小型系留气球锚泊车结构总体设计

仝 允，王平安

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 工程系统研究部，合肥 230088)

0 引言

系留气球是一种浮空器，它广泛应用于遥感通讯、环境监测、气象预报、低空预警等领域[1-2]。经过国内外几十年的发展，系留气球已经形成一系列的规格体系，气球体积已经实现从几十立方米到几万立方米的阶梯式覆盖。不同规格的系留气球根据其升空高度及带载能力的大小又发挥着不同的用途。小型系留气球系统可以搭载监控摄像设备，在低空中对一定范围内的地面情况进行监视，适用于边境巡逻、反恐侦察、森林防火、抢险救灾、道路监控等多种场合；还可以搭载中继通信等设备，保障局域应急通信。由于其具备能源消耗少、驻空时间长、效费比高、机动性强等特点，越来越受到国内外关注，也将具备更广阔的应用前景[3-5]。

锚泊车属于系留气球系统的重要组成部分，承担着系统地面设备的安装、系统工作时气球的放出和收回、地面待命状态时气球的锚泊固定以及转移阵地时的运输等工作[6]。对于小型系留气球，其锚泊车的设计则必须在满足安全可靠等基本功能的前提下，具备结构紧凑、重量轻、架设及拆装方便、操作人员少、自动化程度高等特点。基于此，本文以80 m3的小型系留气球为研究对象，开展锚泊车的结构总体设计工作。

1 设计要求

该锚泊车的设计要求如下：

(1)锚泊车应满足设备安装及对气球的锚泊固定要求，设备总体布局合理；

(2)锚泊车应满足系统架设及拆装方便，所需操作人员少，自动化程度高；

(3)锚泊车应满足总重量不超过2 200 kg(含设备)，结构紧凑，集成度高；

(4)锚泊车应满足安全性要求(安全系数1.5)；

(5)锚泊车应满足3级公路和一般铁路运输要求。

2 结构设计

2.1 设备组成

小型系留气球的锚泊车主体由底盘、厢体框架、锚泊圆环、系留支臂等组成，安装在锚泊车上的设备有系留绞车、系留绞盘、储氦系统、电源、发电机、UPS模块、控制配电箱等。锚泊车结构组成框图如图1所示，其中虚线框出部分为所安装的设备。

2.2 总体布局及功能设计

锚泊车结构布局及设备安装图如图2所示。支撑腿安装在底盘上，系留绞盘安装在系留支臂上，功能设备主要安装在厢体框架内，其中，电源系统、发电机、UPS模块及控制配电箱安装在前部分，系留绞车安装在中部位置，氦气瓶对称安装在框架厢体两侧，氦气管路沿厢体内表面布置，氦气仪表布置在电源系统上层位置，方便观察氦气瓶压力值。

在系留气球处于地面锚泊固定状态时，支撑腿展开作为支撑点承载整个系统的重量，系留支臂旋转展开，使得3组系留绞盘均布在气球的拉索垂落点位置。系留气球的锚泊固定通过两方面实现：一是通过系留绞盘收紧拉索固定系留气球；二是通过锚泊圆环和系留气球底部的绑扎带临时固定。系留气球工作时，松开锚泊圆环上的绑扎带，启动系留绞盘及系留绞车，系留绞盘放出拉索，系留绞车放出用于气球和地面通信及供电的缆绳，缆绳兼具牵引系留气球的作用，系留气球内部充入的氦气使气球具备足够的净浮力上升达到设计高度。

2.3 典型部件结构设计

锚泊车的底盘选用中置单轴挂车底盘，牵引高度可调，具备手动制动和惯性制动系统，配有行走轮，可临时驻停及低速拖拽。底盘具备机动性能，满足机动性要求。底盘加装4个支撑腿，支撑腿可90度折叠固定在底盘底部，在锚泊车工作时展开作为支撑，在运输时折叠，不影响运输。

厢体框架主体为Q235方管及Q345钢板焊接结构，上表面铺设花纹铝板，后面设下翻门，用于人员登车。在电源系统及氦气仪表位置的右侧面开设侧翻门，方便观察；在控制配电箱的左侧面开设侧翻门，方便控制按钮；在发电机的前侧面开设上翻门，方便维修；此外，厢体框架左侧和右侧均开设长下翻门，方便氦气管路布置及检测维修。

锚泊圆环为钢管弯曲焊接而成，底部设计有法兰与厢体框架连接，方便拆装。锚泊圆环包裹海绵橡胶板，可减少与球体的磨损。系留支臂为Q345钢板折弯焊接而成，安装在锚泊圆环根部，可自由旋转，在收拢和展开的指定位置设计有插销，用于系留支臂固定。

2.4 工艺设计及表面处理

为了优化锚泊车的生产制造过程，提高其整体性能，在工艺和表面处理方面进行了如下的设计。

(1)对于需要进行机加工的零件，在满足功能的前提下，选用切削性能好、性价比高的Q235低碳钢及Q345低碳钢。

(2)厢体框架主体为Q235方管焊接，为了保证焊缝与母材相匹配，选用二氧化碳气体保护焊。它具有焊缝质量好、焊接成本低、生产效率高等优点。此外，设计了焊接配套工装，严格控制施焊环境温度和湿度，焊前进行焊缝局部喷砂处理，焊后采用机械或加热方法去应力，保证焊接质量[7]。

(3)除安装的设备外，对锚泊车的整体喷漆部位进行防护，提高了环境适应性。喷漆工艺在专用的封闭厂房进行，严格按照喷砂、喷铝、喷涂底漆、喷涂面漆的工艺顺序执行，保证镀涂质量。

3 有限元分析

有限元软件是现代工程设计中一种有效、快捷的辅助工具，利用有限元软件对锚泊车进行强度分析及结构优化，能够减少试验，节约成本，为锚泊车的刚强度设计提供理论支持[8]。

锚泊车主承力结构为底盘、厢体框架及系留支臂，主要为焊接结构。根据该小型系留气球在空中系留及锚泊固定时的工况，运用Abaqus有限元分析软件对锚泊车开展强度分析。

3.1 结构材料

底盘与厢体框架连接的车架及系留支臂的材料为Q345钢板，厢体框架的材料为Q235方管，结构材料型号及参数如表1所示。

表1 结构材料型号及参数

3.2 载荷工况

系留气球共有两种工作状态，即空中系留和地面锚泊。系留气球在工作时承受侧风、上升风、下沉风的载荷作用。以系留气球球心为坐标原点，系留气球计算坐标如图3所示，按照在空中系留时，稳态风速10 m·s-1，突风7.62 m·s-1；在地面锚泊时，稳态风速20 m·s-1，突风7.62 m·s-1，计算得出锚泊车在各种工作状态及锚泊车自重情况下的载荷工况[9]，锚泊车载荷工况如表2所示。

从锚泊车自身结构的受力情况分析，其共有4种受力形式：一是自重状态；二是空中系留状态，系留气球驻停在空中，通过系留缆绳对系留绞车施加拉力；三是地面锚泊状态1，系留气球处于锚泊状态，系留气球遭受侧风或上升风，载荷通过3根拉索对3组系留支臂施加拉力；四是地面锚泊状态2，系留气球在地面锚泊状态遭受头部下沉风，载荷通过锚泊圆环施加在锚泊车上。由表2所得的载荷计算结果，根据锚泊车不同工作状态下的受力形式，选取锚泊车受载最大的工况(工况1、工况3、工况6、工况7)进行有限元分析。

表2 锚泊车载荷工况

3.3 边界条件

采用梁单元建立锚泊车有限元模型，将锚泊车的4个支撑腿固定约束，针对工况1、工况3、工况6、工况7分别对锚泊车框架、系留绞车、系留支臂、锚泊圆环按照相应计算载荷进行加载。

3.4 仿真计算结果

锚泊车各载荷工况下应力云图如图4所示。可以看出在自重状态下最大应力出现在锚泊车厢体框架与底盘连接处；在空中系留状态时，锚泊车整体受力变小，最大应力仍位于厢体框架上；在地面锚泊状态1时，最大应力位于系留支臂根部；在地面锚泊状态2时，最大应力位于锚泊圆环上。

列出锚泊车各组成结构部件的最大应力及安全系数，锚泊车仿真计算结果如表3所示。

表3 锚泊车仿真计算结果

经以上计算分析，各工况下锚泊车的安全系数均大于1.5，满足强度设计要求。

4 安全性分析

抗倾覆能力与抗侧滑能力是锚泊车安全性设计的重点，是衡量锚泊车能否在风载等外力作用下稳定锚泊的关键指标[10]。以下将对所设计的锚泊车进行抗倾覆及抗侧滑能力校核。

4.1 抗倾覆校核

锚泊车地面锚泊状态受力简图如图5所示，载荷作用中心为球体中心，轴向力Fx、侧向力Fy和法向力Fz，球体中心离地面高度H，锚泊车四个支撑腿的支撑力分别为F1、F2、F3、F4，四个支撑腿间的距离分别为L1、L2、L3，锚泊车自重G。

由于轴向力和侧向力方向随风向变化而变化，因此对各载荷工况进行抗倾覆分析，分别对应I、II、III三个方向。锚泊车地面系留状态共3种工况，而工况7(下沉风)对于锚泊车的抗倾覆性能是增强的，因此仅针对工况5(侧风)和工况6(上升风)进行分析。

(1)当风载荷方向为I向时，力矩平衡方程为：

(1)

假设锚泊车支撑腿1和支撑腿3处于离地临界状态，则：F1+F3=0；

此时，锚泊车倾覆边距RI为：

(2)

定义抗倾覆安全系数SI：

(3)

(2)当风载荷方向为II向时，力矩平衡方程为：

(4)

假设锚泊车支撑腿3和支撑腿4处于离地临界状态，则：F3+F4=0；

此时，锚泊车倾覆边距RII为：

(5)

定义抗倾覆安全系数SII：

(6)

(3)当风载荷方向为III向时，力矩平衡方程为：

(7)

假设锚泊车支撑腿1、支撑腿2、支撑腿3均处于离地临界状态，则：F1=0，F2+F3=0；

此时，锚泊车倾覆边距RIII为：

(8)

定义抗倾覆安全系数SIII：

(9)

式中：H=3 870 mm，L1=2 470 mm，L2=2 000 mm，L3=3 178 mm，G=21 500 N。将表2中工况5和工况6的载荷值分别代入上述公式，求得锚泊车的抗倾覆安全系数SI、SII、SIII，各工况下安全系数如表4所示。

表4 各工况下安全系数

由上表可知，锚泊车在设定工况下安全系数均大于1.5，符合安全性设计要求。

4.2 抗侧滑校核

在工作状态下，锚泊车需保证不会因外载荷的作用产生侧滑。在设计时，可通过将支撑腿与垫木固联、增加垫木与地面之间摩擦系数的方法，提高抗侧滑能力。不产生侧滑的条件为：锚泊车与地面的最大静摩擦力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，垫木与硬质路面的摩擦系数μ均大于0.6。在锚泊车地面系留状态的3种工况中，工况7(下沉风)对于锚泊车的抗侧滑性能是增强的，因此分析时仅针对工况5(侧风)和工况6(上升风)。校核结果如下：

工况5：

Ff=12 000 N>F水平合力=1 789 N

工况6：

Ff=11 580 N>F水平合力=1 700 N

因此锚泊车不会发生侧滑，满足抗侧滑要求。

5 运输性设计

5.1 公路运输设计

运输设计主要考虑锚泊车的重量和最大外廓尺寸。锚泊车属于单轴半挂车，国标[11]中要求重量不超过18 000 kg，长×宽×高不超过13 750 mm×2 550 mm×4 000 mm。本方案中，锚泊车总重2 150 kg，运输状态整车最大外形长×宽×高为4 600 mm×2 200 mm×2 200 mm，满足公路运输要求。

5.2 铁路运输设计

进行铁路运输时，锚泊车整体外廓应满足铁路车辆货物装载限界要求。锚泊拖车铁路运输示意图如图6所示，整车铁路运输不超过基本货物装载限界，满足铁路运输要求。

6 结论

本文以体积为80 m3的小型系留气球为例，进行了锚泊车结构总体设计。从功能要求、设备组成及总体布局、结构工艺设计、有限元分析、安全性校核及运输设计等方面展开阐述，结果表明该锚泊车满足各项功能指标要求，强度及安全性均具有较合理的裕度。实际应用效果反馈，该锚泊车安全可靠、结构紧凑、布局合理、集成化及自动化程度均达到用户预期。