车载平台调平机构支腿设计毕业论文

1、一 选题背景1课题的来源、目的及意义： 很多国防及工程机械，如导弹发射车、各种机动雷达天线座车、重型起重机、打桩机等，到达预定位置后, 为了增加其作业稳定性要求快速架设精确的水平基准使车身在工作过程中保持水平状态。这些车载平台一般都设有液压支腿，支腿的形式和液压系统的组成多种多样，以往采用手动调整螺杆或液压千斤顶，通过观察水泡,由多人反复操作调节各螺杆支腿达到水平，这种方法调整时间长、精度低，操作难度大，且需要多人配合操作。近年来，自动调平方法发展得很快，包括液压调平和机电调平系统，大大缩短了调平的时间,提高了调平的精度，只需要启动电源即可完成全部架设与调平。常见的调平机构有螺旋支腿和液压支腿

2、两种形式, 将多个支腿对称布置在发射系统两侧, 通过支腿的上下伸缩, 实现发射系统的调平。而常用的支臂形式一般有折叠式支臂、收缩式支臂和仿生式支臂。需要选择一种合适的调平方法，合适的支腿形式以及其布置结构达到高精度高可靠地调平，稳定地受力和支腿能轻松展开收拢的目的。如今车载平台的调平应用得非常广泛，在军事上应用于雷达野战车，导弹发射车及火炮等高科技武器装备，在工业上应用于起重机，高空作业机，打桩机，挖掘机，摊铺机等多种工程机械。如果能设计出一种更快速，更稳定，更高精度的调平机构将会大大增加这些武器快速投入战斗的能力和工程上的效率，可使我国的国防力量在这个方面得到很大的提高，工业经济方面也会得到

3、很高的收益。2应解决的主要问题及技术指标：主要问题：（1）双轴水平传感器实现四点追逐式调平：在该方式下需要考虑控制系统与执行系统的精度问题（2）支腿的展开及布置形式：要易于操作，保证整车的通过性（3）支腿的受力分析：由于负载较大要考虑结构的刚性问题，影响调平精度，还要使四个支撑点的受力均匀避免其中有一腿不受力或悬空（4）液压缸的锁紧：由于液压缸的内泄漏不可避免，为保证长时间工作不出现软腿现象要在液压缸停止工作时将其锁紧。技术指标：（1）整车自重小于4t,支腿展开及收拢采用自动控制式，展开5m x 5m（2）支腿收拢状态下离地高度大于车轮半径（约为250mm）（3）可在坡度小于2的地面架设（4）

4、调平时间小于2min3国内外发展概况及存在的问题：由于车载调平机构在军事及工业上的应用相当广泛，目前国外研究自动调平装置的国家很多，比较领先的有德国，日本，美国等。自20世纪六七十年代液压技术日渐成熟后国外大多开始使用液压调平技术，随着传感器的广泛应用机电调平技术也成熟起来，在导弹发射车，雷达车和很多工程机械上都得到了应用。例如德国Rheinmetal DeTec AG公司研制的35MM自行高炮采用双轴四轮炮架，射击时炮架由3个液压千斤顶支撑，并可自动调平。战斗时液压泵旋臂向外转动并锁定，调平轴伸长，火炮抬起，炮轮翻起离地呈倾斜位置，火炮降到所需的高度并自动调平，自动化程度很高，我国也引进了部

5、分技术。美国GOMAO公司和德国的Wrtgen公司在混凝土摊铺机上都使用了电液调平系统和机液调平系统，突破了过去以固定模板修筑水泥混凝土路面的老方法，使其能够高质量、高速度地修建水泥混凝土高等级公路路面。在国内调平技术成熟相对较晚，目前比较领先的有中国电子科技集团公司（CETC）第14研究所研制的YLC-20雷达，它的机动性非常好，系统采用车载运输方式，运用液压自动调平，天线电动升降等技术，可在1小时内完成系统架撤及调平，实现快速转移，投入作战的效率非常高。我国在防空火炮，起重机及高空作业机上机液及电液调平技术也用得比较多，自动调平控制将影响到国内的很多行业，目前在雷达车上用得最为广泛，有很大

6、的发展前景。4本设计的指导思想：本课题就是要设计一种可靠的能快速调平并能长期稳定工作的调平机构，安装在车载平台上使上面机构能正常准确地工作。二 方案论证1调平系统的选择调平系统的特性及要求：（1）在移动状态下车载自动调平系统平台由载车运载,进入工作状态时,平台由支撑系统支撑并与地面脱离; （2）车载自动调平系统平台应在一定时间内（少于2分钟）调平, 满足一定的精度要求（平面度要求）; （3）车载自动调平系统平台一旦调平后, 应对其位置进行锁定, 以保证平台上的精密装置正常工作; （4）当车载自动调平系统平台偏离水平状态时, 应及时进行调平, 满足车载自动调平系统平台的水平要求;（5）当车载自动

7、调平系统平台进入移动状态时,其支撑脚能快速升起。目前在车体水平调节系统中，主要是使用液压驱动、电机驱动调平。在选择方案时不仅要考虑对调平时间的要求,还必须注意平台的稳定性。机电调平方案：自动调平系统由4套撑腿、1套水平传感器和1套控制箱组成.撑腿由滚珠丝杆、减速机和带光电编码器的伺服电机组成;水平传感器采用双轴电子水平监测器;控制箱由4 套撑腿电机驱动器、低压电源、接口转换板、状态文本显示器、PLC控制器、继电器、温控加热器、风扇以及保护开关等机电器件组成。调平方法： 图 1 水平传感器方向四点支撑的工作平台的X 轴、Y 轴是根据水平传感器的安装位置确定的工作平台面上互相垂直的两个轴向。调节一

8、个平面到水平状态的调节过程可以有单向调节和多点调节两种方案。若采用多点调节,则各点都同时运动,调整到一个预定点,其特点是速度快,但算法复杂. 由于四点支撑的工作平台是一刚性结构,其平衡处于静不定状态,多点调节时因每个撑腿的位移、速度均不相同,四个撑腿的运动相互制约,具体控制算法难以实现,而且由于每个撑腿的受力不一致而容易发生伺服电机过载。因此这里采用单向调节的方案,即先将X 轴方向调平,再将Y 轴方向调平。虽调节时间稍长,但协调性好.调平过程中调节的是四点的相对高度, 为了有效消除伺服传动系统的反向间隙和死区影响,提高系统的调节精度, 具体调节过程中采用向最高点看齐的方法,即保持相对最高点不同

9、,把低点调高,这样工作台就只有上升运动。调平过程：在工作平台的撑腿着地后, 控制系统开始进行调平。通过水平传感器的检测信号,可以找出工作平台的最高点。将水平传感器按如图 1所示方向安置于工作平台上,传感器输出含有X 和Y 轴信号,它们是与水平误差(角度) 成线性关系的模拟直流电压信号。最高点判断：当X 值大于0 , Y 值小于0 时,撑腿1 为最高点; X 值小于0 , Y 值小于0 时,撑腿2 为最高点;X 值小于0 , Y 值大于0 时, 撑腿3 为最高点; X值大于0 , Y 值大于0 时,撑腿4 为最高点。假设撑腿着地后撑腿1 为最高点(其他撑腿为最高点的情况相似) , 根据水平传感器

10、的信号,可以分别进行X 轴和Y 轴方向的调节。如先进行X 轴调节,其过程如下:撑腿1 和4 不动, 撑腿2和3 同时上升一定位移, 即工作平台绕撑腿1 和4 为轴线旋转,撑腿2 和3 同时上升,如图(a) 所示,上升的数值由控制系统根据水平传感器的X轴反馈值决定,直至X 轴呈水平状态。 Y 轴调节与X 轴类似,如图(b) 所示。若工作台的X 轴和Y 轴调节成水平状态,则可认为工作台已处于水平状态。调平控制原理：根据系统实际情况,可以考虑两种调平算法:a. 开环调节,即计算出工作低边与高边的垂直高度差,直接控制低边撑腿上升到这一高度;b. 闭环调节,在低边撑腿上升过程中不断地测量工作台的倾角,且

11、不断调整,当工作台的倾角符合调平要求时,撑腿停止运动,调平过程结束。开环调节算法要求工作台是一理想的刚性平面,工作台无扭曲变形,四条撑腿安装一致且与工作台面垂直,调节过程中工作台绝对无变形。上述条件在实际中是无法保证的。 而闭环调节算法对控制对象的一些软参数要求不高,实际调节效果好。因此,调平控制系统采用闭环调节方法,其控制框图如图2 所示。控制器根据工作平台的水平传感器来控制执行机构的动作和位移,工作台的调平精度完全由水平传感器决定,使调平系统成为一闭环控制系统。控制系统硬件组成：控制系统由控制器、通信、检测、执行机构4个部分组成,具体包括可编程控制器,中惯量带抱闸交流伺服电机、双轴水平传感

12、器等。通信部分：包括PLC 与操作员面板之间的通信和PLC 与上位机之间的通信两个部分。传感器检测：系统需要检测工作平台水平状态、撑腿力矩的大小、撑腿丝杆的位移。工作平台水平状态来自双轴水平传感器。它能检测平面坐标X 轴和Y 轴方向上两路水平误差信号, 输出与水平误差(角度) 呈线性关系的模拟直流电压信号和角度显示信号。水平传感器是整个调平系统中一个极为关键的传感器,其性能的好坏直接影响整个系统的调平时间和调平精度。检测撑腿力矩的大小主要是防止撑腿内部故障或外部因素导致撑腿卡死时,强行驱动撑腿运动而导致伺服电机过载或撑腿丝杆损坏。 撑腿丝杆位移(撑腿行程) 的检测是通过伺服电机自带的旋转编码器

13、的反馈来实现的,伺服电机驱动器输出A ,B 相脉冲,经过电平转换后,通过PLC 上的双向高速计数器转换为撑腿行程。执行机构： 本系统四条撑腿的驱动采用全数字交流伺服电机,控制模式为模拟电压速度控制,其优点在于定位速度快,精度高。采集驱动器上的编码器信号和转矩信号送至PLC ,可以方便地实现控制系统的位置闭环和转矩闭环。液压调平方案：六点支撑液压式平台自动调平系统：平台上安放有一套精密的光学瞄准装置, 平台尺寸为3 m9 m , 平台重量加上负载超过30t, 并且调平精度为3。平台控制方式：三点即可确定一个平面。因此, 三条腿就能支撑平台。但由于平台面积大, 负载大, 其上设备要求基准精度高,

14、故刚度成为一个突出问题。为了提高刚度,系统采用六腿支撑。支撑腿的分布由负载情况及强度、刚度条件确定。这样, 平台的支撑就成为三次超静定问题。故提高刚度是以增加静不定次数、加大控制难度为代价的。平台的六个支撑点如图3 所示。图3 平台支撑点示意图电液伺服系统是由电气的信号处理部分与液压的功率输出部分组成的闭环控制系统。它综合了电气和液压两方面的优点, 因此, 在负载大, 又要求响应速度快, 控制精度高的场合, 使用电液伺服系统最为合适。由于计算机技术日益得到广泛应用, 用计算机对电液伺服系统进行实时控制是液压技术发展的一个重要趋势。调平机构电液伺服系统工作原理方块图如图4 所示。由计算机控制六套

15、完全相同的阀控液压缸装置。水平传感器安装在平台上。按与平板长度方向平行的方向布置A、B水平仪, 如图1 所示。水平仪输出的位置信号经过放大和电平变换后, 送给CPU 的A/D通道, 转换为数字量后, 参与平台调整算法。调平结束执行锁定。图4 调平机构电液伺服系统工作原理方块图调平机构液压系统：为使平台调平后能立即锁定, 并在一定的时间内保持精度, 系统采用了液压锁和带机械锁定装置的液压缸。液压缸上装有自锁机构, 通高压控制油时开锁, 活塞可自由移动, 不通控制油时, 活塞便锁定在任意位置上。在运输状态下, 平台固定在载车上, 平台与载车间加有减振弹簧。此时,六 条腿收起并锁定。进入工作状态时,

16、 系统工作原理如下：启动泵 增压器产生高压 解锁 差动回路六支腿快速着地 伺服阀作用6液压缸同时上升，带动平台上升到设定的高度 进入微调阶段，启动调平程序（根据水平传感器信号 相应伺服阀产生一定的开口使对应液压缸产生一定位移闭环控制直到达到调平精度 当车体的水平度在误差范围内时,调平过程结束,用机械锁将支腿缸锁紧。）调平结束，设备可以进入工作状态，此后，在设备工作中，平台水平度波动，如果超差，传感器信号报警，启动泵，产生高压解锁，然后启动调平程序，可以实时控制水平度，保障平台的水平精度。当需要将腿收上时, 只要输入收上信号, 对应伺服阀即反向开启, 电液伺服阀右位接入系统, 缸体带动平台下移。

17、下移到运载车上后, 支撑腿收回并被锁定。然后, 关闭所有电源即可。调平策略：调平过程采用四点调平, 即1、3、4、6 腿参与调平,并且遵循只上升不下降的原则。最高点保持不动, 其他点向高位点趋近。当满足终止条件 (调平精度) 时, 调平结束。由于三点即可确定一个平面, 采用六点支撑就会出现有的腿离地悬空或承载力不够而产生虚腿现象。为了保证各腿不产生虚腿现象, 采取检测各腿承载力的措施。这样, 在每个缸的油路上就要加装压力传感器。首先, 算出在平衡状态下每个腿应该承受的力。在控制过程中, 实际腿承载力可由压力传感器实测出。当采用四点调平满足精度要求时, 可由压力传感器检测每条腿是否有虚腿现象。若

18、有, 则虚腿的承载力必定小于希望值, 可打开相应的阀门, 使此腿承载力增大。因阀控制缸运动有一定的滞后, 为了防止虚腿运动过头,破坏平台的调平状态, 承载希望值设定为理想的90%。至此, 调平结束, 每个支撑腿锁定。比较两种驱动形式：液压驱动可以直接使用车辆本身的发动机作为一次能源，进而大大减少作战准备时间，但缺点也很明显必须启动车辆发动机才能实现调平。液压系统具有驱动力大、工作平稳、反应快、体积小、结构紧凑、控制方便等优点。如果一个电气系统能够搬送1424 kg载荷,则相同体积的液压系统就可搬送100140 kg的载荷,而且还有与电气系统相当的精度和响应速度。液压驱动机构可得到很大的速度范围

19、,其低速性能比电动机好;液压系统定位刚度较大,位置误差小;液压缸是直线位移驱动机构,其运动与支腿要求的运动相吻合,易获得较高的控制性能。 因此,从功率、结构和控制精度等方面看,大吨位载荷的平台控制采用电液伺服并联机构驱动最为合适。但是液压系统存在价格高、能量损失大、对温度变化较为敏感、故障难排除、存在泄漏和维护问题等缺点，调平时间还不够短,响应不灵敏。总体而言,目前的调平系统大多采用液压调平,实现的调平精度大多达到6采用自动电动调平比起液压传动调平有着以下优点:调平时间短,调平精度高,可靠性好,便于维护等等。由于系统平台在调平后, 要求对其位置进行锁定, 以保证平台上的精密装置正常工作。机电传

20、动采用丝杠螺母副可以可靠的自锁，而液压调平由于泄漏问题，则需要设置机械锁和专门的高压解锁回路，增加了成本和调整时间。伺服电机驱动一般需加减速器,同样的承载能力下机构尺寸大于液压系统机构尺寸,一般用于单腿承载能力7t以下的调平系统, 低温环境下(-40)系统成本成倍增加。由于本课题设计的调平系统需要非常稳定的工作，且承受较大的载荷，运输过程中为保证能正常通过尺寸也不宜过大，控制性能较好，针对这些要求在此采用电液伺服驱动，将支腿打开时由于不需要精确的定位直接用普通液压缸打开，支腿撑起调平时则采用伺服液压缸，可以保证非常精确的定位，高精度高可靠地调平。 支腿布局方案： 支撑平台的支腿数可以是三个，四

21、个或者六个。图5 给出了三腿支撑平台的方案。因为一个平台可以由三点或两条相交线确定，当两条相交线在平台上水平时我们可以得出平台水平的结论。两个传感器分别放在两个相交的方向上，用来检测A，B，C三点的相对高度。当三点处于同一高度，平台即完全水平。平台不能承受大的负荷，而且抵抗翻倒的能力非常有限。遇到风大的时候，平台不能保持水平而且很难调节水平，所以带有三个支腿的平台只用于一些简单的不重要的平台。 图5 三脚平台 图6 展示了一个四支腿平台。两个传感器分别放在两个交叉的方向上，可以检测A，B，C，D四点的相对高度。这个四支腿平台能够承受很大负载，而且能抵抗很大的翻转力量，所以其应用非常广。但是，由

22、于四条支腿支撑一个平台是一个静不定结构，也许一只脚没有到达地面而悬在空中。所以，事实上平台只有三条支腿支撑。在设计四脚平台时必须解决这个问题。 图6 四脚平台 图7 X方向调平六脚或更多脚平台将增加静不定程度， 会使得设计计算十分复杂, 所以只用于负载很大,而其他方法不符合要求的场合。一般来说，平台上的负载小于30吨，所以与其他方案比较后本文选择了四脚平台。B调平方法与过程这里有两个平台调平方法，叙述如下： 图8 Y方向调平调平方法与过程：1）一个方向调整。先调整X方向，然后调Y方向，或者反过来。对于这种方法，支腿的行动是协调的，但是需要太多时间。2）多个方向调整。所有支腿同时开始动作并达到同

23、一给定高度。用这种方法调整的速度高，但由于每条支腿的速度和位移不相等且动作相互限制，造成控制算法非常复杂。此外，每条支腿承受不同的压力会发生超载。所以在本文四脚平台是用一个方向调整的方法。 调整平台水平度的过程是调整四个点的相对高度，所以有如下三种调平方法。1） 最高点固定调平方法。最高点不动，其他点上升到与最高点同一高度。2） 最低点固定调平方法。让最低点固定不动，把其他点下降到与最低点同一高度。3） 中间点固定调平方法。让平台中间点保持固定，把较高点降低较低点升高，直到所有点处于同一高度。至于考虑到效率，第三种方法最好，但会产生一个虚腿，也就是一条支腿没有负重或悬在空中，第二种方法同样存在

24、类似的问题。在用第一种方法时，每条支腿的移动方向是相同的，动力装置消除造成的影响可以避免，所以调平精度要高一些。当四条支腿都到达地面承受负载时，调平过程开始。首先，最高点由传感器的值确定。依照图7 和图8 ，传感器放置在X和Y方向。根据X和Y的值，最高点可以确定如下：1) X 0, Y 0. A点最高2) X 0, Y 0. B点最高3) X 0. C点最高4) X 0, Y 0. D点最高例如，A点是最高点，根据水平传感器的信号，X方向和Y方向可以依次调整。当首先调整X方向时，调平过程如下：支腿1和4保持不动，支腿2和3同时上升到给定高度，如图7 所示。支腿的位移由X方向传感器的值确定。在X

25、方向调整水平之后，Y方向应该根据Y方向传感器的值来调整，如图8 所示。 其过程和方法与X方向相同。当X和Y方向同时达到水平时，平台即完全水平。水平传感器：水平传感器是一个双轴液体摆,可用来测量摆壳绕两个正交轴偏离水平面的角度。液体摆的顶盖上装有一个中心电极(N)和四个与其距离相等的匀布电极(L1、L2、L3、L4)。四个匀布电极成为十字交叉,中心电极用来测量摆壳绕两个正交轴偏离水平面的角度。在液体摆顶盖上装有一个中心电极与壳体相通,四个匀布电极则与壳体绝缘。壳体内注有大电阻系数的电解液 ,充满空腔,但壳顶保持有一气泡。当液体摆处于水平位置时,气泡的周界正好处于四个均匀分布电极的中心,因此从中心

26、电极到四个匀布电极的电阻相等。而当液体摆偏离水平位置时,空气泡仍处于电解液的最高点,电极所覆盖的面积发生变化,因而从中心电极到四个匀布电极的电阻也发生变化。这种电阻差便形成了液体摆的输出信号,表示了天线工作平台所处的不同的水平度。 所以本文采取了电液调平系统，采用双轴传感器四点追逐式的调平方法，稳定可靠，调平精度高。2调平机构的选择常见的调平机构有螺旋支腿和液压支腿两种形式, 将多个支腿对称布置在发射系统两侧, 通过支腿的上下伸缩, 实现发射系统的调平。螺旋支腿及其驱动装置该装置由螺旋支腿(螺旋千斤顶) 、减速器、电动驱动机构或液压驱动机构等组成。工作时, 由电动驱动机构或液压驱动机构带动减速

27、器转动, 减速器再带动螺旋千斤顶里的螺杆转动,螺旋支腿上升或下降, 从而达到发射系统调平的目的。电动驱动机构一般为电机,液压驱动机构通常为电机和液压马达。减速器有多种类型, 常见的有谐波减速器、行星齿轮减速器、摆线齿轮减速器等类型。采用螺旋支腿作为调平机构时, 其主要优点是: 可以承受较大的载荷, 调平过程平稳、可靠; 其缺点是调平时间长, 而且当螺旋千斤顶或齿轮减速机构发生锈蚀以后, 将造成操作困难。采用液压支腿作为调平机构时, 它不仅承载能力大, 而且操作灵活方便、反应时间短、精度高, 易于调平。采用液压支腿调平时,多个液压支腿对称布置在系统需要调平的两侧, 并将传感器安装在系统的基准平面

28、上。工作时,调平液压支腿在液压系统压力油的作用下伸出, 着地后将发射系统顶起并进行调平。在液压支腿调平方式中由于控制原理、控制方式及侧重点的不同, 液压系统有不同的组成及结构形式。以常见的四支腿调平为例, 其液压系统主要由液压支腿、双向液压锁、压力继电器、电磁换向阀等组成,调平时, 压力油P口经换向阀、双向液压锁分别进入四个调平液压支腿的无杆腔, 四个调平液压支腿活塞杆在压力油的作用下低压空载伸出。活塞杆触地后, 控制系统根据角度检测装置检测到的发射系统左右及前后不平角度, 控制相应的液压支腿动作, 经多次反复调平后, 最终将发射系统调平在要求的范围内。采用液压支腿能较好实现快速自动调平的要求

29、。它的缺点是在长期重载荷及温差变化较大的工作环境条件下, 对液压支腿的自锁性能和液压系统的密封性能有较高的要求。所以本文选用液压支腿形式，通常将多个液压支腿对称布置在发射系统需要调平的两侧, 并将角度检测装置安装在发射系统的基准平面上。系统工作时,调平液压支腿在水平液压缸的作用下伸出, 着地后安装在支腿上的垂直伺服缸将平台顶起并进行调平。3支臂的形式选择目前,地面雷达支臂的形式一般有折叠式支臂、收缩式支臂和仿生式支臂。折叠式支臂虽然结构简单但在收拢状态时占用了运输宽度,加装调平撑腿后影响载车的通过性能,而且其悬臂式结构承载能力差,加载后变形挠度大,不易实现动态高精度调平；收缩式支臂由于套筒间存

30、在间隙,因而支臂刚性差,而且加装调平撑腿后亦影响运输通过性能；仿生式支臂,又名螃蟹腿, 其特点是抗风稳定性高,抗倾覆半径大,阵地适应性好,容易与载车分离或结合。在此选用仿生式支臂，如图9 所示，展开过程：由于支臂处运输状态时,整个支臂的重心在转轴的外侧,因此在连杆机构的牵引下,支臂的前臂和后臂自动向外展开。但由于与前臂连接钢丝绳的长度是不变的,因此支臂的前臂在向外展开的同时自动与后臂收拢合为一体。收拢过程:首先是调平撑腿自动收回到极限即运输状态,其次仿生支臂完成解锁动作,最后仿生支臂腿自动收拢至运输状态。由于仿生支腿的受力状态视其跨度和支点的位置关系而变化，为了满足机动式雷达对仿生支臂重量的要

31、求,要选用高强度的材料,而且在满足系统刚度和强度的条件下,还要进一步进行重量和截面尺寸的优化设计。 图 9 仿生支臂的展开和收拢在初步选择了仿生式支臂结构后，我和指导老师讨论了方案的可行性，这个机构在支臂收拢时完全在平台的上方，不占整车通过空间，展开时的距离也足够大，稳定可靠，同时垂直液压缸的行程也可以选得较小。对于将支臂撑开的机构原打算用一个六杆组合锁紧机构实现，但设计过程过于复杂，并且杆件需要承受很大的力，对于材料强度等都要求很高，可能难以实现，各杆件间的连接也需要做一些处理，根据导师的建议，我直接选了一个液压缸，但是需要一个带锁紧装置的液压缸，其原理后面会再介绍。垂直液压缸支起整个平台调

32、平完毕需要进入正常工作状态时，需要把液压缸牢固地锁紧，在这里单独设计了一套手动锁紧装置安装在垂直液压缸的缸盖上，由于采用的是双活塞杆伺服缸，只需要将另一端的活塞杆稳定地锁紧即可。支腿的结构和锁紧机构如图10 ：图10 支腿和锁紧机构采取这种锁紧装置，结构大大的简单化了，同时在系统调平完成后，只须人工向上拧紧螺栓顶到锁紧机构上盘面即可实现锁紧；解锁时只须将螺栓拧松，活塞杆即可自由地升降。这种锁紧结构方便可靠，适合野战环境下使用。4虚腿的防止方法四点和多点调平面临的主要问题是虚腿现象, 即有一个腿不受力或者悬空, 这是不能允许的。当平台的负载均匀时,四个支撑点的受力应该均匀。目前的调平方式为了避免

33、虚腿问题, 都是采用向最高支撑靠拢的方法, 这种方法使得调节的余量越来越小, 而且不能彻底解决虚腿问题。解决办法：如果平台的着地面一般为泥土, 由于平台本身的重力和土质的变化会使原来着地结实的腿变得不结实, 虚腿问题更加严重。借助力传感器也很难解决虚腿问题, 因为平台载荷不是一成不变的。可采用逐个伸展支撑的方法成功解决了虚腿问题, 方法如下: 在调平完后, 逐个测试每个支撑的虚实, 将要图11 球铰支座测试的支撑往下伸展, 直到水平传感器x 轴和y 轴任意一个方向的变化到一定范围(对6m长的平台来说一般设为0.15,如果平台小可以减小范围) 后,再将该支撑收缩,直到水平传感器恢复原状。该方法十

34、分有效,能检测出每个虚腿,检测过程就使其结实着地。为了应对地面沉降,控制系统,每隔30 m in 检测水平状态和支撑着地结实状态,在支撑允许的行程范围的沉降可以通过自动控制解决,如果超过支撑的行程范围则给出报警。如果着地面为较为结实的底面，通常采用支撑压力反馈法解决虚腿问题：采用压力反馈和压差反馈式电液伺服阀，利用其对复杂压力的敏感，特别是产生悬空状态前后，负载压力的变化，使悬空的子系统由不可控到可控，压力传感器的使用还可以使对称支撑受力均匀，平台运动平稳，平台升降过程四个支撑速度趋于一致。 如图11 ，我所设计的是将一个电行程开关安装在球铰支座底盘的侧面上，底座可以自适应小于5的坡度，当行程

35、开关的触头接触地面时就会将信号传给控制中心，然后再进行下一步动作。这种结构非常简单，只需要买一个电行程开关装上去就能达到非常好的检测效果。5液压缸锁紧装置的选择系统调平后，液压缸停止工作时需要被锁定，即在外负载作用下无位移对于要求不高的系统，传统的方法是设计锁紧回路，但执行元件的内泄漏是无法解决的。对于要求较高的系统，如导弹发射车、雷达天线车及其他战备系统，则需要设计特殊具有机械锁定装置的液压缸。常用的机械锁定装置：（1） 套筒式锁紧装置图12 套筒式锁紧装置1锁紧套筒 2.活塞杆液压缸的前端盖上带个锁紧套筒1，它与活塞杆2过盈配合，且此套筒用一定的弹性材料制成，因此可使活塞杆锁紧在任意位置。

36、当解锁高压油进入套筒后，在压力油作用下，径向膨胀产生间隙，使活塞杆可以移动。（2） 刹片式锁紧装置图12 刹片式锁紧装置1制动刹片 2.蹀形弹簧 3.活塞杆在液压缸的端盖上带有一制动刹片1，它在碟形弹簧2的作用下被紧紧压在活塞杆3上，依靠摩擦力抵消轴向负载力，从而使活塞杆锁紧在任意位置上，当解锁压力油进入A腔后，在液压力作用下，将制动刹片顶起，使之脱离活塞杆，达到解锁目的。当油压卸去后，又能自动锁紧。（3）钢球摩擦锁图13 钢球摩擦锁1活塞杆 2.钢球 3.活塞活塞杆1上面有斜面槽，每个斜面槽内防止一个钢球2，并用弹簧圈挡住。两斜面间的活塞3是能游动的。当没有液压力作用时，如活塞在外力作用下有

37、左移的趋势，则左面刚求将与液压缸内壁相卡，如果活塞杆有右移的趋势，则右面刚球与缸壁相卡，即为上锁状态。当活塞左面进油时，活塞右移，使右面刚球沿槽下滑，即为解锁状态。（4）内涨式锁紧缸图14 锁紧油缸结构图1活塞 2.缸体缸体1和缸体2之间采用过盈配合，产生巨大的锁紧力，活塞杆3能承受很大的轴向载荷，而不发生位移，油缸的解锁机理：高压油从解锁油口a经导杆内孔b最终到达活塞与缸体之间，使缸体膨胀，实现解锁。当卸除高压油时，活塞重新被缸体内壁卡紧，实现锁定。在本文所设计的机构中，为保证支腿打开撑离地面时不会导致支腿反转，水平液压缸必须有强大的锁紧力，活塞杆需承受很大的轴向载荷，且要保证系统在长期不工

38、作和长期工作的状态下处于锁紧状态，只是在展开收拢支腿时活塞杆能移动，所以在此采用了内涨式锁紧缸，能保证系统正常地工作。三 设计过程论述1液压系统设计（1）垂直伺服液压缸的参数设计先估计整车的自重为4t，加上雷达及油箱等机构后的总重是8t，雷达架起高度10m，支腿展开，足够抵抗翻转扭矩。每条支腿承受的重量为2t，液压缸负载，查手册得其工作压力P=2MPa，取其机械效率为0.9，则最大负载 采用的是双杆式双作用液压缸，初定缸径取为杆径的2倍，有效作用面积 而 (3.1) 把D=2d代入上式得：d= 52.1, D=104.2 根据GB/T2348-1993圆整成标准值： d= 50mm, D=10

39、0mm 所以 工作压力 查手册根据需要取活塞行程S=350mm 查金油压液压公司产品手册选择缸的型号为： 各项参数如下： 缸径D=100mm,活塞杆径d=50mm,行程S=350mm,矩形缸盖122mm x122mm,缸盖厚37mm,螺母M14P1.5，活塞杆螺纹M36初定球铰支座接触到地面并撑起平台的粗调速度，行程为200mm，则用时 精确调平时间取为则总的调平时间流量（2）水平液压缸的参数设计先估计支腿和垂直液压及锁紧机构的质量：支腿截面积支腿质量垂直液压缸取70kg,锁紧机构取30kg，则水平液压缸对支腿的作用点离平台的水平高度h=150mm，支腿重心距支腿与平台铰接点的水平距离取，垂直

40、液压缸锁紧机构铰接点距支腿与平台的水平距离为，水平液压缸刚开始将支腿拉拢时受到的负载最大，对支腿与平台铰接点取矩求得最大负载 液压缸两边受力相等，根据受力分析缸的最大负载还是28747N。查手册取其工作压力为P=3.9MPa，取其机械效率为0.9，则最大负载，初取其缸径为杆径的2倍，采用回油节流调速，取回油背压选用双作用单活塞杆缸，有效作用面积 而 把D=2d代入上式得：d= 63.2, D=126.4 根据GB/T2348-1993圆整成标准值： d= 70mm, D=140mm 所以 工作压力查手册根据需要取活塞行程S=600mm，选缸头有耳环的缸，活塞杆上装一个带有衬套的耳环，衬套上的螺

41、纹为M52。初定推开支腿的平均速度，则推开支腿时间所以加上之前的调平时间得出从调平机构开始工作至调平结束的总时间 流量（3）系统液压图的拟定垂直液压缸、水平液压缸和举升液压缸都是不同时工作的，垂直液压缸是伺服缸，直接用电液比例溢流阀来控制动作，水平缸采用回油节流调速，举升缸采用回油节流调速，另外需要单独给水平缸通高压解锁油，为便于调节压力，在液压泵出口处设置电磁比例溢流阀，还可以安全卸荷，并分别在泵出口处设置多点压力表开关，系统图设计如下所示：1滤油器；2.主泵；3.单向阀；4.三位四通电磁阀；5.节流调速阀；6.水平缸；7.滤油器；8.高压泵；9.电磁比例溢流阀；10.压力表；11.压力继电

42、器；12.三位四通电磁阀；13.节流调速调；14.举升缸；15.压力表；16.压力继电器；17.垂直缸；18.电液比例换向阀；19.电磁比例溢流阀图15 液压系统图注：高压泵8出口的高压油是通向水平缸6的一个单独的油口，不与缸正常的进油口相通。（4）液压泵，电机及其他元件的选择泵：设进油压力损失为0.5MPa，工作时最大压力为3.69MPa，则主泵的出口压力要为，速度最大时，泵出口流量也最大：由于溢流阀的最小稳定流量为3所以由P及Q查手册选择YB-63，转速为960r/min，额定压力为6.3MPa，流量为63，容积效率为0.9，驱动功率为10Kw，则泵出口流量为，所以泵适用。电机：设泵的总效

43、率为0.8，则 由 (3.2)得，查手册选择Y132M2-6，功率为5.5Kw,转速为960r/min。液压元件的选择如下表序号元件名称最大通过流量（L/min）最大压力（MPa）型号1滤油器636.3XU-22x1002主泵636.3YB-633单向阀636.31-63B4三位四通电磁阀506.334DY-63BYZ5节流调速阀506.36水平缸506.3I-63B7滤油器1631.5XU-22x1008高压泵1631.5T6C-169电磁比例溢流阀325EDG-0110压力表40Y-10011压力继电器31.5DP1-6812三位四通电磁阀506.334DY-63BYZ13节流调速阀506

44、.314举升缸636.3GB826-6615压力表10Y-10016压力继电器6.3DP1-6817垂直缸636.3MOB-L1100x350-FA18电液比例换向阀636.34WRZ16ET100-3019电磁比例溢流阀325EDG-012支腿的结构设计支腿的主体采用截面为矩形的钢件，其结构如图16 ，与平台的铰接点和与图16 支腿水平缸的铰接点间的连线成45度，可以保证水平液压缸比较稳定地运动，支腿收拢与展开状态之间正好是转了90度，方便设计与计算。与其他构件结合的地方都铸造有凸台，只需要局部加工即可满足要求。我最初的设计是将垂直缸铰接在只腿的一侧，因为这样设计比较简单，装锁紧机构很容易后

45、来考虑到销轴及支腿都会受一定扭矩，强度上可能存在问题，同时销轴还不能直接从缸盖中部穿过，会与活塞杆干涉，只能将销轴装在偏心的地方，可以在缸盖的一侧做一个耳环，但由于整个运动过程中垂直缸必须始终保持垂直，所以还要在缸上加一定的配重，因为这样从计算到加工都很复杂，所以就放弃了这种方案。最后确定的方案是将整个液压缸和锁紧机构放在支腿的中间，为防止上面伸出的活塞杆及锁紧机构与支腿产生干涉，在支腿的前端与锁紧机构及垂直液压缸相连处焊接有一块强度很高的钢板，且中间有加强块，在整个运动中刚好能避免和锁紧机构及垂直液压缸的干涉，还可以承受较大的压力和剪切力。3锁紧机构的设计简单地说就是设计一个将垂直缸上面伸出

46、的活塞杆固定的机构，在完全调平后将整个平台锁定在固定高度而不发生位移。首先，锁紧支架应安装在和垂直缸没有相对运动的构件上，所以在此只能将支架装在垂直缸上，利用缸自带的螺杆穿在锁紧机构的底盘上，再用螺母将底盘与缸固定成一体。由于活塞杆受力有相对于平台向上的运动趋势，所以需要用支架支起一个上盘面，让锁紧构件顶在上盘面的下表面，达到固定的效果。图17 锁紧机构连接如图17 所示在此采用了锁紧螺母，活塞杆杆头的螺纹直径过大，直接将锁紧螺母连在上面需要一个很大直径的螺母，调节不方便也没有必要，所以在这里将活塞杆的头部加工了一个直径为20mm的螺纹孔，用一根直径20mm的螺杆与其连接，并用螺母锁紧，防止两

47、者之间发生轴向位移，为了方便安装，还要在螺杆的中部加工一小段平口，这样在调平完成需要锁紧的时候只需要将锁紧螺母拧到最上方顶在上盘面时就能可靠地锁紧整个系统了。工作完后将锁紧螺母往反方向拧即可解锁，垂直液压缸恢复自由动作。这个手动锁紧装置稳定可靠，在野战中非常使用。 下面对螺杆的强度进行校核：螺杆受到预紧力和轴向载荷的的共同作用，轴向载荷N，残余预紧力，由 (3.3)得总拉力选取的材料为45钢，性能级别取6.8，查有关手册得。设不要求严格控制预紧力，取安全系数S=2.5，则螺杆的许用应力为 螺纹小径为 （3.4） 得 ，显然强度足够。然后再校核四根支撑杆的螺纹强度，支撑杆的螺纹为M14，受到预紧

48、力和轴向载荷的共同作用，轴向载荷N，平均分配到每根杆上的轴向力，受到的残余预紧力 总拉力选取的材料为45钢，性能级别取6.8，查有关手册得。设不要求严格控制预紧力，取安全系数S=2.5，则支撑杆的许用应力为 螺纹小径为 显然也满足强度要求。4垂直液压缸底座的设计且方便调平，在这里采用了球型支撑，如图18 所示。球型支撑可以保证底座适应小于5度的坡度，用一个端盖将其挡住，安装时是将一个完整的端盖对称地分成两半，然后夹在球型支撑上的，用四个M5的螺钉将其固定在底座上。行程开关为了避免复杂的结构直接采取了电行程开关，在底座的侧面开一个槽，直接将开关固定在槽中，开关触头伸出底座10mm，这样就可以达到

49、检测底座接触地面的要求。由于支撑要适应地面一定的不平度，保证垂直液压缸始终竖直，以便底座受力均匀 图 18 球铰支座 由于活塞杆头的螺纹尺寸是M36，所受的轴向力是20009.8=19600N，根据上面对螺杆的校核可以肯定强度满足要求，在此不必再校核。而四个螺钉只承受底座和行程开关的重力，M5的螺栓强度也足够了。5铰支座螺栓的强度校核在此主要校核支腿上的铰支座的螺栓强度，支座上用的是4个M16的螺钉，位置如图19 所示： 图19 铰支座的尺寸（1）受力分析 计算螺钉组所受的工作载荷 水平液压缸的最大拉力F=28747N，作用在销轴中心上 载荷F可分解为 垂直于作用面的轴向载荷 平行于作用面的横

50、向载荷 将、向螺钉组连接的结合面形心处简化，得翻转力矩 计算单个螺钉所受的最大工作拉力P 在轴向力的作用下，各螺钉所受的工作拉力为 在翻转力矩M的作用下，使铰支座有逆时针翻转的趋势，则上面的螺钉受加载作用，下面的螺钉受减载作用，所以上面的螺钉受力较大，则M引起的工作拉力由 （3.5）得因此上面螺钉所受的最大工作拉力为按不滑移条件计算螺钉的预紧力 在横向力的作用下，铰支座连接接合面可能产生滑移，应按铰支座接合面不滑移的条件确定预紧力。要注意的是，受轴向力作用时，其接合面间的压力为残余预紧力。翻转力矩M的影响一般不考虑，因为在M的作用下，支座一边的压力虽然增大，但另一边却以同样程度减小，故而支座不

51、滑移的条件为 取,则有 计算螺钉所受的总拉力 由 （3.8）得（2）按拉伸强度条件校核螺钉直径 选择螺钉材料为强度级别9.8的45钢，查手册得=720MPa，安全系数S=2.5，则。所以，螺钉危险剖面直径为所以选用的螺钉符合强度要求。（3）校核螺钉组连接的工作能力 按连接接合面下端不压溃的校核 接合面下端所受应力由两部分叠加，其一是由残余预紧力产生的压应力，其二是由弯矩M产生的压应力，可得 （3.9） 查手册得 故连接接合面下端不会压溃。连接接合面上端不出现间隙的校核 同样，接合面上端所受应力由两部分叠加，其一是由残余预紧力产生的压应力，其二是由弯矩M产生的拉应力，即 （3.10） 故接合面上

52、端受压最小处不会产生间隙。6销的强度校核（1）支腿与平台连接铰接处销轴的强度校核 销轴的有两个截面受剪切力，且剪切力相等，当支腿将整个平台撑离地面时销轴受的力最大，为车载系统的总重，此时每个销轴受剪力为,所以危险截面的剪切力F=19600/2=9800N,所选销轴的直径为d=30mm,根据销轴的切应力计算公式 （3.11） 得MPa 取安全系数S=2，销轴的材料为45钢，查手册得许用剪切应力 而，所以销轴的强度符合要求。（2）水平缸与支腿铰接处销轴的强度校核同样销轴的有两个截面受剪切力，且剪切力相等，当水平缸将已展开的支腿拉拢的瞬间液压缸提供的拉力最大，；当平台被撑起后，水平缸锁紧，支腿同样会

53、给销轴一个很大的力，先计算这个力的大小，再和比较。对支腿进行受力分析，所有力对支腿与平台的铰接点取矩，求得 由于F2F1 ，所以应选最大剪应力F=28747/2=14374N进行校核，所选销轴的直径为 d=30mm ,根据销轴的切应力计算公式 求得 MPa 取安全系数S=2，销轴的材料为45钢，查手册得许用剪切应力 而所以销轴的强度符合要求。（3）支腿与锁紧机构铰接处的销的强度校核这里用了两根完全相同的圆柱销，当支腿将整个平台撑离地面时销受的力最大，为车载系统的总重，此时每根销受剪力为,每根销只有一个截面受剪力，所以危险截面的剪切力F=9800N,所选销轴的直径为d=30mm,根据销轴的切应力计算公式 求得 MPa 取安全系数S=2，销轴的材料为45钢，查手册得许用剪切应力 而所以销的强度符合要求。四 结果分析与总结分析：本文所设计的支腿结构展开，达到了设计要求，这种仿生式支腿可以很简单地将支腿部分做长达到更高更稳定的要求，而在收拢时不会占用载车的通过空间，所以方便扩展。同时调平时间也控制得不错，理论上在一分钟内即可完成整个架设调平过程。车载系统可以