黃劍波

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣?yán)走_(dá)陣面吊裝設(shè)計(jì)*

黃劍波

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

大型相控陣?yán)走_(dá)陣面造價(jià)昂貴、研制周期長(zhǎng)，其吊裝的安全性、可靠性要求很高，制定合理的吊裝方案、設(shè)計(jì)適合的吊具以確保吊裝施工安全極為重要。針對(duì)某大型雷達(dá)陣面研制過程中的吊裝，介紹了其吊裝方案設(shè)計(jì)和吊具設(shè)計(jì)，并就吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算分析及優(yōu)化。文中所述的吊裝方法和吊具有效地保證了該雷達(dá)陣面的安全吊裝，為類似產(chǎn)品的吊裝提供了參考。

大型相控陣?yán)走_(dá)；陣面；吊裝；吊具

引 言

相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品屬貴重電子設(shè)備，雷達(dá)陣面是其中的重中之重，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件繁多，需經(jīng)歷零部件加工、陣面骨架鉚接、器件裝配、總裝調(diào)試、包裝運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。陣面生產(chǎn)過程需多次變換姿態(tài)，這都離不開吊裝。由于雷達(dá)陣面生產(chǎn)周期長(zhǎng)、造價(jià)昂貴，因此對(duì)吊裝的安全性、可靠性和穩(wěn)定性要求很高[1]。同時(shí)由于陣面質(zhì)量大，陣面骨架為薄壁箱體結(jié)構(gòu)，剛度、強(qiáng)度較差，因此必須考慮到吊裝對(duì)陣面自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響，確保吊裝不對(duì)陣面造成損傷。隨著國(guó)防建設(shè)的發(fā)展，大型相控陣?yán)走_(dá)正朝著更大、更重、更精密的方向發(fā)展，與之相應(yīng)的吊裝工藝也越來越復(fù)雜、難度越來越高，單純依靠吊裝人員的經(jīng)驗(yàn)已很難解決問題。提高大型相控陣?yán)走_(dá)吊裝方案的高效性、安全性、吊裝過程可預(yù)測(cè)性成為了重要課題[2]。

目前關(guān)于大型構(gòu)件吊裝的研究很多，但對(duì)于像大型相控陣?yán)走_(dá)陣面這樣的精密構(gòu)件的吊裝尚無詳細(xì)介紹。本文針對(duì)某大型雷達(dá)陣面生產(chǎn)過程中的吊裝要求，詳細(xì)敘述了吊裝的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)注意事項(xiàng)，有效地解決了該雷達(dá)產(chǎn)品的吊裝難題，同時(shí)為類似產(chǎn)品的吊裝提供了參考。

1 吊裝要求及注意事項(xiàng)

某型號(hào)雷達(dá)的陣面由陣面骨架和各種電訊功能組件組成，陣面骨架為面板、壁板及加強(qiáng)筋板鉚接而成的大型箱體結(jié)構(gòu)，陣面骨架內(nèi)裝載各功能組件。陣面骨架整體剛度較好，但局部強(qiáng)度較低，任何擠壓和碰撞都可能對(duì)陣面造成損傷。為防止吊裝過程對(duì)陣面骨架的擠壓或撕扯，避免陣面整體的變形或局部的破壞，需合理設(shè)計(jì)吊裝方案和吊具，保證吊裝可靠、可行。

陣面為方形箱體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為4000mm×4 000 mm × 800 mm(L×W×H)，如圖1所示。陣面安裝面為圖示的陣面法蘭面，法蘭面上有若干直徑18 mm的安裝孔，陣面重約6 t，重心偏向陣面法蘭面一側(cè)。

圖1 陣面示意圖

陣面吊裝要求：吊裝工裝用于陣面在裝配過程中姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的吊裝，工裝要求能完成陣面臥式姿態(tài)平吊、立式姿態(tài)平吊、臥立轉(zhuǎn)換以及陣面翻身等功能。要求吊裝夾具簡(jiǎn)單，操作方便，安全可靠。

注意事項(xiàng)：陣面外形尺寸較大，重量較重，應(yīng)合理選擇吊裝繩索長(zhǎng)度和強(qiáng)度；陣面剛性較差，不可受較大水平擠壓力，應(yīng)采取適當(dāng)措施防止陣面變形；吊裝要平穩(wěn)，防止吊裝過程發(fā)生較大擺動(dòng)和沖擊。

2 吊裝方案設(shè)計(jì)

2.1 陣面平吊

2.1.1 臥式平吊

臥式平吊用于陣面水平狀態(tài)的吊裝，要求保證陣面吊裝平穩(wěn)，吊裝時(shí)陣面不得受擠壓變形。臥式平吊方案如圖2所示，水平狀態(tài)下陣面重心基本處在其幾何中心，因此選取陣面法蘭上4組關(guān)于中心對(duì)稱的安裝連接孔作為吊裝點(diǎn)，通過連接吊裝支耳對(duì)陣面進(jìn)行吊裝；同時(shí)設(shè)置了吊裝撐桿來防止吊帶擠壓陣面和承受吊裝的水平分力。

圖2 臥式平吊

2.1.2 立式平吊

立式平吊用于陣面豎直狀態(tài)的吊裝，要求吊裝時(shí)保證陣面豎直，吊裝時(shí)陣面不得變形。立式平吊方案如圖3所示，立式吊裝只能利用陣面法蘭上的安裝孔，而陣面重心偏離陣面法蘭面，所以設(shè)計(jì)了吊裝支架將吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換到陣面重心兩側(cè)以使陣面能保持豎直狀態(tài)。另外，設(shè)置了橫梁將兩個(gè)吊裝支架連接，保證吊裝支架與陣面連接穩(wěn)定。與臥式平吊相同，吊裝水平分力由吊裝撐桿來承受，防止陣面受力變形。

圖3 立式平吊

2.2 陣面臥立轉(zhuǎn)換和翻身

2.2.1 臥立轉(zhuǎn)換

陣面在鉚接和裝配過程中會(huì)出現(xiàn)水平和豎直兩種工作狀態(tài)，因此存在兩種姿態(tài)轉(zhuǎn)換的吊裝過程，即臥立轉(zhuǎn)換，臥立轉(zhuǎn)換方案及吊裝過程示意如圖4所示。

圖4 臥立轉(zhuǎn)換

臥立轉(zhuǎn)換在條件允許的情況下，用兩臺(tái)起吊設(shè)備配合進(jìn)行比較好，一方面吊裝效率高，另一方面吊裝平穩(wěn)、可靠。本文所述的吊裝方案采取的是吊車與行車配合的方法，所用工裝為前文所述的臥式平吊和立式平吊用工裝。吊裝過程首先將陣面平吊放置在堅(jiān)實(shí)地面，用枕木支撐，按圖4姿態(tài)1所示準(zhǔn)備好工裝及吊繩，然后行車和吊車各吊一端共同將陣面吊起，陣面起吊至一定高度后行車和吊車一升一降在空中將陣面翻至豎直狀態(tài)(姿態(tài)3)，即完成了陣面的臥式姿態(tài)到立式姿態(tài)的轉(zhuǎn)換。上述吊裝過程簡(jiǎn)稱臥轉(zhuǎn)立，其逆過程即為立轉(zhuǎn)臥。

2.2.2 陣面翻身

陣面裝配完后裝入測(cè)試架進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需進(jìn)行陣面的翻身吊裝，將陣面從法蘭面在下的狀態(tài)變換至法蘭面在上的狀態(tài)。陣面翻身吊裝的過程與立臥轉(zhuǎn)換過程基本相同，方案及吊裝過程如圖5所示。首先將陣面立式平吊于空中(姿態(tài)4)，以陣面背面的M24吊裝孔為輔助吊裝點(diǎn)利用吊車配合將陣面從立式姿態(tài)翻轉(zhuǎn)至法蘭面在上的姿態(tài)(姿態(tài)6)，即完成了陣面的翻身操作。翻身的過程可逆，按圖4、圖5所示的從姿態(tài)6轉(zhuǎn)換至姿態(tài)1的過程即為逆向翻身。

圖5 陣面翻身

3 吊具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

要保證陣面的成功吊裝，除了合理的吊裝方案，具有足夠剛度和強(qiáng)度的吊具也必不可少。因此，為保證吊裝的可靠性和安全性，必須對(duì)吊具各承力部件進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算分析，并對(duì)吊具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 吊裝撐桿

吊裝撐桿的作用是承載吊裝的水平分力，防止陣面受較大水平壓力而變形；同時(shí)也起到保持吊繩空間角度，防止吊裝纜繩擦傷或擠傷陣面箱體的作用。

(1)吊裝撐桿結(jié)構(gòu)

圖6 吊裝撐桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(2)吊裝撐桿受力情況分析

吊裝撐桿受力狀況如圖7所示，撐桿受吊繩拉力T和陣面重量的拉力F的作用。T可分解為水平分力Tx和豎直分力Tz，豎直分力Tz與F相互平衡，水平分力Tx則對(duì)吊裝撐桿形成軸向作用力。由于水平分力Tx偏離吊裝撐桿軸心線，因此除了軸向壓力，同時(shí)還存在彎矩M。

圖7 吊裝撐桿受力分析簡(jiǎn)圖

(3)吊裝撐桿承載能力分析

假設(shè)起吊重量為6 t，吊繩長(zhǎng)度為4 m，建立吊裝撐桿模型經(jīng)有限元計(jì)算分析，吊裝撐桿變形及應(yīng)力分布如圖8所示。最大撓度變形達(dá)22.5 mm；最大應(yīng)力269 MPa，位于鋼管與法蘭焊接尖角處及吊裝接觸點(diǎn)；鋼管部分最大應(yīng)力為146.8 MPa。經(jīng)分析去除尖角及吊裝接觸點(diǎn)應(yīng)力集中，吊裝撐桿的最大應(yīng)力為鋼管部分的最大應(yīng)力，即146.8 MPa。

圖8 吊裝撐桿應(yīng)力分布及變形圖

吊裝撐桿主體材料選用 Q235，σs=235 MPa，通過去除尖角應(yīng)力集中及增強(qiáng)焊縫等工藝保證，最大應(yīng)力不超過146 MPa。計(jì)算可知安全系數(shù)n僅為1.6。顯然對(duì)于吊裝用具來說，該吊裝撐桿的安全系數(shù)太低，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以提高吊裝的安全性。

3.2 吊架

由于只有陣面法蘭面上的安裝孔能用于吊裝，而陣面重心又偏離法蘭面較大距離，因此為保證陣面立式吊裝，必須借助吊架將吊裝點(diǎn)過渡到陣面重心兩側(cè)，以控制陣面的狀態(tài)。吊架的結(jié)構(gòu)如圖9所示，采用Q235板料焊接而成。

圖9 吊架結(jié)構(gòu)示意圖

陣面臥立轉(zhuǎn)換過程中陣面處于水平狀態(tài)(臥態(tài))時(shí)，假定陣面重12 t，利用有限元對(duì)吊架進(jìn)行分析，其應(yīng)力分布及變形如圖10所示。最大應(yīng)力93.58 MPa，最大變形0.217 5 mm。

在入院準(zhǔn)備中心，記者看到《入院告知書·溫馨提示袋》在入院辦理手續(xù)時(shí)免費(fèi)贈(zèng)送，入院告知書內(nèi)容涵蓋從入院辦理、生活照護(hù)、醫(yī)保報(bào)銷、出院辦理、隨訪與復(fù)診等相關(guān)知識(shí)。工作人員告訴記者，該中心不僅為住院患者服務(wù)，還為日間手術(shù)的患者服務(wù)，從術(shù)前檢查、術(shù)前宣教、院前信息上傳，到醫(yī)生、麻醉師審核確認(rèn)，再到床位安排、資料整理、手續(xù)辦理等均可在入院準(zhǔn)備中心完成。

圖10 陣面處于水平狀態(tài)時(shí)吊架的應(yīng)力分布及變形圖

陣面臥立轉(zhuǎn)換過程中陣面處于豎直狀態(tài)(立態(tài))時(shí)，假定陣面重12 t，利用有限元對(duì)吊架進(jìn)行分析，其應(yīng)力分布及變形如圖11所示。最大應(yīng)力47.68 MPa，最大變形0.061 3 mm。

圖11 陣面處于豎直狀態(tài)時(shí)吊架的應(yīng)力分布及變形圖

分析可知，陣面在臥立轉(zhuǎn)換的過程中，吊架的變形介于上述兩種情況之間，最大變形發(fā)生在水平狀態(tài)時(shí)，最小變形發(fā)生在豎直狀態(tài)時(shí)。通過有限元計(jì)算分析，吊架發(fā)生屈服時(shí)的起吊重量約為30 t。對(duì)于6 t重的陣面的吊裝，吊架的安全系數(shù)n約為5，因此吊架強(qiáng)度足夠，具有較好的安全性。

3.3 吊耳

吊耳結(jié)構(gòu)如圖12所示，材料為Q235。由于設(shè)置了吊裝撐桿來承受水平Y(jié)向吊裝拉力，吊耳在陣面吊裝過程中受到的拉力只會(huì)分布在XZ平面，分解到X、Z方向分別用Tx和Tz表示。假設(shè)單個(gè)吊耳受力Tz=20 t、Tx=10 t，利用有限元分析計(jì)算，其應(yīng)力分布如圖13所示，最大應(yīng)力僅為10.14 MPa。顯然，對(duì)于吊裝6 t重的陣面，吊耳具有足夠的強(qiáng)度，足以保證陣面吊裝的安全。

圖12 吊耳結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 吊耳應(yīng)力分布圖

4 吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

通過上文的分析，該陣面吊裝涉及的吊架和吊耳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，完全滿足陣面安全吊裝的要求，但吊裝撐桿安全系數(shù)較低，必須改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高其吊裝安全性。

4.1 吊裝撐桿的改進(jìn)

先前的吊裝撐桿由于吊裝孔偏離撐桿軸心一定距離，導(dǎo)致?lián)螚U除了承受水平分力Tx外還要承受彎矩M的作用，如果能消除M，則可有效改善撐桿的受力狀況。改進(jìn)后的吊裝撐桿結(jié)構(gòu)和受力情況如圖14所示，將吊繩拉力T的作用位置設(shè)置在吊裝撐桿軸心上，因此消除了彎矩M，吊裝撐桿的承載能力得以提高。

圖14 改進(jìn)的吊裝撐桿結(jié)構(gòu)及受力分析簡(jiǎn)圖

4.2 吊裝撐桿的可靠性分析

(1)穩(wěn)定性校核

改進(jìn)的吊裝撐桿的桿部?jī)H受軸向壓力作用，因此可視同壓桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。吊裝撐桿可承受的軸向臨界載荷：

式中：彈性模量E=2.0×107N/cm2；最小中心慣性矩J=209.2 cm4；穩(wěn)定系數(shù)h=20.19；吊裝撐桿長(zhǎng)l=420 cm；計(jì)算得P0=478 880 N。如果吊裝繩長(zhǎng)為4 m(吊裝夾角90°)，則該吊裝撐桿失穩(wěn)的起吊重量近77.6 t，相對(duì)于陣面6 t的起吊重量，安全系數(shù)高達(dá)12.9。

(2)吊裝撐桿承載能力分析

假設(shè)起吊重量為8 t，吊繩長(zhǎng)度為4 m時(shí)，建立有限元模型計(jì)算分析，吊裝撐桿變形及應(yīng)力分布如圖 15所示。最大撓度變形為0.982 mm；最大應(yīng)力40.8 MPa，位于吊裝接觸點(diǎn)；鋼管部分最大應(yīng)力僅為26 MPa。去除吊裝接觸點(diǎn)應(yīng)力集中，吊裝撐桿的最大應(yīng)力為鋼管部分的最大應(yīng)力，即26 MPa。

圖15 改進(jìn)后吊裝撐桿應(yīng)力分布及變形圖

綜上所述，通過改進(jìn)吊裝撐桿結(jié)構(gòu)，將其受力控制在桿的軸心線上，避免了附加彎矩的出現(xiàn)，有效改善了撐桿的受力狀況，使之承載能力大幅提高，足以保證陣面的吊裝安全。

5 結(jié)束語

陣面吊裝施工具有風(fēng)險(xiǎn)高、影響大、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，陣面吊裝必須制定合理的吊裝方案，設(shè)計(jì)和選擇合適的吊具，以確保吊裝安全[3]。吊裝方案或吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，都可能導(dǎo)致吊裝的失敗，輕者可能出現(xiàn)被吊部件變形過大而不能準(zhǔn)確安裝；重者可能導(dǎo)致吊具破壞，損傷產(chǎn)品，甚至發(fā)生吊裝墜落的嚴(yán)重事故。陣面吊裝往往是雷達(dá)產(chǎn)品研制的最后階段，重要性非同一般[4]。如果出現(xiàn)問題，一方面造成的財(cái)產(chǎn)損失巨大，另一方面影響產(chǎn)品研制周期和進(jìn)度。如果問題嚴(yán)重，損失將無法挽回。因此，必須予以足夠的重視。

[1] 李玉峰, 陳竹梅. 某雷達(dá)設(shè)備吊裝設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2009,25(3): 24-25,34.

[2] 蘇柏華. 大型結(jié)構(gòu)物吊裝的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2010.

[3] 張香成. 基于動(dòng)力特性的甲板平臺(tái)吊裝方案設(shè)計(jì)研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2009.

[4] 孫戎, 季漢忠. 雷達(dá)產(chǎn)品的吊裝設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2003,19(6): 21-24.

黃劍波(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事工裝模具研究工作。

Antenna Array Hoisting Design for Large Phased Array Radar

HUANG Jian-bo

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Antenna array of large phased array radar is very expensive and its production cycle is very long, its hoisting reliability and safety requirements are very high. Therefore, the design of rational hoisting scheme and appropriate hoisting devices to ensure hoisting operation safety is very important. Hoisting scheme design and hoisting device design for the antenna array hoisting of one large phased array radar during its research and development process are introduced. Calculation analysis and optimization are performed for the structure design of the hoisting devices. The hoisting method and devices presented in this article ensure the hoisting operation safety effectively and provide reference for the hoisting of similar products.

large phased array radar; antenna array; hoisting; hoisting device

2013-01-06

TN821+.8

A

1008-5300(2013)03-0021-05