淺談移動塔臺系統抗風能力分析

摘 要：移動塔臺多采用多塔節套裝式結構，在民航、氣象、通信、軍事等領域得到了廣泛應用；移動塔臺系統采用5節塔節套裝式塔架結構，文章對該系統總體結構進行說明，同時對其抗風能力進行分析計算。

關鍵詞：移動塔臺系統；結構說明；抗風能力分析；有限元計算

前言

移動塔臺多采用多塔節套裝式結構，采用專用車輛運輸，并設有舉升及鎖定機構，在設備到達預定陣地后，可以迅速展開工作；該結構具有高機動自行式、可快速架設及良好的環境適應性，在民航、氣象、通信、軍事等領域得到了廣泛應用。移動塔臺系統采用5節塔節套裝式結構，底部設置支撐平臺，可將監控設備架高至25m作業高度，并可在任意位置固定，可滿足監控設備架設不同工作高度需要，同時進行設備電力供給，進行可快速展開和撤收，長期工作性能可靠。在系統展開作業時，風載荷是影響其性能穩定的最重要因素，在相應的指標中也提出具體要求，文章對移動塔臺系統的結構情況進行說明，同時進行有限元分析計算。

1 總體結構說明

移動塔臺系統主要由運載底盤、升降塔、液壓控制單元、配電單元、支撐調平單元及附件等組成。運載底盤采用北奔1928A二類底盤運輸，其最高車速可達84km/h，上裝上裝可利用長度為6090mm，最大越野載重可達7000kg可以滿足裝載需求；在底盤上加裝車架總成、俯仰支架、運輸支撐架、抗風支撐腿等剛性結構，形成運輸及工作展開承載平臺。考慮快速展開架設及工作高度要求，將塔體設計成五節伸縮式結構，采用支撐軸與運輸平臺上的俯仰支架安裝，通過兩只俯仰油缸實現運輸時的水平狀態與工作時的垂直狀態轉換；塔體采用多節聯動起升方式，通過液壓系統提供動力，采用舉升油缸與起重鏈條進行舉升；塔體的工作垂直狀態采用液壓缸推動機械鎖定方式，并通過行程開關與俯仰、舉升動作互鎖。設置專用液壓站和電氣控制箱，對液壓元件和電氣元件進行集成安裝，通過電氣控制箱的控制面板進行系統操作，液壓站和電氣控制箱均安裝在運輸平臺適當位置。考慮系統的抗風要求，在塔頂部設置四條攬風繩，攬風繩采用自動跟繩器進行收放，展開時安裝在輔助支撐臂上，與塔節起降進行隨動同步收放。如圖1。

2 系統抗風能力分析

2.1 指標要求

抗風能力是塔臺運行工作的重要指標，其具體要求為：風速≤13.8m/s時，塔頂部水平最大擺動幅度≤±80mm，允許拉攬風繩；風速≤13.8m/s塔臺能夠正常架設和工作；風速≤20.7m/s能夠安全撤收；風速達到32.6m/s展開狀態下不破壞。

2.2 采取方案

主要采用如下方案：保證塔節剛度，各塔節采用鋼管焊接而成的桁架結構；考慮設置滑道及減小風載荷，將立柱設計成圓管；考慮定位準確將橫梁設計矩形管，斜撐采用圓管；考慮表面質量及良好的焊接性能均采用冷拔20#鋼材料，采用與已成型的塔架進行類比的設計方法，確定各截面尺寸；控制各塔節間隙：塔節采用專用工裝進行保證對角誤差控制在4mm之內；塔節之間的導向定位采用滾輪滑道形式，滾輪支座采用可調整方式，將滾輪與滑道間隙控制在2mm之內；設置攬風裝置：在第五節頂部設置4條攬風繩，攬風繩采用不銹鋼防卷鋼絲繩，頂部通過卸扣安裝，底部通過隨動跟線盤安裝在支撐腿端部，鋼絲繩抗拉強度為3.12T，完全能夠滿足架設要求；底盤調平及設置輔助支撐：設置底盤手動調平系統，并設置6只輔助支撐千斤頂，通過支撐臂使形成更大的穩定的展開支撐工作面，保證系統展開工作的穩定性。

2.3 分析校核

2.3.1 計算工況

根據系統要求，設定以下四種工況進行有限元計算；工況1：重力場載荷+風速13.8m/s風壓載荷，攬風繩拉緊狀態，正常工作，頂部水平擺動<100mm；工況2：重力場載荷+風速13.8m/s風壓載荷，攬風繩松開狀態，正常架設；工況3：重力場載荷+風速20.7m/s風壓載荷，攬風繩松開狀態，正常撤收；工況4：重力場載荷+風速32.6m/s風壓載荷，攬風繩拉緊狀態不破壞。

2.3.2 有限元分析建模

本次分析的任務是計算出塔架在各種工況下的應力分布和變形情況，屬于固體結構的分析范疇，所以決定此次分析的前處理采用Hypermesh軟件，求解計算采用Nastran軟件，塔架有限元模型均以以上軟件為基礎進行構建。

由于塔架結構較復雜，為了更好地分析各部分受力及位移情況，需要在建立有限元模型時在不影響計算結果的情況下對塔體進行一些合理的簡化：把塔架各節和框架之間的焊接處簡化成節點連接，且假設各節點間的連接為剛性的；頂部設備簡化為等效集中質量作用在塔體頂部；頂部設備可能受到的最大的風載荷分解為等效的力和力矩作用在相應的位置和質心處；由于塔架結構是由一系列界面形狀和尺寸相對固定的剛梁組成的，而且考慮到計算分析的經濟性，所以決定采用梁單元賦予對應的梁截面屬性來模擬塔架結構，梁單元決定選取cbar單元形式。建立一、二節塔架的梁單元之間采用首尾相接的節點耦合方式進行連接，第二節以上的每節連接采用彈簧單元模擬，這樣可以輸出攬風繩的拉力值。

2.3.3載荷、邊界條件及材料

重力場載荷定義：考慮到實際的工作環境和使用情況，塔架是在重力場的作用下工作的，所以決定在分析中施加重力場載荷。這里統一按照重力加速度g=9.8[m/s2]計算。

風壓載荷定義：我們知道，風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，根據伯努利方程得出的標準風壓公式：Wp=0.5·r·v2/g，其中：Wp為風壓[kN/m2]，r為空氣密度取r=0.01225[kN/m3]（在標準狀態下氣壓為101.3kPa，溫度為15°C），v為風速[m/s]（由于距地面高度不同時風速應進行修正，修正系數按GJB74A第3.13.13.4條表8選取，各節間風高系數按中間位置，采用差值法計算），重力加速度g=9.8[m/s2]（緯度為45°）處，我們得到： Wp=v2/1600。F風=Wp·S，其中：Wp為風壓[kN/m2]，S為節點迎風面積[m2]（各個鋼梁均以各自最大的截面計算所受壓力，迎風面積按正投影的2倍計算）。根據公式計算出塔架結構各個鋼梁所受到的風載荷，為了安全考慮所有的風載荷都以集中力的形式平均分布在各節塔架的所有節點上，節點數根據有限元網格劃分確認，從第一節至第五節依次為：71

5/652/636/576/500，塔頂節點數為1。

邊界條件定義：約束支撐腿與地面的固定點的x，y，z三個方向的平動自由度，放開繞三個方向的轉動自由度。約束底座車架的x，y，z三個方向的平動自由度，放開繞三個方向的轉動自由度。

材料定義：塔架結構采用鋼材料，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比u=0.3，密度p=7.85g/mm3。

2.3.4 有限元計算結果及分析

系統按照X軸、Y軸、45°三個方向加載，計算結果如下：工況1：塔頂最大變形69.86mm，最大應力32.5MPa，攬風繩最大拉力886N，節間提升鋼絲繩拉力值6868N；工況2：塔頂最大變形73.74mm，最大應力18.5MPa，節間提升鋼絲繩拉力值7206N；工況3：塔頂最大變形132.7mm，最大應力35.6MPa，節間提升鋼絲繩拉力值13039N；工況4：塔頂最大變形88.2mm，最大應力58.9MPa，攬風繩最大拉力6314N，節間提升鋼絲繩拉力值12875N。纜風繩增加2000N預緊力后，工況1塔頂最大變形3mm，工況4塔頂最大變形9mm，攬風繩最大拉力為11890N。

根據機械手冊查得，直徑8mm鋼絲繩最小破斷力3.12T；根據數據類比可得提升鋼絲繩安全系數為：正常工作4.54；正常架設4.3；正常撤收2.38；不破壞2.4；纜風繩安全系數為：固定工作狀態35.2，不破壞狀態5.8，施加預緊力后2.6；以上說明：選擇直徑8mm攬風繩可以滿足系統要求。

頂部變形量分析：工況1塔頂最大偏移量70mm<80mm滿足要求；工況2塔頂最大偏移量74mm，塔中心偏移角度為0.23度，由于塔頂彎曲，產生彎矩，會增加舉升阻力約為0.03g，舉升油缸的舉升力為6.5T，完全能夠滿足要求；工況3塔頂最大偏移量132.7mm，塔中心偏移角度為0.42度，下降過程靠自身重力克服摩擦力，由于是滾動摩擦，系數為0.01，由于偏移會使下降阻力增加約為0.07g，全部阻力為0.08g，遠遠小于自身重力，不會對下降產生影響；工況4最大風載荷狀態，未發生塑性變形。

在各個工況下的應力指標遠遠小于材料許用值，增加2000N預緊力，就會使塔頂部變形大大降低，計算結果都是滿足要求的。

3 結束語

移動塔臺系統總體結構經過系統的有限元分析計算，其抗風載能力能夠滿足性能指標要求，考慮車輛的承載能力及系統的整體協調性，經計算的相關結構未作出大的調整，該系統研制完成后經過實際模擬風載荷加載試驗，產品性能可靠。該系統多節套裝式塔架式結構，可在相類似領域得到應用。

參考文獻

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作者簡介：佟廣利（1972-），男，工程師，主要從事專用汽車設計。