光測(cè)設(shè)備特種載車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王守印，張春林，楊威

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

光測(cè)設(shè)備是對(duì)飛行物體進(jìn)行外彈道測(cè)量的光學(xué)精密儀器，廣泛應(yīng)用于國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。光測(cè)設(shè)備通常有兩種工作方式：固定式和移動(dòng)式。固定式是將設(shè)備固定在塔臺(tái)圓頂內(nèi)。移動(dòng)式是將光測(cè)設(shè)備安裝在特種載車上。光測(cè)設(shè)備特種載車是光測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)布站的承載平臺(tái)和運(yùn)輸工具［1-3］。

光測(cè)設(shè)備是高精度的測(cè)量?jī)x器，不能承受很強(qiáng)的沖擊、振動(dòng)。設(shè)計(jì)載車時(shí)重點(diǎn)考慮如何控制振動(dòng)的傳遞，保證車載光測(cè)設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中所受到的沖擊、振動(dòng)在可承受的范圍內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于光測(cè)設(shè)備等精密儀器特種載車結(jié)構(gòu)及特性鮮有報(bào)道。本文針對(duì)特殊的四輪獨(dú)立懸掛低貨臺(tái)載車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并詳細(xì)說(shuō)明了該類載車的設(shè)計(jì)方法，為類似載車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 載車的基本特點(diǎn)

光測(cè)設(shè)備載車通常有全掛式和半掛式兩種。全掛式因其減震性能良好，被常常采用。全掛式光測(cè)設(shè)備載車載車是低貨臺(tái)、四輪獨(dú)立懸掛、車體可升降的特種拖車。車體的升降由油汽彈簧的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)輸時(shí)，車體升起，此時(shí)四個(gè)油汽彈簧承受載車總體的重量。油汽彈簧吸收來(lái)自行駛過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)，保證光測(cè)設(shè)備免受大的沖擊。

1.1 載車的組成

載車的整體結(jié)構(gòu)由廂蓋總成、廂體總成、底盤總成及配套裝置等四部分組成。

（1）廂蓋總成

由廂蓋、支承搖臂、舉升油缸、轉(zhuǎn)柱、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)限位裝置等組成。

（2）廂體總成

由側(cè)面廂體、出入門、電氣艙、登車梯等組成。

（3）底盤總成

由車架、前后獨(dú)立懸掛輪、機(jī)械支腿、牽引機(jī)構(gòu)、剎車系統(tǒng)及手動(dòng)剎車等組成。

（4）配套裝置

主要由光測(cè)設(shè)備防翻裝置、車底封板、廂蓋定位支座、測(cè)高鏈及液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。圖1給出了全掛式光測(cè)設(shè)備特種載車的外形圖。

圖1 光測(cè)設(shè)備特種載車的外形圖

2 載車的設(shè)計(jì)原則

在專用汽車的范疇內(nèi)，光測(cè)設(shè)備載車屬于特種結(jié)構(gòu)汽車。特種結(jié)構(gòu)汽車是指具有桁架結(jié)構(gòu)、平板結(jié)構(gòu)等各種特殊結(jié)構(gòu)，用于承擔(dān)專項(xiàng)作業(yè)的專用汽車和汽車列車［4］。在特種結(jié)構(gòu)汽車的設(shè)計(jì)時(shí)，除必須滿足汽車安全法規(guī)的要求外，還需根據(jù)其功能的特殊要求，進(jìn)行特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能完成特定的工作。載車既是光測(cè)設(shè)備的運(yùn)輸平臺(tái)，同時(shí)車架也是光測(cè)設(shè)備工作時(shí)的基座。這就要求車架要有較好的結(jié)構(gòu)剛度，保證整車的可靠性。同時(shí)由于其裝載設(shè)備的特殊性，載車還應(yīng)有良好的平順性，使光測(cè)設(shè)備在不同的路況運(yùn)輸時(shí)車體所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)不致影響設(shè)備的精度。

3 載車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 廂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載車廂蓋是光測(cè)設(shè)備的防護(hù)罩。光測(cè)設(shè)備工作時(shí)，載車廂蓋開啟后旋轉(zhuǎn)180°落在地面上，廂蓋的高度不能遮擋光測(cè)設(shè)備工作的視場(chǎng)。廂蓋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 廂蓋結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，控制舉升油缸將廂蓋開啟，當(dāng)廂蓋的下邊緣超過(guò)光測(cè)設(shè)備的頂部時(shí)，可手動(dòng)操作轉(zhuǎn)柱使廂蓋旋轉(zhuǎn)180°后落在地面上。根據(jù)光測(cè)設(shè)備的高度不同，廂蓋開啟的角度一般為30°～45°。旋轉(zhuǎn)限位裝置的功能就是廂蓋在開啟到最大角度之前限制其旋轉(zhuǎn)，以免使廂蓋與光測(cè)設(shè)備發(fā)生側(cè)面碰撞。旋轉(zhuǎn)限位裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證廂蓋在開啟到最大角度之前，轉(zhuǎn)柱不能旋轉(zhuǎn)。廂蓋的開啟有機(jī)動(dòng)、手動(dòng)兩種工作方式。

3.2 廂體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)光測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，在光測(cè)設(shè)備正倒鏡和所有傳感器不遮擋視場(chǎng)的前提下，確定載車廂體的高度。廂體的高度應(yīng)大于廂蓋的高度（圖3中所示A＞B），以免廂蓋落在地面上遮擋傳感器的視場(chǎng)。左右側(cè)壁板中間設(shè)置出入門，考慮操作人員出入方便，出入門的內(nèi)口尺寸不小于1100mm×800mm（高×寬）。廂體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 廂體的結(jié)構(gòu)示意圖

載車廂體組件為方艙型板塊式結(jié)構(gòu)。它由前壁板、后壁板、左右側(cè)壁板和頂板等件組成。各壁板內(nèi)蒙皮選用鋁合金板，外蒙皮選用鍍鋅鋼板。中間為方鋼管骨架，骨架內(nèi)充填硬質(zhì)阻燃高強(qiáng)度聚氨脂泡沫板。各壁板拼焊成廂體，棱邊均用角鋼包邊。

3.3 底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤是載車的骨架，載車底盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列條件：車體可以升降（升降距離大于300mm）、設(shè)備安裝面有良好的結(jié)構(gòu)剛度并盡可能低、車體應(yīng)具有良好的平順性、車體應(yīng)安裝機(jī)械支腿。

圖4 底盤的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為載車底盤的結(jié)構(gòu)示意圖。載車底盤采用低貨臺(tái)全掛式底盤。它由全掛式車架、前后獨(dú)立懸掛輪、牽引機(jī)構(gòu)、機(jī)械支腿、剎車系統(tǒng)等組成。

車架為凹梁式結(jié)構(gòu)，車架縱向由兩條大梁組合而成，車體大梁的截面形狀為“口”字型。兩個(gè)大梁之間通過(guò)槽鋼焊接在一起。車架縱梁的前部和后部分別設(shè)置安裝懸掛輪的裝配平板。車架低貨臺(tái)前部設(shè)置安裝牽引機(jī)構(gòu)的連接接頭。中部設(shè)置光測(cè)設(shè)備安裝基座。

四個(gè)機(jī)械支分別設(shè)置在低貨臺(tái)前后直段外側(cè)。機(jī)械支腿在載車長(zhǎng)期駐車或底盤維修時(shí)與墊木配套使用。

3.4 配套裝置的設(shè)計(jì)

光測(cè)設(shè)備安裝在載車的中央，運(yùn)輸時(shí)光測(cè)設(shè)備與載車之間通過(guò)防翻裝置固定。防翻裝置由四根彈性拉桿組成。光測(cè)設(shè)備與載車之間的固定結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 光測(cè)設(shè)備與載車之間的固定結(jié)構(gòu)示意圖

光測(cè)設(shè)備的底部與載車車架的大梁聯(lián)接固定，光測(cè)設(shè)備的頂部通過(guò)四根彈性拉桿與車架聯(lián)接固定，防止運(yùn)輸時(shí)光測(cè)設(shè)備發(fā)生側(cè)翻。彈性拉桿的結(jié)構(gòu)如圖6所示，套筒一端與光測(cè)設(shè)備的頂部連接，鋼絲繩的另一端與車架聯(lián)接。運(yùn)輸前，調(diào)節(jié)緊線器，使彈簧壓縮，拉桿產(chǎn)生預(yù)緊力。預(yù)緊力的大小應(yīng)與光測(cè)設(shè)備的質(zhì)量匹配，四根彈性拉桿的預(yù)緊力應(yīng)一致。

圖6 彈性拉桿的結(jié)構(gòu)示意圖

4 關(guān)鍵零件的校核計(jì)算

根據(jù)光測(cè)設(shè)備載車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工程經(jīng)驗(yàn)，筆者將底盤和旋轉(zhuǎn)限位裝置中的轉(zhuǎn)柱列為關(guān)鍵件。其中底盤的有關(guān)強(qiáng)度校核，筆者已有論述［5］，在此不再贅述。在天文罩開啟過(guò)程中，立柱承載整個(gè)天文罩以及天文罩支臂的重量。在有風(fēng)的狀態(tài)下，還要承載風(fēng)載荷。立柱失效，將會(huì)危及人身及光測(cè)設(shè)備的安全。下面以某型經(jīng)緯儀載車為例，介紹轉(zhuǎn)柱的強(qiáng)度校核過(guò)程。

4.1 天文罩受力分析

將天文罩及其支臂看做整體。以轉(zhuǎn)柱上的A點(diǎn)作為支點(diǎn)，該箱蓋的受力分析及結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示。天文罩重量G1=5000N，天文罩支架G2=3500N。G1對(duì)應(yīng)的力臂LG1=2.865m，G2對(duì)應(yīng)的力臂LG2=2.865-1.79+0.345=1.42m。油缸的支撐力F1對(duì)應(yīng)的力臂LF1=0.385m。油缸與水平線夾角α=21°。支點(diǎn)A處受力F2，與水平面夾角為β。根據(jù)力矩平衡原理［6,7］，支撐力由下式計(jì)算得出：

圖7 天文罩受力分析圖

天文罩支架要保持平衡，根據(jù)平衡原則各水平和豎直方向的分力應(yīng)該相等。因此有：

綜合公式（2）、（3），可計(jì)算得到 F2=47735N，β =11°。

4.2 轉(zhuǎn)柱受力分析

轉(zhuǎn)柱受力情況分析如圖8所示。 F1′、F2′與F1、F2大小相等，方向相反。 F1′、F2′水平方向分力分別為：

圖8 轉(zhuǎn)柱受力分析圖

若以上軸承作為支點(diǎn)，根據(jù)力矩平衡原理，下軸承所受力矩M由下式得出：

轉(zhuǎn)柱中的立柱為圓柱形，其內(nèi)外徑尺寸為d=0.084m，D=0.116m。立柱的抗彎剛度W由下式得出：

立柱所受的最大彎曲應(yīng)力σ為：

立柱材料一般選40Cr，其屈服應(yīng)力為σs=785MPa＞3σ。滿足安全要求。

5 結(jié)論

按照上述方法設(shè)計(jì)的光測(cè)設(shè)備特種載車結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單、方便。已在多個(gè)型號(hào)機(jī)動(dòng)式光電經(jīng)緯儀上得到成功應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明［8］，光測(cè)設(shè)備四輪獨(dú)立懸掛特種載車在瀝青路面和砂石路面上行駛時(shí)，光測(cè)設(shè)備的機(jī)座、轉(zhuǎn)臺(tái)、主光學(xué)系統(tǒng)等各典型部位的振動(dòng)加速度均方根值小于0.5G。在這種振動(dòng)強(qiáng)度下，光測(cè)設(shè)備的性能不受影響。

［1］何照才.光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：15-26.

［2］趙學(xué)顏，李迎春.靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量［M］.北京：裝備技術(shù)指揮學(xué)院出版社，2000：86-88.

［3］類成華，王守印，譚凡教.車載式光電經(jīng)緯儀特性［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（S1）：7-9.

［4］于志生.汽車?yán)碚摚ǖ诙妫跰］.機(jī)械工業(yè)出版社，1998：169-171.

［5］王守印.特種載車結(jié)構(gòu)對(duì)光測(cè)設(shè)備測(cè)量精度的影響［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（6）：99-202.

［6］孫訓(xùn)方，方孝淑，陸耀洪.材料力學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［7］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.理論力學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［8］王守印，張春林，趙麗，等.光電經(jīng)緯儀載車平順性試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2010（1）：91-39.