一種車(chē)載自動(dòng)架設(shè)天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

0引言

電子信息化技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)相關(guān)產(chǎn)品性能提出了越來(lái)越高的要求:一方面,在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,為了提高產(chǎn)品對(duì)目標(biāo)信號(hào)的捕捉能力,其天線陣口面設(shè)計(jì)尺寸不斷增大;另一方面,為了提高產(chǎn)品在各種復(fù)雜環(huán)境下的生存能力,需要根據(jù)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)隨機(jī)快速轉(zhuǎn)換場(chǎng)地,對(duì)產(chǎn)品機(jī)動(dòng)性提出了更高的要求。

車(chē)載產(chǎn)品系統(tǒng)與固定站產(chǎn)品系統(tǒng)相比,具有機(jī)動(dòng)性好、可迅速靈活轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)。但大型天線陣的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)了一系列問(wèn)題,例如天線組合體拆裝運(yùn)輸不方便,嚴(yán)重制約了其在車(chē)載平臺(tái)上的應(yīng)用。因此,大型天線陣能夠在場(chǎng)地快速自動(dòng)架設(shè)展開(kāi)投入工作狀態(tài),具有架設(shè)人員少、工作強(qiáng)度小的特點(diǎn),滿足當(dāng)前對(duì)電子信息化產(chǎn)品高機(jī)動(dòng)性的基本要求^[1]。

1 設(shè)計(jì)總要求

產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)功能及指標(biāo)要求:

1)產(chǎn)品折疊撤收后可滿足公路運(yùn)輸限界要求。

2)六面陣工作時(shí)需要適時(shí)保持水平姿態(tài)。

3)主面陣背架上天線單元安裝基面精度在±5mm 以內(nèi)(包括±5 mm)。

4)天線陣抗風(fēng)能力:在10級(jí)風(fēng)力(28 m/s)下正常工作,12級(jí)風(fēng)力(36 m/s)環(huán)境下不損壞。

5)自動(dòng)架設(shè)/撤收時(shí)間小于10 min。

2 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

該天線陣主要由主面陣、六面陣組成。其中,主面陣由若干天線單元(陣列分布)、3個(gè)機(jī)箱I、1個(gè)轉(zhuǎn)接箱組成,六面陣由24個(gè)天線單元、1個(gè)機(jī)箱Ⅱ組成。根據(jù)各設(shè)備功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用以下結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì):主面陣隨方位轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn);機(jī)箱I(3個(gè))、機(jī)箱Ⅱ(1個(gè))及轉(zhuǎn)接箱集成在主面陣背部;六面陣固定在主面陣頂部;設(shè)備艙固定于方位轉(zhuǎn)盤(pán)上。該車(chē)載組合天線陣 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 主面陣折疊設(shè)計(jì)

主面陣由天線單元陣列排布而成,為了保證每個(gè)天線單元的安裝精度,主面陣背架采用Q355B矩形管焊接,矩形背架對(duì)角采用Q355B斜撐圓形管加強(qiáng)形式,用以保證天線陣背架的剛強(qiáng)度。

根據(jù)主面陣天線外形尺寸,并綜合考慮底盤(pán)自身高度及GJB 2948—1997《運(yùn)輸裝載尺寸與重量限值》中關(guān)于公路運(yùn)輸車(chē)輛外形限制的要求(12 000 mm×2 500 mm×4 000 mm)^[2] ,主面陣背架沿著縱向線分解為左背架、中心背架及右背架三片結(jié)構(gòu)體,相互通過(guò)軸式機(jī)械鉸鏈連接;主面陣左、右背架的展開(kāi)和折疊采用電動(dòng)缸來(lái)驅(qū)動(dòng);主面陣展開(kāi)到位時(shí),相鄰兩片背架拼縫處設(shè)計(jì)拼接凸臺(tái)面來(lái)定位;由于主面陣尺寸大,左、右背架重量較重,連接的機(jī)械鉸鏈負(fù)載力不均衡,因此左、右背架采用雙桿電動(dòng)缸同時(shí)驅(qū)動(dòng),可增強(qiáng)主面陣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳動(dòng)穩(wěn)定性。為解決雙桿電動(dòng)缸動(dòng)作同步問(wèn)題,此處采用單電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu),并在其減速器輸入端設(shè)置應(yīng)急狀態(tài)時(shí)使用的手搖接口。主面陣折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 主面陣倒伏設(shè)計(jì)

主面陣的中心背架固定于方位轉(zhuǎn)盤(pán)上,同樣采用單電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)主面陣的翻起和倒伏;電動(dòng)缸選用梯形絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)形式, 自身具有自鎖性,一方面可保證電機(jī)意外斷電主陣面翻起過(guò)程中的安全穩(wěn)定性,另一方面,方便電機(jī)減速器故障的拆卸維修。主面陣倒伏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.4 六面陣水平調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

當(dāng)主面陣俯仰工作角為α°時(shí),六面陣亦會(huì)跟隨俯仰α°;依照設(shè)計(jì)要求,六面陣工作時(shí)其需保持在水平狀態(tài),此處六面陣底座采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈與主面陣頂端連接,并在其底座下方布置一個(gè)電動(dòng)缸,進(jìn)行—α°的反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償,從而調(diào)節(jié)六面陣至水平狀態(tài),如圖4所示。

2.5 天線陣運(yùn)輸鎖定設(shè)計(jì)

天線陣倒伏后車(chē)載運(yùn)輸時(shí),會(huì)隨路基狀況受到隨機(jī)振動(dòng)和沖擊,為防止對(duì)天線陣和舉升電動(dòng)缸造成疲勞應(yīng)力破壞,需要將倒伏的長(zhǎng)懸臂天線陣進(jìn)行固定,此處在中心背架背部頂端處設(shè)置V型導(dǎo)向塊,其側(cè)面預(yù)制銷孔;對(duì)應(yīng)的車(chē)載平臺(tái)上設(shè)置運(yùn)輸托架,在其上安裝V型導(dǎo)向座和自動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu);當(dāng)天線陣倒伏臨近到位時(shí),V型導(dǎo)向塊和V型導(dǎo)向座配合導(dǎo)向,天線陣倒伏到位后,由 自動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)自動(dòng)鎖定。運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.6 天線陣撤收過(guò)程

當(dāng)完成相關(guān)工作后,對(duì)天線陣進(jìn)行撤收時(shí),在伺服控制箱上有“自動(dòng)撤收”(按鍵一次,連續(xù)完成撤收)操作鍵,可一次性完成撤收。將撤收動(dòng)作分解后,步驟如下:

1)六面陣回初始零位(和主面陣恢復(fù)00夾角),動(dòng)作完成時(shí)間約30 S;

2)主面陣俯仰回900零位,動(dòng)作完成時(shí)間約90 S;

3)主面陣折疊,動(dòng)作完成時(shí)間180 S;

4)主面陣倒伏,動(dòng)作完成時(shí)間270 S;

5)運(yùn)輸鎖定,動(dòng)作完成時(shí)間10 S。

撤收完成后,運(yùn)輸狀態(tài)如圖6所示。

自動(dòng)架設(shè)過(guò)程按照撤收過(guò)程逆向動(dòng)作即可,兩者動(dòng)作過(guò)程用時(shí)一致。

自動(dòng)架設(shè)/撤收天線陣時(shí),以上動(dòng)作連續(xù)完成實(shí)測(cè)時(shí)間合計(jì)580 S,滿足小于10 min的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 天線陣力學(xué)分析

3.1 有限元建模及工況分析

依照天線陣三維模型,建立有限元分析模型;對(duì)天線陣的各種工作環(huán)境和工況進(jìn)行分析,影響天線陣面主要工況為陣面展開(kāi)時(shí)其重力及風(fēng)力載荷;按

照10級(jí)28 m/S風(fēng)力作用下正常工作,36 m/S風(fēng)力作用下不損壞的指標(biāo)要求進(jìn)行力學(xué)分析。

3.2 材料

天線陣背架的制造加工材料為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q355B,其材料力學(xué)性能如表1所示。

3.3力學(xué)分析

3.3.1變形分析

天線陣背架在10級(jí)風(fēng)力28 m/S條件下工作,其有限元分析位移云圖結(jié)果如表2所示。

3.3.2強(qiáng)度分析

天線陣背架在12級(jí)風(fēng)力36 m/S條件下工作,其有限元分析應(yīng)力云圖結(jié)果如表3所示。

3.4結(jié)論

根據(jù)以上有限元分析數(shù)據(jù),在10級(jí)風(fēng)載荷下,主面陣背架結(jié)構(gòu)變形最大值為3.91 mm,達(dá)到指標(biāo)小于5mm要求;在12級(jí)極限風(fēng)載荷下,主面陣和六面陣背架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為182Mpa,小于屈服極限應(yīng)力355Mpa,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文按照車(chē)載產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,對(duì)天線陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì);結(jié)合車(chē)載平臺(tái)尺寸,對(duì)天線陣自動(dòng)架設(shè)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以滿足公路運(yùn)輸機(jī)動(dòng)性要求;各機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,提高了產(chǎn)品架設(shè)自動(dòng)化程度;其中的折疊、倒伏機(jī)構(gòu)采用單電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,優(yōu)點(diǎn)是主面陣展開(kāi)后,車(chē)載設(shè)備抗風(fēng)載荷能力強(qiáng),展開(kāi)折疊過(guò)程中傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定,可增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)動(dòng)性、設(shè)計(jì)可靠性。

另外,將六面陣堆疊在主面陣頂部,依托主面陣翻起后的頂部高度,達(dá)到其工作高度條件;設(shè)計(jì)一種角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),滿足六面陣水平姿態(tài)工作條件。此處摒棄采用獨(dú)立升降塔舉高六面陣的行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,既提高了車(chē)載平臺(tái)空間利用率,又較大地縮短了架設(shè)/撤收時(shí)間。

利用相關(guān)分析軟件對(duì)最惡劣工況下的天線陣進(jìn)行了有限元分析,結(jié)果表明天線陣剛強(qiáng)度均符合理論設(shè)計(jì)要求。 目前該產(chǎn)品已經(jīng)順利完成各項(xiàng)長(zhǎng)途轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù),通過(guò)了實(shí)際環(huán)境的檢驗(yàn),驗(yàn)證了該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確合理性,可為行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張?jiān)鎏?機(jī)動(dòng)式雷達(dá)自動(dòng)架撤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2004(6):345-348.

[2]運(yùn)輸裝載尺寸與重量限值:GJB2948—1997[S].

2024年第19期第11篇