垂直升降式天線桿承載通信天線的風(fēng)負(fù)荷分析

李志賢，孫燕齊，陳志元

（1.中航科工集團(tuán)第704所 北京 100072；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710129；3.第二炮兵裝備研究院 北京 100085）

隨著機(jī)動(dòng)車載式通信系統(tǒng)在民用應(yīng)急通信和多樣化軍事快速通信中的廣泛應(yīng)用，為有效提高無線通信在城市或山區(qū)的覆蓋范圍，系統(tǒng)大量采用各種氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓、手搖等升降式天線桿。但不管何種形式的天線桿，隨著節(jié)數(shù)和高度的增加，均需依靠多層不同角度的拉線來增強(qiáng)其抗風(fēng)能力。但在天線桿的上升和下降操作過程時(shí)，拉線處于放松狀態(tài)，不能起到抗風(fēng)作用，因而在天線桿處于負(fù)荷狀態(tài)、有風(fēng)力環(huán)境下時(shí)，完成天線桿的升降操作訓(xùn)練，常常存在巨大的安全隱患。本文提供了計(jì)算在不同風(fēng)力環(huán)境下天線桿的最大風(fēng)負(fù)荷與天線迎風(fēng)面積的計(jì)算方法，用戶可根據(jù)所使用的天線類型與所處的風(fēng)力環(huán)境進(jìn)行具體的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果作為天線桿的升降操作訓(xùn)練的安全性參考依據(jù)。

1 天線桿類型

1.1 天線桿結(jié)構(gòu)

天線桿為抽拉式變截面懸臂梁結(jié)構(gòu)，天線桿升高到位后由不同高度的多角度地面拉線固定，以保證天線在風(fēng)負(fù)荷下可靠工作，但在升降過程中拉線則不受力。本天線桿總節(jié)數(shù)為7節(jié)，外加2 m天線安裝桿，最大升高高度為14 m，其幾何尺寸如圖1所示。各節(jié)桿件橫截面均為矩形如圖2所示。

圖1 升降式天線桿幾何尺寸示意圖Fig.1 Geometry size diagram

圖2 節(jié)桿件橫截面矩形示意圖Fig.2 Cross-section rectangle sketch

從上往下各節(jié)具體尺寸（單位為mm）為：

第一節(jié) 50 X 50 X 2.5、第二節(jié) 65 X 65 X 2.5、第三節(jié)80 X 80 X 2.5

第四節(jié)95 X 95 X 2.5、第五節(jié) 110 X 110 X 2.5、第六節(jié)125 X 125 X 2.5

第七節(jié)142 X 142 X 2.5。

1.2 天線桿材料

天線桿材料為鋁合金方管型材6005，其力學(xué)性能為[1]：

抗拉強(qiáng)度：σb=30 kg/mm2、 屈服極限：σs=22 kg/mm2、伸長(zhǎng) 率：δs=12% 、許用應(yīng)力 [σ]=14.6 kg/mm2、額定軸荷：25 kg，剪切許用應(yīng)力 [τ]=9.7 kg/mm2、彈性模量：E=0.69x106kg/cm2。

2 風(fēng)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范風(fēng)力等級(jí)如表1[2]所示。表中只列出了5～8級(jí)風(fēng)力參數(shù)。

表1 風(fēng)力等級(jí)數(shù)值表Tab.1 Wind scale numerical tables

根據(jù)桿件結(jié)構(gòu)幾何尺寸及應(yīng)用材料，計(jì)算承載天線允許的風(fēng)負(fù)荷。計(jì)算時(shí)假定天線重心完全與天線桿軸心重合，故不考慮由于天線安裝產(chǎn)生的偏移矩對(duì)天線桿受力的影響。因自然風(fēng)速風(fēng)力等級(jí)中最大值與最小值差異極大，故計(jì)算時(shí)按計(jì)算風(fēng)速來計(jì)算。根據(jù)表1風(fēng)力參數(shù)分別計(jì)算計(jì)算風(fēng)速和計(jì)算風(fēng)壓。

2.1 計(jì)算風(fēng)速

各級(jí)風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)差σ，有：

計(jì)算風(fēng)速V計(jì)為：V計(jì)=V平+σ

計(jì)算結(jié)果為表2所示。

2.2 允許風(fēng)負(fù)荷

設(shè)作用在天線的風(fēng)力為P，按圖1對(duì)A截面和B截面分別計(jì)算可承受的最大風(fēng)力P。

表2 不同風(fēng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)的計(jì)算風(fēng)速表Tab.2 Calculate wind speed under different wind scale

1)對(duì)A截面，截面彎矩MA有：

A截面抗彎截面模量為WA，根據(jù)圖2則：

由于天線桿截面彎矩MA與抗彎截面模量WA之間必須滿足下列關(guān)系式，即：

則： MA≤WA[σ]，可得：

由于產(chǎn)生風(fēng)力時(shí)前面陣風(fēng)的風(fēng)尾還未完全消失時(shí)，后面陣風(fēng)的風(fēng)頭已到而疊加到前面的風(fēng)尾上，故風(fēng)負(fù)荷與承受力之間存在2倍關(guān)系，因此：

2)對(duì)B截面，截面彎矩MB，抗彎截面模量WB、承受力PB計(jì)算可得：

同理：FB風(fēng)=PB/2=26.1 kg

2.3 允許天線面積

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，取風(fēng)力最小值FA風(fēng)=25.5 kg，為安全可靠，按25 kg計(jì)算，各風(fēng)力等級(jí)的計(jì)算風(fēng)壓還要考慮天線的風(fēng)力系數(shù)K，天線最大風(fēng)力系數(shù)為K=1.6，因此，計(jì)算風(fēng)壓還應(yīng)乘以風(fēng)力系數(shù)K。即：

式中：

q---計(jì)算風(fēng)壓，kg/m2

ρ---空氣密度，等于 0.125 kg·S2/m4

因而，各風(fēng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)的天線面積S面積可有下式計(jì)算：

各風(fēng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)天線面積計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.4 理論計(jì)算結(jié)論

根據(jù)表3計(jì)算數(shù)據(jù)，選用計(jì)算風(fēng)速對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果，可得出下列結(jié)論：

表3 各風(fēng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)天線面積計(jì)算Tab.3 Antenna windward area under different wind scale

1)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于1.76 m2時(shí)5級(jí)風(fēng)可安全升降；

2)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于1.05 m2時(shí)6級(jí)風(fēng)可安全升降；

3)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.65 m2時(shí)7級(jí)風(fēng)可安全升降；

4)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.46 m2時(shí)8級(jí)風(fēng)可安全升降。

3 修正計(jì)算

上述理論計(jì)算是在天線桿材料不大于許用應(yīng)力 [σ]，即材料的性能已達(dá)到極限值而沒有安全余量時(shí)得到的理論數(shù)據(jù)。但是，由于升降式天線桿在實(shí)際升降過程中因操作可能產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，以及因天線安裝質(zhì)心偏離天線桿軸線而對(duì)天線桿軸線產(chǎn)生偏置力矩，從而降低天線桿承受風(fēng)負(fù)荷能力。因此，需對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，以滿足天線桿在實(shí)際升降過程中的使用安全。

3.1 轉(zhuǎn)角計(jì)算

升降抽拉式天線桿從上到下各節(jié)尺寸逐漸變大，屬變截面形式，天線桿升降因操作產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ,由下式可得[3]。

式中：

θ----轉(zhuǎn)角

E---材料彈性模量，E=0.69X104kg/mm4

FA風(fēng)---風(fēng)負(fù)荷，取計(jì)算結(jié)果25 kg

J---截面慣性矩，A截面可得：3.19×106mm4

l----天線桿長(zhǎng)度，mm,取 14 000 mm

代入?yún)?shù)得：

3.2 修正結(jié)果

根據(jù)原設(shè)計(jì)，天線桿承載額定載荷為25 kg，由于天線桿升降產(chǎn)生轉(zhuǎn)角θ為12.75°，則其水平分力為F水平。

因此，天線承受的風(fēng)負(fù)荷中應(yīng)扣除天線轉(zhuǎn)角引起的水平分量，這樣實(shí)際承受風(fēng)負(fù)荷為：

同時(shí)再考慮天線桿材料的安全系數(shù)，取安全系數(shù)為2.5[4]，則實(shí)際允許的F風(fēng)-實(shí)為：

用該數(shù)據(jù)再修正前面計(jì)算結(jié)論表3，得修正后的數(shù)據(jù)表4所示。

表4 天線桿實(shí)際承載天線迎風(fēng)面積Tab.4 Correction antenna windward area under different wind scale

由表4可知，在經(jīng)過修正計(jì)算后，當(dāng)天線重量不大于25 kg時(shí)，升降式天線桿在：

1)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.545 m2時(shí)5級(jí)風(fēng)可自由升降；

2)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.325 m2時(shí)6級(jí)風(fēng)可自由升降；

3)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.200 m2時(shí)7級(jí)風(fēng)可自由升降；

4)當(dāng)所使用的天線迎風(fēng)面積小于0.143 m2時(shí)8級(jí)風(fēng)可自由升降。

4 實(shí)際應(yīng)用

針對(duì)車載式點(diǎn)多點(diǎn)數(shù)字微波通信系統(tǒng)，末端外圍站大量使用了車載升降式天線桿。為便于快速機(jī)動(dòng)部署微波通信系統(tǒng)，升降動(dòng)力采用汽車制動(dòng)氣泵產(chǎn)生的氣壓，承載通信天線為微波上行平板天線。具體參數(shù)[5]：

天線桿長(zhǎng)度：14米；

天線尺寸： 430×610×150 mm3

天線重量：10 kg＜25 kg。

經(jīng)計(jì)算天線迎風(fēng)面積應(yīng)小于：

S=(0.43×0.61)+(0.61×0.15)=0.262+0.091 5=0.353 8 m2＜0.545 m2

由表4可知，當(dāng)天線桿承載該天線時(shí)，在小于五級(jí)風(fēng)力等級(jí)的情況下，不管天線面與風(fēng)向夾角多大，均可自由升降天線桿，不存在安全問題。從2003年使用至今，50多臺(tái)套設(shè)備，目前沒有發(fā)現(xiàn)用戶因升降操作存在的安全故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

為提高無線通信系統(tǒng)在丘陵和山區(qū)的通信距離，軍事上和民用上大量使用各種類型的升降式天線桿，把板型、角反射、鞭狀、拋物面、背射等各類輕型天線高架應(yīng)用[6]，以此加大通信系統(tǒng)無線通信距離。但當(dāng)天線桿處于無拉力狀態(tài)、風(fēng)力環(huán)境中進(jìn)行升或降操作時(shí)，其安全性始終是用戶的憂患。通過采用本文提供的在不同風(fēng)力參數(shù)下升降式通信天線桿承載的允許最大風(fēng)負(fù)荷能力，以及對(duì)應(yīng)的承載天線迎風(fēng)面積的計(jì)算方法，可為部隊(duì)根據(jù)所使用的天線桿種類、天線面積、風(fēng)力風(fēng)向環(huán)境提供具體的計(jì)算和分析使用，具有一定實(shí)用價(jià)值。

[1]范青珊 朱祖成 等譯，材料力學(xué)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1981.

[2]GB/T18204.15-2000公共場(chǎng)所風(fēng)速測(cè)定方法[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3]劉鴻文，材料力學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2011.

[4]張肇儀 周樂柱 吳德明 等譯，微波工程[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[5]GB/T 16650-1996TDM/FDMA點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信系統(tǒng)通用規(guī)范[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[6]孫玉銘，陳志元.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)裝備搶修保障中的應(yīng)用[C]//西南通信技術(shù)研討會(huì)論文集，2012.