吳 蓉

(中國電子科技集團公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

一種基于小型應(yīng)急通信車的基站裝車設(shè)計

吳 蓉

(中國電子科技集團公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

文中介紹了小型應(yīng)急通信車的設(shè)計原則，梳理了基于小型應(yīng)急通信車的基站天線裝車形式，創(chuàng)新性地提出了一種車尾外擺式升降桿基站天線的裝車方案，對3種升降桿裝車形式進行了歸納對比，并詳細(xì)介紹了外擺式升降桿基站天線裝載方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和安全穩(wěn)定性校核方法。

小型應(yīng)急通信車；車尾外擺式；基站天線裝車設(shè)計；安全性校核

引 言

近年來國內(nèi)外發(fā)生了多起公共突發(fā)事件和重大自然災(zāi)害，小型應(yīng)急通信車在事件或災(zāi)難現(xiàn)場的救援活動中快速、機動、靈活和高效，能最大限度地保障國家和人民的生命、財產(chǎn)安全。為保證有效的救援能力，需要在小型應(yīng)急通信車有限的空間內(nèi)對設(shè)備高度集成，因此對小型應(yīng)急通信車的裝車集成提出了更高的要求。作為機動通信系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，基站天線是連結(jié)基站收發(fā)信機與空間信號之間的紐帶，對應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況以及通話質(zhì)量的高低具有直接的影響。因此，科學(xué)合理地安裝和架設(shè)基站天線是對無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋進行補盲和優(yōu)化的重要支撐[1]。

在小型應(yīng)急通信車的天線裝車設(shè)計中，部分基站設(shè)備(如BTS天線、微波天線、避雷針等)需要在行駛過程中進行車內(nèi)存放，使用時為獲取大的覆蓋范圍和通視范圍，需要快速架高使用。因此需要小型應(yīng)急通信車隨車配備升降桿，以滿足使用要求。經(jīng)過實際對比驗證和梳理，給出了一種安全、高效的車尾外擺式升降桿基站天線裝載模式。該模式在停車時通過旋轉(zhuǎn)支架置于車右側(cè)，保證后門上下開啟；在行車時旋轉(zhuǎn)收在車身后部固定，保證不超寬，有效地解決了后門打開和行車超寬的矛盾。

1 設(shè)計原則

小型應(yīng)急通信指揮車基站天線裝車設(shè)計的總原則是安全、可靠、適用和經(jīng)濟[2]。以研制任務(wù)書和相關(guān)國標(biāo)、軍標(biāo)為設(shè)計依據(jù)，裝車設(shè)計應(yīng)貫徹以下原則：

1) 具備安全性?；咎炀€裝車設(shè)計中選用的材料應(yīng)無毒，阻燃性好，對可能給人身造成傷害的部位應(yīng)進行安全性設(shè)計，且整車應(yīng)具有良好的行駛穩(wěn)定性、抗

風(fēng)性。

2) 具備可靠性。為滿足基站設(shè)備獲取大的覆蓋范圍和通視范圍，需要將天線可靠地架設(shè)到一定高度后使用。在產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝、售后服務(wù)等方面都要進行安全可靠性設(shè)計。

3) 具備適用性。創(chuàng)造友好的人機工作環(huán)境，小型應(yīng)急通信車基站天線應(yīng)架設(shè)快捷，使用方便，滿足人機工程，降低操作人員的疲勞程度(包括聽覺、視覺、人的姿態(tài)等方面)，應(yīng)充分考慮上裝設(shè)備的安裝、使用和維修。

4) 具備經(jīng)濟性。裝車設(shè)計應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的性能和價格，使性能價格比在同類系統(tǒng)和條件下達(dá)到最優(yōu)。

2 基站天線裝車方案

2.1 底盤選型

根據(jù)應(yīng)急通信車功能區(qū)域的劃分，來確定載車上裝設(shè)備選型和整車基本布局。再根據(jù)預(yù)選的上裝設(shè)備尺寸和重量以及經(jīng)濟適用的原則進行底盤選型。

在小型應(yīng)急機動通信領(lǐng)域，通常選用載重量為0.5 t的底盤。此類載車底盤通常選用長豐獵豹、一汽豐田陸地巡洋艦等作為載車平臺，獵豹CFA2030和一汽豐田陸地巡洋艦4700的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 底盤參數(shù)(獵豹2030、豐田4700對比)

從表1可知，豐田4700在整車裝備質(zhì)量、涉水深度和最高車速等關(guān)鍵越野性能上明顯優(yōu)于獵豹2030，且豐田4700在使用可靠性方面有很大優(yōu)勢，故本設(shè)計方案采用豐田4700作為載車平臺。

2.2 天線升降桿裝車方案

2.2.1 升降桿裝載形式對比

現(xiàn)有升降桿的小型車裝載方式有車頂橫臥式、車內(nèi)直立式和車尾外擺式3種裝載方式。

車頂橫臥式一般指在車輛行駛過程中將升降桿固定在車頂，駐車后，多人協(xié)作將升降桿架設(shè)后使用。該方式多被傳統(tǒng)的應(yīng)急通信車采納，均在駐車情況下才能展開工作，無法滿足一些突擊搶險任務(wù)的通信保障要求[3]。但此安裝方式具有結(jié)構(gòu)件加工簡單的優(yōu)點，僅需在車頂平臺上安裝結(jié)構(gòu)件固定升降桿，且無需破壞車頂結(jié)構(gòu)，不影響整車的密封性能。該方式的缺點是使用麻煩，需依靠多人協(xié)作架設(shè)后方能使用，且運輸過程中升降桿占據(jù)了車頂空間，影響了整車的承載。其裝載形式如圖1所示。

圖1 車頂橫臥式

車內(nèi)直立式一般用于在行駛過程中升降桿仍需架設(shè)使用的情況?？紤]到車的行駛穩(wěn)定性，將升降桿固定在車內(nèi)第2排2個座椅中間，在車頂相應(yīng)處開孔，使用時升降桿展開架設(shè)即可。車內(nèi)升降桿固定件簡單，故此種方式具有安裝、使用方便的優(yōu)點，但會破壞車頂結(jié)構(gòu)，影響密封性能，且占用車內(nèi)、車頂空間，影響了整車的承載。其裝載形式如圖2所示。

圖2 車內(nèi)直立式

車尾外擺式一般用于應(yīng)急通信車系統(tǒng)功能繁復(fù)、上裝設(shè)備多、整車承載趨于極限的情況。升降桿在行駛過程中固定在車尾，停車后將升降桿托盤旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)一定角度后通過拉桿固定于車尾右側(cè)。此方式升降桿固定結(jié)構(gòu)件繁多，加工精度要求高，安裝過程復(fù)雜，但不占用車內(nèi)及車頂空間，整車的承載范圍能力較大，且無需破壞車頂結(jié)構(gòu)。其裝載形式如圖3所示。

圖3 車尾外擺式

近年來，小型應(yīng)急通信車功能多元化的需求愈發(fā)強烈，故需在有限的空間內(nèi)對設(shè)備高度集成。結(jié)合多年的工程實際經(jīng)驗，車尾外擺式能保證載車有較大的承載空間，故本方案選擇車尾外擺式升降桿安裝形式。

2.2.2 升降桿車尾外擺式原理

在車輛行駛過程中，車尾外擺式升降桿的旋轉(zhuǎn)支架固定于車身后部，停車使用時旋轉(zhuǎn)支架搖擺一定角度后固定于車右側(cè)后使用，如圖4所示。車尾外擺式升降桿承載天線多，且不占用車頂和車內(nèi)空間。為保證桅桿的穩(wěn)定性和天線架設(shè)的可操作性，桅桿閉合高度與車身等高，桅桿距離地面高度滿足離地間隙和離去角要求，手搖裝置距離地面高度應(yīng)便于人員站立操作。

圖4 車尾外擺式升降桿結(jié)構(gòu)形式

2.2.3 升降桿車尾外擺式支架設(shè)計

車尾外擺式支架設(shè)計需在桅桿下部配托盤，桅桿頂部除用旋轉(zhuǎn)拉桿固定外，還用另一拉桿將桅桿頂部與車頂平臺固定。安裝桅桿上下部支撐件采用高強度合金鋼制作，在行駛和展開式時桅桿和車通過固定拉桿采用不銹鋼定位銷鎖定。桅桿上的天線底座采用防銹鋁合金材料制作，所有緊固件采用不銹鋼材質(zhì)制造。

2.2.4 升降桿車尾外擺式安裝

(1)桅桿和天線安裝

在車體右側(cè)后部拐角處通過旋轉(zhuǎn)支架垂直安裝1根手動桅桿，行車時旋轉(zhuǎn)收在車身后部固定，保證不超寬；停車時通過旋轉(zhuǎn)支架置于車右側(cè)，保證后門上下開啟。

(2)天線和避雷針安裝

行車時，基站天線、饋線和避雷針固定在車尾行李艙，停車架設(shè)時固定在桅桿頂端。

(3)接口窗

在車體右側(cè)安裝一外電源信號接口窗，在接口窗設(shè)置有電源輸入插座、微波接線柱、基站天線插座和接地柱等。停車展開時通過該接口窗實現(xiàn)車內(nèi)外的電源信號對接，同時保證車身的密閉性。

2.3 天線升降桿裝車安全性校核

2.3.1 展開工作時整車校核

以底盤前軸兩輪與水平地面接觸點連線的中點為坐標(biāo)原點，以車頭往后為X坐標(biāo)正向，以車寬往右為Y坐標(biāo)正向，以車高為Z坐標(biāo)正向，建立空間三維坐標(biāo)系。計算公式有：

L縱= (M1X1+M2X2+M3X3+…) /Mg

L橫= (M1Y1+M2Y2+M3Y3+…) /Mg

Hg= (M1Z1+M2Z2+M3Z3+…) /Mg

式中：L縱為縱向重心位置，mm；L橫為橫向重心位置，mm；Mg為整車質(zhì)量，kg；Hg為整車重心至地面的高度，mm；M1、M2、M3表示上裝設(shè)備的質(zhì)量，kg。

展開工作狀態(tài)下車上裝設(shè)備的質(zhì)量和質(zhì)心位置見表2(以豐田4 700為例)。由計算可知，整車質(zhì)量3 075 kg < 3 300 kg，即集成后整車質(zhì)量小于該車廠家最大允許總質(zhì)量。其重心位置為：縱向重心位置即X坐標(biāo)位置1 541 mm；橫向重心位置即Y坐標(biāo)位置6mm; 高度重心位置即Z坐標(biāo)位置1083mm。前橋軸載N1=Mg×(軸距-L縱)/ 軸距=1412kg <1440kg，后橋軸載N2=Mg-N1=1 663 kg < 1 860 kg，均未超過廠家最大允許質(zhì)量。右輪載荷為1547kg，左輪載荷為1528kg，左右偏差率1.2% < 3%。縱向和橫向穩(wěn)定性均滿足行駛穩(wěn)定性要求。

2.3.2 抗風(fēng)穩(wěn)定性校核

因基站天線和微波天線等迎風(fēng)面較大，且距離地面高度較高，故整車需進行抗風(fēng)穩(wěn)定性校核。整車受風(fēng)載荷作用，當(dāng)風(fēng)載荷為水平方向時，作用力最大。同時受重力作用，當(dāng)重力相對于支點的力矩大于風(fēng)載荷相對于支點的力矩時，整車不會翻倒。展開時整車抗風(fēng)力受力分布如圖5所示。

圖5 展開時整車抗風(fēng)力受力分布圖

根據(jù)使用環(huán)境要求，抗風(fēng)能力為：8級風(fēng)正常工作；10級風(fēng)設(shè)備不損。根據(jù)風(fēng)速(這里取28 m/s)換算成風(fēng)載荷:

F1=KρV2A1= 4 391.0 N

F2=KρV2A2= 229.8 N

F3=KρV2A3= 63.8 N

式中：F為風(fēng)載荷，N；ρ為空氣密度，ρ=1.226 kg/m3；V為風(fēng)速，V= 28 m/s；A為迎風(fēng)面積，m2；K為狀態(tài)系數(shù)，K= 0.664。

重力G=mg=29 253 N (m為天線質(zhì)量，g為重力加速度)；重力相對于支點的力矩W1=GS= 23 797 N·m(S為力臂，m)；風(fēng)載荷相對于支點的力矩W2=F1S1+F2S2+F3S3= 6 729 N·m。從計算結(jié)果可知，重力相對于支點的力矩大于風(fēng)載荷相對于支點的力矩，即風(fēng)速小于28 m/s、桅桿高度小于6 m時，整車不會翻倒。

表2 展開工作狀態(tài)下上裝設(shè)備的質(zhì)量和質(zhì)心位置表

3 結(jié)束語

本文梳理了基于小型應(yīng)急通信車的基站天線裝車形式，創(chuàng)新性地提出了一種車尾外擺式升降桿裝車方案，并詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和安全穩(wěn)定性校核方法。文中關(guān)于天線升降桿裝車集成設(shè)計的理念已在小應(yīng)急通信車裝車集成設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)急通信領(lǐng)域競爭的激烈，應(yīng)急通信車的設(shè)計研制周期已大幅度縮短，設(shè)計人員面臨著用很短的時間設(shè)計生產(chǎn)出滿足用戶需求產(chǎn)品的問題，文中提供的一些經(jīng)驗可供他們參考。

[1] 楊榮麗. 基于移動通信基站天線技術(shù)方案的分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013(25): 8.

[2] 闞劍平, 戴成崗, 毛勤儉. 小型機動指揮控制系統(tǒng)的裝車集成設(shè)計[C]// 2009年機械電子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集. 太原: 中國電子學(xué)會電子機械工程分會, 2009.

[3] 劉琨偉, 鄭興義. 動中通應(yīng)急通信車的設(shè)計[J].專用汽車與配件, 2011(4): 38-41.

吳 蓉(1983-)，女，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和質(zhì)量管理工作。

Base Station Antenna Mounting Design for Small Emergency Communication Vehicles

WU Rong

(The28thResearchInstituteofCETC,Nanjing210007,China)

The design principles and base station antenna mounting methods for small emergency communication vehicles are introduced in this paper. A creative solution is put forward for base station antenna mounting which uses swing-out in rear-end lifting rods. And three mounting methods of lifting rods are compared in this solution. The structural design process and safety & stability check method for base station antenna mounting using swing lifting rods are described in detail.

small emergency communication vehicle; swing-out in rear-end; base station antenna loading design; safety check

2014-04-20

TN82

A

1008-5300(2014)04-0038-04