仝 允，王平安

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)研究部，合肥 230088)

0 引言

系留氣球是一種浮空器，它廣泛應(yīng)用于遙感通訊、環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報、低空預(yù)警等領(lǐng)域[1-2]。經(jīng)過國內(nèi)外幾十年的發(fā)展，系留氣球已經(jīng)形成一系列的規(guī)格體系，氣球體積已經(jīng)實現(xiàn)從幾十立方米到幾萬立方米的階梯式覆蓋。不同規(guī)格的系留氣球根據(jù)其升空高度及帶載能力的大小又發(fā)揮著不同的用途。小型系留氣球系統(tǒng)可以搭載監(jiān)控攝像設(shè)備，在低空中對一定范圍內(nèi)的地面情況進行監(jiān)視，適用于邊境巡邏、反恐偵察、森林防火、搶險救災(zāi)、道路監(jiān)控等多種場合；還可以搭載中繼通信等設(shè)備，保障局域應(yīng)急通信。由于其具備能源消耗少、駐空時間長、效費比高、機動性強等特點，越來越受到國內(nèi)外關(guān)注，也將具備更廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

錨泊車屬于系留氣球系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著系統(tǒng)地面設(shè)備的安裝、系統(tǒng)工作時氣球的放出和收回、地面待命狀態(tài)時氣球的錨泊固定以及轉(zhuǎn)移陣地時的運輸?shù)裙ぷ鱗6]。對于小型系留氣球，其錨泊車的設(shè)計則必須在滿足安全可靠等基本功能的前提下，具備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、架設(shè)及拆裝方便、操作人員少、自動化程度高等特點。基于此，本文以80 m3的小型系留氣球為研究對象，開展錨泊車的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

1 設(shè)計要求

該錨泊車的設(shè)計要求如下：

(1)錨泊車應(yīng)滿足設(shè)備安裝及對氣球的錨泊固定要求，設(shè)備總體布局合理；

(2)錨泊車應(yīng)滿足系統(tǒng)架設(shè)及拆裝方便，所需操作人員少，自動化程度高；

(3)錨泊車應(yīng)滿足總重量不超過2 200 kg(含設(shè)備)，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高；

(4)錨泊車應(yīng)滿足安全性要求(安全系數(shù)1.5)；

(5)錨泊車應(yīng)滿足3級公路和一般鐵路運輸要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)備組成

小型系留氣球的錨泊車主體由底盤、廂體框架、錨泊圓環(huán)、系留支臂等組成，安裝在錨泊車上的設(shè)備有系留絞車、系留絞盤、儲氦系統(tǒng)、電源、發(fā)電機、UPS模塊、控制配電箱等。錨泊車結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示，其中虛線框出部分為所安裝的設(shè)備。

2.2 總體布局及功能設(shè)計

錨泊車結(jié)構(gòu)布局及設(shè)備安裝圖如圖2所示。支撐腿安裝在底盤上，系留絞盤安裝在系留支臂上，功能設(shè)備主要安裝在廂體框架內(nèi)，其中，電源系統(tǒng)、發(fā)電機、UPS模塊及控制配電箱安裝在前部分，系留絞車安裝在中部位置，氦氣瓶對稱安裝在框架廂體兩側(cè)，氦氣管路沿廂體內(nèi)表面布置，氦氣儀表布置在電源系統(tǒng)上層位置，方便觀察氦氣瓶壓力值。

在系留氣球處于地面錨泊固定狀態(tài)時，支撐腿展開作為支撐點承載整個系統(tǒng)的重量，系留支臂旋轉(zhuǎn)展開，使得3組系留絞盤均布在氣球的拉索垂落點位置。系留氣球的錨泊固定通過兩方面實現(xiàn)：一是通過系留絞盤收緊拉索固定系留氣球；二是通過錨泊圓環(huán)和系留氣球底部的綁扎帶臨時固定。系留氣球工作時，松開錨泊圓環(huán)上的綁扎帶，啟動系留絞盤及系留絞車，系留絞盤放出拉索，系留絞車放出用于氣球和地面通信及供電的纜繩，纜繩兼具牽引系留氣球的作用，系留氣球內(nèi)部充入的氦氣使氣球具備足夠的凈浮力上升達(dá)到設(shè)計高度。

2.3 典型部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

錨泊車的底盤選用中置單軸掛車底盤，牽引高度可調(diào)，具備手動制動和慣性制動系統(tǒng)，配有行走輪，可臨時駐停及低速拖拽。底盤具備機動性能，滿足機動性要求。底盤加裝4個支撐腿，支撐腿可90度折疊固定在底盤底部，在錨泊車工作時展開作為支撐，在運輸時折疊，不影響運輸。

廂體框架主體為Q235方管及Q345鋼板焊接結(jié)構(gòu)，上表面鋪設(shè)花紋鋁板，后面設(shè)下翻門，用于人員登車。在電源系統(tǒng)及氦氣儀表位置的右側(cè)面開設(shè)側(cè)翻門，方便觀察；在控制配電箱的左側(cè)面開設(shè)側(cè)翻門，方便控制按鈕；在發(fā)電機的前側(cè)面開設(shè)上翻門，方便維修；此外，廂體框架左側(cè)和右側(cè)均開設(shè)長下翻門，方便氦氣管路布置及檢測維修。

錨泊圓環(huán)為鋼管彎曲焊接而成，底部設(shè)計有法蘭與廂體框架連接，方便拆裝。錨泊圓環(huán)包裹海綿橡膠板，可減少與球體的磨損。系留支臂為Q345鋼板折彎焊接而成，安裝在錨泊圓環(huán)根部，可自由旋轉(zhuǎn)，在收攏和展開的指定位置設(shè)計有插銷，用于系留支臂固定。

2.4 工藝設(shè)計及表面處理

為了優(yōu)化錨泊車的生產(chǎn)制造過程，提高其整體性能，在工藝和表面處理方面進行了如下的設(shè)計。

(1)對于需要進行機加工的零件，在滿足功能的前提下，選用切削性能好、性價比高的Q235低碳鋼及Q345低碳鋼。

(2)廂體框架主體為Q235方管焊接，為了保證焊縫與母材相匹配，選用二氧化碳?xì)怏w保護焊。它具有焊縫質(zhì)量好、焊接成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。此外，設(shè)計了焊接配套工裝，嚴(yán)格控制施焊環(huán)境溫度和濕度，焊前進行焊縫局部噴砂處理，焊后采用機械或加熱方法去應(yīng)力，保證焊接質(zhì)量[7]。

(3)除安裝的設(shè)備外，對錨泊車的整體噴漆部位進行防護，提高了環(huán)境適應(yīng)性。噴漆工藝在專用的封閉廠房進行，嚴(yán)格按照噴砂、噴鋁、噴涂底漆、噴涂面漆的工藝順序執(zhí)行，保證鍍涂質(zhì)量。

3 有限元分析

有限元軟件是現(xiàn)代工程設(shè)計中一種有效、快捷的輔助工具，利用有限元軟件對錨泊車進行強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠減少試驗，節(jié)約成本，為錨泊車的剛強度設(shè)計提供理論支持[8]。

錨泊車主承力結(jié)構(gòu)為底盤、廂體框架及系留支臂，主要為焊接結(jié)構(gòu)。根據(jù)該小型系留氣球在空中系留及錨泊固定時的工況，運用Abaqus有限元分析軟件對錨泊車開展強度分析。

3.1 結(jié)構(gòu)材料

底盤與廂體框架連接的車架及系留支臂的材料為Q345鋼板，廂體框架的材料為Q235方管，結(jié)構(gòu)材料型號及參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料型號及參數(shù)

3.2 載荷工況

系留氣球共有兩種工作狀態(tài)，即空中系留和地面錨泊。系留氣球在工作時承受側(cè)風(fēng)、上升風(fēng)、下沉風(fēng)的載荷作用。以系留氣球球心為坐標(biāo)原點，系留氣球計算坐標(biāo)如圖3所示，按照在空中系留時，穩(wěn)態(tài)風(fēng)速10 m·s-1，突風(fēng)7.62 m·s-1；在地面錨泊時，穩(wěn)態(tài)風(fēng)速20 m·s-1，突風(fēng)7.62 m·s-1，計算得出錨泊車在各種工作狀態(tài)及錨泊車自重情況下的載荷工況[9]，錨泊車載荷工況如表2所示。

從錨泊車自身結(jié)構(gòu)的受力情況分析，其共有4種受力形式：一是自重狀態(tài)；二是空中系留狀態(tài)，系留氣球駐停在空中，通過系留纜繩對系留絞車施加拉力；三是地面錨泊狀態(tài)1，系留氣球處于錨泊狀態(tài)，系留氣球遭受側(cè)風(fēng)或上升風(fēng)，載荷通過3根拉索對3組系留支臂施加拉力；四是地面錨泊狀態(tài)2，系留氣球在地面錨泊狀態(tài)遭受頭部下沉風(fēng)，載荷通過錨泊圓環(huán)施加在錨泊車上。由表2所得的載荷計算結(jié)果，根據(jù)錨泊車不同工作狀態(tài)下的受力形式，選取錨泊車受載最大的工況(工況1、工況3、工況6、工況7)進行有限元分析。

表2 錨泊車載荷工況

3.3 邊界條件

采用梁單元建立錨泊車有限元模型，將錨泊車的4個支撐腿固定約束，針對工況1、工況3、工況6、工況7分別對錨泊車框架、系留絞車、系留支臂、錨泊圓環(huán)按照相應(yīng)計算載荷進行加載。

3.4 仿真計算結(jié)果

錨泊車各載荷工況下應(yīng)力云圖如圖4所示?？梢钥闯鲈谧灾貭顟B(tài)下最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨泊車廂體框架與底盤連接處；在空中系留狀態(tài)時，錨泊車整體受力變小，最大應(yīng)力仍位于廂體框架上；在地面錨泊狀態(tài)1時，最大應(yīng)力位于系留支臂根部；在地面錨泊狀態(tài)2時，最大應(yīng)力位于錨泊圓環(huán)上。

列出錨泊車各組成結(jié)構(gòu)部件的最大應(yīng)力及安全系數(shù)，錨泊車仿真計算結(jié)果如表3所示。

表3 錨泊車仿真計算結(jié)果

經(jīng)以上計算分析，各工況下錨泊車的安全系數(shù)均大于1.5，滿足強度設(shè)計要求。

4 安全性分析

抗傾覆能力與抗側(cè)滑能力是錨泊車安全性設(shè)計的重點，是衡量錨泊車能否在風(fēng)載等外力作用下穩(wěn)定錨泊的關(guān)鍵指標(biāo)[10]。以下將對所設(shè)計的錨泊車進行抗傾覆及抗側(cè)滑能力校核。

4.1 抗傾覆校核

錨泊車地面錨泊狀態(tài)受力簡圖如圖5所示，載荷作用中心為球體中心，軸向力Fx、側(cè)向力Fy和法向力Fz，球體中心離地面高度H，錨泊車四個支撐腿的支撐力分別為F1、F2、F3、F4，四個支撐腿間的距離分別為L1、L2、L3，錨泊車自重G。

由于軸向力和側(cè)向力方向隨風(fēng)向變化而變化，因此對各載荷工況進行抗傾覆分析，分別對應(yīng)I、II、III三個方向。錨泊車地面系留狀態(tài)共3種工況，而工況7(下沉風(fēng))對于錨泊車的抗傾覆性能是增強的，因此僅針對工況5(側(cè)風(fēng))和工況6(上升風(fēng))進行分析。

(1)當(dāng)風(fēng)載荷方向為I向時，力矩平衡方程為：

(1)

假設(shè)錨泊車支撐腿1和支撐腿3處于離地臨界狀態(tài)，則：F1+F3=0；

此時，錨泊車傾覆邊距RI為：

(2)

定義抗傾覆安全系數(shù)SI：

(3)

(2)當(dāng)風(fēng)載荷方向為II向時，力矩平衡方程為：

(4)

假設(shè)錨泊車支撐腿3和支撐腿4處于離地臨界狀態(tài)，則：F3+F4=0；

此時，錨泊車傾覆邊距RII為：

(5)

定義抗傾覆安全系數(shù)SII：

(6)

(3)當(dāng)風(fēng)載荷方向為III向時，力矩平衡方程為：

(7)

假設(shè)錨泊車支撐腿1、支撐腿2、支撐腿3均處于離地臨界狀態(tài)，則：F1=0，F(xiàn)2+F3=0；

此時，錨泊車傾覆邊距RIII為：

(8)

定義抗傾覆安全系數(shù)SIII：

(9)

式中：H=3 870 mm，L1=2 470 mm，L2=2 000 mm，L3=3 178 mm，G=21 500 N。將表2中工況5和工況6的載荷值分別代入上述公式，求得錨泊車的抗傾覆安全系數(shù)SI、SII、SIII，各工況下安全系數(shù)如表4所示。

表4 各工況下安全系數(shù)

由上表可知，錨泊車在設(shè)定工況下安全系數(shù)均大于1.5，符合安全性設(shè)計要求。

4.2 抗側(cè)滑校核

在工作狀態(tài)下，錨泊車需保證不會因外載荷的作用產(chǎn)生側(cè)滑。在設(shè)計時，可通過將支撐腿與墊木固聯(lián)、增加墊木與地面之間摩擦系數(shù)的方法，提高抗側(cè)滑能力。不產(chǎn)生側(cè)滑的條件為：錨泊車與地面的最大靜摩擦力Ff大于水平方向的外力F水平合力，即：

Ff>F水平合力

(10)

通常，墊木與硬質(zhì)路面的摩擦系數(shù)μ均大于0.6。在錨泊車地面系留狀態(tài)的3種工況中，工況7(下沉風(fēng))對于錨泊車的抗側(cè)滑性能是增強的，因此分析時僅針對工況5(側(cè)風(fēng))和工況6(上升風(fēng))。校核結(jié)果如下：

工況5：

Ff=12 000 N>F水平合力=1 789 N

工況6：

Ff=11 580 N>F水平合力=1 700 N

因此錨泊車不會發(fā)生側(cè)滑，滿足抗側(cè)滑要求。

5 運輸性設(shè)計

5.1 公路運輸設(shè)計

運輸設(shè)計主要考慮錨泊車的重量和最大外廓尺寸。錨泊車屬于單軸半掛車，國標(biāo)[11]中要求重量不超過18 000 kg，長×寬×高不超過13 750 mm×2 550 mm×4 000 mm。本方案中，錨泊車總重2 150 kg，運輸狀態(tài)整車最大外形長×寬×高為4 600 mm×2 200 mm×2 200 mm，滿足公路運輸要求。

5.2 鐵路運輸設(shè)計

進行鐵路運輸時，錨泊車整體外廓應(yīng)滿足鐵路車輛貨物裝載限界要求。錨泊拖車鐵路運輸示意圖如圖6所示，整車鐵路運輸不超過基本貨物裝載限界，滿足鐵路運輸要求。

6 結(jié)論

本文以體積為80 m3的小型系留氣球為例，進行了錨泊車結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。從功能要求、設(shè)備組成及總體布局、結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計、有限元分析、安全性校核及運輸設(shè)計等方面展開闡述，結(jié)果表明該錨泊車滿足各項功能指標(biāo)要求，強度及安全性均具有較合理的裕度。實際應(yīng)用效果反饋，該錨泊車安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、集成化及自動化程度均達(dá)到用戶預(yù)期。