馬保寧，徐俊東，羅 震

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機動式大載荷舉升平臺可行性分析*

馬保寧，徐俊東，羅 震

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機動式高架舉升平臺可以使陣面克服近地阻攔，從而提升雷達探測距離，平臺應用前景廣泛?；谀炒笮屠走_陣面架高需求，文中提出了一種機動式大載荷舉升平臺設(shè)計方案。方案主要采用套疊式高塔、隨動平臺技術(shù)實現(xiàn)陣面載荷舉升，通過自穩(wěn)定斜拉桿聯(lián)合設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)雷達的穩(wěn)定性工作要求，采用有限元分析方法對舉升平臺進行了剛強度驗證。仿真結(jié)果表明，該平臺具備將10 t雷達陣面舉升到24.6 m高度、在25 m/s風速下正常工作的能力。

機動式雷達；舉升平臺；大載荷；有限元分析

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境，提高戰(zhàn)場生存能力，機動式雷達越來越受到用戶的青睞。

機動式雷達能夠?qū)崿F(xiàn)快速架設(shè)、撤收、轉(zhuǎn)運，能較好地應付現(xiàn)代戰(zhàn)爭中面臨的電子干擾、隱身技術(shù)、反輻射導彈及低空超低空突防等四大威脅[1]。機動式雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)就是如何在系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)布局方面采取有效措施，使裝備布局緊湊合理、空間利用率高，減少設(shè)備總量和運輸單元，提高雷達設(shè)備的機動性。

近年來，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成電路技術(shù)、高速高精度A/D變換器技術(shù)、高速大容量數(shù)字處理技術(shù)、高速多重化處理技術(shù)、單片微波集成電路/混合集成電路技術(shù)的長足進步以及器件的輕小型化技術(shù)的發(fā)展，為減少雷達設(shè)備量、有效地減輕系統(tǒng)重量及提高雷達的機動性提供了良好的前提條件。但是隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場電子環(huán)境的不斷惡化，為了更加有效地提高雷達的偵測能力和抗干擾能力，用戶對雷達的電訊技戰(zhàn)術(shù)指標不斷提高，這勢必也會使雷達陣面和設(shè)備龐大化。所以機動式雷達的總體設(shè)計仍然面臨著重大的挑戰(zhàn)。

為了盡可能克服強地雜波影響，消除近地阻擋，提高雷達的探測距離，一般要求機動式雷達陣面能夠架高到一定高度，使陣面能超過一般的樹林和低矮遮擋物，所以機動式雷達一般都需配置相應的舉升機構(gòu)。國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)在此方面也做了一些研究，但是舉升載荷一般都較小[2]。

針對國內(nèi)幾類大中型雷達的架高需求，開發(fā)設(shè)計具有較高機動性能的通用大載荷舉升平臺具有重大的現(xiàn)實意義。

本文針對某類型機動式大載荷舉升平臺進行了詳細的可行性論證，并對結(jié)構(gòu)方案的安全性能進行了探討。

1 舉升平臺技術(shù)要求及難點

為了滿足雷達機動性要求，舉升平臺和運輸平臺要做一體化設(shè)計，構(gòu)成一個獨立的運輸單元，另外還需滿足下列主要參數(shù)指標：整車運輸長度不超過20 m，寬度不超過2.5 m，滿足鐵路和公路的基本運輸要求和四級公路的運輸通過性，特別是轉(zhuǎn)彎半徑、車橋通過性必須符合相應的國軍標要求。為了滿足技戰(zhàn)術(shù)要求，當舉升平臺上裝載荷為10 t時(陣面大小6.2 m × 4.2 m)，在6級風條件下能升降；在架高24.6 m時，8級風條件下能正常工作，而且頂端平臺偏擺不超過60′；在舉升17.6 m時，12級風條件下停機不破壞。

上述要求對結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的難題是結(jié)構(gòu)輕型化、小型化和結(jié)構(gòu)安全性能之間矛盾的調(diào)和。

當然，舉升平臺同時應該具有較高的自動化程度，能通過電動或者液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動架設(shè)/撤收，相關(guān)動作還必須有必要的安全保證措施，所以液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計也是該大載荷舉升平臺的一個關(guān)鍵技術(shù)，本文對此不展開討論。

2 舉升平臺布局設(shè)計與優(yōu)化

借助Pro/E三維設(shè)計手段，結(jié)合以往塔架結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，本著“適用、先進、可靠、經(jīng)濟”的設(shè)計理念，通過精心排布和優(yōu)化論證，最終采用了如圖1～圖3所示的結(jié)構(gòu)布局方案。該平臺組成主要包括牽引車、隨車吊機、載車平臺、高塔、通用平臺等。最終設(shè)計方案完全滿足設(shè)計需求，具體參數(shù)見表1。

圖1 大載荷舉升平臺運輸方案

圖2 大載荷舉升平臺架高28 m狀態(tài)

圖3 調(diào)平腿和抗傾覆腿布局

該方案充分借鑒以往高架結(jié)構(gòu)的技術(shù)和經(jīng)驗，對疊套式結(jié)構(gòu)進行了適應性改進設(shè)計，滿足了大、中型雷達的架高要求。方案主要技術(shù)特點歸納如下：

1)承載大，舉升高度高。在滿足架高尺寸的前提下，在給定上裝陣面和工作風速條件下能嚴格滿足抗傾覆和抗滑移要求。

2)剛性好，精度要求高。與以往通常使用的多層疊套式升降塔相比，采用兩節(jié)疊套結(jié)構(gòu)具有復合導向及塔間消隙機構(gòu)，可通過消除兩節(jié)塔之間的間隙，減小高塔的晃動量。采用剛性的斜拉桿替代通常的柔性鋼絲繩，作為高塔橫向穩(wěn)定系統(tǒng)，可有效減小高塔的晃動量。

3)通用性及兼容性良好。在高塔頂部設(shè)計了通用安裝接口，以實現(xiàn)不同雷達的高架。

4)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。與國外同類高塔相比，該舉升高塔采用了兩節(jié)疊套式結(jié)構(gòu)，在性能指標不降低的條件下，大大壓縮了結(jié)構(gòu)尺寸和重量，通過全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，使高塔系統(tǒng)具有了較好的運輸性和通過性。表1給出了該平臺與國外同類產(chǎn)品的性能比較結(jié)果。

表1 本平臺與國外同類產(chǎn)品性能比較

5)采用機、電、液一體化技術(shù)，實現(xiàn)大型高架雷達的機動性要求。

3 結(jié)構(gòu)剛強度校核分析

為了防止工作情況下強度失效，保證天線陣面的偏擺要求，對設(shè)計模型進行剛強度校核分析是必要的。

3.1計算需求

作為結(jié)構(gòu)總體，剛強度分析的主要關(guān)注點是：1)車架平臺、抗傾覆腿、斜拉桿的強度是否符合材料要求；2)在風載荷作用下頂端偏擺是否符合剛度要求；3)在不均勻載荷條件下各液壓調(diào)平腿的受力情況。同時本文對整個平臺的振動特性進行了初探。

3.2有限元模型簡化

整個平臺結(jié)構(gòu)較為復雜，因而針對計算需求，根據(jù)彈性力學的圣維南原理對有限元模型進行了如下的簡化：1)忽略了對剛強度作用不大的結(jié)構(gòu)；2)基于塔體的詳細分析對舉升塔柱采用等效的梁單元模型；3)兩層塔柱之間無間隙；4)認為各傾覆腿旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位良好，不釋放任何自由度，上裝載荷、液壓設(shè)備、后橋懸掛均以相應質(zhì)量點單元施加；5)認為塔體支架強度足夠，并且與車大梁接觸面連接良好；6)塔體與塔體支架采用鉸鏈連接，釋放車縱軸方向自由度；7)各支撐腿按絞支邊界條件約束，根據(jù)計算結(jié)果釋放自由度(保證支撐腿的支反力為正)[3-6]。架高24.6 m時計算模型如圖4所示。該模型采用了27個Mass21單元、3個Link10單元、37個MPC184單元、2 836個Beam189單元。

圖4 平臺架高24.6 m時的計算模型

3.3載荷工況

風載荷采用擬靜力方法施加[1]，該方法將風力的瞬風效應折合成有效靜載，分段計算各層風力，具體計算方法參考文獻[1]。本文主要分析了以下幾種工況下的剛強度，見表2。

表2 幾種典型計算工況

3.4計算結(jié)果和優(yōu)化

對表2中的各種工況分別進行靜力分析，結(jié)果匯總見表3。從表中可以看出，設(shè)計方案能滿足預先要求的剛強度條件，并具有一定的安全裕度。

表3 平臺靜力計算結(jié)果

圖5和圖6分別給出了自重情況下車大梁的變形情況和架高24.6 m時側(cè)后方風向工況下的頂端變形情況。

計算結(jié)果顯示，在雷達架高24.6 m工作時，雖然不會發(fā)生側(cè)翻，但是會出現(xiàn)傾覆腿離地的情況，為了確保雷達平穩(wěn)安全工作，滿足電訊指標，建議在傾覆腿附近加載合適的配重或者打地錨固定。計算結(jié)果同時也給各液壓腿的選擇、斜拉桿的設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)。

圖5 工況1調(diào)平腿間大梁變形分布

為了嚴格控制整車的重量，對抗傾覆腿、車大梁、桿體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵承力件的壁厚和結(jié)構(gòu)形式進行了合理的優(yōu)化：主梁厚度由16 mm優(yōu)化為12 mm；桿體厚度由10 mm優(yōu)化為8 mm；為滿足強度設(shè)計要求，車架主梁還采用了比強度高的特種鋼材，最終整個平臺的質(zhì)量控制在38 t左右。在后續(xù)的詳細設(shè)計中，將繼續(xù)對塔架支撐部分進行詳細分析，在保證強度要求的前提下進一步減輕結(jié)構(gòu)重量。

圖6 工況5頂端變形情況

3.5模態(tài)分析

該平臺在架高24.6 m工作時，風振和雷達轉(zhuǎn)動固有頻率的影響不可忽略，所以必須對整個平臺的動態(tài)性能進行有效的分析，本文僅對平臺的固有頻率進行了一個初步的分析。為后續(xù)設(shè)計提供一定的參考依據(jù)，計算結(jié)果見表4，前2階振動分別為桿體沿后傾覆腿方向的偏擺。

表4 本平臺固有頻率

4 結(jié)束語

本文對一種機動性大載荷舉升平臺的結(jié)構(gòu)可行性和安全性進行了分析，對其中的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案進行了論證：

1)結(jié)合三維實體建模技術(shù)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，使該舉升平臺在設(shè)計輸入條件下嚴格滿足運輸機動性要求；

2)通過整車靜強度分析，確保該設(shè)計平臺能夠在核定載荷工況下安全工作，并具有一定的安全裕度；

3)相比國外同類產(chǎn)品，本平臺在不降低舉升載荷和舉升高度的情況下，結(jié)構(gòu)緊湊性和運輸機動性均有明顯提高。

設(shè)計此類大載荷舉升平臺在國內(nèi)尚屬首例，有望填補國內(nèi)大載荷、高轉(zhuǎn)速、高架雷達舉升裝置領(lǐng)域的空白。在后續(xù)的設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和安全校核必須同步進行。在結(jié)構(gòu)安全性方面，還需要對關(guān)鍵零部件進行疲勞強度校核，對內(nèi)外層塔柱的消隙結(jié)構(gòu)進行仿真分析，對高塔的風振響應、上裝載荷的偏心轉(zhuǎn)動等進行動力學仿真。此外，相應的結(jié)構(gòu)安全性試驗也必不可少。

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馬保寧(1962-)，男，工程師，主要從事雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

FeasibilityAnalysisoftheMobileLifting-platformforHeavyLoads

MABao-ning，XUJun-dong，LUOZhen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The mobile lifting-platform has wide application prospects. It allows the radar array to overcome near-earth barriers, thereby enhancing radar detection distances. Based on the high demand of a large radar array, this paper proposes a design scheme of mobile lifting-platform for heavy loads. The scheme adopts the stacked tower and the follow-up platform to realize the lifting of array load. The stability requirements of the radar are realized by the self-stabilizing oblique rod design. Finite element analysis is used to verify stiffness and strength of the lifting-platform. The simulation results show that the platform has the ability to lift a 10 t radar up to 24.6 m height and work normally at 25 m/s wind speed.

mobile radar; lifting-platform; heavy loads; finite element analysis

2017-02-28

TN820.8

A

1008-5300(2017)04-0022-04