浅谈移动塔台系统抗风能力分析

摘 要：移动塔台多采用多塔节套装式结构，在民航、气象、通信、军事等领域得到了广泛应用；移动塔台系统采用5节塔节套装式塔架结构，文章对该系统总体结构进行说明，同时对其抗风能力进行分析计算。

关键词：移动塔台系统；结构说明；抗风能力分析；有限元计算

前言

移动塔台多采用多塔节套装式结构，采用专用车辆运输，并设有举升及锁定机构，在设备到达预定阵地后，可以迅速展开工作；该结构具有高机动自行式、可快速架设及良好的环境适应性，在民航、气象、通信、军事等领域得到了广泛应用。移动塔台系统采用5节塔节套装式结构，底部设置支撑平台，可将监控设备架高至25m作业高度，并可在任意位置固定，可满足监控设备架设不同工作高度需要，同时进行设备电力供给，进行可快速展开和撤收，长期工作性能可靠。在系统展开作业时，风载荷是影响其性能稳定的最重要因素，在相应的指标中也提出具体要求，文章对移动塔台系统的结构情况进行说明，同时进行有限元分析计算。

1 总体结构说明

移动塔台系统主要由运载底盘、升降塔、液压控制单元、配电单元、支撑调平单元及附件等组成。运载底盘采用北奔1928A二类底盘运输，其最高车速可达84km/h，上装上装可利用长度为6090mm，最大越野载重可达7000kg可以满足装载需求；在底盘上加装车架总成、俯仰支架、运输支撑架、抗风支撑腿等刚性结构，形成运输及工作展开承载平台。考虑快速展开架设及工作高度要求，将塔体设计成五节伸缩式结构，采用支撑轴与运输平台上的俯仰支架安装，通过两只俯仰油缸实现运输时的水平状态与工作时的垂直状态转换；塔体采用多节联动起升方式，通过液压系统提供动力，采用举升油缸与起重链条进行举升；塔体的工作垂直状态采用液压缸推动机械锁定方式，并通过行程开关与俯仰、举升动作互锁。设置专用液压站和电气控制箱，对液压元件和电气元件进行集成安装，通过电气控制箱的控制面板进行系统操作，液压站和电气控制箱均安装在运输平台适当位置。考虑系统的抗风要求，在塔顶部设置四条揽风绳，揽风绳采用自动跟绳器进行收放，展开时安装在辅助支撑臂上，与塔节起降进行随动同步收放。如图1。

2 系统抗风能力分析

2.1 指标要求

抗风能力是塔台运行工作的重要指标，其具体要求为：风速≤13.8m/s时，塔顶部水平最大摆动幅度≤±80mm，允许拉揽风绳；风速≤13.8m/s塔台能够正常架设和工作；风速≤20.7m/s能够安全撤收；风速达到32.6m/s展开状态下不破坏。

2.2 采取方案

主要采用如下方案：保证塔节刚度，各塔节采用钢管焊接而成的桁架结构；考虑设置滑道及减小风载荷，将立柱设计成圆管；考虑定位准确将横梁设计矩形管，斜撑采用圆管；考虑表面质量及良好的焊接性能均采用冷拔20#钢材料，采用与已成型的塔架进行类比的设计方法，确定各截面尺寸；控制各塔节间隙：塔节采用专用工装进行保证对角误差控制在4mm之内；塔节之间的导向定位采用滚轮滑道形式，滚轮支座采用可调整方式，将滚轮与滑道间隙控制在2mm之内；设置揽风装置：在第五节顶部设置4条揽风绳，揽风绳采用不锈钢防卷钢丝绳，顶部通过卸扣安装，底部通过随动跟线盘安装在支撑腿端部，钢丝绳抗拉强度为3.12T，完全能够满足架设要求；底盘调平及设置辅助支撑：设置底盘手动调平系统，并设置6只辅助支撑千斤顶，通过支撑臂使形成更大的稳定的展开支撑工作面，保证系统展开工作的稳定性。

2.3 分析校核

2.3.1 计算工况

根据系统要求，设定以下四种工况进行有限元计算；工况1：重力场载荷+风速13.8m/s风压载荷，揽风绳拉紧状态，正常工作，顶部水平摆动

2.3.2 有限元分析建模

本次分析的任务是计算出塔架在各种工况下的应力分布和变形情况，属于固体结构的分析范畴，所以决定此次分析的前处理采用Hypermesh软件，求解计算采用Nastran软件，塔架有限元模型均以以上软件为基础进行构建。

由于塔架结构较复杂，为了更好地分析各部分受力及位移情况，需要在建立有限元模型时在不影响计算结果的情况下对塔体进行一些合理的简化：把塔架各节和框架之间的焊接处简化成节点连接，且假设各节点间的连接为刚性的；顶部设备简化为等效集中质量作用在塔体顶部；顶部设备可能受到的最大的风载荷分解为等效的力和力矩作用在相应的位置和质心处；由于塔架结构是由一系列界面形状和尺寸相对固定的刚梁组成的，而且考虑到计算分析的经济性，所以决定采用梁单元赋予对应的梁截面属性来模拟塔架结构，梁单元决定选取cbar单元形式。建立一、二节塔架的梁单元之间采用首尾相接的节点耦合方式进行连接，第二节以上的每节连接采用弹簧单元模拟，这样可以输出揽风绳的拉力值。

2.3.3载荷、边界条件及材料

重力场载荷定义：考虑到实际的工作环境和使用情况，塔架是在重力场的作用下工作的，所以决定在分析中施加重力场载荷。这里统一按照重力加速度g=9.8[m/s2]计算。

风压载荷定义：我们知道，风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程得出的标准风压公式：Wp=0.5・r・v2/g，其中：Wp为风压[kN/m2]，r为空气密度取r=0.01225[kN/m3]（在标准状态下气压为101.3kPa，温度为15°C），v为风速[m/s]（由于距地面高度不同时风速应进行修正，修正系数按GJB74A第3.13.13.4条表8选取，各节间风高系数按中间位置，采用差值法计算），重力加速度g=9.8[m/s2]（纬度为45°）处，我们得到： Wp=v2/1600。F风=Wp・S，其中：Wp为风压[kN/m2]，S为节点迎风面积[m2]（各个钢梁均以各自最大的截面计算所受压力，迎风面积按正投影的2倍计算）。根据公式计算出塔架结构各个钢梁所受到的风载荷，为了安全考虑所有的风载荷都以集中力的形式平均分布在各节塔架的所有节点上，节点数根据有限元网格划分确认，从第一节至第五节依次为：71

5/652/636/576/500，塔顶节点数为1。

边界条件定义：约束支撑腿与地面的固定点的x，y，z三个方向的平动自由度，放开绕三个方向的转动自由度。约束底座车架的x，y，z三个方向的平动自由度，放开绕三个方向的转动自由度。

材料定义：塔架结构采用钢材料，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比u=0.3，密度p=7.85g/mm3。

2.3.4 有限元计算结果及分析

系统按照X轴、Y轴、45°三个方向加载，计算结果如下：工况1：塔顶最大变形69.86mm，最大应力32.5MPa，揽风绳最大拉力886N，节间提升钢丝绳拉力值6868N；工况2：塔顶最大变形73.74mm，最大应力18.5MPa，节间提升钢丝绳拉力值7206N；工况3：塔顶最大变形132.7mm，最大应力35.6MPa，节间提升钢丝绳拉力值13039N；工况4：塔顶最大变形88.2mm，最大应力58.9MPa，揽风绳最大拉力6314N，节间提升钢丝绳拉力值12875N。缆风绳增加2000N预紧力后，工况1塔顶最大变形3mm，工况4塔顶最大变形9mm，揽风绳最大拉力为11890N。

根据机械手册查得，直径8mm钢丝绳最小破断力3.12T；根据数据类比可得提升钢丝绳安全系数为：正常工作4.54；正常架设4.3；正常撤收2.38；不破坏2.4；缆风绳安全系数为：固定工作状态35.2，不破坏状态5.8，施加预紧力后2.6；以上说明：选择直径8mm揽风绳可以满足系统要求。

顶部变形量分析：工况1塔顶最大偏移量70mm

在各个工况下的应力指标远远小于材料许用值，增加2000N预紧力，就会使塔顶部变形大大降低，计算结果都是满足要求的。

3 结束语

移动塔台系统总体结构经过系统的有限元分析计算，其抗风载能力能够满足性能指标要求，考虑车辆的承载能力及系统的整体协调性，经计算的相关结构未作出大的调整，该系统研制完成后经过实际模拟风载荷加载试验，产品性能可靠。该系统多节套装式塔架式结构，可在相类似领域得到应用。

参考文献

[1]王肇民.塔桅结构[M].上海：同济大学出版社，1989.

[2]于开平.Hypermesh从入门到精通[M].北京：科学出版社，2005.

[3]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出社，1998.

[4]成大先.机械设计手册（第5版）（第2卷）[M].北京：化工工业出版社，2007.

作者简介：佟广利（1972-），男，工程师，主要从事专用汽车设计。