FAST故障促動器快速拆換機構設計與研究*

薛建興，雷 政，古學東，王啟明

(中國科學院國家天文臺，北京 100012)

FAST故障促動器快速拆換機構設計與研究*

薛建興，雷 政，古學東，王啟明

(中國科學院國家天文臺，北京 100012)

針對射電望遠鏡FAST促動器存在長期承受重載拉力、洼地使用、潮濕多雨、數(shù)量大、分布廣、設計壽命長等維護不利條件，基于接口便于安裝、加載安全可靠、拉桿地面調節(jié)、拆換銷軸爬梯的設計要點，提出了一種故障促動器快速拆換機構方案，并對關鍵技術進行研究：包括上連桿開口非封閉C型結構強度、剛度及輕量化有限元分析，抗剪鍵組件運動控制計算。以上工作為后續(xù)快速拆換機構物理樣機研制提供了設計方案、分析思路及計算方法，也對解決同類重型加載裝置的拆換具有借鑒意義。

FAST促動器；拆換機構；有限元分析；運動控制

500 m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)是國際上最大、最靈敏的射電天文望遠鏡[1]。利用貴州喀斯特洼坑作為臺址，在洼坑內鋪設500 m球冠狀反射面，通過主動控制形成拋物面以匯聚電磁波，采用輕型鋼索拖動饋源平臺實現(xiàn)望遠鏡的指向跟蹤。圖1為FAST望遠鏡主動反射面工作原理示意圖。

在望遠鏡觀測時，采用促動器驅動下拉索方式改變反射面單元面型，以跟蹤天體。促動器為機、電、

液一體化單元，工作于貴州黔南潮濕洼地中，始終承受最大6～10×103kg拉力變載荷作用，平均速度約0.2 mm/s，數(shù)量為2 225套，部分促動器處于連續(xù)工作狀態(tài)，發(fā)生故障不可避免[2]。望遠鏡設計壽命30年，故障促動器將降低望遠鏡使用效率及面型精度。同時，促動器分布較廣，洼地坡面崎嶇、陡峭，見圖2，且被下拉索、促動器、法蘭及地錨阻擋，現(xiàn)場維護條件較差。

針對大射電天文望遠鏡維修問題，有必要設計一種故障促動器快速拆換機構，其設計要求包括：結構簡單，安全可靠，重量輕，易攜帶，拆換方便快速，出力大，可長期保持大載荷。

1 方案設計

圖1 主動反射面工作原理

Fig.1 Illustration of the operation of the main active reflector antenna

圖3為一種故障促動器拆換機構設計方案[3]。其工作順序為：(1)組裝拆換機構，與下拉索、法蘭接口連接；(2)采用左、右同步油缸加載，轉移故障促動器載荷；(3)依次拔出故障促動器上銷軸、下銷軸；(4)油缸保壓，更換新促動器，依次插上促動器下銷軸、上銷軸；(5)促動器加載，轉移拆換機構載荷；(6)拆卸與下拉索、法蘭接口結構，取走拆換機構。方案設計時，有以下4方面考慮。

圖2 促動器使用陡坡
Fig.2 The slope on which an actuator is positioned

1.1 接口便于安裝

促動器下端與法蘭銷軸連接，為與拆換機構連接，法蘭采用雙孔設計，該安裝靠近地面，可接近性好。而促動器故障可能發(fā)生在運行的任一時刻，促動器上端與下拉索銷軸連接，該銷軸與地面之間的軸向距離約1.8～3 m，促動器軸線最大豎直夾角約56°，部分洼地坡面較陡，該銷軸與地面之間的鉛垂距離將大于3 m。為快速、方便安裝拆換機構，圖3上連桿為開口非封閉C型結構，安裝過程地面作業(yè)，無需空中操作。安裝過程：(1)兩側拉桿與上連桿地面連接；(2)利用拉桿舉起上連桿；(3)上連桿開口穿過直徑較小的下拉索索體；(4)用力向下拉緊兩側拉桿，拉桿與下拉索錨具配合，完成安裝。

1.2 加載安全可靠

調節(jié)左右拉桿初始長度后，加載裝置完成最大1×104kg載荷施加。加載方式選擇因素包括：(1)載荷較大，單側拉桿為5×103kg；(2)重量輕，易攜帶；(3)左、右兩側拉桿同時加載，需要同步；(4)盡量遠程操作，避免發(fā)生事故；(5)技術成熟，常規(guī)設計?？紤]到液壓傳動具有功率重量比大、負載大、可遠距離控制、易實現(xiàn)直線往復運動等優(yōu)點，設計了由手動泵、快插接頭、軟管、左油缸與右油缸組成的手動液壓加載方案，見圖3，該方案可實現(xiàn)以上要求[4-5]。

圖3 促動器拆換方案
Fig.3 Our design of a mechanism for dismounting and assembling an actuator

1.3 拉桿地面調節(jié)

長度可調拉桿的設計要求包括：(1)促動器行程1.2 m，故障可能發(fā)生在0～1.2 m任一位置，這要求左、右拉桿長度1.2 m可調；(2)長度調節(jié)后，拉桿應可靠鎖緊；(3)因拉桿與上連桿先掛在下拉索錨具上，人應在地面可控制拉桿長度調節(jié)或鎖緊；(4)重量輕，易攜帶。

圖4是一種拉桿設計方案，其原理是軟軸控制豎直導桿的升降，利用其斜面推動抗剪鍵上的滾輪，完成抗剪鍵的伸縮，進而控制抗剪鍵與伸縮桿環(huán)形槽嚙合或脫開，實現(xiàn)伸縮桿的鎖緊或調節(jié)。軟軸通過軸向固定的外層鋼片套及非金屬保護層，實現(xiàn)軟軸的遠距離控制。

拉桿鎖緊組件如圖5，軟軸下側與活節(jié)螺栓連接，手柄旋轉±90°可實現(xiàn)軟軸伸與縮。底座設計了下止位沉孔與上止位沉孔，控制銷軸與沉孔配合可將軟軸在兩狀態(tài)終止位置鎖緊。控制銷軸加工了兩個半圓槽道，可與手柄上彈簧壓緊的滾珠配合，實現(xiàn)防止控制銷軸脫落以及可靠鎖緊的功能。

1.4 拆換銷軸爬梯

促動器與下拉索的連接銷軸與地面之間的軸向距離約1.8～3 m，故障促動器卸載后，人手必須可觸碰到該銷軸，才能完成拆換。為此，利用左拉桿左側、右拉桿右側各焊接4根短軸，如圖6，鋁制爬梯卡在短軸上，通過爬梯，人可實現(xiàn)銷軸的拆換。

圖4 拉桿設計方案
Fig.4 Our design of a pull rod

圖5 鎖緊組件
Fig.5 Our design of the component for locking

圖6 爬梯
Fig.6 Our design of the ladder

2 關鍵技術分析

2.1 上連桿強度、剛度及輕量化分析

如圖7，上連桿開口尺寸23 mm，另一側尺寸100 mm增強開口剛度，4組筋板增強抗彎能力，中心孔直徑分別為51 mm與68 mm，保證與下拉索錨頭緊密配合。材料為40 Cr，焊接而成。該結構是與下拉索快速連接的保證，其設計重點為大載荷下開放式結構的應力、變形及質量。為此，采用有限元方法對該零件進行分析[6-7]。

圖7 上連桿結構示意圖。(a)主視圖；(b)俯視圖
Fig.7 Our design of the upper-connecting rod. (a) The front view; (b) The top view

上連桿結構及載荷具有對稱型，建立其1/2模型，利用有限元方法進行強度計算。下拉索錨頭頂面固定，單側施加5×103kg載荷，上連桿與下拉索錨頭結合面采用面面接觸非線性分析方法?？紤]加工、裝配及促動器故障姿態(tài)，由上連桿、左右拉桿及油缸、下長軸組成的長方形框架存在不在同一平面情況，仿真時在Φ28孔位置施加1×103kg側向載荷，方向為自開口向后的最為惡劣狀態(tài)。以靜強度計算為基礎，進行輕量化分析。目標函數(shù)為質量，狀態(tài)變量為許用應力，設計變量為A、B、D，(1)式給出了其優(yōu)化數(shù)學模型。

優(yōu)化分析結果見圖8，最大應力為329 MPa，位于筒體后母線上端，最大位移為0.423 mm，發(fā)生在Φ28孔左端部，且上連桿不會因開口擴展而失效，滿足使用要求。模型質量4.2 kg，整體質量8.4 kg，為原結構的91%。依據優(yōu)化結果，A、B、D分別取整為30 mm、39 mm、68 mm。

(1)

2.2 抗剪鍵組件運動控制分析

抗剪鍵伸縮是否靈活是拉桿長度調節(jié)的關鍵，其運動順序為：嚙合→下拉→脫出→上松→嚙合。以力學分析為基礎，部分變量初始值為：抗剪鍵水平位移10 mm，斜面傾角θ=60°，豎直導桿位移為10tanθ=17 mm。假設豎直彈簧17 mm變形對應載荷變動ΔFsv=10-15 kg，計算水平彈簧10 mm變形對應載荷變動ΔFsh=10-5 kg是否滿足抗剪鍵運動控制要求。

2.2.1 抗剪鍵處于嚙合狀態(tài)

先選豎直導桿為研究對象，其受力分析如圖9(a)，按圖示坐標軸列出平衡方程[8]：

(2)

圖8 優(yōu)化分析結果。(a)應力云圖；(b)變形云圖；(c)最大應力與質量關系

Fig.8 Our optimization-analysis results for the upper-connecting rod. (a) The stress distribution; (b) The deformation distribution; (c) The relation between maximum stress and mass

圖9 嚙合狀態(tài)受力分析。(a)豎直導桿；(b)水平導桿Fig.9 Our force analysis for the meshing state. (a) Forces in the vertical guide rod; (b) Forces in the horizontal guide rod

求解方式組(2)，可得Fn=155 N。再選水平導桿為研究對象，其受力分析如圖9(b)，法向力Fn與Fn′為作用力與反作用力，按圖示坐標軸列出平衡方程：

(3)

求解方式組(3)，F(xiàn)sh=121 N，大于該狀態(tài)水平彈簧力100 N，可以鎖緊抗剪鍵。

2.2.2 豎直導桿處于下拉狀態(tài)

豎直導桿，F(xiàn)n接近為0，F(xiàn)fv亦接近為0，在大于Fsvmax=150 N的鋼絲繩拉力作用下，豎直導桿將向下運動。水平導桿，F(xiàn)n′接近為0，F(xiàn)fh亦接近為0，伸縮桿作用到抗剪鍵上的摩擦力Ffmax=umg/2=11 N，方向為圖9(b)X軸負向，小于Fshmin=50 N，水平導桿將克服該摩擦力水平退出嚙合溝槽。

2.2.3 抗剪鍵處于脫出狀態(tài)

手柄處于鎖緊狀態(tài)，抗剪鍵退出伸縮桿嚙合溝槽，外筒體及導向管可沿伸縮桿自由滑動，調節(jié)二者的相對長度。

2.2.4 豎直導桿處于上松狀態(tài)

平衡方程同嚙合狀態(tài)，F(xiàn)sv自150 N減小至100 N。計算始末水平彈簧力，F(xiàn)sh_first=182 N，大于50 N，水平導桿能夠開始向左運動；Fsh_end=121 N，大于100 N，水平導桿可進入嚙合溝槽。

根據載荷與變形要求，通過優(yōu)化設計，確定彈簧的有關參數(shù)如下。

豎直彈簧：小徑d=3 mm；中徑D=38 mm；材料65 Mn；彈簧自由高度H0=100 mm；節(jié)距t=16.5 mm；彈簧的最大壓縮量81 mm；工作圈數(shù)n=6；當載荷為150 N時，彈簧壓縮量為59 mm；當載荷為100 N時，彈簧壓縮量為42 mm。

水平彈簧：小徑d=2.5 mm；中徑D=32 mm；材料65 Mn；彈簧自由高度H0=40 mm；節(jié)距t=14.7 mm；彈簧的最大壓縮量30.3 mm；工作圈數(shù)n=2.5；當載荷為100 N時，彈簧壓縮量為21.2 mm；當載荷為50 N時，彈簧壓縮量為10.5 mm。

斜面最大法向力Fnmax發(fā)生在上松開始階段，大小為Fsv/(μsinθ+cosθ)=233 N，軸承選用深溝球軸承619/4，其基本額定載荷Cr=0.95 kN，C0r=0.35 kN。

鋼絲繩拉力最大值為150 N，選用6×7+IWS鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度1 470 MPa，直徑為2 mm，最小破斷拉力為2.11 kN。

通過抗剪鍵整個運動過程分析，ΔFsh=10-5 kg可以滿足抗剪鍵的運動控制要求。同時，該分析為彈簧、軸承、鋼絲繩的設計與選型提供了依據。

3 結 論

FAST望遠鏡建成后，快速拆換機構將是促動器運行維護的必要條件?；诮涌诒阌诎惭b、加載安全可靠、拉桿地面調節(jié)、拆換銷軸爬梯的設計要點，提出了一種拆換機構設計方案，并對其關鍵技術進行了分析：

(1)利用有限元方法，分析了開口非封閉C型上連桿承受軸向載荷與側向載荷的最不利工況，結果表明：最大應力329 MPa，最大變形0.423 mm，且上連桿不會因開口擴展而失效，滿足其使用要求。經輕量化分析，質量減輕為原結構的91%；

(2)以力學分析為基礎，假設豎直彈簧變形17 mm，載荷變動為10-15 kg，計算了水平彈簧變形10 mm，載荷變動可為10-5 kg，則抗剪鍵運動平順、伸縮可控、鎖緊可靠。

文中闡述的設計方案、分析思路及計算方法可用于后續(xù)FAST故障促動器快速拆換機構物理樣機研制，也對解決同類重型加載裝置的拆換具有借鑒意義。

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CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

A Study of a Design of a Mechanism for Rapidly Dismounting and Assembling a Faulty FAST Actuator

Xue Jianxing, Lei Zheng, Gu Xuedong, Wang Qiming

(National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; Email: jxxue@bao.ac.cn)

The FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) now being assembled will be the largest and most sensitive single-dish radio telescope in the world. The FAST uses an Arecibo-type antenna of three outstanding aspects: its location within a Karst depression, its being an active reflector antenna, and its light-weight feed cabin. During observational tracking its reflector surface will be adjusted by down-pull cables and main cables, which are driven by actuators. The actuators consist of mechanical, electrical, and hydraulic components. The actuators will work in a high-humidity depression and constantly bear pulling forces with the maximum levels ranging from 6 to 10 tons. The actuators, which number in 2225 sets, have an average speed of about 0.2mm/s, and some actuators will work continuously. It will thus be inevitable for some actuators to have faults. Actuator faults will reduce service efficiencies and reflector-surface accuracies in the long lifetime of the FAST which is designed to be 30 years . However, the distance between any two of the actuators will be more than 10m, and the actuators will be distributed over the bottom of a 500m depression with some of them located in steep rugged areas or being blocked by down-pull cables, other actuators, flanges, and anchors. These factors make it hard for field maintenance of actuators. A mechanism for rapidly dismounting and assembling a faulty actuator will be an indispensable tool for normal operation of the FAST. We hereby propose a design of such a mechanism. We present several key aspects of the design, including easy installation of connections to actuators, safe force loading, manual adjustment of the pull-rod length by staff without being lifted above ground, and a ladder with dismountable pins. We analyze two particular issues of the design, The first is a finite-element analysis of the strength, stiffness, and weight-minimization of the open C-type upper-connecting rod. The second is control of moving shear-connector components. This study will provide design schemes，analysis approaches, and calculation methods for development of similar mechanisms in future.

FAST actuator; A mechanism for dismounting and assembling; Finite-element analysis; Control of moving

國家自然科學基金 (11173035)；中國科學院國家天文臺青年人才基金項目資助.

2014-02-13；修定日期：2014-02-28

薛建興，男，工程師. 研究方向：機械結構設計、分析與研究. Email: jxxue@bao.ac.cn

P111.44

A

1672-7673(2015)01-0102-07