光測設備特種載車結構設計

王守印，張春林，楊威

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

光測設備是對飛行物體進行外彈道測量的光學精密儀器，廣泛應用于國防和國民經濟等多個領域。光測設備通常有兩種工作方式：固定式和移動式。固定式是將設備固定在塔臺圓頂內。移動式是將光測設備安裝在特種載車上。光測設備特種載車是光測設備實現機動布站的承載平臺和運輸工具［1-3］。

光測設備是高精度的測量儀器，不能承受很強的沖擊、振動。設計載車時重點考慮如何控制振動的傳遞，保證車載光測設備在運輸過程中所受到的沖擊、振動在可承受的范圍內。目前，國內對于光測設備等精密儀器特種載車結構及特性鮮有報道。本文針對特殊的四輪獨立懸掛低貨臺載車結構進行了分析，并詳細說明了該類載車的設計方法，為類似載車的結構設計提供了依據。

1 載車的基本特點

光測設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。全掛式光測設備載車載車是低貨臺、四輪獨立懸掛、車體可升降的特種拖車。車體的升降由油汽彈簧的伸縮來實現。運輸時，車體升起，此時四個油汽彈簧承受載車總體的重量。油汽彈簧吸收來自行駛過程中產生的沖擊、振動，保證光測設備免受大的沖擊。

1.1 載車的組成

載車的整體結構由廂蓋總成、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、轉柱、旋轉機構、旋轉限位裝置等組成。

（2）廂體總成

由側面廂體、出入門、電氣艙、登車梯等組成。

（3）底盤總成

由車架、前后獨立懸掛輪、機械支腿、牽引機構、剎車系統及手動剎車等組成。

（4）配套裝置

主要由光測設備防翻裝置、車底封板、廂蓋定位支座、測高鏈及液壓系統和電氣系統等組成。圖1給出了全掛式光測設備特種載車的外形圖。

圖1 光測設備特種載車的外形圖

2 載車的設計原則

在專用汽車的范疇內，光測設備載車屬于特種結構汽車。特種結構汽車是指具有桁架結構、平板結構等各種特殊結構，用于承擔專項作業的專用汽車和汽車列車［4］。在特種結構汽車的設計時，除必須滿足汽車安全法規的要求外，還需根據其功能的特殊要求，進行特種結構設計，使其能完成特定的工作。載車既是光測設備的運輸平臺，同時車架也是光測設備工作時的基座。這就要求車架要有較好的結構剛度，保證整車的可靠性。同時由于其裝載設備的特殊性，載車還應有良好的平順性，使光測設備在不同的路況運輸時車體所產生的沖擊振動不致影響設備的精度。

3 載車的結構設計

3.1 廂蓋的結構設計

載車廂蓋是光測設備的防護罩。光測設備工作時，載車廂蓋開啟后旋轉180°落在地面上，廂蓋的高度不能遮擋光測設備工作的視場。廂蓋的結構如圖2所示。

圖2 廂蓋結構示意圖

工作時，控制舉升油缸將廂蓋開啟，當廂蓋的下邊緣超過光測設備的頂部時，可手動操作轉柱使廂蓋旋轉180°后落在地面上。根據光測設備的高度不同，廂蓋開啟的角度一般為30°～45°。旋轉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，以免使廂蓋與光測設備發生側面碰撞。旋轉限位裝置設計時應保證廂蓋在開啟到最大角度之前，轉柱不能旋轉。廂蓋的開啟有機動、手動兩種工作方式。

3.2 廂體的結構設計

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

圖3 廂體的結構示意圖

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

3.3 底盤的結構設計

底盤是載車的骨架，載車底盤的結構應滿足下列條件：車體可以升降（升降距離大于300mm）、設備安裝面有良好的結構剛度并盡可能低、車體應具有良好的平順性、車體應安裝機械支腿。

圖4 底盤的結構示意圖

圖4為載車底盤的結構示意圖。載車底盤采用低貨臺全掛式底盤。它由全掛式車架、前后獨立懸掛輪、牽引機構、機械支腿、剎車系統等組成。

車架為凹梁式結構，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。兩個大梁之間通過槽鋼焊接在一起。車架縱梁的前部和后部分別設置安裝懸掛輪的裝配平板。車架低貨臺前部設置安裝牽引機構的連接接頭。中部設置光測設備安裝基座。

四個機械支分別設置在低貨臺前后直段外側。機械支腿在載車長期駐車或底盤維修時與墊木配套使用。

3.4 配套裝置的設計

光測設備安裝在載車的中央，運輸時光測設備與載車之間通過防翻裝置固定。防翻裝置由四根彈性拉桿組成。光測設備與載車之間的固定結構如圖5所示。

圖5 光測設備與載車之間的固定結構示意圖

光測設備的底部與載車車架的大梁聯接固定，光測設備的頂部通過四根彈性拉桿與車架聯接固定，防止運輸時光測設備發生側翻。彈性拉桿的結構如圖6所示，套筒一端與光測設備的頂部連接，鋼絲繩的另一端與車架聯接。運輸前，調節緊線器，使彈簧壓縮，拉桿產生預緊力。預緊力的大小應與光測設備的質量匹配，四根彈性拉桿的預緊力應一致。

圖6 彈性拉桿的結構示意圖

4 關鍵零件的校核計算

根據光測設備載車的結構特點以及工程經驗，筆者將底盤和旋轉限位裝置中的轉柱列為關鍵件。其中底盤的有關強度校核，筆者已有論述［5］，在此不再贅述。在天文罩開啟過程中，立柱承載整個天文罩以及天文罩支臂的重量。在有風的狀態下，還要承載風載荷。立柱失效，將會危及人身及光測設備的安全。下面以某型經緯儀載車為例，介紹轉柱的強度校核過程。

4.1 天文罩受力分析

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

圖7 天文罩受力分析圖

天文罩支架要保持平衡，根據平衡原則各水平和豎直方向的分力應該相等。因此有：

綜合公式（2）、（3），可計算得到 F2=47735N，β =11°。

4.2 轉柱受力分析

轉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 轉柱受力分析圖

若以上軸承作為支點，根據力矩平衡原理，下軸承所受力矩M由下式得出：

轉柱中的立柱為圓柱形，其內外徑尺寸為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力σ為：

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

5 結論

按照上述方法設計的光測設備特種載車結構性能穩定，操作簡單、方便。已在多個型號機動式光電經緯儀上得到成功應用。通過實際測試表明［8］，光測設備四輪獨立懸掛特種載車在瀝青路面和砂石路面上行駛時，光測設備的機座、轉臺、主光學系統等各典型部位的振動加速度均方根值小于0.5G。在這種振動強度下，光測設備的性能不受影響。

［1］何照才.光學測量系統［M］.北京：國防工業出版社，2002：15-26.

［2］趙學顏，李迎春.靶場光學測量［M］.北京：裝備技術指揮學院出版社，2000：86-88.

［3］類成華，王守印，譚凡教.車載式光電經緯儀特性［J］.東北大學學報：自然科學版，2008，29（S1）：7-9.

［4］于志生.汽車理論（第二版）［M］.機械工業出版社，1998：169-171.

［5］王守印.特種載車結構對光測設備測量精度的影響［J］.儀器儀表學報，2011，32（6）：99-202.

［6］孫訓方，方孝淑，陸耀洪.材料力學［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［7］哈爾濱工業大學理論力學教研室編.理論力學［M］.北京：人民教育出版社，1978.

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