光测设备特种载车结构设计

王守印，张春林，杨威

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

光测设备是对飞行物体进行外弹道测量的光学精密仪器，广泛应用于国防和国民经济等多个领域。光测设备通常有两种工作方式：固定式和移动式。固定式是将设备固定在塔台圆顶内。移动式是将光测设备安装在特种载车上。光测设备特种载车是光测设备实现机动布站的承载平台和运输工具［1-3］。

光测设备是高精度的测量仪器，不能承受很强的冲击、振动。设计载车时重点考虑如何控制振动的传递，保证车载光测设备在运输过程中所受到的冲击、振动在可承受的范围内。目前，国内对于光测设备等精密仪器特种载车结构及特性鲜有报道。本文针对特殊的四轮独立悬挂低货台载车结构进行了分析，并详细说明了该类载车的设计方法，为类似载车的结构设计提供了依据。

1 载车的基本特点

光测设备载车通常有全挂式和半挂式两种。全挂式因其减震性能良好，被常常采用。全挂式光测设备载车载车是低货台、四轮独立悬挂、车体可升降的特种拖车。车体的升降由油汽弹簧的伸缩来实现。运输时，车体升起，此时四个油汽弹簧承受载车总体的重量。油汽弹簧吸收来自行驶过程中产生的冲击、振动，保证光测设备免受大的冲击。

1.1 载车的组成

载车的整体结构由厢盖总成、厢体总成、底盘总成及配套装置等四部分组成。

（1）厢盖总成

由厢盖、支承摇臂、举升油缸、转柱、旋转机构、旋转限位装置等组成。

（2）厢体总成

由侧面厢体、出入门、电气舱、登车梯等组成。

（3）底盘总成

由车架、前后独立悬挂轮、机械支腿、牵引机构、刹车系统及手动刹车等组成。

（4）配套装置

主要由光测设备防翻装置、车底封板、厢盖定位支座、测高链及液压系统和电气系统等组成。图1给出了全挂式光测设备特种载车的外形图。

图1 光测设备特种载车的外形图

2 载车的设计原则

在专用汽车的范畴内，光测设备载车属于特种结构汽车。特种结构汽车是指具有桁架结构、平板结构等各种特殊结构，用于承担专项作业的专用汽车和汽车列车［4］。在特种结构汽车的设计时，除必须满足汽车安全法规的要求外，还需根据其功能的特殊要求，进行特种结构设计，使其能完成特定的工作。载车既是光测设备的运输平台，同时车架也是光测设备工作时的基座。这就要求车架要有较好的结构刚度，保证整车的可靠性。同时由于其装载设备的特殊性，载车还应有良好的平顺性，使光测设备在不同的路况运输时车体所产生的冲击振动不致影响设备的精度。

3 载车的结构设计

3.1 厢盖的结构设计

载车厢盖是光测设备的防护罩。光测设备工作时，载车厢盖开启后旋转180°落在地面上，厢盖的高度不能遮挡光测设备工作的视场。厢盖的结构如图2所示。

图2 厢盖结构示意图

工作时，控制举升油缸将厢盖开启，当厢盖的下边缘超过光测设备的顶部时，可手动操作转柱使厢盖旋转180°后落在地面上。根据光测设备的高度不同，厢盖开启的角度一般为30°～45°。旋转限位装置的功能就是厢盖在开启到最大角度之前限制其旋转，以免使厢盖与光测设备发生侧面碰撞。旋转限位装置设计时应保证厢盖在开启到最大角度之前，转柱不能旋转。厢盖的开启有机动、手动两种工作方式。

3.2 厢体的结构设计

根据光测设备的结构尺寸，在光测设备正倒镜和所有传感器不遮挡视场的前提下，确定载车厢体的高度。厢体的高度应大于厢盖的高度（图3中所示A＞B），以免厢盖落在地面上遮挡传感器的视场。左右侧壁板中间设置出入门，考虑操作人员出入方便，出入门的内口尺寸不小于1100mm×800mm（高×宽）。厢体的结构如图3所示。

图3 厢体的结构示意图

载车厢体组件为方舱型板块式结构。它由前壁板、后壁板、左右侧壁板和顶板等件组成。各壁板内蒙皮选用铝合金板，外蒙皮选用镀锌钢板。中间为方钢管骨架，骨架内充填硬质阻燃高强度聚氨脂泡沫板。各壁板拼焊成厢体，棱边均用角钢包边。

3.3 底盘的结构设计

底盘是载车的骨架，载车底盘的结构应满足下列条件：车体可以升降（升降距离大于300mm）、设备安装面有良好的结构刚度并尽可能低、车体应具有良好的平顺性、车体应安装机械支腿。

图4 底盘的结构示意图

图4为载车底盘的结构示意图。载车底盘采用低货台全挂式底盘。它由全挂式车架、前后独立悬挂轮、牵引机构、机械支腿、刹车系统等组成。

车架为凹梁式结构，车架纵向由两条大梁组合而成，车体大梁的截面形状为“口”字型。两个大梁之间通过槽钢焊接在一起。车架纵梁的前部和后部分别设置安装悬挂轮的装配平板。车架低货台前部设置安装牵引机构的连接接头。中部设置光测设备安装基座。

四个机械支分别设置在低货台前后直段外侧。机械支腿在载车长期驻车或底盘维修时与垫木配套使用。

3.4 配套装置的设计

光测设备安装在载车的中央，运输时光测设备与载车之间通过防翻装置固定。防翻装置由四根弹性拉杆组成。光测设备与载车之间的固定结构如图5所示。

图5 光测设备与载车之间的固定结构示意图

光测设备的底部与载车车架的大梁联接固定，光测设备的顶部通过四根弹性拉杆与车架联接固定，防止运输时光测设备发生侧翻。弹性拉杆的结构如图6所示，套筒一端与光测设备的顶部连接，钢丝绳的另一端与车架联接。运输前，调节紧线器，使弹簧压缩，拉杆产生预紧力。预紧力的大小应与光测设备的质量匹配，四根弹性拉杆的预紧力应一致。

图6 弹性拉杆的结构示意图

4 关键零件的校核计算

根据光测设备载车的结构特点以及工程经验，笔者将底盘和旋转限位装置中的转柱列为关键件。其中底盘的有关强度校核，笔者已有论述［5］，在此不再赘述。在天文罩开启过程中，立柱承载整个天文罩以及天文罩支臂的重量。在有风的状态下，还要承载风载荷。立柱失效，将会危及人身及光测设备的安全。下面以某型经纬仪载车为例，介绍转柱的强度校核过程。

4.1 天文罩受力分析

将天文罩及其支臂看做整体。以转柱上的A点作为支点，该箱盖的受力分析及结构尺寸如图7所示。天文罩重量G1=5000N，天文罩支架G2=3500N。G1对应的力臂LG1=2.865m，G2对应的力臂LG2=2.865-1.79+0.345=1.42m。油缸的支撑力F1对应的力臂LF1=0.385m。油缸与水平线夹角α=21°。支点A处受力F2，与水平面夹角为β。根据力矩平衡原理［6,7］，支撑力由下式计算得出：

图7 天文罩受力分析图

天文罩支架要保持平衡，根据平衡原则各水平和竖直方向的分力应该相等。因此有：

综合公式（2）、（3），可计算得到 F2=47735N，β =11°。

4.2 转柱受力分析

转柱受力情况分析如图8所示。 F1′、F2′与F1、F2大小相等，方向相反。 F1′、F2′水平方向分力分别为：

图8 转柱受力分析图

若以上轴承作为支点，根据力矩平衡原理，下轴承所受力矩M由下式得出：

转柱中的立柱为圆柱形，其内外径尺寸为d=0.084m，D=0.116m。立柱的抗弯刚度W由下式得出：

立柱所受的最大弯曲应力σ为：

立柱材料一般选40Cr，其屈服应力为σs=785MPa＞3σ。满足安全要求。

5 结论

按照上述方法设计的光测设备特种载车结构性能稳定，操作简单、方便。已在多个型号机动式光电经纬仪上得到成功应用。通过实际测试表明［8］，光测设备四轮独立悬挂特种载车在沥青路面和砂石路面上行驶时，光测设备的机座、转台、主光学系统等各典型部位的振动加速度均方根值小于0.5G。在这种振动强度下，光测设备的性能不受影响。

［1］何照才.光学测量系统［M］.北京：国防工业出版社，2002：15-26.

［2］赵学颜，李迎春.靶场光学测量［M］.北京：装备技术指挥学院出版社，2000：86-88.

［3］类成华，王守印，谭凡教.车载式光电经纬仪特性［J］.东北大学学报：自然科学版，2008，29（S1）：7-9.

［4］于志生.汽车理论（第二版）［M］.机械工业出版社，1998：169-171.

［5］王守印.特种载车结构对光测设备测量精度的影响［J］.仪器仪表学报，2011，32（6）：99-202.

［6］孙训方，方孝淑，陆耀洪.材料力学［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［7］哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［8］王守印，张春林，赵丽，等.光电经纬仪载车平顺性试验研究［J］.振动、测试与诊断，2010（1）：91-39.