小型系留氣球錨泊車結構總體設計

仝 允，王平安

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 工程系統研究部，合肥 230088)

0 引言

系留氣球是一種浮空器，它廣泛應用于遙感通訊、環境監測、氣象預報、低空預警等領域[1-2]。經過國內外幾十年的發展，系留氣球已經形成一系列的規格體系，氣球體積已經實現從幾十立方米到幾萬立方米的階梯式覆蓋。不同規格的系留氣球根據其升空高度及帶載能力的大小又發揮著不同的用途。小型系留氣球系統可以搭載監控攝像設備，在低空中對一定范圍內的地面情況進行監視，適用于邊境巡邏、反恐偵察、森林防火、搶險救災、道路監控等多種場合；還可以搭載中繼通信等設備，保障局域應急通信。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，越來越受到國內外關注，也將具備更廣闊的應用前景[3-5]。

錨泊車屬于系留氣球系統的重要組成部分，承擔著系統地面設備的安裝、系統工作時氣球的放出和收回、地面待命狀態時氣球的錨泊固定以及轉移陣地時的運輸等工作[6]。對于小型系留氣球，其錨泊車的設計則必須在滿足安全可靠等基本功能的前提下，具備結構緊湊、重量輕、架設及拆裝方便、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，開展錨泊車的結構總體設計工作。

1 設計要求

該錨泊車的設計要求如下：

(1)錨泊車應滿足設備安裝及對氣球的錨泊固定要求，設備總體布局合理；

(2)錨泊車應滿足系統架設及拆裝方便，所需操作人員少，自動化程度高；

(3)錨泊車應滿足總重量不超過2 200 kg(含設備)，結構緊湊，集成度高；

(4)錨泊車應滿足安全性要求(安全系數1.5)；

(5)錨泊車應滿足3級公路和一般鐵路運輸要求。

2 結構設計

2.1 設備組成

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

2.2 總體布局及功能設計

錨泊車結構布局及設備安裝圖如圖2所示。支撐腿安裝在底盤上，系留絞盤安裝在系留支臂上，功能設備主要安裝在廂體框架內，其中，電源系統、發電機、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，氦氣管路沿廂體內表面布置，氦氣儀表布置在電源系統上層位置，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時，支撐腿展開作為支撐點承載整個系統的重量，系留支臂旋轉展開，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：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，系留氣球內部充入的氦氣使氣球具備足夠的凈浮力上升達到設計高度。

2.3 典型部件結構設計

錨泊車的底盤選用中置單軸掛車底盤，牽引高度可調，具備手動制動和慣性制動系統，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鋼板焊接結構，上表面鋪設花紋鋁板，后面設下翻門，用于人員登車。在電源系統及氦氣儀表位置的右側面開設側翻門，方便觀察；在控制配電箱的左側面開設側翻門，方便控制按鈕；在發電機的前側面開設上翻門，方便維修；此外，廂體框架左側和右側均開設長下翻門，方便氦氣管路布置及檢測維修。

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

2.4 工藝設計及表面處理

為了優化錨泊車的生產制造過程，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，選用二氧化碳氣體保護焊。它具有焊縫質量好、焊接成本低、生產效率高等優點。此外，設計了焊接配套工裝，嚴格控制施焊環境溫度和濕度，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力，保證焊接質量[7]。

(3)除安裝的設備外，對錨泊車的整體噴漆部位進行防護，提高了環境適應性。噴漆工藝在專用的封閉廠房進行，嚴格按照噴砂、噴鋁、噴涂底漆、噴涂面漆的工藝順序執行，保證鍍涂質量。

3 有限元分析

有限元軟件是現代工程設計中一種有效、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構優化，能夠減少試驗，節約成本，為錨泊車的剛強度設計提供理論支持[8]。

錨泊車主承力結構為底盤、廂體框架及系留支臂，主要為焊接結構。根據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 結構材料

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，結構材料型號及參數如表1所示。

表1 結構材料型號及參數

3.2 載荷工況

系留氣球共有兩種工作狀態，即空中系留和地面錨泊。系留氣球在工作時承受側風、上升風、下沉風的載荷作用。以系留氣球球心為坐標原點，系留氣球計算坐標如圖3所示，按照在空中系留時，穩態風速10 m·s-1，突風7.62 m·s-1；在地面錨泊時，穩態風速20 m·s-1，突風7.62 m·s-1，計算得出錨泊車在各種工作狀態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。

從錨泊車自身結構的受力情況分析，其共有4種受力形式：一是自重狀態；二是空中系留狀態，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1，系留氣球處于錨泊狀態，系留氣球遭受側風或上升風，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2，系留氣球在地面錨泊狀態遭受頭部下沉風，載荷通過錨泊圓環施加在錨泊車上。由表2所得的載荷計算結果，根據錨泊車不同工作狀態下的受力形式，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、錨泊圓環按照相應計算載荷進行加載。

3.4 仿真計算結果

錨泊車各載荷工況下應力云圖如圖4所示。可以看出在自重狀態下最大應力出現在錨泊車廂體框架與底盤連接處；在空中系留狀態時，錨泊車整體受力變小，最大應力仍位于廂體框架上；在地面錨泊狀態1時，最大應力位于系留支臂根部；在地面錨泊狀態2時，最大應力位于錨泊圓環上。

列出錨泊車各組成結構部件的最大應力及安全系數，錨泊車仿真計算結果如表3所示。

表3 錨泊車仿真計算結果

經以上計算分析，各工況下錨泊車的安全系數均大于1.5，滿足強度設計要求。

4 安全性分析

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

4.1 抗傾覆校核

錨泊車地面錨泊狀態受力簡圖如圖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。

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

(1)當風載荷方向為I向時，力矩平衡方程為：

(1)

假設錨泊車支撐腿1和支撐腿3處于離地臨界狀態，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SI：

(3)

(2)當風載荷方向為II向時，力矩平衡方程為：

(4)

假設錨泊車支撐腿3和支撐腿4處于離地臨界狀態，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SII：

(6)

(3)當風載荷方向為III向時，力矩平衡方程為：

(7)

假設錨泊車支撐腿1、支撐腿2、支撐腿3均處于離地臨界狀態，則：F1=0，F2+F3=0；

此時，錨泊車傾覆邊距RIII為：

(8)

定義抗傾覆安全系數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SI、SII、SIII，各工況下安全系數如表4所示。

表4 各工況下安全系數

由上表可知，錨泊車在設定工況下安全系數均大于1.5，符合安全性設計要求。

4.2 抗側滑校核

在工作狀態下，錨泊車需保證不會因外載荷的作用產生側滑。在設計時，可通過將支撐腿與墊木固聯、增加墊木與地面之間摩擦系數的方法，提高抗側滑能力。不產生側滑的條件為：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，墊木與硬質路面的摩擦系數μ均大于0.6。在錨泊車地面系留狀態的3種工況中，工況7(下沉風)對于錨泊車的抗側滑性能是增強的，因此分析時僅針對工況5(側風)和工況6(上升風)。校核結果如下：

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

因此錨泊車不會發生側滑，滿足抗側滑要求。

5 運輸性設計

5.1 公路運輸設計

運輸設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[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 鐵路運輸設計

進行鐵路運輸時，錨泊車整體外廓應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，進行了錨泊車結構總體設計。從功能要求、設備組成及總體布局、結構工藝設計、有限元分析、安全性校核及運輸設計等方面展開闡述，結果表明該錨泊車滿足各項功能指標要求，強度及安全性均具有較合理的裕度。實際應用效果反饋，該錨泊車安全可靠、結構緊湊、布局合理、集成化及自動化程度均達到用戶預期。