抛物面天线自动倒竖/展收机构设计

潘加松，陈 伟，王 申，刘业龙

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

随着现代微波探测技术的发展，对天线设备的机动性需求越来越高，天线往往要安装在越野载车平台上[1]。为满足载车机动性需求，大型天线须分块设计，通过展收折叠机构[2]实现天线工作状态和运输状态的转换。液压系统是结构动力和运动传递的重要执行结构，它具有刚度大、响应快、调速范围宽、适合重载直接驱动等特点。本文介绍一种采用全液压驱动的抛物面展收天线设计方法，天线载荷和主要结构件计算仿真结果表明，天线和液压系统设计能够满足机动性使用需求，为大型复杂机动型天线提供了基础性设计思路，具有普遍适用性。

1.1 天线组成

天线主要由反射体、主块倒竖机构、边块展收机构、天线运输锁定机构等组成，如图1所示，采用三路阀控箱和运动控制单元实现天线的自动倒竖和展收。

图1 天线组成示意图

1.2 主块倒竖机构设计

主块倒竖机构使天线反射体在工作和运输状态完成120°旋转位置转换，竖起到位后通过锁定油缸锁定。主块倒竖机构组成如图2所示。

图2 主块倒竖机构组成示意图

主块倒竖机构采用液压缸，缸体安装在转盘上，液压缸自带过载保护和机械保护，在极限位置设置传感器和限位块，防止运动超限，保证天线及执行机构的安全性。

主块倒竖机构采用高精度轴角编码器[3]实时测量天线的运动角度。在天线转轴处设计有刻度标尺，用于目测天线的旋转角度。

主块竖起到位后，主块工作锁定油缸自动伸出锁定，保证主块起竖角度。

1.3 边块展收机构设计

边块展收机构使反射体边块在工作和运输状态完成106°旋转位置转换，展开到位后通过锁定油缸锁定。边块展收机构如图3所示。

图3 边块展收机构示意图

边块展收机构采用液压缸，缸体安装在背架上。液压缸自带过载保护和机械保护，在极限位置同样设置传感器和限位块。

边块展收转轴内支耳安装自润滑轴承，外支耳安装万向球轴承，同时对轴承位置进行密封防护设计。

边块展开到位后，边块工作锁定油缸自动伸出锁定，保证抛物面整体精度。

1.4 运输锁定机构设计

主块、边块运输锁定机构在天线运输过程中对天线进行辅助支撑及锁定，保证天线结构安全。主块支撑架与天线背架主块间通过锲形配合限位；
在接触面间安装聚四氟乙烯结构块，在聚四氟乙烯块下方采用航空橡胶板进行减振。

主块、边块运输锁定机构皆由液压油缸推动锁销锁定，设计安装位置传感器，能够在输出锁定和解锁两种位置状态信号时，避免误操作产生破坏。运输锁定机构结构如图4所示。

图4 运输锁定机构示意图

主块运输锁定机构限制主块上下位置自由度，因此背架主块上配合销孔为腰形孔，便于用弹性材料进行减振补偿设计。

天线工作时主要承受风载荷、重力载荷和偏心载荷的作用[4]，为确定执行机构驱动力和行程，分别对主块倒竖负载和边块展收负载进行计算。

2.1 主块倒竖负载

天线从倒伏状态开始举升时，天线绕O点旋转，主块液压缸绕A点旋转，推杆顶点由B点运动到B′点，如图5所示，OB和OB′为天线轮廓，AB和AB′为主块液压缸轮廓。

图5 主块倒竖机构设计原理图

主块倒竖风阻力为

(1)

式中，Cx=1.6为风阻力系数；
S为迎风面积；
ρ=1.25 kg/m3为空气密度；
v=20 m/s为风速。

主块倒竖风力矩为

MfZ=FfZDZ

(2)

式中，DZ为天线重心到转轴的水平距离。

主块倒竖自重为

GZ=mZg

(3)

式中，mZ为天线重量；
g为重力加速度。

重力不平衡力矩为

MZ=GZDZ

(4)

求得反射体主块所受载荷如表1所示。

表1 主块载荷计算结果

倒竖力综合为

FZ=FfZ+GZ=11 040 N

(5)

倒竖力矩综合为

MF=MfZ+Mz=13 248 N·m

(6)

倒竖功率为

(7)

式中，nZ为转速，r/min。

倒竖行程LZ=LZ2-LZ1，圆整后LZ=1 200 mm。

倒竖最大轴向力为

(8)

式中，vZ为主块推杆速度。

综上，考虑倒竖力平衡及设计余量，主块倒竖油缸轴向力不小于20 000 N。

2.2 边块展收负载

边块从收起状态开始展开，边块反射体绕O点旋转，边块液压缸绕A点旋转，推杆顶点由B点运动到B′点，如图6所示，OB和OB′为天线轮廓，AB和AB′为边块液压缸轮廓。边块反射体所受载荷如表2所示。

图6 边块展收机构设计原理图

表2 边块载荷计算结果

边块展收力综合为

FB=Ffb+Gb=1 584 N·m

(9)

边块展收力矩综合为

MB=Mfb+Mb=634 N·m

(10)

边块展收功率为

(11)

式中，nB为转速，r/min。

边块展收行程Lb=Lb2-Lb1，圆整后Lb=800 mm。

边块展收最大轴向力为

(12)

式中，vB为边块推杆速度。

综上，考虑展收力平衡及设计余量，边块展收油缸轴向力不小于2 000 N。

3.1 组成及原理

液压系统包含阀组、执行油缸、管路3部分[5]，液压系统原理如图7所示。

图7 液压系统原理图

3.2 液压系统主要参数

液压执行系统主要参数见表3。根据第2节计算结果，确定油缸主要参数如表4所示。

表3 液压执行系统主要参数

表4 执行油缸主要参数

天线反射体背架是天线的主要承载结构件，采用钢板材框架结构焊接成型，其刚强度直接关系到天线的性能。为保证天线不同工况下的使用需求，需要对背架进行有限元仿真分析[6]。材料属性赋值时，密度为ρ=7.85×103kg/m3、弹性模量为E=2.05×1011Pa，泊松比为γ=0.3。

4.1 边块背架静力学分析

对边块背架实际模型进行简化，五根梁都在同一平面内，梁截面为槽型，壁厚4 mm，支耳孔轴线水平，材料全部为钢steel。

在5根梁的3个侧面划分2D网格，类型CQUAD4，默认厚度4 mm，单元大小5 mm。

对6个支耳实体划分3D四面体网格，类型CTETRA(4)，单元大小6 mm。建立相邻零件之间的1D连接，类型选择边到面。选择6个支耳圆柱面，释放Y轴旋转自由度，其余自由度固定。-Z方向施加风力2 500 N(不破坏)，添加重力加速度。

对仿真模型进行求解，位移和应力结果如图8所示。

图8 边块背架位移和应力云图

4.2 主块背架静力学分析

对主块背架实际模型进行简化，梁截面为槽型，壁厚5 mm，对14个支耳拆分体，材料全部为钢steel。

选择14根梁的3个侧面划分2D网格，类型CQUAD4，默认厚度5 mm，单元大小6 mm。

选择底部法兰的上表面划分2D网格，类型CQUAD4，默认厚度5 mm，单元大小6 mm。

对背面6个支耳和侧面8个支耳划分3D四面体网格，类型CTETRA(4)，单元大小5 mm。建立相邻零件之间的1D连接，类型选择边到面。在左右边块的重心位置设置2个关联点，建立关联点和侧面支耳圆柱孔面的1D连接。选择底部法兰面和背面中间2个支耳圆柱孔面施加固定约束。-Z方向施加风力5 880 N(不破坏)，2个关联点上分别施加边块重力600 N和风力1 960 N，添加重力加速度。

对仿真模型进行求解，主块背架位移和应力结果分别如图9所示。

图9 主块背架位移和应力云图

4.3 天线背架分析结果

不破坏时，边块背架的最大应力为11 MPa，发生在最外侧纵梁背面；
边块背架的最大位移为0.05 mm，发生在最外侧纵梁下部。主块背架的最大应力为144.8 MPa，发生在主块背架的顶部；
主块背架的最大位移为0.49 mm，发生在主块侧边支耳处。天线背架材料屈服极限约为σs=235 MPa，天线背架刚强度满足使用要求。

本文从满足机动性角度设计了一种自动液压展收天线，采用全液压动力实现主块倒竖、边块展收及天线锁定；
计算了天线载荷，确定了执行油缸的主要参数；
对天线背架进行了有限元分析，采用2D壳单元和3D实体单元联合网格对分析对象进行简化，分析结果验证了天线结构设计的安全性，为大型机动型天线的设计提供了具体解决思路，具有普遍适用性。