车载升降桅杆系统的关键技术思考.pdf

第3 0 卷第2 期2 0 0 9 年3 月应用光学J o u r n a lo fA p p l i e dO p t i c sV 0 1 3 0N o 2M a r 2 0 0 9文章编号：1 0 0 2 2 0 8 2(2 0 0 9)0 2 0 1 8 7 0 4车载升降桅杆系统的关键技术思考陈(1 西安应用光学研究所，立学1，刘宇1，李瑞峰2陕西西安7 1 0 0 6 5，2 北京北方车辆集团公司，北京1 0 0 0 7 2)摘要：为提高车载光电系统的作用距离，设计了一种升降式桅杆，采取液压驱动和机械传动相结合的复合传动形式，桅杆采用方形结构，长宽比控制在1：2 0 之内，采用硬铝合金材料，壁厚不小于3m m，桅杆最大升起高度1 0m，升起或降下时间lm i n，最大负重2 0 0k g。分析了桅杆的载荷能力、抗风特性和振动特性，给出了一种无滑环发条式收线装置，适合桅杆上下多路光电信号和电源电压传输。关键词：升降桅杆；光电系统；载荷能力；走线方式中图分类号：T N 9 7 1 1文献标志码：AT h i n k i n go nk e yt e c h n o l o g yo fv e h i c l em o u n t e de x t e n s i b l em a s ts y s t e mC H E NL i x u e l，L I UY u l，L IR u i f e n 9 2(1 X i a nI n s t i t u t eo fA p p l i e dO p t i c s，X i a n7 1 0 0 6 5，C h i n a；2 B e i j i n gN o r t hV e h i c l eG r o u pC o，B e i j i n g1 0 0 0 7 2，C h i n a)A b s t r a c t：F o re n h a n c i n gt h eo p e r a t i n gr a n g eo fv e h i c l em o u n t e dE 一0s y s t e ma n dk e e p i n gb e t t e ro b s e r v i n ga b i l i t yw h e nt h ev e h i c l ei sc o n c e a l a b l e，a ne l e v a t o rm a s ts y s t e mw h i c hc o u l db u r d e nal o n g r a n g eE Os y s t e mw a sd e s i g n e d T h ec o m p o u n dt r a n s m i s s i o nm o d ew h i c hc o m b i n e st h eh y d r o l i cd r i v ew i t ht h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na s s e m b l yi sa d o p t e d T h es q u a r es t r u c t u r ei su s e db yt h em a s t。w h o s el e n g t h w i d t hr a t i oi sc o n t r o l l e dw i t h i n1：2 0 I ti sm a d eo fa l u m i n i u ma l l o y。a n di t sw e l lt h i c k n e s si sm o r et h a n3m m I t sr a i s i n gh e i g h ti s10m，t h ed u r a t i o no fr i s i n gu po rg e t t i n gd o w ni s1m i n，a n dt h em a x i m u ml o a d i n gc a p a c i t yi s2 0 0k g T h el o a d i n gc a p a b i l i t y，w i n dr e s i s t a n c ea n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em a s ta r ea n a l y z e d As p r i n gt a k e u pw i t h o u ts l i pr i n gi sp r e s e n t e d，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es i g n a l st og ot oo rc o m ef r o mt h em a s ta n dt h ec u r r e n tt or e a c ht ot h eo p t i c a ls y s t e m sm o u n t e do nt h et o po ft h em a s t K e yw o r d s：e x t e n s i b l em a s t；E Os y s t e m；l o a d i n gc a p a c i t y；t a k e u pm o d e引言为提高诸如车载侦察、观瞄和火控等光电系统的作用距离，同时载车能够更好地隐蔽自己，提高生存能力，将光电传感器安装在可升降桅杆的承载平台上，是一个较好的解决方案。一方面桅杆承载的光电系统需要在高稳定精度下工作，另一方面，桅杆又安装在运动的车辆上。因此升降桅杆在设计过程中需要考虑载车、桅杆和光电传感器相互作用等诸多因素，如桅杆的结构形式、受力分析、振动特性和桅杆上下的电缆连接等。下面我们以负重1 5 0k g，观察距离1 5k m 的桅杆为例阐述设计过程中关键技术的考虑。1结构形式与参数选择1 1结构形式大负荷、高举升车载桅杆一般分为折叠式和伸收稿日期：2 0 0 8 0 9 2 7；修回日期：2 0 0 8 一1 1 2 4作者简介：陈立学(1 9 5 9 一)，男。吉林伊通人，高级工程师，主要从事光电系统总体技术研究工作。E m a i l：c h e n l i x u e m t o m c o m 万方数据1 8 8 应用光学2 0 0 9，3 0(2)陈立学，等：车载升降桅杆系统的关键技术思考缩式两种。折叠式桅杆一般为液压驱动，其举升力大承载能力强，相应的其体积质量较大，升降时耗费动力功率也比较大。收藏时平卧于载车顶部，所占空间较大，不适于承载体积相对较小的光电设备。伸缩式桅杆与折叠式相比，其举升承载能力较小，相应的体积质量较小，升降时耗费动力功率也比较小，可收藏于载车内部，不占用车顶空间，适于承载体积质量相对较小的光电仪器、通信天线等设备。伸缩式升降桅杆大致又可分为电动升降、气压升降和液压升降3 种。经过比较发现，电动升降桅杆升降速度太慢，1 01 T I 的行程需要(3 5)m i n，不能满足战场准备和撤收时间要求；气压桅杆升降时有跳跃，负重沉降明显，稳定性稍差，不能满足高精度光电设备对目标的定位要求；液压升降桅杆升降速度快、载荷能力强，如果液压驱动机构密封好，不会有明显的负重沉降，比较适合稳定精度较高，负荷在(1 0 0 2 0 0)k g 的升降平台。如果桅杆升程较高，采用纯液压驱动，所需液压油缸也会很大。为进一步减小体积、提高效率，我们采取液压驱动和机械传动相结合的复合结构形式。此外，考虑到承载光电设备的指向重复精度要求，桅杆采用方形结构，桅杆的长宽比控制在1：2 0之内，采用硬铝合金材料，壁厚不小于3m m，以保证其结构稳定性。1 2 参数的选择在桅杆的结构形式确定之后，按照实际使用要求确定具体参数就是桅杆设计技术关键。桅杆的主要技术参数有载荷能力、举升高度、负荷沉降和升降时间。桅杆的设计载荷能力主要取决于它所需要承载的设备重量，对用于侦察、跟踪和观瞄等目的的光电系统，需要配备双轴稳定平台，其重量往往是其所要稳定设备的几倍，设计载荷时应着重考虑。为保持桅杆负重稳定、平衡合理，其载荷重心应通过桅杆的几何中心。承载光电系统的桅杆平台主要用于隐蔽观察。遮蔽地形或遮蔽物的高度难以确定，因此，桅杆系统应用的另一个目的是克服地球曲率提高作用距离。假定地表为理想水平面，可以按照下式估算出桅杆高度与观察距离之间的关系：尺一3 5 7(厄+厄)式中：尺为观察距离(k m)；h。为桅杆高度(m)；h。为目标高度(m)。假如目标高2 3r n，最大作用距离为1 5k m，代入上式，可以计算出桅杆高7 2r n。在观察时间内，如果桅杆沉降量过大，会影响观察系统的指向精度，因此必须对桅杆单位时间内的沉降量提出要求。按照几何关系可以导出桅杆沉降量A h(m m)为 一10 0 0 A O R式中日为指向偏差(m r a d)。假如要求指向偏差为0 0 1m r a d，观察距离为1 5k m，代入上式得到在一个工作流程内最大允许沉降量为1 5 0m m。桅杆升降时间由系统准备和撤收时间合理分配决定。为实现先敌发现、先敌理解、先敌行动的战术要求，要求侦察系统快速反应，全系统准备时间最多不能超过1 0m i n，因为桅杆升起是侦察系统准备的前提，般不应该超过2m i n。2 稳定适应性2 1抗风特性桅杆及其承载设备具有一定的迎风面积，大风天气对桅杆造成的侧向风压不能忽视，因此抗风特性也是桅杆设计的一个技术关键。风压是垂直于气流方向的投影平面所受到的风的压力，对于重力场中的不可压缩均质流体，可根据伯努利(B e r n o u l l i)方程：p+p g z+去印2=c计算。上式中P 表示单位体积流体的压力能、p g z为重力势能，百1p 2 为动能。上式意义为流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。针对风压问题，可以只考虑动能一项，即风压为1。P w=虿P 口由于空气密度和空气重度的关系为r J D g，代人上式得到：r 口2加一1 F在标准状态下(气压10 1 3h P a，温度1 5C)，空气重度，一0 0 1 22 5k N m 3。重力加速度g=9 8m s 2，我们得到风压的近似公式为口2P*一r 丽那么桅杆因风压的侧向受力为凡嘞5 一斋式中：P。为风压(k N m 2)；P 为空气密度(g m 3)；口为风速(m s)。桅杆系统载车进入观察目的地后，万方数据应用光学2 0 0 9，3 0(2)陈立学。等：车载升降桅杆系统的关键技术思考1 8 9 很难保证找到理想水平的停车地面，桅杆的结构强度应该允许其在小角度倾斜状态下工作。桅杆倾斜工作会导致桅杆侧向受力增加，如果桅杆承载设备的质量为M，桅杆倾斜角度为口，则桅杆因倾斜增加的侧向受力为F s=9 8 M s i n a桅杆承受的总侧向力为fr 2 CF F。+F s=羔+9 8 M s i n a上UUU按照蒲福风力分级方法，最大风速以及按照最大风速计算出的最大风压见表1 所示。其中后两列显示的是一个计算实例。假设桅杆完全升起时，桅杆本身及其承载设备最大受风面积为S=3 0m 2，桅杆承载设备重量M 一1 5 0k g，倾斜口一3。计算模型中风力是按面积平均分布在整个桅杆上的，设计中还应该考虑作用在桅杆顶部设备上的风力所产生的力矩较大，最高一节的桅杆最细，在设计桅杆强度的时候留出足够的安全系数。表1不同风速下桅杆侧向受力情况T a b l e1D a t ao fl a t e r a ls t r e s sa td i f f i e r e n tw i n ds p e e d啊平均风速最人风速最大风压桅杆承受最大桅杆倾斜时侧“V(m S _ 1)v(m s“)p。(N m2)风力F。N向受力F N5 级9 01 0 77 22 1 62 9 36 级1 2 01 3 81 1 93 5 74 3 47 级1 6 01 7 11 8 35 4 96 2 68 级1 9 O2 0 72 6 88 0 48 8 12 2 振动特性桅杆侦察设备架设于桅杆顶部，桅杆在发动机振动、风压和重力等的综合作用下的振动谱特性，直接影响侦察设备的稳定工作，是桅杆承载设备稳定平台的设计关键参数。因此桅杆各种状态、载车发动机不同转速情况下的振动谱特性是桅杆设计成败又一关键因素。桅杆顶部承载平台的振动成因是多方面的，主要激振源有3 个方面：一是载车发动机振动；二是载车行进颠簸；三是风压致桅杆摇摆。3 种振动的综合效果必然是错综复杂的。但3 种振动未必同时作用在桅杆之七，可以根据具体使用工况，简化分析过程。如行进间观察工况：桅杆不升起，桅杆及其承载设备与车体锁定固连，激振源是车行颠簸和发动机振动，忽略风压致桅杆摇摆的主要因素。又比如定点侦察工况：载车到达指定观察地点，发动机熄火，桅杆升起工作，激振源主要来自风压致桅杆摇摆。使用概率最大的是发动机带速侦察工况：即载车到达指定观察地点，为便于机动(转移或撤退)发动机不熄火，桅杆升起工作，此时激振源既有来自风压致桅杆摇摆，又有发动机振动，情况比较复杂。针对此种工况，不同发动机转速和风速，对桅杆顶部平台的振动谱进行了测试分析。总的分析结果是：经过桅杆的传递，呈现低频放大、高频衰减趋势。设计桅杆的典型测试曲线如图1 所示。图1 中G 1(厂)是桅杆底部振动曲线，基本反映了激振源特性；G 2(厂)是桅杆顶部承载台振动曲线，反映了桅杆振动响应特性。在设计桅杆承载稳定系统时，以此为依据。j H z图1 桅杆典型振动谱特性曲线F i g 1C u r v e so ft y p i c a lv i b r a t i o n a ls p e c t r u m3固连与走线桅杆承载的光电系统不仅需要定点侦察，行进间观察也是其必备的功能。载车的运动、尤其是高速行驶自然会带来振动和起伏颠簸，因此必须考虑桅杆降下后与车体的同联，这种连接主要是强度加固。由于本光电系统需要行进间使用，无需沉人车厢内收藏，因此将桅杆套筒最外的固定层直接焊接在车厢的顶甲板上，既实现了连接加固，又兼顾了车厢的密封。同时，在适当位置没锥销以保证桅杆光电设备再次降落时高精度复位。桅杆车载的光电设备与载车内操控系统必然有电源、光电信号等线缆连接，在桅杆升降过程中，连接不能中断，而且线缆应该随着桅杆升降无缠绕自动收放，这同样是桅杆设计中不可避免的难题。目前，国外采用的桅杆上下走线方式主要有螺旋盘绕式、折叠式心1 和滑环式。螺旋盘绕式即线缆像弹簧一样在桅杆周围盘绕(见图2)，设计时需要考虑线缆的刚度，线缆不能与升降杆发生挂碰和自身缠绞；折叠式需要将线缆穿人折叠架，随着桅杆的升降，折叠架引导线缆叠放于收线盒内(见图3)。设计时需要考虑折叠架将增加桅杆的负担，还应该注意反复折叠会造成线缆折断；滑环式需要设计一个带 万方数据1 9 0 应用光学2 0 0 9，3 0(2)陈立学，等：车载升降桅杆系统的关键技术思考光电滑环的收线鼓，随着桅杆的升降同步收放线缆，对于少量芯数的电缆这是一个好的解决方案，对于电光混合多芯线缆需要配以电滑环和光纤滑环，设计时需要考虑滑环会增加弱信号传递噪声，同时需要注意到此方式会提高成本、增加复杂程度和降低可靠性。图2 盘绕式走线示意图F i g 2S k e t c ho fs p i r a lc a b l e图3 折叠式走线示意图F i g 3S k e t c ho ff o l d e dc a b l e综合分析上述3 种结构形式的优缺点，设计了一种无滑环发条式收线装置，如图4 所示。该装置包括均安装在支撑框架体上的驱动机构、拨轮机构、送线机构、发条机构。驱动机构在其钢丝受桅杆上升牵引时将驱动力同时传递给拨轮机构、送线机构和发条机构，以使发条机构上弦储能，拨轮机构将线缆按序输送给送线机构，后者以夹持方式将线缆平直释放；发条机构在桅杆下降时释放能量并通过驱动机构将动力传递给送线机构和拨轮机构，送线机构将线缆收入支撑框架体内并通过拨轮机构整齐堆放。适合桅杆上下多路光电信号以及电源传输。桅杆图4 桅杆及收线装置F i g 4M a s ta n dt a k e u p4结论综上所述，升降桅杆应用于车载的运动平台上，同时又要为精密的光电观察设备提供稳定的工作平台，必然会带来很多有待解决的技术问题，本文就其中的几个主要技术关键阐述了设计考虑。基于这些考虑，设计了一个车载桅杆系统。系统采用了液压驱动和机械传动相结合的复合形式，结构为方形，最大升高1 0m，升起或降下时间1m i n，实际测试最大负重2 0 0k g，可倾斜3。工作，满负荷沉降小于1m m h，结果完全满足设计要求。参考文献：1 亚沃尔斯基，杰特拉夫物理学手册I-M-I 北京：科学出版社，1 9 8 6，t B O P C K II 曲BM 且E T J I A(DAA H a n d b o o ko fp h y s i c a l s M B e i j i n g：S c i e n c eP r e s s，1 9 8 6 2 B R O W NJM A p p a r a t u sa n dm e t h o df o rc a r r y i n gw i r e sa l o n gav e h i c l e m o u n t e de x t e n s i b l em a s t：U S，6 15 8 5 5 5 P 2 0 0 0 1 0 1 2 万方数据车载升降桅杆系统的关键技术思考车载升降桅杆系统的关键技术思考作者：陈立学，刘宇，李瑞峰，CHEN Li-xue，LIU Yu，LI Rui-feng作者单位：陈立学,刘宇,CHEN Li-xue,LIU Yu(西安应用光学研究所,陕西,西安,710065)，李瑞峰,LIRui-feng(北京北方车辆集团公司,北京,100072)刊名：应用光学英文刊名：JOURNAL OF APPLIED OPTICS年，卷(期)：2009,30(2)被引用次数：1次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.亚沃尔斯基;杰特拉夫 物理学手册 19862.BROWN J M;BROWN J M Apparatus and method for carrying wires along a vehicle-mounted extensiblemast 2000 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.刘开平.赵东军 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