一種車載自動(dòng)架設(shè)天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

摘要：根據(jù)天線陣設(shè)計(jì)總要求，對(duì)其自動(dòng)架設(shè)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并按照重要設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)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(dòng)性;自動(dòng)架設(shè);力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TN957.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(duì)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(duì)目標(biāo)信號(hào)的捕捉能力，其天線陣口面設(shè)計(jì)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(shì)隨機(jī)快速轉(zhuǎn)換場地，對(duì)產(chǎn)品機(jī)動(dòng)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(dòng)性好、可迅速靈活轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)。但大型天線陣的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)帶來了一系列問題，例如天線組合體拆裝運(yùn)輸不方便，嚴(yán)重制約了其在車載平臺(tái)上的應(yīng)用。因此，大型天線陣能夠在場地快速自動(dòng)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(diǎn)，滿足當(dāng)前對(duì)電子信息化產(chǎn)品高機(jī)動(dòng)性的基本要求[1]。

1 設(shè)計(jì)總要求

產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)功能及指標(biāo)要求：

1）產(chǎn)品折疊撤收后可滿足公路運(yùn)輸限界要求。

2）六面陣工作時(shí)需要適時(shí)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(jí)風(fēng)力（28 m/s）下正常工作，12級(jí)風(fēng)力（36 m/s）環(huán)境下不損壞。

5）自動(dòng)架設(shè)/撤收時(shí)間小于10 min。

2 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

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(gè)機(jī)箱Ⅰ、1個(gè)轉(zhuǎn)接箱組成，六面陣由24個(gè)天線單元、1個(gè)機(jī)箱Ⅱ組成。根據(jù)各設(shè)備功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用以下結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)：主面陣隨方位轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn);機(jī)箱Ⅰ（3個(gè)）、機(jī)箱Ⅱ（1個(gè)）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(jì)如圖1所示。

2.2 主面陣折疊設(shè)計(jì)

主面陣由天線單元陣列排布而成，為了保證每個(gè)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(duì)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(yùn)輸裝載尺寸與重量限值》中關(guān)于公路運(yùn)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(dòng)缸來驅(qū)動(dòng);主面陣展開到位時(shí)，相鄰兩片背架拼縫處設(shè)計(jì)拼接凸臺(tái)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(dòng)缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)，可增強(qiáng)主面陣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳動(dòng)穩(wěn)定性。為解決雙桿電動(dòng)缸動(dòng)作同步問題，此處采用單電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)，并在其減速器輸入端設(shè)置應(yīng)急狀態(tài)時(shí)使用的手搖接口。主面陣折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 主面陣倒伏設(shè)計(jì)

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(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主面陣的翻起和倒伏;電動(dòng)缸選用梯形絲杠螺母傳動(dòng)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(jì)如圖3所示。

2.4 六面陣水平調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

當(dāng)主面陣俯仰工作角為α°時(shí)，六面陣亦會(huì)跟隨俯仰α°;依照設(shè)計(jì)要求，六面陣工作時(shí)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(gè)電動(dòng)缸，進(jìn)行-α°的反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)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(yùn)輸鎖定設(shè)計(jì)

天線陣倒伏后車載運(yùn)輸時(shí)，會(huì)隨路基狀況受到隨機(jī)振動(dòng)和沖擊，為防止對(duì)天線陣和舉升電動(dòng)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(duì)應(yīng)的車載平臺(tái)上設(shè)置運(yùn)輸托架，在其上安裝V型導(dǎo)向座和自動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu);當(dāng)天線陣倒伏臨近到位時(shí)，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(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)自動(dòng)鎖定。運(yùn)輸鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)天線陣進(jìn)行撤收時(shí)，在伺服控制箱上有“自動(dòng)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(dòng)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(dòng)作完成時(shí)間約30 s;

2）主面陣俯仰回90°零位，動(dòng)作完成時(shí)間約90 s;

3）主面陣折疊，動(dòng)作完成時(shí)間180 s;

4）主面陣倒伏，動(dòng)作完成時(shí)間270 s;

5）運(yùn)輸鎖定，動(dòng)作完成時(shí)間10 s。

撤收完成后，運(yùn)輸狀態(tài)如圖6所示。

自動(dòng)架設(shè)過程按照撤收過程逆向動(dòng)作即可，兩者動(dòng)作過程用時(shí)一致。

自動(dòng)架設(shè)/撤收天線陣時(shí)，以上動(dòng)作連續(xù)完成實(shí)測時(shí)間合計(jì)580 s，滿足小于10 min的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)其重力及風(fēng)力載荷;按照10級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文按照車載產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，對(duì)天線陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì);結(jié)合車載平臺(tái)尺寸，對(duì)天線陣自動(dòng)架設(shè)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足公路運(yùn)輸機(jī)動(dòng)性要求;各機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，提高了產(chǎn)品架設(shè)自動(dòng)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(dòng)雙桿電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，優(yōu)點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定，可增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)動(dòng)性、設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)立升降塔舉高六面陣的行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，既提高了車載平臺(tái)空間利用率，又較大地縮短了架設(shè)/撤收時(shí)間。

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

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張?jiān)鎏?機(jī)動(dòng)式雷達(dá)自動(dòng)架撤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2004（6）：345-348.

[2] 運(yùn)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(jì)。

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