CN111478054B - 一种fast反射面单元自适应连接机构及布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及FAST射电天文望远镜技术领域，尤其是涉及一种FAST反射面单元自适应连接机构及布局方法。本发明新型0#连接机构保留原1#连接机构的节点轴，节点轴上端增加轴套实现对1个平动自由度约束，关节轴承采用新产品，其球面副增加聚四氟乙烯衬垫。本发明新型1#连接机构采用新产品，其关节轴承的球面副和滑动副均增加聚四氟乙烯衬垫。本发明2#连接机构不变，仍保留原有产品。
Description
技术领域
本发明涉及FAST射电天文望远镜技术领域，尤其是涉及一种FAST反射面单元自适应连接机构及布局方法。
背景技术
500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope，FAST)是我国十一五期间的重大科学装置，是全球最大的单口径射电天文望远镜，具有三项自主创新：利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址、主动变形的反射面、采用六索并联拖动的柔性轻型馈源支撑。
FAST反射面采用柔性索网作为主要支承结构和主动变形的关键部件。索网结构共包括6670根主索、2225根下拉索和2225个索网节点盘。每一根下拉索和一台液压促动器连接并锚固于地面基墩。每个节点盘和相邻6根主索相互连接，共同编织形成了巨大的主索网，也是FAST反射面几何面形的基础。通过协调控制2225台液压促动器的伸缩运动，进而带动主索和节点盘的运动，可以实现反射面面形的改变，如基准球面(曲率半径300米)和天文观测所需的旋转抛物面(口径300米)等。
主索网所构成的曲面面域主要采用短程线分割方法，全域被划分为4300个近似等边三角形域和150个边缘四边形域，每一个节点盘均位于这些三角形和四边形的顶点位置。主索网的每个三角形域和四边形域均安装全铝合金反射面单元，覆盖整个面域，构成FAST反射面。相邻反射面单元之间留有约65mm的间隙，保证反射面面形改变时相邻单元不会发生碰撞干涉。其中三角形单元边长约11米，重量约450-480Kg。反射面单元的每个顶点分别通过一个自适应连接机构与其对应的索网节点盘进行约束连接。对于三角形单元而言，不同的顶点连接不同的自适应连接机构，可分为0#连接机构、1#连接机构和2#连接机构三种。0#连接机构约束3个平动自由度，1#连接机构约束2个平动自由度，2#连接机构约束1个平动自由度。通过这样的约束连接方式约束刚性反射面单元的六个自由度，从而保证了反射面单元以简支约束的方式与索网结构连接，不会因为索网结构自身的运动变形而引起附加内力。
FAST反射面单元的自适应连接机构是一种完全创新的产品，没有现成的实例可供参考，需要在故障-改进-更新的循环中不断完善原有产品设计和安装工艺。自适应连接机构的润滑非常重要，但因长期暴露在野外环境下工作，随着工作时间增长，润滑性能变差，甚至可能失效，导致自适应连接机构无法通过内部滑动消解反射面主动变形时的相对位置变化，从而危及反射面单元。
目前，发生故障的三角形反射面单元全部为一个角点位于上方，两个角点位于下方的反射面单元，结合图1和图2所示，上方的角点连接1#连接机构(图中标有“1”代表1#连接机构的布置位置)，下方左侧的角点连接2#连接机构(图中标有“2”代表2#连接机构的布置位置)，下方右侧角点连接0#连接机构(图中标有“0”代表0#连接机构的布置位置)。图中标有“a”的三角形面板单元出现故障，其余位置反射面单元未有故障发生。“G”箭头标示的是重力方向，故障单元上部的1#节点轴发生直线滑动副到达前端极限位置不能退回，与其节点轴球节点连接的杆件变形或连接螺栓断裂问题。
结合图3至图5所示：原0#连接机构的0#节点轴101固定于关节轴承102的内孔，端部通过挡圈4、防松垫圈5和螺钉6锁紧。关节轴承102活动连接于0#轴座3上。关节轴承102限制3个方向的平动自由度。原1#连接机构的1#节点轴7在关节轴承2的内孔可以自由滑动，1#轴座8通过螺栓与反射面单元连接盘连接。原2#连接机构的球面副13限制3个方向的平动自由度，滑动座14在反射面单元连接盘上滑动，限制1个移动方向的自由度，2#节点轴9固定连接于2#轴座10，端部通过挡圈11、螺钉12锁紧连接。
采用上述形式的连接机构使用时，其故障的形式多为上部角点1#连接机构的节点轴下滑至极限位置后无法复位至初始位置或复位卡滞，严重情况下连接该节点轴球节点的反射面单元背架的上弦杆、腹杆螺栓、杆件变形或螺栓断裂。经分析，由于反射面单元自身重力作用、加上反射面背架刚性不足，致使上方1#连接机构发生故障。另存在节点轴转动、滑动的摩擦力过大因素引发故障。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FAST反射面单元自适应连接机构及布局方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种FAST反射面单元自适应连接机构，包括：
位于反射面单元上部顶点的0#连接机构，包括：关节轴承、原1#节点轴、原1#轴座和轴套，所述关节轴承的球面副中增设衬垫，所述原1#节点轴插装连接于所述关节轴承，所述原1#节点轴的末端设置有用于阻止其自身滑动的轴套；所述关节轴承活动设置于所述原1#轴座上，所述原1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元右侧顶点的1#连接机构，包括：关节轴承、1#节点轴、1#轴座；所述关节轴承的球面副和滑动副中均增设衬垫，所述1#节点轴插装连接于所述关节轴承，所述关节轴承活动设置于所述1#轴座中，所述1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元左侧顶点的2#连接机构，包括：2#节点轴、2#轴座、滑动座；所述2#节点轴固定连接于所述2#轴座中，所述2#轴座通过球面副安装于所述滑动座上，所述滑动座滑动连接在反射面单元连接盘上。
作为进一步的技术方案，所述关节轴承通过弹簧卡圈对衬垫进行轴向限位。
作为进一步的技术方案，所述衬垫的材质为聚四氟乙烯。
作为进一步的技术方案，所述0#连接机构的原1#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述0#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
作为进一步的技术方案，所述1#连接机构的1#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述1#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
作为进一步的技术方案，所述2#连接机构的2#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述2#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
第二方面，本发明提供一种根据所述FAST反射面单元自适应连接机构的布局方法，其包括：在反射面单元的每个角点顶点分别通过一个自适应连接机构与其对应的索节点盘进行约束连接，不同的顶点连接不同的自适应连接机构，其中：
选择一个角点位于上方、两个角点位于下方的反射面单元；
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的上部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点。
作为进一步的技术方案，通过所述0#连接机构约束3个平动自由度；通过所述1#连接机构约束2个平动自由度；通过所述2#连接机构约束1个平动自由度；以上述约束连接方式约束反射面单元的六个自由度。
作为进一步的技术方案，针对一个角点位于下方、两个角点位于上方的反射面单元：
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的下部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种FAST反射面单元自适应连接机构及布局方法，以保证反射面单元在新型连接机构的约束下可以克服此前反射面主动变形时部分单元下滑不能复位或者复位困难的故障，恢复使用功能。本发明改进后的连接机构布局方式最大的优点是保证了单元重心与0#连接机构基本在同一竖直平面内，极大地降低了单元重力所致的平面内弯矩，球节点承受的平面内弯矩几乎消失，对连接机构润滑性能的要求可以降低不少，大幅提高产品寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有反射面单元中连接机构布置的示意图；
图2为反射面单元三种连接机构自由度原理示意图；
图3为原有0#连接机构的结构示意图；
图4为原有1#连接机构的结构示意图；
图5为原有2#连接机构的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的三种连接机构布置的修改前后对比示意图；
图7为本发明实施例提供的0#连接机构的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的1#连接机构的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的自适应连接机构与节点盘连接示意图；
图10为本发明实施例提供的反射面单元中连接机构布置的示意图；
图标：101-0#节点轴；102-关节轴承；3-0#轴座；4-挡圈；5-防松垫圈；6-螺钉；7-1#节点轴；8-1#轴座；9-2#节点轴；10-2#轴座；11-挡圈；12-螺钉；13-球面副；14-滑动座；15-索节点盘；16-反射面单元连接盘；17-2#连接机构；18-龙门架；19-靶标安装座；20-1#连接机构；21-反射面板；22-反射面支撑连接件；23-背架上弦杆；24-主索；25-背架腹杆；26-轴套；27-弹簧卡圈；28-衬垫；29-原1#节点轴；30-衬垫；31-弹簧卡圈；32-1#节点轴；33-弹簧卡圈；34-衬垫。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
结合图6至图10所示，本实施例提供一种FAST反射面单元自适应连接机构，其包括：
位于反射面单元上部顶点的0#连接机构，包括：关节轴承、原1#节点轴29、原1#轴座和轴套26，所述关节轴承的球面副中增设衬垫，所述原1#节点轴29插装连接于所述关节轴承，所述原1#节点轴29的末端设置有用于阻止其自身滑动的轴套26；所述关节轴承活动设置于所述原1#轴座上，所述原1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元右侧顶点的1#连接机构，包括：关节轴承、1#节点轴32、1#轴座；所述关节轴承的球面副和滑动副中均增设衬垫，所述1#节点轴32插装连接于所述关节轴承，所述关节轴承活动设置于所述1#轴座中，所述1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元左侧顶点的2#连接机构，包括：2#节点轴、2#轴座、滑动座；所述2#节点轴固定连接于所述2#轴座中，所述2#轴座通过球面副安装于所述滑动座上，所述滑动座滑动连接在反射面单元连接盘上。
优选地，所述关节轴承通过弹簧卡圈(弹簧卡圈27、弹簧卡圈31、弹簧卡圈33)对衬垫(衬垫28、衬垫30、衬垫34)进行轴向限位。作为进一步的技术方案，所述衬垫的材质为聚四氟乙烯。
可见，本实施例中新型0#连接机构保留原1#连接机构的节点轴(原1#节点轴29)，节点轴上端增加套筒(轴套26)实现对1个平动自由度约束，关节轴承采用新产品，其球面副增加聚四氟乙烯衬垫。新型1#连接机构采用新产品，其关节轴承的球面副和滑动副均增加聚四氟乙烯衬垫。2#连接机构不变，仍保留原有产品。
具体地，所述0#连接机构的原1#节点轴29的端部开设有螺钉安装孔；所述0#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。该0#连接机构是在原1#连接机构产品基础上进行改造后实现，保留了原有的节点轴，重新加工新型关节轴承代替旧产品，增加了轴套26。图中，在原1#节点轴29的基础上增加轴套26，防止原1#节点轴29单方向朝下滑动(反射面单元安装位置均有倾角，阻止节点轴下滑即可)，相当于原1#连接机构增加了1个平动自由度约束，实现了1#改0#的转换，对原关节轴承的球面副中进行改进，增加了聚四氟乙烯衬垫28(PTFE织物)，用于减小球面副的摩擦系数，可以实现基于免维护的自润滑，提高野外环境下产品寿命，防止润滑困难和卡滞，衬垫28轴向限位用弹簧卡圈27来实现，节点轴与背架上弦杆、背架腹杆连接的螺栓孔与原件相同。
具体地，所述1#连接机构的1#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述1#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。该1#连接机构因改造环节较多，故完全加工新型产品来替代原有0#连接机构。图中，节点轴(1#节点轴32)与背架上弦杆、背架腹杆连接的螺栓孔与原件0#节点轴的空间角度相同，轴径改为1#节点轴结构。在关节轴承的球面副和滑动副中均增加了聚四氟乙烯衬垫30(PTFE织物)，用于减小球面副的摩擦系数，可以实现基于免维护的自润滑，提高野外环境下产品寿命，防止润滑困难和卡滞，衬垫30轴向限位用弹簧卡圈31来实现，关节轴承与节点轴32的摩擦副中增加了聚四氟乙烯衬垫34，用于减小球面副的摩擦系数，衬垫34轴向限位用弹簧卡圈33来实现。
具体地，所述2#连接机构的2#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述2#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
本实施例中，可结合图9对自适应连接机构与节点盘连接示意图。索节点盘15与主索24通过销轴连接，编织成反射面索网，支撑所有反射面单元。反射面单元的1#连接机构20与反射面单元连接盘16通过螺栓副连接，反射面单元连接盘16上安装靶标安装座19；反射面背架由螺栓球网架组成，1#连接机构20的球节点连接有2根背架上弦杆23和1根背架腹杆25，形成刚性连接，背架上弦杆23通过反射面支撑连接件22连接反射面板21。图中示出2#连接机构17放置在反射面单元连接盘16上，由龙门架18限制其极限位置。
实施例二
本实施例二提供一种根据实施例一所述FAST反射面单元自适应连接机构的布局方法，其包括：在反射面单元的每个角点顶点分别通过一个自适应连接机构与其对应的索节点盘进行约束连接，不同的顶点连接不同的自适应连接机构，其中：
选择一个角点位于上方、两个角点位于下方的反射面单元；
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的上部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点。
其中，通过所述0#连接机构约束3个平动自由度；通过所述1#连接机构约束2个平动自由度；通过所述2#连接机构约束1个平动自由度；以上述约束连接方式约束反射面单元的六个自由度。
此外，作为进一步的技术方案，针对一个角点位于下方、两个角点位于上方的反射面单元：
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的下部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点。
综上，本发明提供的一种FAST反射面单元自适应连接机构及布局方法，以保证反射面单元在新型连接机构的约束下可以克服此前反射面主动变形时部分单元下滑不能复位或者复位困难的故障，恢复使用功能。本发明改进后的连接机构布局方式最大的优点是保证了单元重心与0#连接机构基本在同一竖直平面内，极大地降低了单元重力所致的平面内弯矩，球节点承受的平面内弯矩几乎消失，对连接机构润滑性能的要求可以降低不少，大幅提高产品寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种FAST反射面单元自适应连接机构，其特征在于，包括：
位于反射面单元上部顶点的0#连接机构，包括：关节轴承、原1#节点轴、原1#轴座和轴套，所述关节轴承的球面副中增设衬垫，所述原1#节点轴插装连接于所述关节轴承，所述原1#节点轴的末端设置有用于阻止其自身滑动的轴套；所述关节轴承活动设置于所述原1#轴座上，所述原1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元右侧顶点的1#连接机构，包括：关节轴承、1#节点轴、1#轴座；所述关节轴承的球面副和滑动副中均增设衬垫，所述1#节点轴插装连接于所述关节轴承，所述关节轴承活动设置于所述1#轴座中，所述1#轴座固定于反射面单元连接盘上；
位于反射面单元左侧顶点的2#连接机构，包括：2#节点轴、2#轴座、滑动座；所述2#节点轴固定连接于所述2#轴座中，所述2#轴座通过球面副安装于所述滑动座上，所述滑动座滑动连接在反射面单元连接盘上；
所述关节轴承通过弹簧卡圈对衬垫进行轴向限位；
所述衬垫的材质为聚四氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的FAST反射面单元自适应连接机构，其特征在于，所述0#连接机构的原1#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述0#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
3.根据权利要求1所述的FAST反射面单元自适应连接机构，其特征在于，所述1#连接机构的1#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述1#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
4.根据权利要求1所述的FAST反射面单元自适应连接机构，其特征在于，所述2#连接机构的2#节点轴的端部开设有螺钉安装孔；所述2#连接机构在螺钉安装孔内安装螺钉；所述螺钉与所述螺钉安装孔之间设置有挡圈。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的FAST反射面单元自适应连接机构的布局方法，其特征在于，包括：在反射面单元的每个角点顶点分别通过一个自适应连接机构与其对应的索节点盘进行约束连接，不同的顶点连接不同的自适应连接机构，其中：
针对一个角点位于上方、两个角点位于下方的反射面单元：
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的上部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点。
6.根据权利要求5所述的FAST反射面单元自适应连接机构的布局方法，其特征在于，通过所述0#连接机构约束3个平动自由度；通过所述1#连接机构约束2个平动自由度；通过所述2#连接机构约束1个平动自由度；以上述约束连接方式约束反射面单元的六个自由度。
7.根据权利要求5所述的FAST反射面单元自适应连接机构的布局方法，其特征在于，
针对一个角点位于下方、两个角点位于上方的反射面单元：
其中，将0#连接机构布置在反射面单元的下部顶点；
其中，将1#连接机构布置在反射面单元的左侧顶点；
其中，将2#连接机构布置在反射面单元的右侧顶点。
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| CN111478054A (zh) | 2020-07-31 |
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