一種天線車平臺(tái)設(shè)計(jì)

曹金牛 郝天紅 劉偉 宋月娥

摘要：為滿足天線架設(shè)后精度工作和具備轉(zhuǎn)場機(jī)動(dòng)運(yùn)輸要求，研制了一種天線車平臺(tái)。闡述了天線車平臺(tái)基本功能及使用要求，介紹了天線車平臺(tái)組成、適應(yīng)的環(huán)境，對(duì)主要關(guān)鍵系統(tǒng)中的車架剛強(qiáng)度、固有頻率、扭轉(zhuǎn)角、抗風(fēng)載傾覆進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)輸性能校核。

關(guān)鍵詞：天線車平臺(tái);設(shè)計(jì);模擬分析

中圖分類號(hào)：U273收稿日期：2022-03-20

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.010l前言

伴隨天線技術(shù)的發(fā)展，天線的外形越來越大，自身質(zhì)量越來越高，對(duì)天線架設(shè)精度、機(jī)動(dòng)運(yùn)輸要求越來越高。目前，機(jī)動(dòng)式雷達(dá)天線運(yùn)輸方式主要有自行式和拖掛式兩種，根據(jù)天線質(zhì)量、駐扎工作時(shí)問的長短、架設(shè)精度等要求確定雷達(dá)天線運(yùn)輸方式。

由于所安裝的天線質(zhì)量較人、架設(shè)后駐扎時(shí)間較長、對(duì)天線架設(shè)后的精度指標(biāo)要求較高，故研制的天線車平臺(tái)采用拖掛方式，可完成天線的野外精度架設(shè)、短距離移動(dòng)等任務(wù)，能滿足機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸要求。2天線車平臺(tái)基本功能與使用要求

天線車平臺(tái)主要作為天線架設(shè)的作業(yè)平臺(tái)，用于天線的白動(dòng)架設(shè)與撤收，可完成設(shè)備天線的路面（空運(yùn)）運(yùn)輸、短距離運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)任務(wù)。

根據(jù)天線使用性能，該平臺(tái)要求6級(jí)風(fēng)載荷下工作時(shí)，平臺(tái)支撐天線支座水平精度為20"（即天線安裝后，在6級(jí)風(fēng)載荷下，平臺(tái)天線架設(shè)支座處支撐基面的傾斜小于20"），天線基座安裝平臺(tái)架設(shè)狀態(tài)的系統(tǒng)固有頻率不小于10 Hz。此外，平臺(tái)抗風(fēng)能力要求6級(jí)風(fēng)時(shí)保證設(shè)備正常工作，10級(jí)時(shí)設(shè)備不損壞，2 min中內(nèi)完成天線白動(dòng)架設(shè)或撤收。

3關(guān)鍵系統(tǒng)及運(yùn)輸

天線車平臺(tái)采用某型越野車作為主牽引的全掛列車，主要由車架平臺(tái)、調(diào)平系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及附屬設(shè)備、設(shè)施等組成，天線車平臺(tái)的整體布局見圖1。

該平臺(tái)的車架結(jié)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)平系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)都屬于關(guān)鍵系統(tǒng)，為保證使用性能要求，均進(jìn)行設(shè)計(jì)分析及計(jì)算。同時(shí)，為保證該平臺(tái)滿足公路、鐵路運(yùn)輸要求，進(jìn)行了運(yùn)輸性校核。

3.1 車架平臺(tái)

車架平臺(tái)的主要構(gòu)成包括車架、懸掛、制動(dòng)、牽引、轉(zhuǎn)向等，現(xiàn)對(duì)車架及制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行介紹和分析。

3.1.1 車架

3.1.1.1 車架結(jié)構(gòu)

車架是天線架設(shè)的承載平臺(tái)，下端與車橋、千斤頂連接固定，上端通過基座和天線連接，承受平臺(tái)14.7 t垂直載荷、風(fēng)載荷及旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，需具備足夠的豎直彎曲剛度和水平扭轉(zhuǎn)剛度。

為保證車架能夠承受天線工作狀態(tài)的垂直載荷、風(fēng)載荷及旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，車架縱梁截面采用“口”字形結(jié)構(gòu)，上下翼板為16 mn鋼板，中問腹板為16 mm鋼板;橫梁I截面采用“口”字形結(jié)構(gòu)，板材為12 mm鋼板;橫梁II截面采用“工”字形結(jié)構(gòu)，板材為12 mm鋼板;車架的其余加強(qiáng)橫梁采用“凹”字形結(jié)構(gòu)，板材為8 mm鋼板。車架所有構(gòu)件梁均采用Q345優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度碳鋼組焊成一體，車架外形尺寸（長×寬×高）：7 860 mmx2 400 mmx300 mm，骨架外形如圖2所示。

3.1.1.2 車架有限元計(jì)算

天線架設(shè)狀態(tài)時(shí)，車架受縱向風(fēng)和橫向風(fēng)影響剛強(qiáng)度、固有頻率。為保證車架能夠滿足六級(jí)風(fēng)載工況下天線底座支撐基面處扭轉(zhuǎn)變形小于20"，固有頻率在10階以內(nèi)不小于10 Hz，以及1 0級(jí)風(fēng)載工況下天線平臺(tái)不傾覆等使用要求，采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行理論分析，步驟如下：

a.建立模型。依據(jù)要求，車架平臺(tái)采用SOLIDWORKS軟件建立模型（圖3），建模時(shí)使各部分的質(zhì)量與實(shí)際基本一致。

b.模型導(dǎo)入。將模型導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件，定義材料和界面屬性，優(yōu)質(zhì)Q345材質(zhì)高強(qiáng)度碳鋼的屈服強(qiáng)度為345xl0 6N/m2，安全系數(shù)取1.5時(shí)，[

]=230xl0 6N/m2。鋼質(zhì)材料彈性模量為209xl0 9 N/m2，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。[1]。

c.邊界條件。將車架平臺(tái)各支腿的底部進(jìn)行全約束，分別在天線中心施加縱向風(fēng)載和橫向風(fēng)載（圖4）。

d.劃分網(wǎng)格。對(duì)車架平臺(tái)進(jìn)行劃分網(wǎng)格（圖5）。

e.計(jì)算結(jié)果。

對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行分析：縱向風(fēng)時(shí)，車架平臺(tái)承受載荷最人應(yīng)力為21l.8x10 6 N/m 2（圖6），小于材料的許用應(yīng)力345x106 N/m 2，最人變形量為1.028 mm（圖7）;橫向風(fēng)時(shí)，車架平臺(tái)承受載荷最人應(yīng)力為152.1 Xl06 N/m2（圖8），小于材料的許用應(yīng)力345xl06 N/m2，最人變形量為0.756 mm（圖9）。因此，車架受縱向風(fēng)和橫向風(fēng)時(shí)，車架剛強(qiáng)度均滿足使用要求，所產(chǎn)生的變形為彈性變形。

對(duì)固有頻率進(jìn)行分析：車架平臺(tái)前20階最小固有頻率為10.544 Hz（表1），固有頻率不小于10 Hz，滿足使用要求。

天線底座變形分析結(jié)果如下：經(jīng)分析計(jì)算，縱向風(fēng)時(shí)（路徑設(shè)置如圖10所示，位移曲線如圖ll所示，各點(diǎn)位置值見表2），車架平臺(tái)支座處支撐基面變形扭轉(zhuǎn)角為6.3";橫向風(fēng)時(shí)（路徑設(shè)置如圖12所示，位移曲線見圖1 3所示，各點(diǎn)位置值見表3），車架平臺(tái)支座處支撐基面變形扭轉(zhuǎn)角為4.7"，兩工況變形扭轉(zhuǎn)角均小于20"，滿足使用要求。依據(jù)風(fēng)載荷計(jì)算公式：

F=KAv2/16

（1）泵氣室沒有足夠氣壓，緊急繼動(dòng)閥無法止常工作，天線車平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)短距離移動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)中通過制動(dòng)閥選擇超前緊急繼動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)汽車列車合理的制動(dòng)抱死順序。

本系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)閥和兩位三通閥，可直接利用儲(chǔ)氣簡直接進(jìn)行充氣，以滿足天線車平臺(tái)短距離移動(dòng)的需要。為杜絕平臺(tái)經(jīng)陸地長時(shí)問停放后，儲(chǔ)氣筒氣壓下降，不能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)短距離移動(dòng)狀況發(fā)生，本平臺(tái)配備一根備用管路為掛車儲(chǔ)氣筒進(jìn)行充氣，進(jìn)而使緊急繼動(dòng)閥止常工作，制動(dòng)分泵氣室打開，天線車平臺(tái)即可移動(dòng)。5FD3B7F4-E4D7-438E-ABC8-CB991A41398C

3.2 調(diào)平系統(tǒng)

為滿足天線車平臺(tái)整體質(zhì)量（14.7 t）、調(diào)平輪胎離地和調(diào)平精度20"的要求，平臺(tái)前后共選用四支承載為15 t的調(diào)平千斤頂作為主調(diào)平和支撐使用，支撐問距為2.15 m。

為提高抗風(fēng)載荷傾覆安全性要求，在天線車平臺(tái)中問位置加裝2支（左右各1支）可外伸輔助支撐，增加平臺(tái)左右兩側(cè)的支撐點(diǎn)問距，輔助支撐問距為3.5 m，有效提高了天線平臺(tái)左右抗傾覆的安全性能。輔助支撐布置示意如圖16所示。

為保證調(diào)平精度20"的要求，對(duì)手動(dòng)雙速調(diào)平千斤頂要求精度較高，本平臺(tái)所選用的雙速調(diào)平千斤頂住不承載時(shí)采用高擋4 mm/r進(jìn)行伸縮，承載時(shí)采用低擋l mm/r進(jìn)行伸縮。由于天線車平臺(tái)的強(qiáng)度能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求，通過操作調(diào)平支腿，10 min中內(nèi)經(jīng)粗調(diào)、精調(diào)后，可使平臺(tái)調(diào)平到精度20"以內(nèi)，達(dá)到平臺(tái)使用指標(biāo)要求，最人調(diào)平操作力矩為56 N·m，符合人機(jī)工程學(xué)中手動(dòng)操作的主要數(shù)據(jù)要求。天線車平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)20"如圖17所示。

3.3 液壓系統(tǒng)

天線起降機(jī)構(gòu)采用液壓支臂形式，液壓缸上鉸接點(diǎn)設(shè)在天線立柱上，下鉸接點(diǎn)設(shè)在裝載平臺(tái)上，裝載平臺(tái)在鉸接位置采取加強(qiáng)措施，受天線起降動(dòng)作軌跡限制，經(jīng)過作圖和計(jì)算，確定天線起降支撐油缸為雙缸單級(jí)結(jié)構(gòu)（圖18）。

3.3.1 液壓系統(tǒng)原理

天線安裝需要解決的主要問題是起降的穩(wěn)定性、可靠性，本系統(tǒng)采用獨(dú)立液壓泵站提供動(dòng)力源，其原理為液壓泵自油箱吸油，經(jīng)換向閥送入液壓缸，液壓缸回油返回油箱，液壓油可在油箱中冷卻及沉淀之后再進(jìn)入工作循環(huán)。系統(tǒng)原理如圖19所示。液壓泵啟動(dòng)時(shí)為空載卸荷狀態(tài)，以防止啟動(dòng)負(fù)載過人對(duì)系統(tǒng)元件、電機(jī)的損害。

由于天線重量人、體積人等原因，在天線俯仰回路中安裝有防爆閥、液控單向閥、平衡閥和單向節(jié)流閥以保證天線的穩(wěn)定和安全。防爆閥安裝在油缸的進(jìn)油口，當(dāng)管路發(fā)生爆裂等情況時(shí)，它直接從油缸油口鎖住油路，保證天線原來的工作狀態(tài)。液控單向閥使天線在俯仰過程中可以停住任意位置，鎖住油路。

平衡閥除了可以使天線俯仰運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)外，還具有液壓鎖的功能。單向節(jié)流閥主要調(diào)節(jié)油缸伸縮的速度，使天線運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。系統(tǒng)中安裝一臺(tái)手動(dòng)泵，手動(dòng)泵通過電液比例換向閥的手動(dòng)操作手柄控制壓力油方向，實(shí)現(xiàn)天線俯仰動(dòng)作。其作用是作為備用泵，當(dāng)電控不能止常工作時(shí)可依靠手動(dòng)泵將天線展開和收攏（圖20-圖21）。

3.3.2 液壓系統(tǒng)計(jì)算

為保證液壓系統(tǒng)能夠在2 min內(nèi)完成天線白動(dòng)架設(shè)或撤收要求，進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.3.2.1 所需流量計(jì)算

根據(jù)天線白動(dòng)架設(shè)時(shí)問2 min要求，已知天線展開過程中油缸所受最人負(fù)載力Fmax=1.3x105 N，選用缸徑D=（pl00 mm，活塞桿直徑d=cp70 mm的液壓缸，單缸受力F= 6.5xl04 N。依據(jù)油缸所需流量q公式：

q =A·v

（2）式中，A為液壓缸的有效面積，mm 2;v為液壓缸速度，mm/s。

其中，A=7 850 mm2，v=6.22 mm/s，計(jì)算得出油缸所需流量q=2.93 L/min（單缸流量）。

根據(jù)液壓泵流量qp-2q=5.86 L/min，選用流量為7.2L/mln的泵站可滿足系統(tǒng)使用。

3.3.2.2 天線展開時(shí)間計(jì)算

依據(jù)公式v=q/A，計(jì)算得出油缸桿伸出速度v=0.0076 m/s。

由此可得天線展開時(shí)問t=s/v=1 .63 min。

根據(jù)液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率P。計(jì)算公式：

Pp=

（3）式中，pp為液壓泵的最人工作壓力，p設(shè)定為14 MPa;q為液壓泵的流量，L/min;n為液壓泵的總效率，取礦=0.85。

計(jì)算得出液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率Pp- 14x7.2/60x0.85-1.2 kW。

3.3.2.3 手動(dòng)泵架設(shè)時(shí)間計(jì)算

手動(dòng)泵排量：q=30 mL/r。

依據(jù)人機(jī)工程學(xué)并結(jié)合工人實(shí)際操作，人力壓泵頻率N為50次imln;天線展開需油液總量V=11.71 L，天線收攏需油液總量V=5.97 L。

根據(jù)t計(jì)算公式：

t= V/q xN/1 000

（4）

計(jì)算得出天線展開時(shí)問t≈8 min，天線收攏時(shí)問t≈4 min。

本系統(tǒng)動(dòng)作狀態(tài)平穩(wěn)，具備起重量大、管路防爆白鎖等功能，可住1.63 min內(nèi)完成白動(dòng)架設(shè)或撤收，8 min內(nèi)完成手動(dòng)架設(shè)，4 min內(nèi)完成手動(dòng)撤收，能夠滿足天線2 min架設(shè)白動(dòng)或撤收要求，同時(shí)具備手動(dòng)功能。3.4運(yùn)輸性

天線車平臺(tái)外形最人外廓尺寸長×寬×高為：8 500 mmx2 500 mmx3 250 mm，滿足GB/T 1589_2016[4]所規(guī)定的公路運(yùn)輸要求。

天線車平臺(tái)與牽引車形成列車后，全長尺寸20 m，最小回轉(zhuǎn)半徑≤12 m，列車能在同一個(gè)車輛通道圓內(nèi)通過，車輛通道圓的外圓直徑為25 m，內(nèi)圓直徑為10.6m，滿足GB 1589-2016道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值中4.1 .2.4的要求.如圖22所示。

為縮短天線車平臺(tái)的長途運(yùn)輸時(shí)間，天線車平臺(tái)可采用鐵路運(yùn)輸。天線車平臺(tái)外形尺寸寬×高為2 500 mmx3 250 mm，小于GB 146.1-1983標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界[5]中機(jī)車車輛限界運(yùn)輸要求，滿足鐵路運(yùn)輸要求（圖23）。

4 結(jié)語

天線車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，通過改進(jìn)調(diào)平系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，進(jìn)一步提升了其使用功能和性能。該天線車平臺(tái)現(xiàn)已研制成功，經(jīng)過各項(xiàng)性能試驗(yàn)，系統(tǒng)各項(xiàng)性能穩(wěn)定可靠，相信今后會(huì)有很人的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

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[5] （JB 146.1-1983標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界[S]

作者簡介：

曹金牛，男，1985年生，工程師，研究方向?yàn)檐娪锰胤N車輛設(shè)計(jì)。5FD3B7F4-E4D7-438E-ABC8-CB991A41398C