组成：步进电机、双膜片联轴器、自润滑轴承及轴承座一、滚珠丝杠副、自润滑轴承及轴承座二组成动力传动系统；连杆机构部分由两种曲柄滑块机构组成，法兰耳板、连杆、方舱上板、方舱下板组成曲柄滑块机构一，法兰耳板相当于机构中的滑块，与滚珠螺母通过螺栓连接，方舱上下板相当于机构中的曲柄，分别与连杆铰接；两块可对折的方舱上板8与舱体组成曲柄滑块机构二，舱体相当于滑块。电机安装在上部便于机构断电时手动应急扩展或收折。

图1 上下板对折式多级扩展方舱扩展机构

1.2 连杆机构的设计

平面四杆机构因结构相对简单且又能完成很多任务，所以得到了广泛的应用并得到深入的研究[13-16]。依据方舱整体尺寸确定连杆机构中各杆件和滑块的位置关系，从而设计出的连杆机构运动简图，见图2。

图2 连杆机构运动简图

该连杆机构可以拆解为两种曲柄滑块机构来研究。曲柄滑块机构二的运动简图，见图3。

在舱室由展开到收折过程中，该机构两个曲柄（方舱上下板）的转角均为90°，滑块（舱体）的位移为：

其中：l1为方舱上下板的长度，α为方舱上下板和框架间铰链轴中心连线与上下板的夹角。

曲柄滑块机构一的运动简图，见图4。

图3 曲柄滑块机构二运动简图

图4 曲柄滑块机构一运动简图

连杆的长度为：

连杆是该机构的关键零件，需要根据下文中的载荷分析对其进行强度校核计算以及压杆稳定性计算。

在舱室由展开到收折过程中，该机构曲柄（方舱上下板）的转角为90°，滑块的位移，也即滚珠螺母的行程为：

1.3 动力传动系统设计及功率匹配计算

动力传动系统由步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠副组成。滚珠丝杠副同时带动方舱上下板运动，所以每根丝杠两端螺纹旋向相反，配套两个旋向相反的滚珠螺母。z级扩展舱舱室每端都需要z+1套传动系统。

从最内侧算起，第1套传动系统滚珠丝杠所受轴向载荷最大值为：

其中：G1为单级方舱的重量；G2为方舱上下板的重量；μ为方舱舱底与滑道间的摩擦因数。

所受径向载荷最大值为：

其余传动系统滚珠丝杠所受轴向载荷最大值为：

所受径向载荷最大值为：

连杆承受的载荷最大值为：

根据丝杠承受载荷情况，设计时以螺纹的耐磨性计算和丝杠的刚度计算来确定螺旋传动的主要尺寸。由于丝杠承受一定的径向载荷，还需对其进行压杆稳定性核算。为增加丝杠的稳定性，采用两端及中间三处轴承支承。当选用线数为x，螺距为P，螺纹中径为d2的滚珠丝杠时，所需要的输出扭矩为M：

其中：λ为丝杠螺旋线升角，ρ′为丝杠当量摩擦角，fs为轴向支承面间摩擦因数，D0及d0为支承环面的外径及内径，FA为螺旋传动的轴向载荷：

步进电机的输出功率为：

其中，t为扩展方舱从收折到展开所用时间。

本文提出的动力传动系统载荷变化不大，工作平稳，转速低，功率较小，可以正反转运动来控制方舱舱室的展开和收折，可以选用新型GLD双膜片联轴器。它能准确控制轴的旋转，可进行高精度控制，具有质量轻、强度高、无需润滑、维护方便的特点，同时夹紧螺栓的固定方式具有补偿两轴相对偏移的能力。GLD双膜片联轴器结构，见图5。

图5 新型GLD双膜片联轴器

丝杠的安装固定选用剖分式青铜基体自润滑轴承，这种轴承使用高强度和硬度的强力铝青铜做基体，在基体中镶嵌固体润滑剂，无低温冷脆现象，可在极低温条件下使用，能满足方舱在低温恶劣环境下的使用要求，承载能力强，安装方便，比一般的滑动轴承有更高的耐磨性、耐拉毛性，同时也不需润滑、维护方便。自润滑轴承结构，见图6。

动力传动系统无油化的设计，无需供油装置、注油孔、油槽加工，使结构大幅简化，降低了制造成本和设备的维护保养成本，也免除了由于供油不足造成的设备损坏等风险，而且无需废油回收处理，有利于环境保护。

图6 自润滑轴承

1.4 控制系统的设计

方舱扩展控制系统主要由车载移动式控制器、步进驱动器、步进电机及其他控制元件组成，采用CoDeSys开发程序，精确控制多台步进电机同步运转，带动滚珠丝杠及连杆机构，实现上下板对折式多级方舱的一键式自动扩展和撤收。

控制系统的流程为：车载移动式控制器，输出高速PWM脉冲信号，通过控制步进驱动器，进而驱动步进电机运行。在程序中可根据不同的驱动器设定PWM脉宽及频率，以达到调压调速的目的。

本控制系统可实现方舱的一键式快速平稳扩展和撤收，解决了普通方舱扩展系统步骤繁琐费时费力的缺点，大大提高了移动方舱的可操作性和机动性，搬家移运方便[17]。

2 应用

本文作者依据该方案进行了工程设计，建造了3D模型和三级扩展方舱验证装置及相匹配的扩展机构，进行了扩展撤收原理验证试验。试验时能够扩展6 m的三级扩展结构扩展或撤收平均需时137 s，机构运行顺畅无卡阻，舱体扩展撤收快速平顺。3D模型，见图7。验证装置，见图8。

图7 扩展机构3D模型

图8 扩展机构验证装置

依据试验结果，基于该方案的大扩展比车载方舱正在进一步制作，并以该车载方舱为平台搭建出一台车便可整合全部野战检查检验功能的车载综合处置方舱。

3 结论

本文提出的上下板对折式多级扩展方舱自动扩展机构，扩展撤收运动快速平稳无死点，操控简捷，维护保养简单方便。本文针对机构的连杆机构、动力传动系统、控制系统，分别给出了详细的设计方案。连杆机构由两种曲柄滑块机构组成，其中一种的运动输出作为另一种的运动输入，实现滚珠丝杠副带动舱体的展开或撤收。动力传动系统采取无油化设计，控制系统采用电磁脉冲控制器精准控制整个系统所有步进电机，对方舱的展开和撤收实现一键式控制。本文的研究成果对于多级扩展方舱扩展机构的设计具有一定的参考意义，尤其对于上下板对折式扩展方舱的自动扩展机构设计具有一定的指导意义。

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