0 引 言
军用显控台是重要的舰载电子设备之一，其主要结构包括显示单元、电子机箱单元和操控单元［1］。显示单元和操控单元以及电子机箱单元之间通过螺栓连接。操控单元结构独特，当电子机箱内部的模块需要维修和调试时，如果操控单元不能撑起，维修人员则需要俯身地面，在距地面 790 mm 的空间内工作，所以很容易导致人体疲劳。为了解决该问题，需要在操控单元和显示单元的连接处添加滑轨和气弹簧支撑结构，气弹簧支撑结构能够保证操控单元沿着滑轨顺利翻转90°，并将操控单元从水平放置改为竖直放置，从而提高调试人员和维修人员工作时的舒适度。气弹簧主要由活塞杆、活塞、密封导向套、填充物、压力缸和接头等组成，其中，压力缸为密闭的腔体，内部充有惰性气体或者油气混合物，腔体内的压力是大气压的几倍甚至几十倍［2］。在活塞杆伸到一定长度后，其输出力矩大于被支撑件的重力矩，进而可以撑起被支撑件［3］。
在安装气弹簧时，需要对气弹簧的最大支撑力进行校核，并计算安装位置，以防止铰链出现损坏和运动时受到干涉［4］。文广南［5］介绍了汽车上使用的气弹簧，其安装方法采用的是两点法和两圆法。段明德等［6］在两点法的基础上，提出了对气弹簧运动机构的运动机制进行定义、仿真和分析的方法。上述方法主要应用于汽车领域，然而在显控台气弹簧支撑结构中，由于气弹簧的安装方式特殊，因此，所提方法不适合在舰船显控台气弹簧支撑结构分析的过程中使用。
在显控台的气弹簧支撑结构装配过程中，操控单元所安装的操控模块种类和重量会随着用户的不同需求而有很大差异。目前，装配工人调节气弹簧以及设计人员对气弹簧的选型都是根据经验操作的，这容易导致装备安装完成后气弹簧的支撑力过小或过大。气弹簧的支撑力一旦过大，就会使操控单元从竖直位置回到水平位置的过程中施加到操控台面上的压力过大，这样就需要继续调节气弹簧。气弹簧的支撑力一旦过小，就会造成气弹簧报废，因为气弹簧的支撑力只能调小不能调大。
为解决上述问题，本文将建立气弹簧在不同支撑状态下的力学模型，根据模型建立不同状态下气弹簧支撑结构的平面力系平衡方程。通过求解该方程提出显控台气弹簧支撑结构所需气弹簧支撑力的计算方法。基于实际应用情况，计算得到操控单元在匀速翻转时所需气弹簧支撑力随时间变化的方程。通过力学分析，得到操控单元的重量以及重心的位置，再由方程计算出气弹簧支撑力的调节大小，并根据实际经验对计算结果进行验证。
1 气弹簧支撑结构的三维模型
气弹簧支撑结构主要包括 4 个部分：安装座、气弹簧、过渡板和操控单元支撑杆。气弹簧支撑结构通过操控单元支撑杆与军用显控台的操控单元相连，并通过安装座与显控台的电子机箱相连。图 1所示为建立的气弹簧支撑结构模型。图 2所示为操控单元翻转一定角度后的示意图。当操控单元翻转到最顶端时，此时滑块被滑轨槽的盖板通过销钉限制，如图3所示。
2 气弹簧支撑结构的力学分析
在气弹簧支撑结构内部，气弹簧产生的支撑力远远大于其支撑结构系统本身的重力，故在对气弹簧支撑结构进行力学分析时，不考虑气弹簧 本身及滑轨的重力，而仅考虑操控单元的重力对支撑系统的影响，此时，气弹簧的力基本上是沿气弹簧伸缩杆的方向输出。另外，不考虑气弹簧伸缩过程中气体压力的非线性变化对气弹簧的影响［7］。因此，在气弹簧支撑结构设计中使操控单元运动到顶端时气压弹簧不完全伸张。
2.1 静止状态下的受力分析
气弹簧支撑结构的静止状态分为以下 2种。
1）操控单元通过上、下 4 个螺栓与显示单元和电子机箱单元相连，操控单元由螺钉完全固定，气弹簧支撑结构处于静止状态。图 4 所示为气弹簧支撑结构在此静止状态下的受力情况。
此时，操控单元的重力、显示单元的重力、操控单元与显示单元间的螺栓紧固力、操控单元与电子机箱单元间的螺栓紧固力以及显示单元与电子机箱单元间的紧固力远远大于气弹簧对支撑杆的支撑力。这时，操控单元支撑杆内部的应力主要为气弹簧的支撑力。
2）松开操控单元与显示单元和电子机箱单
元连接的 4 个螺钉，此时操控单元在气弹簧的推力、滑轨的支撑力和自身重力的作用下处于自由静止状态。图 5 所示为气弹簧支撑结构在该静止状态下的受力情况。
图 4和图 5中，O 为操控单元的翻转中心，G 为操控单元的重力，R 为操控单元重心到翻转中心的距离，ε 为重心和翻转中心的连线与操控单元的前端面所形成的角度。 F1 和 F2 分别为滑槽中的滚轮对滑块的支撑力，α 为 F1 与竖直方向所形成的夹角，β 为 F2 与竖直方向所成的夹角，L1 为重心到 F1 的距离，L2 为重心到 F2 的距离。 δ 为操控单元旋转角度，γ 为气弹簧与水平面形成的角度，F 为气弹簧对操控单元的支撑力，L3 为重心到 F 的距离。 S1 和 S2 分别为翻转中心到气弹簧电子机箱支座旋转中心的竖直距离和水平距 离。其中，G ，R ，ε ，α ，β ，S1 和 S2 均可通过实测直接得到。
由此时支撑结构受力的几何关系，可得
此时，操控单元虽然翻转到最顶端，但很容易失稳，静止状态很难达到。为了保证操控单元翻转到最顶端时不失稳，需要在滑轨处安装定位销钉。外滑槽通过盖板上的圆弧型槽限制住内滑轨的定位销钉，使操控单元处于完全静止的状态。
图 6 所示为操控单元翻转到顶端时气弹簧支撑结构受力情况。
图 6 中，F3 为外滑槽盖板施加于内滑轨定位销钉的力（此力的方向沿定位销钉中心轴线绕翻转中心旋转圆的切线方向），R1 为销钉绕旋转中心 O 的旋转半径，即翻转中心 O 到 F3 的距离，θ为销钉与翻转中心连线与竖直方向的夹角，L4 为操控单元重心到 F3 的距离。此时，由于气弹簧的支撑力较大，滑轨的上部滚轮会给滑块施加向下的压力 F1 。
2.2 操控单元翻转过程中的受力分析
操控单元在翻转过程中，以角速度 ω 绕翻转中心旋转，其圆周运动的向心力由气弹簧支撑结构提供。图 7 所示为操控单元翻转过程中的气弹簧支撑结构受力情况。
图 8 中，R′ 为气弹簧旋转端在操控单元翻转过程中的旋转半径，M 为气弹簧电子机箱支座的旋转中心点，S 为 OM 的长度，σ 为气弹簧旋转端和翻转中心 O 的连线与 OM 之间的初始夹角（此时操控单元与显示单元螺栓固定），φ 为 OM与水平方向的夹角。
由图 8中支撑受力的几何关系，可得：
操控单元在翻转的过程中，由于时间较短，可近似看作匀速圆周翻转，此时 δ = ωt ，则有
式中：t为操控单元从水平方向匀速翻转到竖直方向的时间；g 为重力加速度。
式（15）即为操控单元在翻转过程中气弹簧的支撑力随时间的变化方程。由于操控单元气弹簧支撑结构采用的是两支气弹簧支撑结构，所以单个气弹簧的支撑力为式（15）的一半。
3 气弹簧操控单元支撑杆的数值分析
根据实际称量，操控单元的G=196 N，R=255.4 mm，ε=66.9°，S=255.2 mm，R′ =63.29 mm，σ=50°。根据确定的设计参数并取ω=1 rad/s，得出单根气弹簧支撑力的方程为
由图9可知，操控单元的翻转角速度 ω =1 rad/s时，所需气弹簧的支撑力随时间的增加而减少。由于气弹簧的支撑力在伸缩过程中变化不大，所以当气弹簧调整到某支撑力时，气弹簧能够将操控单元撑起。
当t=0时，操控单元所需支撑力最大为350.8 N。此力即为调节气弹簧时，气弹簧所提供的最小支撑力［10］。然而，在实际工程中气弹簧的调节支撑力 F≈340 N（t=0.24 s），此时，在松开操控单元、电子机箱单元以及显示单元之间的螺钉时，需对操控单元施加外力才能使操控台面翻转。
当 δ =13.76°（0.24 s×1 rad/s=0.24 rad），操控台面会在支撑杆的支撑作用下自动翻转到顶端。
综合式（4）、式（7）和式（15）3 种情况，结合工程经验可见，操控单元从水平位置翻转到竖直位置的过程中（即 δ 从 0°变化到 90°），操控单元所需气弹簧提供的支撑力在逐渐变小，此时只要操控单元能在最顶端处于平衡稳定的状态，此力即为气弹簧所需的最小调节力。式（4）为操控单元翻转到 90°时的平衡状态，但此状态不是稳定的平衡状态，故调节力须大于式（4）的计算值，再由销钉定位，才能使操控单元处于稳定状态。调节气弹簧所需的最小支撑力应根据式（7）计算得出，然而式（7）为一种理论计算值，在此计算结果下还需依靠人力翻转到顶端才能达到平衡状态，不过此平衡状态也易失衡。所以，在实际工程中，可利用式（15）进行计算，当 δ =0°时，只需松开螺钉气弹簧就会直接翻转，但这样又不利于控制操控台面的翻转。因此，结合工程经验在人力操作下使操控单元以小角度（10°~15°范围内）翻转，就能在气弹簧的支撑下自动翻起，以此作为装配工人调节气弹簧时的依据。
4 结 语
1）本文建立了显控台气弹簧支撑结构的二维力学模型，并根据模型及力学平衡方程得出了气弹簧支撑结构在静止状态下气弹簧支撑力的方程、操控单元翻转到最顶端时气弹簧支撑力的方程以及操控单元在匀速翻转过程中气弹簧支撑力的大小随时间变化的方程。通过分析不同状态下气弹簧支撑力的应用环境，确定了操控单元匀速翻转时气弹簧支撑力的方程为气弹簧支撑力的实际计算方程，并提出了显控台气弹簧支撑结构的支撑力计算方法。
2）本文利用 Matlab 软件绘制了操控单元在匀速翻转过程中所需的气弹簧支撑力 F 随时间变化的曲线，由曲线可知，操控单元所需的气弹簧支撑力随翻转角度的增加而逐渐减小，在人力协助下，使操控单元以小角度（不超过 15°）翻转，就能在气弹簧的支撑力下自动翻起，以此作为装配工人调节气弹簧时的依据。
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