摘要：根據(jù)天線陣設(shè)計總要求，對其自動架設(shè)各動作機(jī)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并按照重要設(shè)計指標(biāo)對主要結(jié)構(gòu)體進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

關(guān)鍵詞：車載機(jī)動性;自動架設(shè);力學(xué)分析

中圖分類號：TN957.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0049-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.011

0 引言

電子信息化技術(shù)的快速發(fā)展，對相關(guān)產(chǎn)品性能提出了越來越高的要求：一方面，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，為了提高產(chǎn)品對目標(biāo)信號的捕捉能力，其天線陣口面設(shè)計尺寸不斷增大;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)勢隨機(jī)快速轉(zhuǎn)換場地，對產(chǎn)品機(jī)動性提出了更高的要求。

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

1 設(shè)計總要求

產(chǎn)品主要設(shè)計功能及指標(biāo)要求：

1）產(chǎn)品折疊撤收后可滿足公路運輸限界要求。

2）六面陣工作時需要適時保持水平姿態(tài)。

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

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

5）自動架設(shè)/撤收時間小于10 min。

2 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

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個機(jī)箱Ⅰ、1個轉(zhuǎn)接箱組成，六面陣由24個天線單元、1個機(jī)箱Ⅱ組成。根據(jù)各設(shè)備功能及結(jié)構(gòu)特點，采用以下結(jié)構(gòu)布局設(shè)計：主面陣隨方位轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn);機(jī)箱Ⅰ（3個）、機(jī)箱Ⅱ（1個）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)盤上。該車載組合天線陣結(jié)構(gòu)布局設(shè)計如圖1所示。

2.2 主面陣折疊設(shè)計

主面陣由天線單元陣列排布而成，為了保證每個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，并綜合考慮底盤自身高度及GJB 2948—1997《運輸裝載尺寸與重量限值》中關(guān)于公路運輸車輛外形限制的要求（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，相互通過軸式機(jī)械鉸鏈連接;主面陣左、右背架的展開和折疊采用電動缸來驅(qū)動;主面陣展開到位時，相鄰兩片背架拼縫處設(shè)計拼接凸臺面來定位;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缸同時驅(qū)動，可增強(qiáng)主面陣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳動穩(wěn)定性。為解決雙桿電動缸動作同步問題，此處采用單電機(jī)同步驅(qū)動雙桿電動缸機(jī)構(gòu)，并在其減速器輸入端設(shè)置應(yīng)急狀態(tài)時使用的手搖接口。主面陣折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

2.3 主面陣倒伏設(shè)計

主面陣的中心背架固定于方位轉(zhuǎn)盤上，同樣采用單電機(jī)同步驅(qū)動雙桿電動缸機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)主面陣的翻起和倒伏;電動缸選用梯形絲杠螺母傳動形式，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)計如圖3所示。

2.4 六面陣水平調(diào)節(jié)設(shè)計

當(dāng)主面陣俯仰工作角為α°時，六面陣亦會跟隨俯仰α°;依照設(shè)計要求，六面陣工作時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電動缸，進(jìn)行-α°的反向轉(zhuǎn)動補償，從而調(diào)節(jié)六面陣至水平狀態(tài)，如圖4所示。

2.5 天線陣運輸鎖定設(shè)計

天線陣倒伏后車載運輸時，會隨路基狀況受到隨機(jī)振動和沖擊，為防止對天線陣和舉升電動缸造成疲勞應(yīng)力破壞，需要將倒伏的長懸臂天線陣進(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;對應(yīng)的車載平臺上設(shè)置運輸托架，在其上安裝V型導(dǎo)向座和自動鎖定機(jī)構(gòu);當(dāng)天線陣倒伏臨近到位時，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，由自動鎖定機(jī)構(gòu)自動鎖定。運輸鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

2.6 天線陣撤收過程

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

1）六面陣回初始零位（和主面陣恢復(fù)0°夾角），動作完成時間約30 s;

2）主面陣俯仰回90°零位，動作完成時間約90 s;

3）主面陣折疊，動作完成時間180 s;

4）主面陣倒伏，動作完成時間270 s;

5）運輸鎖定，動作完成時間10 s。

撤收完成后，運輸狀態(tài)如圖6所示。

自動架設(shè)過程按照撤收過程逆向動作即可，兩者動作過程用時一致。

自動架設(shè)/撤收天線陣時，以上動作連續(xù)完成實測時間合計580 s，滿足小于10 min的設(shè)計指標(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時其重力及風(fēng)力載荷;按照10級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&nbseWHYPfZm7DP9NLDxVEE8GQ==p; 強(qiáng)度分析

天線陣背架在12級風(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5 mm要求;在12級極限風(fēng)載荷下，主面陣和六面陣背架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為182 MPa，小于屈服極限應(yīng)力355 MPa，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文按照車載產(chǎn)品設(shè)計要求，對天線陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計;結(jié)合車載平臺尺寸，對天線陣自動架設(shè)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以滿足公路運輸機(jī)動性要求;各機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行相應(yīng)動作，提高了產(chǎn)品架設(shè)自動化程度;其中的折疊、倒伏機(jī)構(gòu)采用單電機(jī)同步驅(qū)動雙桿電動缸機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動作，優(yōu)點是主面陣展開后，車載設(shè)備抗風(fēng)載荷能力強(qiáng)，展開折疊過程中傳動系統(tǒng)穩(wěn)定，可增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)動性、設(shè)計可靠性。

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。此處摒棄采用獨立升降塔舉高六面陣的行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計方案，既提高了車載平臺空間利用率，又較大地縮短了架設(shè)/撤收時間。

利用相關(guān)分析軟件對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)計要求。目前該產(chǎn)品已經(jīng)順利完成各項長途轉(zhuǎn)場任務(wù)，通過了實際環(huán)境的檢驗，驗證了該產(chǎn)品設(shè)計的正確合理性，可為行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張增太.機(jī)動式雷達(dá)自動架撤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2004（6）：345-348.

[2] 運輸裝載尺寸與重量限值：GJB 2948—1997[S].

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：呂立剛（1981—），男，上海人，工程師，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

徐良春（1970—），男，上海人，高級工程師，研究方向：電子信息技術(shù)。