某车载站保障方舱车总体结构设计

乔 雨

(中国电子科技集团公司 第二十七研究所，河南 郑州 450047)

0 前言

现代军事战术技术的发展要求军事装备拥有更加有效的机动能力和可靠的工作性能，在日益复杂和恶劣的战场环境中，军事装备必须改善其适应各种使用环境的能力[1]。车载站因其具备机动性好、适应性强、展开撤收快、运输方便等特点，在现代军事领域得到广泛应用。如何在车载站的总体结构设计和布局方面采取有效措施，使装备布局更紧凑合理，空间利用率更高，载荷分配更有效，便于装备的操作和维修，提高装备的机动性，满足公路运输和装备快速转场的要求，实现易地快速展开工作，是车载站总体结构设计时需重点考虑的因素。同时电子设备方舱作为电子设备和操作人员的主要载体，方舱的环控设计、电磁屏蔽设计及人机工程也是设计师在进行电子设备设计时应考虑的重点[2-4]。以某车载站保障方舱车为例，对该车载站的设计思路及总体结构布局设计进行简要说明，并从整车安全性、系统温控、电磁屏蔽及人机工程等方面进行了详细的分析和论述。

1 设计思路及总体结构布局设计

根据某车载站的使用要求，保障方舱车应具备良好的公路行驶性、抗风性能、展收便捷性、环境适应性的特点。同时，方舱车装载的设备量大，设备集成度高，主要的电子设备包括6个机柜、4个操控台、1个2.4 m天线、1个动中通天线、1台40 kW汽油机及其他设备。考虑到2.4 m天线应具备单独使用的功能及天线在升降过程对人机环境造成的影响，保障方舱车采用了运输车装载2个方舱的布局。图1为保障方舱车整体布局图。

图1 保障方舱车布局图

运输车作为设备的承载平台，应具有足够的承载能力及良好的动力性能。根据方舱车承载设备质量和体积需求，运输车选择了陕汽SX 2300型重型卡车，该车具有承载能力强、越野性能好等特点。运输装载车改装主要包括运输平台、调平支腿及附件箱等设计。

运输车装载有2个方舱，分别为设备方舱和天线方舱，其中设备方舱主要装载设备机柜和操控台，为操作人员提供安全舒适的工作环境；天线方舱主要装载2.4 m天线及其配套电子设备。根据设备需求，设备方舱采用标准的6 m直角大板方舱，其外形尺寸为：长度为6 058 mm，宽度为2 438 mm，高度为2 290 mm。

设备方舱划分为3个独立空间：方舱前部为供电间，舱内上方安装整体式空调，下方安装静音电站，舱顶安装动中通天线；方舱中部为设备间，舱内安装有4个36U机柜，舱顶安装2台顶置空调；方舱后部为工作间，舱内安装有4个操作台和配套座椅、UPS柜、配电箱及其他配套设备。

天线方舱外形尺寸为：长度为2 820 mm，宽度为2 438 mm，高度为2 290 mm。安装有2.4 m天线系统，舱内左右两侧各设置1个25U机柜，舱内后部安装了空调和避雷装置。天线方舱顶采用电动顶盖结构，工作时可自动打开，天线系统可通过升降平台升至舱顶。

2 安全性分析

保障方舱车结构设计中，为确保整车设备结构布局的合理性，应避免出现整车重心过于偏离车辆纵向中心线及重心过高或重心过于靠后靠前等现象，因此应对保障方舱进行安全性校核。

假设保障方舱车的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴建立空间三维坐标系。通过计算，得到保障方舱车的质心位置为：X轴向5 719.5 mm，Y轴向1 231.9 mm，Z轴向2 259.1 mm。

2.1 轴载及稳定性校核

设备运输车允许的最大装载质量为40 000 kg，设备方舱及其他设备总质重约为26 500 kg，前后桥负载的计算表达式分别为：

G前=G总(L-x)/L

(1)

G后=G总-G后

(2)

式中，G前为前桥负载，单位kg；G后为后桥负载，单位kg；G总为总质量，单位kg；L为轴距，单位mm，x为质心距离前桥的纵向距离，单位为mm。经计算，后桥负载G后为11 395 kg，小于后轴允许最大轴载质量(14 000 kg)；前桥负载G前为15 105 kg，小于前轴允许最大轴载质量(26 000 kg)。

保障方舱车前桥负载与设备方舱及其他设备总质量的比例为43%，大于允许的比例(20%)，因此保障方舱车前后轴负荷分配合理，满足要求。

假定保障方舱车左向静止在侧坡上，以左轮为支点在右侧轮的受力为零时达到倾覆的临界点，根据横向静态稳定角计算公式：

tgϑ=(b/2-e)/H

(3)

式中，ϑ为横向静态稳定角，单位(°)；b为轮距，单位mm；e为质心偏离纵向中心线的距离，单位mm；H为质心高度，单位mm。经计算，得到保障方舱车的横向静态稳定角为23.4°，大于横向静态临界倾覆角要求的20.0°。因此，保障方舱车侧坡行车安全，满足横向稳定性要求。

纵向静态稳定角的计算公式为：

ϑ′=arctan(L2/H)

(4)

式中，ϑ′为纵向静态稳定角，单位(°)，L2为质心到后桥中心线的水平距离，单位mm，H为质心高度，单位mm。经计算，得到保障方舱车的纵向静态稳定角为45.5°，大于纵向静态临界倾覆角要求的21.8°。因此，保障方舱车纵坡行车安全，满足纵向稳定性要求。

2.2 抗风能力校核

根据设计要求，设备应满足风速为12级时的稳定可靠性。风阻力计算公式为：

Fx=Cxv2A/16

(5)

式中，Fx为风阻力；Cx为风阻力系数，矩形平板取1.2，单位N·s2·m-4；v为风速，12级风速取35 m/s，A为迎风面积，单位m2。经计算，保障方舱车的风阻力为3 215.6 N。

风阻力产生的最大倾覆力矩计算公式为：

M=FxⅹH风

(6)

式中，M为最大倾覆力矩，单位kg·m；H风为风阻力到地面的垂直距离，单位m。经计算，保障方舱车的风阻力产生的最大倾覆力矩为8 039.1 N·m。

保障方舱车的最小抗倾覆半径Rmin为该车承受最大风阻力时产生的最大倾覆力矩与车辆总质量的比值，其值为0.3 m。假设保障方舱车轮距为1.99 m，则其稳定半径R约为1 m。当风速达到12级风时，保障方舱车的安全系数计算表达式为：

n=R/Rmin

(7)

式中，n为安全系数；R为稳定半径，单位m；Rmin为最小抗倾覆半径，单位m。

经计算，得到保障方舱车的安全系数为3.3，大于安全系数为1.0的标准值。由此可以判定，在风速为12级时，保障方舱车稳定可靠。此外，通过计算，得出保障方舱车的抗滑移安全系数为3.1，大于抗滑移安全系数标准值(1.5)。因此，保障方舱车抗滑移性能稳定可靠。

3 温控设计

设备方舱安装了2台制冷量为5 kW和2台制冷量为4 kW的空调，天线方舱安装了1台制冷量为5 kW的空调。方舱采用空调温控方式，要求在夏季时设备方舱内温度不高于28 ℃，天线方舱内温度不高于35 ℃。方舱内热负荷主要来源于方舱热传导、电子设备散热、人员散热、太阳辐射及空气换热等几个方面。经计算，设备方舱总热负荷为14 399 W，天线方舱总热负荷为2 844 W。

此外，保障方舱车要求在冬季环境温度为-40 ℃的情况下能正常工作，且工作舱内温度不低于18 ℃，天线方舱的温度不低于0 ℃。在此状况下，方舱内的热量损失主要包括方舱传热、空气交换及设备预热等方面。经计算，设备方舱的热量损失为7 738 W，天线方舱的热量损失为2 318 W。

根据上述参数及保障方舱车使用环境要求，设备方舱内选用了4台空调总制冷量为18 kW，制热量为10 kW；天线方舱内选用了空调总制冷量5 kW，制热量为3 kW。保障方舱车选用的空调能够满足环境要求。

4 电磁屏蔽设计

方舱要求在频率150 kHz～10 GHz范围内，屏蔽效能大于40 dB。方舱屏蔽设计主要包括以下几个方面：① 方舱大板采用两面铝板蒙皮结构，具有一定的屏蔽功效，能有效减少电磁泄露；② 方舱大板间采用铆接工艺进行连接，可使方舱成为完整的电连续体，提高了屏蔽性能；③ 方舱门采用特制的铝型材结构，门与门框的铝型材之间装有导电密封垫材料；④ 方舱通风孔口处安装了高屏蔽效能的蜂窝屏蔽波导；⑤ 为了防止电磁干扰，避免由于电磁感应而降低方舱的屏蔽效能，同时为了更好地实现电源滤波，确保人员和设备的安全，方舱必须采用合理的接地方法。

5 人机工程学设计

设备方舱不仅是电子设备的安装空间，也是操作人员的工作场所，因此，设备方舱的设计不但应满足设备性能要求，还应为操作人员提供舒适的工作环境。设备方舱将操作人员工作间与机柜设备及油机间隔开，并在油机间内粘贴吸音棉，使操作人员工作间的噪声降至60 dB以下。方舱内饰喷涂冰灰色氟碳漆，操控台等设备均以浅灰色色调为主，整体色彩较为淡雅。操控台高度、台面上工作区域、操作人员四肢活动空间等均符合人机工程学设计，工作间还配备了航空座椅，为操作人员提供了舒适的工作环境。

6 结语

本文介绍了某车载站保障方舱车的总体结构设计及相关分析论证，其总体设计能够满足机动性能、环境适应性、维修性能的要求，同时具备了维修便捷、操作简单、机动灵活等特点，可广泛应用于军事装备领域。