拋物面天線自動倒豎/展收機(jī)構(gòu)設(shè)計

潘加松，陳 偉，王 申，劉業(yè)龍

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著現(xiàn)代微波探測技術(shù)的發(fā)展，對天線設(shè)備的機(jī)動性需求越來越高，天線往往要安裝在越野載車平臺上[1]。為滿足載車機(jī)動性需求，大型天線須分塊設(shè)計，通過展收折疊機(jī)構(gòu)[2]實(shí)現(xiàn)天線工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。液壓系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)動力和運(yùn)動傳遞的重要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它具有剛度大、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、適合重載直接驅(qū)動等特點(diǎn)。本文介紹一種采用全液壓驅(qū)動的拋物面展收天線設(shè)計方法，天線載荷和主要結(jié)構(gòu)件計算仿真結(jié)果表明，天線和液壓系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足機(jī)動性使用需求，為大型復(fù)雜機(jī)動型天線提供了基礎(chǔ)性設(shè)計思路，具有普遍適用性。

1 天線展收設(shè)計

1.1 天線組成

天線主要由反射體、主塊倒豎機(jī)構(gòu)、邊塊展收機(jī)構(gòu)、天線運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示，采用三路閥控箱和運(yùn)動控制單元實(shí)現(xiàn)天線的自動倒豎和展收。

圖1 天線組成示意圖

1.2 主塊倒豎機(jī)構(gòu)設(shè)計

主塊倒豎機(jī)構(gòu)使天線反射體在工作和運(yùn)輸狀態(tài)完成120°旋轉(zhuǎn)位置轉(zhuǎn)換，豎起到位后通過鎖定油缸鎖定。主塊倒豎機(jī)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 主塊倒豎機(jī)構(gòu)組成示意圖

主塊倒豎機(jī)構(gòu)采用液壓缸，缸體安裝在轉(zhuǎn)盤上，液壓缸自帶過載保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，在極限位置設(shè)置傳感器和限位塊，防止運(yùn)動超限，保證天線及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全性。

主塊倒豎機(jī)構(gòu)采用高精度軸角編碼器[3]實(shí)時測量天線的運(yùn)動角度。在天線轉(zhuǎn)軸處設(shè)計有刻度標(biāo)尺，用于目測天線的旋轉(zhuǎn)角度。

主塊豎起到位后，主塊工作鎖定油缸自動伸出鎖定，保證主塊起豎角度。

1.3 邊塊展收機(jī)構(gòu)設(shè)計

邊塊展收機(jī)構(gòu)使反射體邊塊在工作和運(yùn)輸狀態(tài)完成106°旋轉(zhuǎn)位置轉(zhuǎn)換，展開到位后通過鎖定油缸鎖定。邊塊展收機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 邊塊展收機(jī)構(gòu)示意圖

邊塊展收機(jī)構(gòu)采用液壓缸，缸體安裝在背架上。液壓缸自帶過載保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，在極限位置同樣設(shè)置傳感器和限位塊。

邊塊展收轉(zhuǎn)軸內(nèi)支耳安裝自潤滑軸承，外支耳安裝萬向球軸承，同時對軸承位置進(jìn)行密封防護(hù)設(shè)計。

邊塊展開到位后，邊塊工作鎖定油缸自動伸出鎖定，保證拋物面整體精度。

1.4 運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計

主塊、邊塊運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)在天線運(yùn)輸過程中對天線進(jìn)行輔助支撐及鎖定，保證天線結(jié)構(gòu)安全。主塊支撐架與天線背架主塊間通過鍥形配合限位；在接觸面間安裝聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)塊，在聚四氟乙烯塊下方采用航空橡膠板進(jìn)行減振。

主塊、邊塊運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)皆由液壓油缸推動鎖銷鎖定，設(shè)計安裝位置傳感器，能夠在輸出鎖定和解鎖兩種位置狀態(tài)信號時，避免誤操作產(chǎn)生破壞。運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)示意圖

主塊運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)限制主塊上下位置自由度，因此背架主塊上配合銷孔為腰形孔，便于用彈性材料進(jìn)行減振補(bǔ)償設(shè)計。

2 負(fù)載計算

天線工作時主要承受風(fēng)載荷、重力載荷和偏心載荷的作用[4]，為確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動力和行程，分別對主塊倒豎負(fù)載和邊塊展收負(fù)載進(jìn)行計算。

2.1 主塊倒豎負(fù)載

天線從倒伏狀態(tài)開始舉升時，天線繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，主塊液壓缸繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，推桿頂點(diǎn)由B點(diǎn)運(yùn)動到B′點(diǎn)，如圖5所示，OB和OB′為天線輪廓，AB和AB′為主塊液壓缸輪廓。

圖5 主塊倒豎機(jī)構(gòu)設(shè)計原理圖

主塊倒豎風(fēng)阻力為

(1)

式中，Cx=1.6為風(fēng)阻力系數(shù)；S為迎風(fēng)面積；ρ=1.25 kg/m3為空氣密度；v=20 m/s為風(fēng)速。

主塊倒豎風(fēng)力矩為

MfZ=FfZDZ

(2)

式中，DZ為天線重心到轉(zhuǎn)軸的水平距離。

主塊倒豎自重為

GZ=mZg

(3)

式中，mZ為天線重量；g為重力加速度。

重力不平衡力矩為

MZ=GZDZ

(4)

求得反射體主塊所受載荷如表1所示。

表1 主塊載荷計算結(jié)果

倒豎力綜合為

FZ=FfZ+GZ=11 040 N

(5)

倒豎力矩綜合為

MF=MfZ+Mz=13 248 N·m

(6)

倒豎功率為

(7)

式中，nZ為轉(zhuǎn)速，r/min。

倒豎行程LZ=LZ2-LZ1，圓整后LZ=1 200 mm。

倒豎最大軸向力為

(8)

式中，vZ為主塊推桿速度。

綜上，考慮倒豎力平衡及設(shè)計余量，主塊倒豎油缸軸向力不小于20 000 N。

2.2 邊塊展收負(fù)載

邊塊從收起狀態(tài)開始展開，邊塊反射體繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，邊塊液壓缸繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，推桿頂點(diǎn)由B點(diǎn)運(yùn)動到B′點(diǎn)，如圖6所示，OB和OB′為天線輪廓，AB和AB′為邊塊液壓缸輪廓。邊塊反射體所受載荷如表2所示。

圖6 邊塊展收機(jī)構(gòu)設(shè)計原理圖

表2 邊塊載荷計算結(jié)果

邊塊展收力綜合為

FB=Ffb+Gb=1 584 N·m

(9)

邊塊展收力矩綜合為

MB=Mfb+Mb=634 N·m

(10)

邊塊展收功率為

(11)

式中，nB為轉(zhuǎn)速，r/min。

邊塊展收行程Lb=Lb2-Lb1，圓整后Lb=800 mm。

邊塊展收最大軸向力為

(12)

式中，vB為邊塊推桿速度。

綜上，考慮展收力平衡及設(shè)計余量，邊塊展收油缸軸向力不小于2 000 N。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1 組成及原理

液壓系統(tǒng)包含閥組、執(zhí)行油缸、管路3部分[5]，液壓系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

3.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

液壓執(zhí)行系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。根據(jù)第2節(jié)計算結(jié)果，確定油缸主要參數(shù)如表4所示。

表3 液壓執(zhí)行系統(tǒng)主要參數(shù)

表4 執(zhí)行油缸主要參數(shù)

4 有限元分析

天線反射體背架是天線的主要承載結(jié)構(gòu)件，采用鋼板材框架結(jié)構(gòu)焊接成型，其剛強(qiáng)度直接關(guān)系到天線的性能。為保證天線不同工況下的使用需求，需要對背架進(jìn)行有限元仿真分析[6]。材料屬性賦值時，密度為ρ=7.85×103kg/m3、彈性模量為E=2.05×1011Pa，泊松比為γ=0.3。

4.1 邊塊背架靜力學(xué)分析

對邊塊背架實(shí)際模型進(jìn)行簡化，五根梁都在同一平面內(nèi)，梁截面為槽型，壁厚4 mm，支耳孔軸線水平，材料全部為鋼steel。

在5根梁的3個側(cè)面劃分2D網(wǎng)格，類型CQUAD4，默認(rèn)厚度4 mm，單元大小5 mm。

對6個支耳實(shí)體劃分3D四面體網(wǎng)格，類型CTETRA(4)，單元大小6 mm。建立相鄰零件之間的1D連接，類型選擇邊到面。選擇6個支耳圓柱面，釋放Y軸旋轉(zhuǎn)自由度，其余自由度固定。-Z方向施加風(fēng)力2 500 N(不破壞)，添加重力加速度。

對仿真模型進(jìn)行求解，位移和應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。

圖8 邊塊背架位移和應(yīng)力云圖

4.2 主塊背架靜力學(xué)分析

對主塊背架實(shí)際模型進(jìn)行簡化，梁截面為槽型，壁厚5 mm，對14個支耳拆分體，材料全部為鋼steel。

選擇14根梁的3個側(cè)面劃分2D網(wǎng)格，類型CQUAD4，默認(rèn)厚度5 mm，單元大小6 mm。

選擇底部法蘭的上表面劃分2D網(wǎng)格，類型CQUAD4，默認(rèn)厚度5 mm，單元大小6 mm。

對背面6個支耳和側(cè)面8個支耳劃分3D四面體網(wǎng)格，類型CTETRA(4)，單元大小5 mm。建立相鄰零件之間的1D連接，類型選擇邊到面。在左右邊塊的重心位置設(shè)置2個關(guān)聯(lián)點(diǎn)，建立關(guān)聯(lián)點(diǎn)和側(cè)面支耳圓柱孔面的1D連接。選擇底部法蘭面和背面中間2個支耳圓柱孔面施加固定約束。-Z方向施加風(fēng)力5 880 N(不破壞)，2個關(guān)聯(lián)點(diǎn)上分別施加邊塊重力600 N和風(fēng)力1 960 N，添加重力加速度。

對仿真模型進(jìn)行求解，主塊背架位移和應(yīng)力結(jié)果分別如圖9所示。

圖9 主塊背架位移和應(yīng)力云圖

4.3 天線背架分析結(jié)果

不破壞時，邊塊背架的最大應(yīng)力為11 MPa，發(fā)生在最外側(cè)縱梁背面；邊塊背架的最大位移為0.05 mm，發(fā)生在最外側(cè)縱梁下部。主塊背架的最大應(yīng)力為144.8 MPa，發(fā)生在主塊背架的頂部；主塊背架的最大位移為0.49 mm，發(fā)生在主塊側(cè)邊支耳處。天線背架材料屈服極限約為σs=235 MPa，天線背架剛強(qiáng)度滿足使用要求。

5 結(jié)束語

本文從滿足機(jī)動性角度設(shè)計了一種自動液壓展收天線，采用全液壓動力實(shí)現(xiàn)主塊倒豎、邊塊展收及天線鎖定；計算了天線載荷，確定了執(zhí)行油缸的主要參數(shù)；對天線背架進(jìn)行了有限元分析，采用2D殼單元和3D實(shí)體單元聯(lián)合網(wǎng)格對分析對象進(jìn)行簡化，分析結(jié)果驗證了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，為大型機(jī)動型天線的設(shè)計提供了具體解決思路，具有普遍適用性。