一種用于山頂雷達(dá)的斜向運輸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃

韋 磊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州225101)

0 引 言

山頂雷達(dá)由于裝備位置的特殊性，不僅給安裝帶來了挑戰(zhàn)，而且給日常的調(diào)試、維護(hù)、檢修等帶來極大的不便。本文充分考慮地形因素，設(shè)計出一種用于山頂雷達(dá)的斜向運輸裝置，方便人員攜帶設(shè)備到達(dá)指定位置完成作業(yè)[1]。該斜向運輸裝置采用鋼絲繩曳引提升實現(xiàn)人員和設(shè)備的運輸，提升鋼絲繩及限速繩在布置的過程中需要與山坡、導(dǎo)向系統(tǒng)的軌跡保持一致，具體可以通過曳引繩調(diào)節(jié)裝置[2]和限速繩導(dǎo)向裝置[3]進(jìn)行調(diào)節(jié)。轎廂運行過程中的傾角會隨著坡度而變化，因此需要通過廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對轎廂傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，抵消水平加速度的影響，滿足人員和設(shè)備在運輸過程中的安全性和舒適性[45]。本文設(shè)計的用于山頂雷達(dá)的曳引斜向運輸裝置相比垂直運輸?shù)囊芬嵘×Γ∧芰?，而且結(jié)構(gòu)緊湊、便于布置，滿足了該特殊應(yīng)用環(huán)境下運行的需求。

1 斜向運輸裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

山頂雷達(dá)斜向運輸裝置的布置圖如圖1所示，主要包括轎廂系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、對重系統(tǒng)、曳引裝置和層門。其中導(dǎo)向系統(tǒng)布設(shè)在山坡上，曳引裝置布設(shè)在山坡頂端，轎廂系統(tǒng)和對重系統(tǒng)通過曳引裝置驅(qū)動、曳引鋼絲繩牽引分別沿著導(dǎo)向系統(tǒng)的上層、下層導(dǎo)軌移動。導(dǎo)向系統(tǒng)包含導(dǎo)軌架、轎廂導(dǎo)軌、對重導(dǎo)軌、曳引繩調(diào)節(jié)裝置和限速繩導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖如圖2所示，轎廂導(dǎo)軌、對重導(dǎo)軌和曳引繩調(diào)節(jié)裝置均固定在導(dǎo)軌架上，限速繩導(dǎo)向裝置單獨布置在導(dǎo)軌架一側(cè)，且與導(dǎo)軌架平行布置。

圖1 斜向運輸裝置布置圖

圖2 導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

曳引繩調(diào)節(jié)裝置控制曳引鋼絲繩的軌跡與導(dǎo)軌軌跡一致，防止曳引鋼絲繩干涉導(dǎo)軌架或者飄懸于空中，保證轎廂和對重的平穩(wěn)運行。曳引繩調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，曳引繩被限制在2個旋轉(zhuǎn)輪內(nèi)。限速繩導(dǎo)向裝置控制限速繩的軌跡與導(dǎo)軌軌跡一致，防止限速繩干涉地面或者飄懸于空中，保證限速繩能夠在轎廂發(fā)生斷繩等超速事故時進(jìn)行緊急制動，限速繩導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，通過滑輪對限速繩實現(xiàn)導(dǎo)向，根據(jù)坡度的變化分別布置限速繩托繩裝置和限速繩壓繩裝置。

圖3 曳引繩調(diào)節(jié)裝置

為了在轎廂運行過程中實時調(diào)節(jié)廂體傾角，在廂體和底部滑車之間一側(cè)鉸接，另一側(cè)連接有廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，廂體調(diào)節(jié)過程示意圖如圖5所示。通過廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)廂體與底部滑車之間的夾角，從而使廂體適應(yīng)坡度的變化。

圖5 廂體調(diào)節(jié)過程

廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用臥式螺旋千斤頂?shù)脑韺崿F(xiàn)廂體的調(diào)節(jié)，廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括主動千斤頂、主動千斤頂螺桿、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、從動千斤頂螺桿、從動千斤頂、主動齒輪、從動齒輪和同步齒輪。通過伺服電機(jī)驅(qū)動、齒輪傳動和螺桿傳動實現(xiàn)廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的升降，通過聯(lián)軸器連接主動千斤頂螺桿和從動千斤頂螺桿保證了主動千斤頂和從動千斤頂調(diào)節(jié)的同步性。

圖6 廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2 斜向運輸裝置運動特性研究

2.1 斜向運輸裝置物理模型

設(shè)斜向運輸裝置運行路徑為y=f(x)，假設(shè)為光滑曲線，曳引機(jī)驅(qū)動速度為v。

轎廂從底層開始勻速向上運行時間為t，走過的導(dǎo)軌曲線弧長為：

轎廂走過的水平距離x隨時間t的變化為：

轎廂底部滑車傾角φ隨時間t的變化為：

為進(jìn)一步得出電機(jī)轉(zhuǎn)速n與廂體水平期望傾角γ、底部滑車傾角φ的關(guān)系，建立如圖7所示的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，根據(jù)幾何關(guān)系可得：

圖7 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型

式中：θ為電機(jī)轉(zhuǎn)角；s為螺桿螺距；L為螺桿初始水平跨度；i為減速比；l為螺桿水平跨度；d為調(diào)平機(jī)構(gòu)支撐臂臂長；b為轎廂廂體長度；c為底部滑車長度；h為廂體調(diào)平機(jī)構(gòu)支撐高度。

可得電機(jī)轉(zhuǎn)速n與廂體水平期望傾角γ、底部滑車傾角φ的關(guān)系：

2.2 無摩擦力時的力學(xué)模型

轎廂運行過程中，為了保證乘客的舒適性和安全性，需對廂體傾角實時調(diào)節(jié)，使乘客與廂體之間的摩擦力為0。圖8為乘客受力分析圖，通過牛頓第二定律，可得：

圖8 乘客受力分析圖

式中：Fp為廂體底板對乘客的支撐力；m為乘客質(zhì)量；a x為轎廂水平加速度；a y為轎廂豎直加速度。

得出廂體水平期望傾角γ與轎廂水平加速度a x、底部滑車傾角φ的關(guān)系：

綜上，將式(3)和式(7)代入式(5)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速n與時間t的關(guān)系函數(shù)：

其中：

2.3 軌跡規(guī)劃

對于一個確定的斜向運輸裝置，裝置運行路徑是已知的。如圖9(a)所示作出運行路徑，假設(shè)平臺運行路徑為：

令s=0.005 m，i=2，L=0.8 m，d=0.4 m，b=1.68 m，c=1.68 m，通過代入數(shù)值求解并通過MATLAB進(jìn)行曲線擬合[67]，得到轎廂水平加速度、底部滑車傾角、電機(jī)轉(zhuǎn)速(負(fù)值表示電機(jī)反向轉(zhuǎn)動)隨時間的變化曲線如圖9所示。

3 結(jié)束語

設(shè)計出一種用于山頂雷達(dá)的斜向運輸裝置，其中導(dǎo)向系統(tǒng)實現(xiàn)了轎廂和對重在運行過程中的限位導(dǎo)向；曳引繩調(diào)節(jié)裝置、限速繩導(dǎo)向裝置解決了曳引繩和限速繩在變坡度地形上干涉和飄繩的問題；廂體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)解決了斜向運輸裝置在運行時廂體傾角需要不斷調(diào)節(jié)的問題。

建立了斜向運輸裝置的物理模型及無摩擦力時的力學(xué)模型，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化的函數(shù)關(guān)系，代入數(shù)值求解得到相應(yīng)的變化曲線，解決了人員乘坐轎廂時存在水平加速度而感到不適的問題，給出廂體運行過程中電機(jī)具體的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速隨時間變化的數(shù)值結(jié)果。