某車載站保障方艙車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

喬 雨

(中國電子科技集團公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 前言

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)術(shù)技術(shù)的發(fā)展要求軍事裝備擁有更加有效的機動能力和可靠的工作性能，在日益復(fù)雜和惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，軍事裝備必須改善其適應(yīng)各種使用環(huán)境的能力[1]。車載站因其具備機動性好、適應(yīng)性強、展開撤收快、運輸方便等特點，在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何在車載站的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局方面采取有效措施，使裝備布局更緊湊合理，空間利用率更高，載荷分配更有效，便于裝備的操作和維修，提高裝備的機動性，滿足公路運輸和裝備快速轉(zhuǎn)場的要求，實現(xiàn)易地快速展開工作，是車載站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需重點考慮的因素。同時電子設(shè)備方艙作為電子設(shè)備和操作人員的主要載體，方艙的環(huán)控設(shè)計、電磁屏蔽設(shè)計及人機工程也是設(shè)計師在進行電子設(shè)備設(shè)計時應(yīng)考慮的重點[2-4]。以某車載站保障方艙車為例，對該車載站的設(shè)計思路及總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計進行簡要說明，并從整車安全性、系統(tǒng)溫控、電磁屏蔽及人機工程等方面進行了詳細的分析和論述。

1 設(shè)計思路及總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

根據(jù)某車載站的使用要求，保障方艙車應(yīng)具備良好的公路行駛性、抗風(fēng)性能、展收便捷性、環(huán)境適應(yīng)性的特點。同時，方艙車裝載的設(shè)備量大，設(shè)備集成度高，主要的電子設(shè)備包括6個機柜、4個操控臺、1個2.4 m天線、1個動中通天線、1臺40 kW汽油機及其他設(shè)備?？紤]到2.4 m天線應(yīng)具備單獨使用的功能及天線在升降過程對人機環(huán)境造成的影響，保障方艙車采用了運輸車裝載2個方艙的布局。圖1為保障方艙車整體布局圖。

圖1 保障方艙車布局圖

運輸車作為設(shè)備的承載平臺，應(yīng)具有足夠的承載能力及良好的動力性能。根據(jù)方艙車承載設(shè)備質(zhì)量和體積需求，運輸車選擇了陜汽SX 2300型重型卡車，該車具有承載能力強、越野性能好等特點。運輸裝載車改裝主要包括運輸平臺、調(diào)平支腿及附件箱等設(shè)計。

運輸車裝載有2個方艙，分別為設(shè)備方艙和天線方艙，其中設(shè)備方艙主要裝載設(shè)備機柜和操控臺，為操作人員提供安全舒適的工作環(huán)境；天線方艙主要裝載2.4 m天線及其配套電子設(shè)備。根據(jù)設(shè)備需求，設(shè)備方艙采用標(biāo)準(zhǔn)的6 m直角大板方艙，其外形尺寸為：長度為6 058 mm，寬度為2 438 mm，高度為2 290 mm。

設(shè)備方艙劃分為3個獨立空間：方艙前部為供電間，艙內(nèi)上方安裝整體式空調(diào)，下方安裝靜音電站，艙頂安裝動中通天線；方艙中部為設(shè)備間，艙內(nèi)安裝有4個36U機柜，艙頂安裝2臺頂置空調(diào)；方艙后部為工作間，艙內(nèi)安裝有4個操作臺和配套座椅、UPS柜、配電箱及其他配套設(shè)備。

天線方艙外形尺寸為：長度為2 820 mm，寬度為2 438 mm，高度為2 290 mm。安裝有2.4 m天線系統(tǒng)，艙內(nèi)左右兩側(cè)各設(shè)置1個25U機柜，艙內(nèi)后部安裝了空調(diào)和避雷裝置。天線方艙頂采用電動頂蓋結(jié)構(gòu)，工作時可自動打開，天線系統(tǒng)可通過升降平臺升至艙頂。

2 安全性分析

保障方艙車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為確保整車設(shè)備結(jié)構(gòu)布局的合理性，應(yīng)避免出現(xiàn)整車重心過于偏離車輛縱向中心線及重心過高或重心過于靠后靠前等現(xiàn)象，因此應(yīng)對保障方艙進行安全性校核。

假設(shè)保障方艙車的長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，高度方向為Z軸建立空間三維坐標(biāo)系。通過計算，得到保障方艙車的質(zhì)心位置為：X軸向5 719.5 mm，Y軸向1 231.9 mm，Z軸向2 259.1 mm。

2.1 軸載及穩(wěn)定性校核

設(shè)備運輸車允許的最大裝載質(zhì)量為40 000 kg，設(shè)備方艙及其他設(shè)備總質(zhì)重約為26 500 kg，前后橋負載的計算表達式分別為：

G前=G總(L-x)/L

(1)

G后=G總-G后

(2)

式中，G前為前橋負載，單位kg；G后為后橋負載，單位kg；G總為總質(zhì)量，單位kg；L為軸距，單位mm，x為質(zhì)心距離前橋的縱向距離，單位為mm。經(jīng)計算，后橋負載G后為11 395 kg，小于后軸允許最大軸載質(zhì)量(14 000 kg)；前橋負載G前為15 105 kg，小于前軸允許最大軸載質(zhì)量(26 000 kg)。

保障方艙車前橋負載與設(shè)備方艙及其他設(shè)備總質(zhì)量的比例為43%，大于允許的比例(20%)，因此保障方艙車前后軸負荷分配合理，滿足要求。

假定保障方艙車左向靜止在側(cè)坡上，以左輪為支點在右側(cè)輪的受力為零時達到傾覆的臨界點，根據(jù)橫向靜態(tài)穩(wěn)定角計算公式：

tg?=(b/2-e)/H

(3)

式中，?為橫向靜態(tài)穩(wěn)定角，單位(°)；b為輪距，單位mm；e為質(zhì)心偏離縱向中心線的距離，單位mm；H為質(zhì)心高度，單位mm。經(jīng)計算，得到保障方艙車的橫向靜態(tài)穩(wěn)定角為23.4°，大于橫向靜態(tài)臨界傾覆角要求的20.0°。因此，保障方艙車側(cè)坡行車安全，滿足橫向穩(wěn)定性要求。

縱向靜態(tài)穩(wěn)定角的計算公式為：

?′=arctan(L2/H)

(4)

式中，?′為縱向靜態(tài)穩(wěn)定角，單位(°)，L2為質(zhì)心到后橋中心線的水平距離，單位mm，H為質(zhì)心高度，單位mm。經(jīng)計算，得到保障方艙車的縱向靜態(tài)穩(wěn)定角為45.5°，大于縱向靜態(tài)臨界傾覆角要求的21.8°。因此，保障方艙車縱坡行車安全，滿足縱向穩(wěn)定性要求。

2.2 抗風(fēng)能力校核

根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)備應(yīng)滿足風(fēng)速為12級時的穩(wěn)定可靠性。風(fēng)阻力計算公式為：

Fx=Cxv2A/16

(5)

式中，F(xiàn)x為風(fēng)阻力；Cx為風(fēng)阻力系數(shù)，矩形平板取1.2，單位N·s2·m-4；v為風(fēng)速，12級風(fēng)速取35 m/s，A為迎風(fēng)面積，單位m2。經(jīng)計算，保障方艙車的風(fēng)阻力為3 215.6 N。

風(fēng)阻力產(chǎn)生的最大傾覆力矩計算公式為：

M=FxⅹH風(fēng)

(6)

式中，M為最大傾覆力矩，單位kg·m；H風(fēng)為風(fēng)阻力到地面的垂直距離，單位m。經(jīng)計算，保障方艙車的風(fēng)阻力產(chǎn)生的最大傾覆力矩為8 039.1 N·m。

保障方艙車的最小抗傾覆半徑Rmin為該車承受最大風(fēng)阻力時產(chǎn)生的最大傾覆力矩與車輛總質(zhì)量的比值，其值為0.3 m。假設(shè)保障方艙車輪距為1.99 m，則其穩(wěn)定半徑R約為1 m。當(dāng)風(fēng)速達到12級風(fēng)時，保障方艙車的安全系數(shù)計算表達式為：

n=R/Rmin

(7)

式中，n為安全系數(shù)；R為穩(wěn)定半徑，單位m；Rmin為最小抗傾覆半徑，單位m。

經(jīng)計算，得到保障方艙車的安全系數(shù)為3.3，大于安全系數(shù)為1.0的標(biāo)準(zhǔn)值。由此可以判定，在風(fēng)速為12級時，保障方艙車穩(wěn)定可靠。此外，通過計算，得出保障方艙車的抗滑移安全系數(shù)為3.1，大于抗滑移安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(1.5)。因此，保障方艙車抗滑移性能穩(wěn)定可靠。

3 溫控設(shè)計

設(shè)備方艙安裝了2臺制冷量為5 kW和2臺制冷量為4 kW的空調(diào)，天線方艙安裝了1臺制冷量為5 kW的空調(diào)。方艙采用空調(diào)溫控方式，要求在夏季時設(shè)備方艙內(nèi)溫度不高于28 ℃，天線方艙內(nèi)溫度不高于35 ℃。方艙內(nèi)熱負荷主要來源于方艙熱傳導(dǎo)、電子設(shè)備散熱、人員散熱、太陽輻射及空氣換熱等幾個方面。經(jīng)計算，設(shè)備方艙總熱負荷為14 399 W，天線方艙總熱負荷為2 844 W。

此外，保障方艙車要求在冬季環(huán)境溫度為-40 ℃的情況下能正常工作，且工作艙內(nèi)溫度不低于18 ℃，天線方艙的溫度不低于0 ℃。在此狀況下，方艙內(nèi)的熱量損失主要包括方艙傳熱、空氣交換及設(shè)備預(yù)熱等方面。經(jīng)計算，設(shè)備方艙的熱量損失為7 738 W，天線方艙的熱量損失為2 318 W。

根據(jù)上述參數(shù)及保障方艙車使用環(huán)境要求，設(shè)備方艙內(nèi)選用了4臺空調(diào)總制冷量為18 kW，制熱量為10 kW；天線方艙內(nèi)選用了空調(diào)總制冷量5 kW，制熱量為3 kW。保障方艙車選用的空調(diào)能夠滿足環(huán)境要求。

4 電磁屏蔽設(shè)計

方艙要求在頻率150 kHz～10 GHz范圍內(nèi)，屏蔽效能大于40 dB。方艙屏蔽設(shè)計主要包括以下幾個方面：① 方艙大板采用兩面鋁板蒙皮結(jié)構(gòu)，具有一定的屏蔽功效，能有效減少電磁泄露；② 方艙大板間采用鉚接工藝進行連接，可使方艙成為完整的電連續(xù)體，提高了屏蔽性能；③ 方艙門采用特制的鋁型材結(jié)構(gòu)，門與門框的鋁型材之間裝有導(dǎo)電密封墊材料；④ 方艙通風(fēng)孔口處安裝了高屏蔽效能的蜂窩屏蔽波導(dǎo)；⑤ 為了防止電磁干擾，避免由于電磁感應(yīng)而降低方艙的屏蔽效能，同時為了更好地實現(xiàn)電源濾波，確保人員和設(shè)備的安全，方艙必須采用合理的接地方法。

5 人機工程學(xué)設(shè)計

設(shè)備方艙不僅是電子設(shè)備的安裝空間，也是操作人員的工作場所，因此，設(shè)備方艙的設(shè)計不但應(yīng)滿足設(shè)備性能要求，還應(yīng)為操作人員提供舒適的工作環(huán)境。設(shè)備方艙將操作人員工作間與機柜設(shè)備及油機間隔開，并在油機間內(nèi)粘貼吸音棉，使操作人員工作間的噪聲降至60 dB以下。方艙內(nèi)飾噴涂冰灰色氟碳漆，操控臺等設(shè)備均以淺灰色色調(diào)為主，整體色彩較為淡雅。操控臺高度、臺面上工作區(qū)域、操作人員四肢活動空間等均符合人機工程學(xué)設(shè)計，工作間還配備了航空座椅，為操作人員提供了舒適的工作環(huán)境。

6 結(jié)語

本文介紹了某車載站保障方艙車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)分析論證，其總體設(shè)計能夠滿足機動性能、環(huán)境適應(yīng)性、維修性能的要求，同時具備了維修便捷、操作簡單、機動靈活等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事裝備領(lǐng)域。