衛(wèi)星運(yùn)輸減振裝載臺(tái)設(shè)計(jì)

李海連，賈誠心，韓建超，姜生元，李建永，高興華，王明旭

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，構(gòu)建安全、高效的衛(wèi)星運(yùn)輸系統(tǒng)顯得格外重要.運(yùn)輸過程中，包裝箱體不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與衛(wèi)星的固有頻率接近時(shí)，則可能因共振造成衛(wèi)星損壞[1-4].因此，具有良好減振性能的裝載臺(tái)成為提高衛(wèi)星運(yùn)輸效率與可靠性的關(guān)鍵.本文根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)輸?shù)墓潭ㄅc減振要求，提出雙層結(jié)構(gòu)裝載臺(tái)模型：下層臺(tái)架提供與包裝箱體的接口，上層臺(tái)架與運(yùn)輸產(chǎn)品的保持架連接，上、下臺(tái)架之間安裝減振器，用以衰減運(yùn)輸過程中高于某個(gè)頻率的振動(dòng)載荷傳遞，達(dá)到減振的目的[5-7].減振器選用航天領(lǐng)域常用的鋼絲繩拱形減振器，設(shè)計(jì)兼容3種衛(wèi)星運(yùn)輸?shù)膹椈刹贾眯问?，通過掃頻分析極端工況下的減振性能，利用模擬負(fù)載全流程運(yùn)輸測(cè)試驗(yàn)證裝載臺(tái)的操作性、轉(zhuǎn)運(yùn)靈活性及減振性能.

1 衛(wèi)星運(yùn)輸包裝箱與裝載臺(tái)總體設(shè)計(jì)

圖1 衛(wèi)星運(yùn)輸包裝箱整體布局Fig.1The overall layout of satellite transport container

圖2 裝載臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of loading platform

圖3 減振器Fig.3Shock absorber

衛(wèi)星運(yùn)輸包裝箱與裝載臺(tái)總體布局見圖1.包裝箱是運(yùn)輸衛(wèi)星的外包裝，箱體底面落于運(yùn)輸車輛上，通過綁帶與運(yùn)輸車輛緊固，可為衛(wèi)星運(yùn)輸提供一個(gè)潔凈、溫濕度可控、氮?dú)獗Ｗo(hù)的密封環(huán)境[8-9].包裝箱內(nèi)通過底面的凸臺(tái)與裝載臺(tái)連接，使裝載臺(tái)在運(yùn)輸過程中保持與包裝箱同步.裝載臺(tái)上表面設(shè)有衛(wèi)星連接接口，采用兼容性設(shè)計(jì)，可為3種型號(hào)衛(wèi)星提供安裝接口.

2 裝載臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星運(yùn)輸過程中，裝載臺(tái)主要用于固定衛(wèi)星、減緩振動(dòng)、與包裝箱底部固定，是保證運(yùn)輸效率與可靠性的關(guān)鍵部件；在裝卸衛(wèi)星過程中，裝載臺(tái)還能起到轉(zhuǎn)運(yùn)托架的作用，因此，除了要滿足減振性外，還應(yīng)滿足方便裝配及拆卸操作、整體剛度高于承載產(chǎn)品剛度的要求.裝載臺(tái)由上臺(tái)架、減振器、下臺(tái)架、可折疊伸縮腿及導(dǎo)向輪組組成，見圖2.

2.1 減振彈簧布置

2.1.1 減振彈簧設(shè)計(jì)

裝載臺(tái)采用在上、下臺(tái)架之間安裝減振器的方式減振.減振器采用不銹鋼絲繩拱形減振器組GGT290-177型隔振器，20組減振器采有矩形布局.減振器結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3.

裝載臺(tái)的設(shè)計(jì)需兼顧隔振與抗沖要求.在隔振的同時(shí)要保證系統(tǒng)在受到?jīng)_擊時(shí)的穩(wěn)定性，且隔振器要有足夠的能容，保證在受到?jīng)_擊時(shí)不被損壞.參考同類型減振裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率應(yīng)在8 Hz左右[10].

1)系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率計(jì)算.根據(jù)GGT290-177型鋼絲繩隔振器垂向靜態(tài)性能曲線可知，隔振器的單個(gè)承載力為1 370 N，靜變形約為3.4 mm，此時(shí)由試驗(yàn)軟件計(jì)算出隔振器的靜剛度為169 N/mm.系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率

(1)

式中：fn為系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率，Hz；K為隔振器系統(tǒng)總靜剛度，2.4×106N/m；a為動(dòng)剛度系數(shù)，取1.5；m為隔振器系統(tǒng)承載總質(zhì)量，1 565 kg.系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率fn=7.6 Hz，符合設(shè)計(jì)要求.

2)系統(tǒng)隔振效率計(jì)算.系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率

(2)

式中：x為響應(yīng)振幅；X0為激勵(lì)振幅；ζ為阻尼比，取0.15；λ為fi/fn，fi為外激勵(lì)(干擾)頻率.

圖4 振動(dòng)傳遞率Fig.4Vibration transmissibility

式(2)用圖形表示即為圖4所示的傳遞率曲線.

2.1.2 減振彈簧布局

裝載臺(tái)分為兩層，其中，上臺(tái)架安裝產(chǎn)品，并裝有兩個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度的傳感器，以及一個(gè)ShockLog298振動(dòng)與沖擊記錄儀，能夠監(jiān)測(cè)產(chǎn)品運(yùn)輸全程的振動(dòng)狀態(tài).裝載臺(tái)上、下臺(tái)架之間通過20個(gè)減振器連接，裝載不同衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的減振彈簧布置形式有所不同，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)按照?qǐng)D7布置[11].

1)對(duì)于二期I型單星，適合采用12個(gè)彈簧方案，彈簧安裝于內(nèi)導(dǎo)軌下，見圖5 a；2)對(duì)于一期Ⅱ型和一期Ⅲ型單星，適合采用12個(gè)彈簧方案，彈簧安裝于外導(dǎo)軌下，見圖5 b；3)對(duì)于二代一期Ⅳ型單星和Ⅴ型單星，適合采用20個(gè)彈簧的配置方案，見圖5 c.

圖5 滑動(dòng)架車減振器布置Fig.5 Shock absorber of sliding frame

2.2 裝載臺(tái)與包裝箱接口設(shè)計(jì)

滑動(dòng)架車在包裝箱內(nèi)運(yùn)輸時(shí)需要將下臺(tái)架鎖定，鎖定的可靠性將影響到整體的減振效果，因此，在滑動(dòng)架車的下臺(tái)架上設(shè)置了6組鎖定點(diǎn).

1)下臺(tái)架外側(cè)四角鎖定.下臺(tái)架外側(cè)四角鎖定結(jié)構(gòu)見圖8.包裝箱內(nèi)設(shè)T形支座，該支座與箱體骨架焊接固連，每個(gè)鎖定點(diǎn)設(shè)置3個(gè)M16鎖緊螺釘，以保證足夠的鎖緊力.

2)滑動(dòng)架車進(jìn)出箱體.裝載臺(tái)在進(jìn)出包裝箱過程中，需要利用水平放置的箱門作為載物平臺(tái).然而，箱門尺寸不足以提供全范圍的裝卸空間，裝載臺(tái)有將近1/3的長度懸空在箱門外側(cè)，狀態(tài)極不穩(wěn)定，不能進(jìn)行產(chǎn)品裝卸操作.為此，在裝載臺(tái)出艙側(cè)設(shè)置了一對(duì)可折疊伸縮支腿，該支腿不使用時(shí)可折疊收縮在裝載臺(tái)下臺(tái)架內(nèi)；當(dāng)需要提供支撐時(shí)，可轉(zhuǎn)換為垂直地面狀態(tài)，并可手動(dòng)控制伸長量使底部腳輪穩(wěn)定支撐于地面，見圖7.

圖6四角鎖定結(jié)構(gòu)Fig.6Four-corner locking structure圖7滑動(dòng)架車進(jìn)出箱狀態(tài)Fig.7State of sliding carriage in and out of packing box

3)可折疊行走輪組結(jié)構(gòu).可折疊行走輪組結(jié)構(gòu)見圖8.通過手柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)錐齒輪組，從而帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng).絲杠推動(dòng)絲母產(chǎn)生直線位移，則伸縮筒進(jìn)行伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)行走輪升降調(diào)節(jié).固定筒的外側(cè)焊接了一對(duì)轉(zhuǎn)位軸組件，該組件與架車上的轉(zhuǎn)位軸套相配合，能實(shí)現(xiàn)可折疊行走輪組轉(zhuǎn)位動(dòng)作.

圖8 可折疊行走輪組結(jié)構(gòu)Fig.8 Foldable walking wheel structure

3 裝載臺(tái)減振性能分析

裝載臺(tái)的減振性能是影響衛(wèi)星運(yùn)輸效率與可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)[12-13].利用Nastran軟件對(duì)裝載臺(tái)上臺(tái)架進(jìn)行正弦響應(yīng)仿真分析.由于二代一期Ⅳ型單星最重，對(duì)于裝載臺(tái)的載荷集中也最嚴(yán)重，因此，以Ⅳ型單星為例，按照安裝20個(gè)彈簧的布置形式，在上臺(tái)架中框四角處各選取一點(diǎn)進(jìn)行分析，生成特定點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線，見圖9、10.由仿真結(jié)果可見：在衛(wèi)星安裝位置頻率大于13 Hz后，傳遞率都小于0.2，減振效果很明顯.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裝載臺(tái)的操作性、轉(zhuǎn)運(yùn)靈活性及減振性能，進(jìn)行了模擬負(fù)載下的轉(zhuǎn)運(yùn)、裝車及運(yùn)輸全流程測(cè)試，見圖11.測(cè)試結(jié)果表明：加載安裝過程操作方便，轉(zhuǎn)運(yùn)靈活性高，裝載臺(tái)鎖定可靠，各級(jí)公路運(yùn)輸減振效果均達(dá)到預(yù)期.

圖11 衛(wèi)星運(yùn)輸減振裝載臺(tái)裝車測(cè)試Fig.11 Loading test of vibration damping loading platform for satellite transportation

4 小 結(jié)

根據(jù)3種不同型號(hào)衛(wèi)星運(yùn)輸兼容性要求，綜合分析不同產(chǎn)品的質(zhì)量特性及接口尺寸，設(shè)計(jì)了一種滿足3種載荷布局的裝載臺(tái)，通過更換減振器安裝位置來適應(yīng)運(yùn)輸載荷變化.仿真分析可知：該減振方案有效抑制了振動(dòng)，振動(dòng)傳遞效率小于0.2.運(yùn)輸單位實(shí)際運(yùn)輸測(cè)試顯示，該裝載臺(tái)操作方便、場(chǎng)地轉(zhuǎn)運(yùn)靈活、減振效果滿足設(shè)計(jì)要求.