發射臺支撐臂系統設計

宋永彬，明道虎，陳玨霖，劉力改

運載火箭發射臺主要用于在發射場支撐火箭完成組裝、測試、加注、發射、倒流等任務，是直接影響火箭發射的重要裝置[1]。支撐臂系統作為發射臺的核心組件，用于對火箭進行支撐及垂直度調整，以滿足火箭姿態控制要求。傳統的支撐臂系統一般由液壓馬達提供動力，控制簡單、承載能力大，但存在響應慢、自動化程度低、維修性差等缺點。為了適應新型火箭快速發射的要求，與其配套的發射臺必須具有高可靠性及快速響應等特性。對此，筆者在該支撐臂系統的設計過程中，以提高工作可靠性指標為重點，將傳統動力模式與交流伺服控制、耐腐蝕、耐高溫材料等技術相結合，采用冗余設計方法，使支撐臂系統具備遠程操控、快速響應的特點。

1 方案設計

1.1 支撐臂系統的功能及性能要求

根據研制技術要求，支撐臂需要具備承載、垂調、防火箭傾覆等功能，單臂的承載能力要達到600 t。同時，為了躲避火箭起飛的漂移，支撐臂的結構尺寸不能太大。在可靠性方面，要求可靠度不低于0.999 5。在操作性方面，要求具備遠程操控能力。在環境適應方面，支撐臂要求能夠在風、雨、雪、霧、高低溫等惡劣環境下正常工作。其它要求還包括接口、壽命、維修性、安全性、保障性等方面的要求。

1.2 總體設計思路

依據支撐臂系統（見圖1） 的功能及性能要求，筆者對具體性能參數進行分解，確定總體設計思路。支撐臂系統總體設計主要包括總體布局、支撐臂設計、電氣系統設計、氣動系統設計等，可靠性建模及仿真、系統剛度及強度仿真計算等。

圖1 支撐臂系統組成示意圖

在總體布局方面，采用四點支撐布局，即四個支撐臂均勻布置在一個分度圓上，火箭通過支腿與支撐臂連接。支撐臂通過上下運動調整火箭的垂直度。選用具有自鎖功能的螺桿-螺母結構確保支撐臂穩定性調整及承載能力。在可靠性方面，系統采用冗余設計，具有自動、手動兩種動力輸入方式。在操作性方面，系統具備遠程、本地兩種控制方式。在維修性方面，采取小修、中修、大修三級維修體系，并編制詳細的產品維護說明書，保證備品備件齊全。

1.3 傳動機構設計

傳動機構是支撐臂的核心，用于實現支撐臂的升降，國內同類產品主要采用液壓馬達、減速機及螺桿-螺母機構。其中的液壓系統組成復雜，控制精度低，勤務性、維修性差。由于支撐臂安裝在室外，夏季和冬季溫差較大，液壓系統還需要考慮高低溫環境。與液壓系統相比，交流伺服系統具有控制精度高、響應快、維修性好等優點，且技術成熟。因此，本支撐臂系統的動力源采用交流伺服電機，通過大速比減速機傳動螺桿-螺母機構（見圖2），實現支撐臂的升降，調整火箭的垂直度。減速機選用三級行星減速機（見圖3），體積小，傳動精度高，承載能力大。選用防爆交流永磁同步隔爆型伺服電機，為了提高系統的可靠性，傳動機構設置手動操作機構，在電機故障或維修時使用。

圖2 傳動機構原理示意圖

圖3 減速機外形圖

1.4 環境適應性設計

支撐臂本體安裝于室外，要求能夠在-40 ℃～+50 ℃的環境下正常工作；另外，火箭起飛時噴淋系統會噴射出大量的水以減輕對發射臺的燒蝕，而支撐臂處于噴淋的中心位置，不但要耐高溫燒蝕，還要耐水淋，以及抗腐蝕。

針對高低溫環境要求，支撐臂系統元器件的工作溫度必須適應-40 ℃～+50 ℃?；鸺痫w時的尾焰高達2 000 ℃～3 000 ℃，常規材料無法滿足使用要求，必須在支撐臂外表面涂覆防熱涂料，經過試驗驗證，該涂層可有效承受火箭尾焰的燒蝕，并能夠阻隔熱量傳遞，保護支撐臂內部機構完好[2]。在防水淋方面，支撐臂本體采取全封閉設計，在固定連接處、動連接處均裝有密封圈，防止噴淋水進入到支撐臂內部，同時有效抵御高溫、高壓燃氣流的沖刷。在抗腐蝕能力方面，金屬類材料都采用耐海洋環境的表面處理技術，該表面處理方式防腐蝕效果良好（見圖4～圖5）。

圖4 涂裝耐熱涂料前

圖5 涂裝耐熱涂料后

1.5 可靠性設計

（1） 冗余設計

支撐臂系統對可靠性指標要求極高，常規的設計方式難以滿足要求。因此，在設計過程中通過采用冗余設計提高可靠度；動力源采用電機加手動設計方案；操作方式具有本機及系統兩種工作方式；氣動系統采用遠程電動控制及本地手動控制方式；PLC 采用雙CPU 模塊，實現雙機熱備冗余（見圖6）；雙CPU 模塊通過自帶的雙以太網口，與發射臺控制分系統通訊，實現雙網絡拓撲結構；PLC 電源采用雙模塊冗余設計。

圖6 PLC 冗余設計圖

（2） 降額設計

在降額設計方面，優先選用高強度合金鋼，如主要受力件采用合金鋼鍛件，支撐臂本體的承載能力達到額定負載的4 倍；電器元器件通過老化篩選、降額設計，提高工作可靠性。

2 可靠性建模及仿真

支撐臂系統必須在規定的工況及保障條件下保證火箭垂直度的滿足率。依據發射臺支撐臂系統的工作流程，在一次發射任務中支撐臂系統累積任務總時間為T 小時。

2.1 建立可靠性模型

可靠性是指產品在規定條件下和時間內完成規定功能的能力，可靠性模型分為基本可靠性模型和任務可靠性模型，本文采用任務可靠性模型[3]。支撐臂系統由機械系統和電氣系統組成，具有自動、機械手動工作模式（見圖7）。為了計算方便，對可靠性模型做如下假設：

圖7 支撐臂系統可靠性框圖

①系統及其單元只有正常和失效二種狀態；

②系統所含各單元的壽命服從指數分布；

③系統各單元失效是獨立的。

因此，支撐臂的可靠性數學模型為：

2.2 可靠性仿真

（1） 可靠性預計

按照國家標準及同類零部件的經驗數據，統計各系統的失效率，綜合考慮環境因素，可獲得各分系統的可靠度，得到Rs1=0.999 7；Rs2=0.995；Rs3=0.999 92。

帶入可靠性數學模型中，得到支撐臂系統的工作可靠度：

證明支撐臂系統的可靠性結果滿足指標要求。

（2） 壽命仿真

在傳統設計中，機械產品的疲勞壽命通常通過物理樣機的耐久試驗得到，試驗周期長、耗資巨大，許多相關參數與失效的定量關系無法在試驗中得到，試驗結論還可能受許多偶然因素的影響。如今，可通過計算機虛擬仿真技術進行疲勞分析，預測產品壽命。筆者假設支撐臂本體承受著周期循環的交變載荷，所以采用分析軟件對支撐臂的疲勞壽命進行仿真分析[4]。

①有限元分析

首先，對各零部件進行有限元分析，獲得其在工作過程中的受力狀態，根據對支撐臂的受力情況，支撐臂所承受的火箭重力均勻地施加于火箭支腿上；所以在零部件之間的接觸面按照支撐臂實際受力情況建立接觸對，在螺母和螺桿之間建立螺紋面接觸對，下底座底平面固定。

為了在確保分析結果準確的基礎上提高計算效率，對模型進行簡化，省略部分結構和非受力件，最終該支撐臂有限元模型具有441 033 個單元，646 512 個節點，網格質量（Element Quality） =0.76，扭曲度（Skewness） =0.34（見圖8）。

圖8 支撐臂有限元模型

②建立疲勞壽命分析模型

根據有限元靜力學分析結果（見圖9），建立恒幅的疲勞壽命分析模型（見圖10），并在恒幅SN 疲勞壽命分析模塊里定義材料類型，設置表面處理參數、加工方式，以及載荷映射因子等（見圖11）。

圖9 支撐臂整體有限元分析結果

圖10 建立恒幅Ncode-SN 疲勞壽命分析模型

圖11 零部件表面處理類型參數及加工方式

③疲勞壽命分析結果

經過Ncode 疲勞壽命分析，單支撐臂在額定交變載荷工況下的疲勞壽命N0=22 200 次。根據Ncode 的工程應用經驗，以及支撐臂的環境適應性指標要求，取裕度系數K=20，則算得支撐臂主要承力件的理論可循環次數N=N0/K=1 110 次。按照火箭發射時支撐臂調平次數，則支撐臂可執行火箭發射任務的理論次數為222 次，滿足壽命指標要求（見圖12）。

圖12 支撐臂整體疲勞壽命分析結果

3 試驗驗證

支撐臂系統制造完成后，分別進行承載試驗、驅動試驗、高低溫試驗、低溫驅動試驗、淋雨試驗、電磁兼容試驗、跑合試驗等試驗項目，試驗結果表明：支撐臂系統設計合理，可靠性高、控制精度高、響應速度快、耐環境能力強，能夠滿足技術指標要求（見圖13～圖16）。

圖13 淋雨試驗

4 結 語

本文在某型支撐臂系統的設計中，應用交流伺服控制、電機驅動等技術，實現支撐臂的全封閉設計。通過降額設計和冗余設計，確保支撐臂系統的可靠性。通過應力分析、疲勞壽命分析、試驗驗證等多種手段，證明設計方案正確，為同類產品的設計提供參考。

圖14 高低溫試驗

圖15 承載試驗

圖16 電磁兼容試驗