橫風(fēng)作用下重型天線車底盤抗傾覆性能試驗(yàn)研究

宋曉波

（泰山科技學(xué)院，泰安 271000）

0 引言

重型天線車底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，底盤為五軸，設(shè)置調(diào)平支腿和尾部抗風(fēng)支腿，天線設(shè)備集成于底盤尾部回轉(zhuǎn)平臺上。天線陣面為箱體結(jié)構(gòu)，其他設(shè)備均以箱體形式安裝在底盤中部車架和副車架上。工作時(shí)，各個(gè)調(diào)平支腿落地支起底盤，抗風(fēng)支腿打開，天線陣面和天線座轉(zhuǎn)臺進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動。天線陣面打開時(shí)，如遇陣風(fēng)，天線車底盤有可能受到橫向力，發(fā)生橫向滑移或傾覆，一旦底盤發(fā)生傾覆，后果十分嚴(yán)重。因此，必須對重型天線車底盤在橫風(fēng)作用下的抗傾覆性能進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究[1]。

圖1 五軸天線車示意圖

對天線車底盤的抗傾覆性能測試，目前沒有通用的標(biāo)準(zhǔn)，可借鑒工程機(jī)械抗傾覆穩(wěn)定性的校核思路。如起重機(jī)的抗傾覆試驗(yàn)，主要采用力矩法、穩(wěn)定系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量等方法，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的控制。即通過控制起重機(jī)的起重量，使各項(xiàng)載荷對危險(xiǎn)傾覆邊的總力矩不小于零[2]。

但是對于天線車底盤上裝的天線陣面，難以調(diào)整其尺寸、重量等參數(shù)，且根據(jù)其用途，對天線陣面的工作精度要求較高。因此，對橫風(fēng)作用下確保天線車底盤抗傾覆性能的思路可調(diào)整為：將危險(xiǎn)工況的橫風(fēng)載荷施加在天線車上，測定其抗傾覆性能及整體變形、受力情況，并根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對底盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到抗傾覆及其他設(shè)計(jì)要求。

1 天線車底盤抗傾覆試驗(yàn)原理及裝備

1.1 試驗(yàn)原理

1.1.1 理論分析

分析天線車工作時(shí)一側(cè)支腿所受的傾覆力矩，主要包括風(fēng)力矩M1和各項(xiàng)載荷產(chǎn)生的力矩M2兩部分。

（1）風(fēng)力矩M1

將整車分為天線陣面、設(shè)備箱體和底盤三個(gè)部分，橫風(fēng)作用下各部分均對一側(cè)支腿產(chǎn)生風(fēng)力矩[3]。總的風(fēng)力矩按下式計(jì)算：

式中C——風(fēng)阻系數(shù)，取1.4

Ai——各部分特征面積

V——風(fēng)速

H——風(fēng)力中心距地面的高度

（2）各項(xiàng)載荷產(chǎn)生的力矩M2

用支腿將天線車撐起工作時(shí)，天線車自身重力、天線陣面傾斜以及陣面回轉(zhuǎn)導(dǎo)致的慣性力等，均對一側(cè)支腿產(chǎn)生力矩。由于天線陣面回轉(zhuǎn)緩慢，慣性力可忽略不計(jì)，因此M2按下式計(jì)算：

式中G1——天線車自身重力

L1——天線車重心距一側(cè)支腿的垂直距離

G2——天線陣面重力

L2——天線陣面重心距一側(cè)支腿的垂直距離，轉(zhuǎn)動到不同方向時(shí)，L2的數(shù)值隨之不同

（3）傾覆力矩M

傾覆力矩M為風(fēng)力矩M1以及各項(xiàng)載荷產(chǎn)生的力矩M2兩部分的代數(shù)和，即：

由于天線陣面和轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)向不同方位時(shí)，橫向載荷導(dǎo)致傾覆趨勢的方向不同：陣面的前后面迎風(fēng)面積最大；底盤和其他設(shè)備箱體等不需回轉(zhuǎn)的部分，只有側(cè)向的迎風(fēng)面積最大。因此，當(dāng)天線陣面旋轉(zhuǎn)至面向底盤側(cè)面時(shí)，對于某一側(cè)的支腿來說，風(fēng)力矩M1最大，與各項(xiàng)載荷產(chǎn)生力矩M2的代數(shù)和最小，即傾覆力矩可能會小于零，整車發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)最大。由此確定了危險(xiǎn)工況。

1.1.2 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)條件限制，難以使用真實(shí)的橫風(fēng)作用在天線車上，需將橫風(fēng)作用折算為橫向載荷。根據(jù)實(shí)際工作最惡劣環(huán)境狀況，當(dāng)風(fēng)力為8 級時(shí)，估算得到整個(gè)天線車受到的橫向載荷約為7.0 t[4]，作用在陣面上距離地面7.00 m 處。一些學(xué)者曾針對該要求進(jìn)行過同類試驗(yàn)，采用的是通過高塔上定滑輪施加橫向載荷的方式[5]。該試驗(yàn)裝置適用于需常年進(jìn)行該試驗(yàn)的天線車總裝單位，制作成本較高，且一旦試驗(yàn)結(jié)果與要求不符，難以進(jìn)行底盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文研究采用一種新的加載方式，由牽引車提供橫向力，即通過纜繩將大小相當(dāng)?shù)臓恳κ┘釉谔炀€陣面工裝的相應(yīng)位置。

試驗(yàn)方案如圖2所示，利用支撐腿工裝、加載工裝和配重模擬天線車的實(shí)際工況，使用1 號牽引車通過天線轉(zhuǎn)動座工裝將最大7.0 t 的橫向載荷作用于天線車。通過布置各種傳感器，監(jiān)測在橫風(fēng)作用下，底盤各處的應(yīng)力和位移、轉(zhuǎn)動座處的位移，并通過支撐腿底部壓力傳感器的讀數(shù)判斷底盤是否發(fā)生傾覆。2 號牽引車與1 號牽引車位置相對，通過其纜繩牽引，避免發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)，起到安全保護(hù)的作用。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖（牽引車調(diào)轉(zhuǎn)90°）

1.2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)試驗(yàn)方案，該試驗(yàn)使用的裝置包含支撐腿工裝、天線轉(zhuǎn)動座加載工裝、配重塊、纜繩、拉力傳感器和牽引車等。

1.2.1 配重與加載

為了模擬天線車的實(shí)際工作情況，需在底盤上一橋前350.00 mm、一橋后5 815.00 mm 和五橋后268.00 mm 處各對稱施加0.5 t、4.0 t 和17.6 t 配重。同時(shí)，在回轉(zhuǎn)盤上施加24 t 載荷，該載荷由三部分組成：加載工裝自重4.0 t；加載工裝上方安裝的17.6 t 配重塊；以及1 號牽引車絞盤牽引力的垂向分力2.4 t。為保證試驗(yàn)安全，1 號牽引車絞盤牽引力采用分級加載的方式加載。

1.2.2 測試內(nèi)容

（1）應(yīng)力測試。根據(jù)理論計(jì)算，受橫風(fēng)作用時(shí)，底盤車架上部分位置的應(yīng)力值需進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)表1所示，在車架上布置 24個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)測試車架在各工況下的受力情況。

表1 應(yīng)力測量點(diǎn)

（2）位移測試。在底盤上布置8 個(gè)拉線式位移傳感器和2 個(gè)激光位移傳感器，分別測試車架不同位置、以及天線座回轉(zhuǎn)盤上的變形情況。傳感器布置位置如表2和圖3所示。

圖3 位移傳感器測量點(diǎn)

表2 位移測量點(diǎn)

（3）承重力測試。在8 個(gè)支腿下方布置8 個(gè)壓力傳感器，測試車架在模擬橫風(fēng)作用下支腿的承重力變化。

2 試驗(yàn)方法與步驟

準(zhǔn)備工作完成后，按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）按表1中規(guī)定的測量點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片，并將應(yīng)變儀讀數(shù)清零。

（2）將底盤按標(biāo)記位置停放好，駐車制動，發(fā)動機(jī)熄火。

（3）使用吊車將底盤車架抬起，在調(diào)平支腿、抗風(fēng)腿接口處安裝工裝支撐座，并在下方放置壓力傳感器。然后調(diào)節(jié)各支撐腿工裝，保證底盤正常工作高度。

（4）記錄應(yīng)變儀讀數(shù)（初始值），并將應(yīng)變儀讀數(shù)清零。

（5）按照試驗(yàn)方案，在如圖3中1～8 測點(diǎn)位置粘貼拉線式位移傳感器測頭，拉線另一端固定在地面上。

（6）使用吊車將天線座加載工裝放置在底盤車架的天線座上，使工裝中心線與車架中心線夾角為0°±0.5°。緊固天線座加載工裝的安裝螺栓。

（7）按照試驗(yàn)方案在相應(yīng)位置施加配重。

（8）將1 號和2 號牽引車分別停放在底盤右側(cè)和左側(cè)相應(yīng)距離處，使用駐車制動保持車輛固定，發(fā)動機(jī)熄火。然后解鎖絞盤離合器開關(guān)，抽出絞盤纜繩。

（9）在天線座加載工裝的兩側(cè)各連接一根纜繩，分別與1 號和2 號牽引車?yán)|繩通過卸扣相連。其中，1 號牽引車與底盤間串接拉力計(jì)，監(jiān)控分級加載情況；2 號牽引車與底盤間的纜繩張緊，起到安全保護(hù)作用。

（10）按照設(shè)計(jì)方案，將激光位移傳感器布置在天線座回轉(zhuǎn)盤上（圖3所示9～10 測點(diǎn)位置）。

（11）起動1 號牽引車，施加駐車制動后，用手柄控制絞盤拉力，分級施加拉力。同時(shí)注意2 號牽引車絞盤纜繩的張緊程度，在保證無傾翻危險(xiǎn)的情況下，將2 號牽引車?yán)|繩緩緩放至放松狀態(tài)。

（12）記錄各個(gè)支腿壓力傳感器的讀數(shù)、各應(yīng)力測量點(diǎn)的應(yīng)變值以及各拉線式位移傳感器和激光位移傳感器的讀數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與改進(jìn)

加載至橫風(fēng)作用7.0 t 時(shí)，測得最大受力與變形結(jié)果為：應(yīng)力22 號測點(diǎn)應(yīng)力值最大，為169.0 MPa；車架位移7 號測點(diǎn)位移值最大，為16.21 mm；天線座回轉(zhuǎn)盤上9 號測點(diǎn)變形值最大，為9.58 mm。此時(shí)，左側(cè)第三支腿和防風(fēng)支腿下部的壓力傳感器讀數(shù)已為零，底盤有向右傾覆趨勢。

底盤車架使用Q345 鋼，要求安全系數(shù)為3。根據(jù)天線車對定位精度的要求，要求車架各處變形不超過9.00 mm，天線座回轉(zhuǎn)盤變形不超過3.50 mm；要求橫風(fēng)作用下各支腿不得虛空。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，測試結(jié)果超出了允許范圍。

結(jié)合測試結(jié)果與理論計(jì)算，對車架尾部縱梁內(nèi)側(cè)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固。再次按試驗(yàn)步驟進(jìn)行測試，測得結(jié)果：應(yīng)力22 號測點(diǎn)是應(yīng)力值為90.1 MPa；車架7 號測點(diǎn)的變形值為2.93 mm；天線座回轉(zhuǎn)盤上9 號測點(diǎn)變形值為2.97 mm。同時(shí)，各個(gè)支腿下部的壓力傳感器讀數(shù)均大于零，底盤沒有發(fā)生傾覆的趨勢。

4 結(jié)束語

本文研究了橫風(fēng)作用下重型天線車底盤抗傾覆性能的理論計(jì)算與試驗(yàn)方法，提出了一種使用牽引車提供模擬橫風(fēng)載荷的試驗(yàn)方案，驗(yàn)證并改進(jìn)了該底盤的抗傾覆性能。本文所采用的試驗(yàn)方法簡潔有效，對其他同類型底盤抗傾覆能力的評估具有一定的參考意義，也可用于車載導(dǎo)彈平臺等設(shè)備的試驗(yàn)研究。