尹 寧 沈明成

南京國睿防務(wù)系統(tǒng)有限公司 南京 210039

0 引言

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，在追求產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)性得到了越來越多的關(guān)注[1]。相控陣?yán)走_(dá)的天線陣面為高集成、模塊化設(shè)計(jì)、可拆裝的子陣級(jí)自適天線陣面。大型天線陣面質(zhì)量大，具備較大規(guī)模外形尺寸[2]，為了滿足運(yùn)輸性要求，一般將陣面分成上中下3塊，天線陣面骨架前方安裝子陣面，后方安裝電源等電子設(shè)備，故其重心位置有一定的偏移。由于天線陣面具有質(zhì)量大、外形尺寸長、重心偏移等特點(diǎn)，該設(shè)備對吊裝的安全性、可靠性和穩(wěn)定性要求很高?？紤]到吊裝對設(shè)備自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響，本文從吊裝方案的選擇、吊點(diǎn)的確定、吊具設(shè)計(jì)、輔具選擇等方面對天線陣面的重型組合吊具進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 吊裝方案的選擇

選擇天線陣面的吊裝方案時(shí)，在有測量條件的情況下可通過稱重確定設(shè)備的質(zhì)量及重心位置，以方便進(jìn)行吊裝方案的確定、吊具設(shè)計(jì)和吊索、卸扣等輔具的計(jì)算選型。進(jìn)行吊點(diǎn)的選擇時(shí)，通常采用四吊點(diǎn)方式，該方式下連接吊鉤的吊索傾斜放置，吊索與水平線的夾角α控制在不小于22.5°～30°之間[3]。吊裝時(shí)夾角α越小，吊索內(nèi)力就越大，其水平分力會(huì)對起吊設(shè)備產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力，故該角一般不小于30°。為避免吊索與設(shè)備的接觸，同時(shí)縮小吊索夾角，吊裝方案中可增加橫吊梁式吊具來降低吊索高度，并減小吊索對起吊設(shè)備的橫向壓力。通過加吊具將吊索分為上下2層，通常上層吊索為等長不可調(diào)，下層吊索為可調(diào)。以天線中塊和帶包裝箱天線中塊為例，吊裝方案中所選擇的吊裝點(diǎn)如圖1、圖2所示。

天線中塊和包裝箱的吊點(diǎn)位置接近4個(gè)吊點(diǎn)形成圖形的形心，同時(shí)為便于吊具安裝，采用吊板將吊索與天線中塊連接。包裝箱上部框架頂部布置4個(gè)角件，其位置與包裝箱底框吊耳的位置對應(yīng)，作為包裝箱上部框架吊裝的吊點(diǎn)和整體吊裝時(shí)的吊繩限制點(diǎn)。天線陣面吊裝時(shí)，主要由吊具上2根和吊具下4根受力吊索承受吊裝中載荷。由于起吊后吊點(diǎn)變?yōu)閷?shí)際支撐點(diǎn)，設(shè)備受力情況會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)行吊點(diǎn)選擇時(shí)需綜合考慮吊點(diǎn)位置對設(shè)備受力的影響，并確定剛度、強(qiáng)度變化符合設(shè)備要求。根據(jù)設(shè)備高度ha、吊具距離設(shè)備高度hb、吊具距離吊鉤距離hc，總的起吊高度H＝ha+hb+hc。從圖1和圖2可知，天線中塊起吊高度H為9 800 mm，帶包裝箱天線中塊起吊高度H為9 900 mm。確定好起吊高度的初始位置H后，根據(jù)已知的起升高度、總質(zhì)量、設(shè)備重心距離起重臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心最小距離等參數(shù)，可選擇合適的起升機(jī)構(gòu)。此外，除確定吊鉤高度外還需確定吊鉤在水平面上的位置。對設(shè)備進(jìn)行稱重，可得質(zhì)量及水平面上的重心位置，如圖1、圖2所示。由于天線陣面要求水平起降，本吊裝方案中吊鉤位于重心的正上方。吊鉤與重心在水平面上的投影重合，可保證起吊設(shè)備的平穩(wěn)離地。

圖1 天線中塊外形與吊裝點(diǎn)

圖2 帶包裝箱天線中塊外形與吊裝點(diǎn)

2 吊具的設(shè)計(jì)計(jì)算

吊裝總體方案確定后，需對吊具進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。首先計(jì)算出各吊點(diǎn)的受力情況，然后進(jìn)行吊具結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度計(jì)算，最后通過計(jì)算選擇合適的吊索和卸扣等輔具。

2.1 吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)天線上塊、天線中塊以及天線下塊的吊點(diǎn)位置和參數(shù)的不同，對吊具進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。天線分塊帶包裝箱后，吊點(diǎn)設(shè)在包裝箱上，為方便起見，將3種包裝箱的吊具統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并與天線分塊的吊具兼容。所設(shè)計(jì)的吊具由2個(gè)單元組成，即由1個(gè)橫梁單元（見圖3a）和2個(gè)吊梁（見圖3b）組成。各單元采用Q345材料焊接成型，并通過銷軸、螺釘連接實(shí)現(xiàn)2個(gè)單元的組合。梁體結(jié)構(gòu)做成流線型形狀，可根據(jù)被吊物的尺寸，模塊化組成不同的吊具，同時(shí)可方便選擇起吊點(diǎn)位置。

圖3 吊具結(jié)構(gòu)

根據(jù)吊具構(gòu)件特點(diǎn)和組合方法，進(jìn)行剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。各種吊裝情況得到相應(yīng)的計(jì)算條件如表1所示，利用Ansys Workbench軟件進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，吊具的最大位移滿足小于變形10 mm的指標(biāo)要求，吊具的最大應(yīng)力保證其工作安全系數(shù)在規(guī)定安全系數(shù)外，吊具不會(huì)發(fā)生破壞，故該設(shè)計(jì)是可行的。

表1 計(jì)算條件

表2 剛度、強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

針對最有可能出現(xiàn)失穩(wěn)情況的工況7進(jìn)行穩(wěn)定性分析，桿件截面為空心矩形形狀，長度L=6.402 m，承受的軸向壓力F=141 451 N，材料E=210 GPa。進(jìn)行屈曲分析計(jì)算時(shí)，施加的初始載荷為1 000 N，如圖4所示，臨界壓力Pcr=4 378×1 000=4 378 000 N，吊具的工作穩(wěn)定安全系數(shù)n=4 378 000÷141 451=31。吊具的工作穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)，故該設(shè)計(jì)可行。

圖4 工況7下失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果

2.2 吊索

吊索是用鋼絲繩制成的，鋼絲繩的允許拉力即為吊索的允許拉力。吊索拉力取決于起吊設(shè)備的質(zhì)量及吊索的垂直夾角，在吊裝中吊索的拉力不應(yīng)超過其允許拉力。吊索的拉力為[4]

式中：k1為動(dòng)載系數(shù)，一般取1.1；k2為不均勻系數(shù)，一般取1.2～1.3；Q為設(shè)備質(zhì)量；n為吊索的分支數(shù)；α為吊索各分支與垂直線的夾角；S為吊索破斷拉力；k為吊索安全系數(shù)，一般取6。

式（1）適用于設(shè)備重心沒有條件測量以及對起吊設(shè)備傾角要求不高的情況，通常4根吊索等長，其中k2根據(jù)重心估計(jì)位置來定，吊鉤在水平面上投影與重心在水平面投影偏差大時(shí)則k2取較大值，反之取小。如果設(shè)備重心位置有條件測量，同時(shí)對設(shè)備吊裝角度有較高要求時(shí)，吊索的拉力為

式中：Tx各吊索拉力，x=1，2，3，4。

由于各點(diǎn)拉力Tx均可求出，故此時(shí)不均勻系數(shù)k2為1。天線陣面吊索選型可采用式（2），按照式（2）求解破斷力以選擇吊索型號(hào)。以天線中塊和帶包裝箱天線中塊為例，對吊具以上吊索求得其最大破斷力為152.45 t，經(jīng)查手冊選用6×37鋼芯鋼絲繩[3]，鋼絲繩直徑16 mm，破斷拉力161 t；對吊具以下吊索求得其最大破斷力為68.88 t，經(jīng)查手冊選用6×37纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩直徑16 mm，破斷拉力95 t。

由于天線陣面需以水平姿態(tài)起吊，重心與吊鉤在水平面上的投影必須重合，為確保起吊角度的精度，要求吊索長度可調(diào)。對天線陣面進(jìn)行吊裝時(shí)，吊具上方4根吊索設(shè)計(jì)為等長不可調(diào)式，吊具下方4根吊索采用手動(dòng)葫蘆設(shè)計(jì)為不等長可調(diào)式?？烧{(diào)式吊索進(jìn)行試吊后，根據(jù)測量的實(shí)際吊索長度將其改成不可調(diào)式。

2.3 卸扣

卸扣由彎環(huán)和銷軸2部分組成，用于吊索與吊索或吊索與設(shè)備吊耳之間的連接，根據(jù)各吊點(diǎn)的載荷，需選擇合適的卸扣。選用卸扣時(shí)需注意：

1）選用的卸扣安全系數(shù)≥4；

2）卸扣外表面鍍鋅處理，防止卸扣有大面積的腐蝕或銹蝕，且卸扣彎環(huán)及銷軸的任何一處截面磨損量不得超過名義尺寸10%；

3）所選卸扣要正確地支撐載荷，確保作用力沿著卸扣的中心線，避免出現(xiàn)彎曲和不穩(wěn)定載荷；

4）合理選擇卸扣彎環(huán)直徑，確保銷軸在承吊孔中靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，避免出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

以天線中塊和帶包裝箱天線中塊為例，吊索與被吊設(shè)備及包裝箱角件連接用卸扣的最大拉力為11.48 t時(shí)，選用4個(gè)15 t的卸扣；吊索與橫梁吊耳連接用卸扣的最大拉力為25.41 t時(shí)，選用2個(gè)30 t的卸扣。

3 結(jié)論

雷達(dá)產(chǎn)品屬貴重電子設(shè)備，設(shè)備吊裝對安全性、可靠性和穩(wěn)定性要求較高。針對多功能地基相控陣?yán)走_(dá)的天線陣面質(zhì)量大、外形尺寸長、重心偏移等特點(diǎn)，本文選擇穩(wěn)定、可靠的吊裝方案，采用橫梁+吊梁的新型組合形式對吊具進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，同時(shí)對吊具輔具進(jìn)行計(jì)算選型。依據(jù)不同的吊裝工況，將吊梁架設(shè)至橫梁的不同位置處，并靈活選擇起吊點(diǎn)位置，可實(shí)現(xiàn)天線陣面的穩(wěn)定、可靠吊裝。