某車載平臺(tái)龍門(mén)架裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳學(xué)友 徐興盛 楊新

摘 要：針對(duì)某車載平臺(tái)工作環(huán)境的特點(diǎn)，通過(guò)模態(tài)分析、強(qiáng)度校核以及工藝設(shè)計(jì)給出的新型龍門(mén)架裝置，解決了跨度大引起大的應(yīng)力與變形，使整個(gè)機(jī)構(gòu)重量輕，而且避免頻率共振引起抖動(dòng)問(wèn)題，便于安裝與運(yùn)輸。同時(shí)利用ansys軟件對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明，龍門(mén)架裝置穩(wěn)定可靠，可以很好的滿足在工作的測(cè)試系統(tǒng)的需要，并且對(duì)同類設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 龍門(mén)架裝置

一、引言

現(xiàn)代社會(huì)，多種行業(yè)需要將觀測(cè)或偵測(cè)設(shè)備（如雷達(dá)、高清攝像機(jī)、全向云臺(tái)、光學(xué)檢測(cè)設(shè)備等等）升空使用，車載升降桿就是這種需求常見(jiàn)的一種情形，將這些設(shè)備在視線受阻、空間受限的狀態(tài)下方便、可靠的在升降桿桿頂安裝固定，則構(gòu)成了其展開(kāi)正常工作的必要條件。

某車載平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱平臺(tái)）為進(jìn)行地面目標(biāo)物的探測(cè)，要求安裝光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。由于平臺(tái)的限制條件，車載升降桿安裝固定不適合該平臺(tái)。根據(jù)目前平臺(tái)安裝環(huán)境，允許的安裝空間分布在平臺(tái)后方，且跨度2000mm，大小為180x240（單位，mm）平面上。此外，固定光學(xué)檢測(cè)設(shè)備裝置其頻率不能與車體發(fā)生共振，以避免引起光學(xué)檢測(cè)設(shè)備抖動(dòng)，影響測(cè)量精度。且承重以及穩(wěn)定性要可靠牢固。

針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)ansys模擬分析、強(qiáng)度校核以及工藝設(shè)計(jì)，提出了一種車載龍門(mén)架結(jié)構(gòu)固定安裝形式。該裝置解決了跨度大引起大應(yīng)力及變形，使整個(gè)機(jī)構(gòu)重量輕，而且避免頻率共振引起抖動(dòng)問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)給出的新型龍門(mén)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，在保證光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍的同時(shí)，通過(guò)可靠的走線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的電連接穩(wěn)定可靠，確保了系統(tǒng)測(cè)試性、維修性、保障性的要求。

二、性能特性

根據(jù)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備工作環(huán)境的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)的測(cè)量精度及可靠性，避開(kāi)平臺(tái)前端障礙物，承載能力≥20kg，平臺(tái)的固有頻率為6Hz，并且能夠承受10g沖擊振動(dòng)。

三、系統(tǒng)組成、功能

光學(xué)檢測(cè)設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)主要由龍門(mén)架裝置、光學(xué)檢測(cè)設(shè)備組成。龍門(mén)架裝置固定安裝光測(cè)試設(shè)備。工作狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)的速度以一定速度行駛，光學(xué)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行地表目標(biāo)物探測(cè)。

3.1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍門(mén)架裝置用于固定安裝光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，主要由龍門(mén)架、底板、快鎖裝置、法蘭、控制板、光學(xué)檢測(cè)設(shè)備等部件組成。

其中，光學(xué)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)快裝裝置固定在龍門(mén)架上，可以快速拆卸。設(shè)計(jì)之初，經(jīng)過(guò)多次方案論證及修改，確定了兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。龍門(mén)架裝置的外形尺寸為2120mm×160×mm×1240mm（長(zhǎng)×寬×高）。整個(gè)骨架采用普通鋼板折彎焊接組成。

3.2 強(qiáng)度分析

工作狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)速度以一定速度行駛，設(shè)定龍門(mén)架裝置在急剎車狀態(tài)下，受到10g的沖擊載荷。龍門(mén)架頂部安裝光學(xué)檢測(cè)設(shè)備總重20kg。龍門(mén)架材料采用普通鋼，選用其中一種結(jié)構(gòu)形式，分別對(duì)采用板厚為1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的鋼板折彎焊接而成的龍門(mén)架骨架進(jìn)過(guò)強(qiáng)度校核，通過(guò)ansys軟件度分析計(jì)算，得出變形與受力分別如圖2、圖3。

從上表可以看出，龍門(mén)架板厚由1.5mm到3mm逐漸遞增，計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變值逐漸遞減?？紤]安全承載的能力、重量、控制板安裝及結(jié)構(gòu)加工工藝性的要求，龍門(mén)架采用板厚為2.5mm板材折彎焊接。

3.3 模態(tài)分析

龍門(mén)架的整個(gè)骨架采用2.5mm普通鋼板折彎焊接組成。為防止龍門(mén)架裝置與平臺(tái)發(fā)生共振，影響光學(xué)檢測(cè)設(shè)備測(cè)量的穩(wěn)定性。需要對(duì)龍門(mén)架裝置進(jìn)行模態(tài)分析。

不同的結(jié)構(gòu)形式必然產(chǎn)生不同的模態(tài)，利用ansys軟件對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模態(tài)分析。如下圖4，圖5，圖6.為兩種龍門(mén)架結(jié)構(gòu)計(jì)算模態(tài)對(duì)比圖。

從上表可以看出，因?yàn)槠脚_(tái)的固有頻率為6Hz，所以選用一階頻率與固有頻率6Hz避開(kāi)的結(jié)構(gòu)1形式。避免龍門(mén)架裝置與平臺(tái)發(fā)生共振。

3.4 減重設(shè)計(jì)

通過(guò)上述計(jì)算，龍門(mén)架的整個(gè)骨架采用2.5mm普通鋼板折彎焊接組成，這樣既可以保證整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，又可以有效的減輕重量，另一方面通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)件增加減輕槽，進(jìn)一步減輕重量，具體估算重量見(jiàn)表3。

3.5 走線設(shè)計(jì)

為了使整個(gè)光學(xué)檢測(cè)裝置的走線既穩(wěn)定可靠又美觀，對(duì)整個(gè)裝置走線方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要原理將設(shè)備線纜由龍門(mén)架內(nèi)腔送入平臺(tái)內(nèi)部終端控制設(shè)備。

通過(guò)在內(nèi)側(cè)留有多個(gè)進(jìn)線端口，方便操作人員進(jìn)行穿線；在龍門(mén)架的側(cè)壁焊接小塊，方便操作人員固定線纜。這些措施不僅提高了線纜的操作性及其維修性，同時(shí)也起到防風(fēng)防塵效果。具體走線方式如圖7所示。

此外，龍門(mén)架骨架及底板都進(jìn)行了導(dǎo)電氧化處理，這對(duì)外界電磁干擾起到一定屏蔽作用。

四、結(jié)構(gòu)工藝性

設(shè)計(jì)中充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性及工藝性，在保證功能和精度的要求下，采用成熟、易于加工的結(jié)構(gòu)形式。

為了保證龍門(mén)架板筋焊接精度，零件的設(shè)計(jì)通過(guò)尺寸公差及形位公差保證；對(duì)快鎖裝置有形位公差的孔、槽進(jìn)行一體加工；在保證連接強(qiáng)度下，法蘭采用10mm厚7075鋁合金板材，這樣既保證了強(qiáng)度，又大大減輕了龍門(mén)架裝置的總重量。

五、三防設(shè)計(jì)

為提高設(shè)備的三防性能，采用材料防護(hù)、工藝防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)（防塵）等措施，具體措施如下：

a）設(shè)計(jì)有防水設(shè)施或密封措施；

b）所有焊縫部位進(jìn)行焊渣和氧化皮的清除；

c）鋼結(jié)構(gòu)件噴涂前做鍍覆處理，噴涂中間漆和三防面漆；

d）對(duì)焊點(diǎn)、電路板等采用噴涂三防漆措施；

e）線纜接口采用航空接頭。

六、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某新型平臺(tái)工作狀態(tài)，文章主要對(duì)龍門(mén)架裝置的設(shè)計(jì)思路、計(jì)算校核及仿真等做了詳細(xì)的闡述與分析。分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明，新型龍門(mén)架裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、簡(jiǎn)單、緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在保證了光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍的同時(shí)，通過(guò)可靠的走線設(shè)計(jì)，為測(cè)試系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的平臺(tái)，可以完全滿足在平臺(tái)以一定速度下工作的測(cè)試系統(tǒng)的需要。

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