一种系留气球用万向滑轮*

赖贞华，杜鹏程

（1. 中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035；2. 中国人民解放军 93253部队，辽宁 大连 116000）

引 言

系留气球是一种依靠空气浮力（静升力）来克服其自身重力并通过缆绳系固约束的航空器[1]。与其他飞行器相比，它具有滞空时间长、覆盖范围广、侦查功能强、生存能力强、机动性好、成本低的特点[2-3]，其市场应用越来越广泛。

系留气球主要包括空中设备和地面系留装置。空中设备主要包括球体结构、系留缆绳、测控系统、电源系统等；系留装置由系留塔、防护舱、控制舱、承重框、旋转平台等组成[4]。万向滑轮属于系留气球系统的一个结构部件，通常安装于锚泊设备旋转平台尾部，主要用于将连接系留气球的竖直系留缆绳导向后水平传输至缆绳收放设备，实现绞盘对系留缆绳的卷绕收放，并在系留气球系留和收放过程中承受系留缆绳的张力。目前对万向滑轮的深入研究较少，通常只是为了简单地实现导向功能[5]，部分增加了系留缆绳的测量功能[6]，对性能、制造和使用维护方面考虑较少。本文基于万向滑轮的功能需求，系统分析了设计要求，并从结构工艺、使用维护和在线测量方面进行了综合优化设计。

1 万向滑轮设计要求

1.1 系留气球使用模式

系留气球通常有地面锚泊、维修系固、升空、回收和空中系留5种工作模式。在升空、回收和空中系留3种工作模式下，万向滑轮均处于受力工作状态。同时，由于受风载影响，球体将带动系留缆绳沿周边的各个方向做水平偏移运动，因此要求万向滑轮能够向各个方向自由转动[7]。系留状态下的系留气球见图1。

图1 系留气球系留状态

1.2 万向滑轮设计要求

根据万向滑轮的主要功能需求，考虑实际使用要求及安全性要求，万向滑轮的设计通常应满足以下要求：1）万向滑轮应能承受产品规定工况条件下的载荷，并具备测量缆绳张力的能力；2）万向滑轮应适应系留缆绳前后偏转和横向摆动，并能测量系留缆绳相对铅垂方向的偏摆角度；3）经万向滑轮导向后的系留缆绳应保持水平方向的稳定，以利于缆绳收放设备对系留缆绳的卷绕收放；4）万向滑轮应设置保护装置，防止缆绳松弛以及在抖动过程中脱槽损伤，应对系留缆绳在风载激励下的振动冲击；5）应对万向滑轮进行配平，使其能在任意偏摆位置自由平衡，减小系留缆绳的横向受力及弯折损伤；6）万向滑轮应满足系留缆绳的弯曲半径要求，其导向滑轮直径一般不应小于系留缆绳直径的40倍；7）万向滑轮应便于实现系留缆绳与滑轮的分离。

2 万向滑轮设计方案

2.1 万向滑轮的组成及功能

万向滑轮通常由偏转轴承、安装支架、导向滑轮、限位机构、滑轮轴等组成，并安装在旋转平台的尾部，如图2所示。图中T为系留缆绳下端的张力，α为系留缆绳在导向滑轮中性平面内随限位机构的前后偏摆角度，β为万向滑轮在系留缆绳带动下绕偏转轴线的偏摆角度，F为系留缆绳作用在导向滑轮上的合力。

图2 系留缆绳万向滑轮结构

偏转轴承用于万向滑轮与旋转平台的连接并适应系留缆绳的横向偏摆；安装支架用于固定导向滑轮同时传递系留缆绳载荷；导向滑轮用于系留缆绳导向，并适应系留缆绳的连续收放卷绕和前后偏转；限位机构用于防止系留缆绳脱出导向滑轮槽，并用于间接测量系留缆绳在导向滑轮中性平面内的前后偏转角度；配重可使万向滑轮沿偏转轴线静平衡，降低系留缆绳的横向偏摆阻力。

2.2 基于制造工艺的安装支架优化设计

万向滑轮安装支架的侧板一般会设计成一个整体，同时作为导向滑轮的安装支撑和转动过程中的侧面防护。

为了使经导向滑轮导向后的系留缆绳与偏转轴承中心重合，安装导向滑轮时，需要使之相对偏转轴承的轴线存在一定的偏置，这使得安装支架尺寸很大。为了节约成本，安装支架通常采取2块钢板与偏转轴承安装座进行焊接，同时为了满足承载能力，在侧板上布置较多的加强筋，如图3所示。但采取此种焊接方式，在轴承安装座附近区域集中存在较多的焊缝，将产生应力集中，焊接变形较大，难以控制2个侧板之间的平行间距，从而在实际使用过程中经常出现导向滑轮与侧板干涉，且在承受系留缆绳冲击振动载荷过程中，容易产生进一步的变形和焊接疲劳失效问题。

图3 万向滑轮常规安装支架

为解决焊接变形、焊接疲劳失效问题，基于受力特性，将安装支架侧板的支撑固定功能和侧面防护功能分割开来独立考虑，即将侧板分割成两部分，承力支承部分经整体加工后与轴承安装座焊接，侧面防护部分采取非金属材料制品与支承部分螺栓连接或铆接，如图4所示。此方法的优点在于可解决焊接变形问题，控制加工精度，且非金属材料的应用可减轻安装支架的重量。

图4 安装支架与侧防护板分离

2.3 基于拆装维护的安装支架优化设计

系留缆绳一般长达几百米到几千米，为了可靠地承受球体载荷，通常是整体成型，且与较大尺寸的缆绳接头采取不便拆卸的连接结构[8]，而缆绳接头截断后重新制作的固化周期通常需要1～2周。结合图2—图4，由万向滑轮的结构特征可知，在不破坏系留缆绳和缆绳接头的情况下，系留缆绳无法与万向滑轮分离，这不利于万向滑轮的维修更换或系留缆绳的拆装。针对该问题，可增大万向滑轮的安装支架，将系留缆绳移出偏转轴承，如图5所示。

图5 系留缆绳可分离万向滑轮结构

显然，采用图5所示的结构形式可以实现与系留缆绳的在线分离，但将额外产生以下不足：1）安装支架的力臂明显增加，万向滑轮受力增大；2）需要拆除导向滑轮及滑轮轴，而滑轮轴与轴承通常为过盈配合，在线拆卸困难；3）系留缆绳经滑轮导向后未经过万向滑轮偏转中心，因此在使用过程中，将在水平面内随万向滑轮的左右偏摆进行横向的小幅度摆动，这将不利于系留缆绳的安全防护，且易造成后端绞盘收/放系留缆绳的不稳定波动。

针对该方案的不足，从两个方面进行改进：一方面，基于万向滑轮各部件的受力特点，将万向滑轮的安装支架更改为剖分式的结构形式；另一方面，改变万向滑轮常规正向安装的安装方式，使系留缆绳不经过偏转轴承，但保持导向后的系留缆绳轴线依然经过偏转中心，实现系留缆绳在线分离的同时保证系留缆绳导向后的稳定性。考察万向滑轮受系留缆绳的合力方向，在垂直于合力方向采用燕尾键槽形式连接，可从侧方滑动装入，然后利用少量螺栓固定，如图6和图7所示。当需要分离系留缆绳与万向滑轮时，仅需从图7所示的分离面拆除即可。

图6 剖分式万向滑轮主体结构

图7 剖分式万向滑轮工作状态

2.4 基于在线测量需求的结构设计

在系留气球使用过程中，为监测系留缆绳状态及空中球体姿态，通常在球体结构安装惯性导航仪和在系留缆绳顶端设置拉力传感器外，从系统安全角度考虑，同时在万向滑轮处测量系留缆绳的张力和系留缆绳与铅垂线的夹角状态，测量结果可以作为监测备份，从而在通信失效的情况下有效评估空中系留气球的状态。

在万向滑轮偏转轴承中心安装角位移传感器，可准确测量系留缆绳的横向偏摆角度β；在滑轮轴的端部安装角位移传感器，通过限位机构可间接测量系留缆绳在导向滑轮中性面内的前后偏转角度α（初始与水平方向垂直状态为0°），从而可准确计算出系留缆绳下端在空间内的系留方向。同时，导向滑轮的滑轮轴采用成熟的轴用力传感器，用于测量系留缆绳对导向滑轮的作用力，从而间接计算系留缆绳的张力，如图8所示。

图8 角位移传感器安装

根据定滑轮特性，结合系留缆绳前后偏转的角度α，依据静力平衡得：

式中，G为导向滑轮的质量。

考虑系留缆绳的张力与导向滑轮的质量通常存在数量级差别，忽略导向滑轮的质量，则由上式可得系留缆绳下端的张力T=F(2-2 sinα)-1/2。

因传感器本身的误差、安装误差及限位机构的累计误差，系留缆绳的张力存在一定误差。依据某系留气球产品的实际使用结果，该误差通常为恒定误差或线性误差，可在集成后对测量结果进行标定和修正。

另外，由空间几何关系可快速获取系留缆绳与铅垂线方向的空间夹角γ=arccos(cosαcosβ)。

3 结束语

本文从万向滑轮的功能需求和安全使用要求出发，提出了万向滑轮的通用设计要求，并基于万向滑轮的不足，从制造工艺、拆装维护和在线测量3个方面进行了优化改进设计，降低了制造加工难度，可精确测量系留缆绳下端的张力和系留缆绳与铅垂线的夹角，提升了产品的在线监测能力，实现了系留缆绳与万向滑轮的在线便捷分离，利于系留缆绳和万向滑轮的维护和更换，可广泛应用于各种系留气球的万向滑轮设计。