70 m大型射電望遠(yuǎn)鏡天線座的安裝與調(diào)整*

閻宏濤，賀新剛，張潔鈺，唐亮亮

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；2. 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

引 言

“天問(wèn)一號(hào)”與地球相距4億公里之遙，為保障探測(cè)信號(hào)的接收[1]，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)建設(shè)了70 m天線（亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線）高性能接收系統(tǒng)，它是完成火星探測(cè)器科學(xué)數(shù)據(jù)接收任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備[2]。

70 m射電望遠(yuǎn)鏡天線為輪軌式天線，總高72 m。天線座是整個(gè)天線反射體的承載機(jī)構(gòu)，主要由天線座架與俯仰框架組成[3]。天線座架負(fù)責(zé)天線方位的轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰框架負(fù)責(zé)天線俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)天線座尺寸為36 m（長(zhǎng)）×30 m（寬）×38 m（高），總質(zhì)量達(dá)1 500 t。國(guó)外的Effelsberg、SRT等射電望遠(yuǎn)鏡的天線座架的安裝均為搭積木式的逐步拼裝，效率低；國(guó)內(nèi)的66 m射電望遠(yuǎn)鏡俯仰框架則為地面倒立拼裝為整體、吊裝后空中翻轉(zhuǎn)，危險(xiǎn)性較大；70 m射電望遠(yuǎn)鏡天線座架則采用地面拼裝為單元后進(jìn)行吊裝，俯仰框架的拼裝分俯仰框架十字、俯仰扇齒組合地面并行拼裝，再拼裝為整體進(jìn)行吊裝，可提高現(xiàn)場(chǎng)的施工效率，縮短安裝周期，節(jié)約安裝成本，保證施工安全。

天線座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，只有提前策劃才能保證各軸系的精度，如方位軸與俯仰軸的正交、兩俯仰軸的同軸度、天線反射體軸線與方位軸的同軸與俯仰軸的正交。只有滿足了這些技術(shù)指標(biāo)才能保證天線的指向跟蹤精度，完成信號(hào)的傳輸[4]。

1 天線座架的安裝與調(diào)整

70 m射電望遠(yuǎn)鏡主要由基礎(chǔ)、軌道與滾輪、天線座、天線反射體、饋源等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 70 m射電望遠(yuǎn)鏡天線

天線座架總質(zhì)量為642 t，下端與滾輪組合相連，上端連接著俯仰框架。作為天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)承載的主要構(gòu)件，裝配過(guò)程中一層框架的4個(gè)節(jié)點(diǎn)要保證與滾輪組合連接的準(zhǔn)確性，三層框架要保證頂端俯仰框架安裝面的等高性、跨距和對(duì)稱度，進(jìn)而保證俯仰框架的準(zhǔn)確安裝。一層框架安裝之前，軌道與滾輪安裝階段已經(jīng)定好天線的安裝基準(zhǔn)為方位軸（方位軸軸線）與水平面（軌道面），后期的安裝需統(tǒng)一基準(zhǔn)。天線座架為分塊安裝，因此各單元均屬常規(guī)吊裝。主吊車(chē)選用150 t級(jí)履帶吊，圍繞軌道進(jìn)行吊裝。

1.1 一層框架

一層框架在安裝過(guò)程中的重點(diǎn)是保證四角節(jié)點(diǎn)滾輪組合安裝圓盤(pán)的連線穿過(guò)方位軸且自身高差不超過(guò)1 mm，相互高差不大于2 mm，4條連線分布角度對(duì)稱，這樣才能保證與滾輪組合的準(zhǔn)確安裝。整個(gè)一層框架的外形誤差不得大于5 mm，否則會(huì)給二層框架的安裝造成困難，見(jiàn)圖2。

圖2 一層框架

一層框架的安裝方案如下：

1）將中心節(jié)點(diǎn)吊裝到位。將激光跟蹤儀架設(shè)于軌道與方位軸之間，且高度大于中心節(jié)點(diǎn)。建立坐標(biāo)系后均勻采集軌道面上8個(gè)點(diǎn)，定出高度基準(zhǔn)，再監(jiān)測(cè)調(diào)整中心節(jié)點(diǎn)至指定高度，誤差不大于±0.5 mm，此時(shí)的中心節(jié)點(diǎn)需進(jìn)一步利用合像水平儀調(diào)整至水平10′′?，F(xiàn)場(chǎng)利用工裝轉(zhuǎn)動(dòng)中心節(jié)點(diǎn)，每25°進(jìn)行一次測(cè)量，調(diào)整方位軸預(yù)埋螺栓的連接螺母，反復(fù)調(diào)整至設(shè)計(jì)要求[5-7]。

2）按照滾輪組合安裝位置確定座架的裝配方向。利用橋板將全站儀架設(shè)于中心節(jié)點(diǎn)，以中心節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)安裝內(nèi)部4根斜梁的分布角度至30′′以內(nèi)，并調(diào)整至等高。

3）安裝四角節(jié)點(diǎn)，利用全站儀檢測(cè)將其調(diào)整至等高，同時(shí)兼顧整個(gè)外形框架的尺寸。利用跟蹤儀采集中心節(jié)點(diǎn)的圓，擬合出方位軸線。利用斜梁確定方向，調(diào)整內(nèi)側(cè)圓盤(pán)軸線與方位軸的距離，使圓盤(pán)軸線與梁中心線重合，繼續(xù)調(diào)整第2個(gè)圓盤(pán)的位置，保證兩圓盤(pán)的中心距為(1 200±0.5)mm且中心連線通過(guò)方位軸。為了保證滾輪組合的連接孔位，還需調(diào)整圓盤(pán)自身的姿態(tài)，保證連接孔在一條線上。

4）主要的接口梁與節(jié)點(diǎn)安裝完成后，外框梁的安裝只需調(diào)整其等高性與直線度順勢(shì)裝入到位即可。

1.2 二層框架

二層框架的梁與節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，且具有互換性。安裝過(guò)程中主要的技術(shù)指標(biāo)是保證兩側(cè)梁?jiǎn)卧竺娴拇怪倍?、二層梁面的水平度和關(guān)于方位軸的對(duì)稱度，調(diào)整到5 mm以內(nèi)即可，見(jiàn)圖3。

圖3 二層框架

1）為避免過(guò)大的空中工作量，可在地面將二層梁結(jié)構(gòu)分割為小單元進(jìn)行拼裝，最后再整體吊裝。以兩側(cè)面梁?jiǎn)卧獮槔?，在地面進(jìn)行放樣，再逐個(gè)將梁裝入，拼裝時(shí)利用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行調(diào)平，利用工裝固定好與一層節(jié)點(diǎn)連接的各梁口之間的跨距。整個(gè)側(cè)面質(zhì)量為60 t，需要用兩臺(tái)150 t級(jí)以上的吊車(chē)進(jìn)行抬吊。為保證兩側(cè)面梁?jiǎn)卧c一層框架的垂直度，利用重錘加全站儀進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到位后用鋼絲繩進(jìn)行固定。

2）內(nèi)側(cè)斜梁長(zhǎng)且重，對(duì)于懸臂的長(zhǎng)梁，如果沒(méi)有支撐變形將會(huì)很大，必須提前裝入。因此，將內(nèi)側(cè)斜梁與節(jié)點(diǎn)、小橫梁組裝為小單元，這樣可以保證斜梁生根，保證了安裝位置。

3）二層其他梁的安裝與焊接需要腳手架的配合。在斜梁組合吊裝完后可以進(jìn)行腳手架的搭建，為二層其他梁的安裝提供作業(yè)平臺(tái)。利用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè)，依次裝入各梁即可。

1.3 三層框架

三層框架頂部節(jié)點(diǎn)連接著俯仰軸承座（圖4），為天線俯仰傳動(dòng)的關(guān)鍵接口。為了使俯仰框架能夠準(zhǔn)確裝入，需在三層框架安裝階段調(diào)整頂部?jī)晒?jié)點(diǎn)，直至滿足如下要求：1）跨距L=±2.5 mm；2）關(guān)于方位軸左右對(duì)稱度小于2.5 mm；3）關(guān)于方位軸前后對(duì)稱度小于2.5 mm；4）自身大面的水平度小于2 mm；5）兩側(cè)面與二層框架的垂直度小于5 mm。

圖4 三層框架

如此多的空間尺寸指標(biāo)需要精確的檢測(cè)儀器（激光跟蹤儀）與大型調(diào)整工具（100 t液壓千斤頂）配合著調(diào)整工裝才能完成。此時(shí)的方位軸是在一層框架，需要利用激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站功能移至二層。調(diào)整內(nèi)側(cè)斜梁可以調(diào)整跨距、對(duì)稱度與二層梁的垂直度，調(diào)整兩側(cè)兩斜梁可以調(diào)整前后對(duì)稱度與自身的水平度，調(diào)整至滿足要求后用螺栓連接進(jìn)行固定。

兩俯仰軸承座的連接面需要滿足等高性小于0.3 mm和自身水平度小于0.1 mm的要求，對(duì)于如此大的空間焊接結(jié)構(gòu)，這是不可能完成的。因此，需要實(shí)測(cè)兩連接面的實(shí)際高度和自身高差，增加過(guò)渡件，根據(jù)實(shí)測(cè)尺寸加工過(guò)渡件的連接面才能保證。而兩俯仰軸承座的跨距需要進(jìn)一步根據(jù)實(shí)測(cè)的兩俯仰框架的跨距進(jìn)行調(diào)整，兩者偏差小于±0.25 mm時(shí)俯仰框架才能順利裝入。

2 俯仰框架的安裝與調(diào)整

俯仰框架負(fù)責(zé)天線的俯仰傳動(dòng)，由俯仰框架十字、俯仰扇齒組合等結(jié)構(gòu)組成，現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大。為了節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)安裝周期，俯仰框架十字與俯仰扇齒組合分別拼裝，待拼裝完成、焊接結(jié)束后，再將俯仰框架十字吊裝至俯仰扇齒組合組成俯仰框架。然后將俯仰框架整體吊裝至天線座架，最后再安裝配重、傘形支撐等其他部件[8]。

在地面進(jìn)行分別拼裝時(shí)，各結(jié)構(gòu)件重量小、吊裝半徑小，因此選用常規(guī)的80 t/120 t汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝。俯仰框架十字的質(zhì)量為220 t，整個(gè)俯仰框架的質(zhì)量為485 t，根據(jù)核算采用2 000 t級(jí)履帶吊進(jìn)行整體吊裝。吊裝時(shí)需選用專(zhuān)業(yè)吊具并設(shè)計(jì)特制吊耳，根據(jù)吊裝過(guò)程及變形分析確定吊點(diǎn)位置及吊點(diǎn)數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行加強(qiáng)，以防整體吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大導(dǎo)致不可逆的變形從而影響安裝。

2.1 俯仰框架十字

俯仰框架十字如圖5所示，其左右兩端的俯仰軸組合是整個(gè)結(jié)構(gòu)拼裝的重點(diǎn)，需保證同軸度為Φ0.50 mm，十字方向垂直度小于50′′，各梁上表面平面度不大于±2.5 mm。

圖5 俯仰框架十字

俯仰框架十字的拼裝方案為：利用中間節(jié)點(diǎn)架設(shè)儀器建立安裝基準(zhǔn)。先進(jìn)行內(nèi)框梁的拼裝，固定好相對(duì)位置，為外框梁的拼裝建立基準(zhǔn)，再拼裝十字方向梁和外框梁，最后進(jìn)行整體焊接。整個(gè)過(guò)程中采用跟蹤儀監(jiān)測(cè)調(diào)整同軸度和垂直度，采用電子水準(zhǔn)儀調(diào)整大面的水平度。

俯仰軸方向長(zhǎng)度L軸由5段梁組成，各梁的制作均存在誤差，拼裝時(shí)接縫有大有小，整個(gè)結(jié)構(gòu)的拘束度也不盡相同，因此在同軸度調(diào)整到位后需準(zhǔn)確分析和預(yù)估焊接變形，制定合理的焊接工藝并增加焊接工裝，且在焊接過(guò)程中利用激光跟蹤儀定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)同軸度有超過(guò)0.2 mm的變形后，根據(jù)變形方向及時(shí)調(diào)整焊接工藝，控制變形。最終得以完成俯仰框架十字的拼裝，拼裝結(jié)果的同軸度為Φ0.46 mm，垂直度為90°0′25′′，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 俯仰扇齒組合

俯仰扇齒組合中環(huán)形梁的圓度R環(huán)形梁以及環(huán)形梁與三角斜梁的垂直度是天線準(zhǔn)確俯仰運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，開(kāi)放式的梁口跨距L梁口1、L梁口2和L梁口3需根據(jù)俯仰框架十字的跨距進(jìn)行匹配調(diào)整，只有這些指標(biāo)都符合要求才能準(zhǔn)確安裝，見(jiàn)圖6。

圖6 俯仰扇齒組合

俯仰扇齒組合的拼裝方案為：先將環(huán)形梁拼裝成半圓，將激光跟蹤儀置于外側(cè)，檢測(cè)、調(diào)整環(huán)形梁半徑R環(huán)形梁和張口跨距L，將其調(diào)整至5 mm以內(nèi)。再將內(nèi)側(cè)梁組合拼裝成整體后與環(huán)形梁相連。然后將俯仰扇齒組合分兩半立于支撐工裝上。最后在工裝上安裝三角斜梁，根據(jù)俯仰框架十字底部與三角斜梁相連梁口的跨距調(diào)整[9]三角斜梁與齒弧的垂直度，再安裝其他梁。

俯仰框架地面支撐工裝如圖7所示，除了十字兩頭用到的支撐立柱，還有底部的支撐工裝。每個(gè)工裝都有調(diào)節(jié)功能，保證結(jié)構(gòu)各點(diǎn)都能調(diào)整到位。地面需做專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)。

圖7 俯仰框架地面支撐工裝

2.3 俯仰框架

圖8 俯仰框架裝入天線座架

2.4 結(jié)束語(yǔ)

70 m射電望遠(yuǎn)鏡天線座結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大，在發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)之前都是零散的梁與節(jié)點(diǎn)，整個(gè)安裝過(guò)程復(fù)雜?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，提前策劃安裝方案，將天線座架拆分為小單元先在地面進(jìn)行拼裝，再進(jìn)行單元吊裝，減少了空中的施工量；將俯仰框架拆分為俯仰框架十字與俯仰扇齒組合在地面并行拼裝，使現(xiàn)場(chǎng)的拼裝效率翻倍；待2 000 t履帶吊進(jìn)場(chǎng)后在較短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)俯仰框架的吊裝，節(jié)省了成本。

天線座安裝過(guò)程中，通過(guò)多種檢測(cè)儀器的配合，使天線座架與滾輪組合準(zhǔn)確安裝，保證了天線座的方位轉(zhuǎn)動(dòng)。兩俯仰軸承座跨距為36 m，經(jīng)激光跟蹤儀在同等環(huán)境下的測(cè)量，最終將L軸承與L軸承座的偏差調(diào)整到0.35 mm，使俯仰框架準(zhǔn)確裝入天線座架，實(shí)現(xiàn)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，為天線反射體的安裝打下基礎(chǔ)。

70 m射電望遠(yuǎn)鏡天線座改變以往的安裝方法，根據(jù)安裝周期與現(xiàn)有的吊裝資源，將天線座的安裝化繁為簡(jiǎn)，提高了安裝效率，保證了安裝精度，為今后大型天線座的安裝提供了安裝經(jīng)驗(yàn)。