李波

（鐵嶺長(zhǎng)天機(jī)電有限責(zé)任公司，遼寧鐵嶺112000）

0 引言

在雷達(dá)、通信和其他電子對(duì)抗領(lǐng)域，升降桅桿常用于天線的架設(shè)和收裝。隨著現(xiàn)代雷達(dá)、通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)承載雷達(dá)、通信天線，并帶動(dòng)其升降的桅桿的使用性能要求越來越高。本文所介紹的同步式電動(dòng)升降桅桿不僅能夠滿足國(guó)軍標(biāo)嚴(yán)格的使用環(huán)境要求，如高低溫工作、淋雨、濕熱、振動(dòng)沖擊、電磁兼容和三防（霉菌、鹽霧和潮濕）等，同時(shí)還具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。此種結(jié)構(gòu)桅桿承載重、自重輕、展開高度高、外形小、升降速度快，且抗風(fēng)能力強(qiáng)，風(fēng)力等級(jí)小于8級(jí)（平均風(fēng)速19 m/s）時(shí)，電動(dòng)升降桅桿能夠正常工作，風(fēng)力等級(jí)小于12級(jí)（平均風(fēng)速35 m/s）時(shí)其結(jié)構(gòu)不損壞。

1 工作原理

同步式電動(dòng)升降桅桿是一種高載荷多絲杠桅桿，升降桅桿包括桿體、減速裝置和手動(dòng)裝置。其中桿體主要由絲杠、絲母和鋁管組成；減速裝置由電機(jī)、行星減速機(jī)和齒輪副組成；手動(dòng)裝置是應(yīng)急時(shí)手動(dòng)操作使用的搖柄，由傘齒輪副組成。同步式電動(dòng)升降桅桿在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了“通用化、系列化、組合化”的設(shè)計(jì)要求，桿體可以通過調(diào)整絲杠與鋁管的數(shù)量和長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)不同的展開高度和閉合高度要求。下面僅以4節(jié)鋁管的桅桿為例，說明同步式電動(dòng)升降桅桿的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

如圖1，不同直徑鋁合金管（管1、管2和管3）的管節(jié)底部相應(yīng)地與絲母（絲母1、絲母2和絲母3）固定，絲母（絲母1、絲母2和絲母3）相應(yīng)地與絲杠（絲杠1、絲杠2和絲杠3）組成螺旋傳動(dòng)副，絲杠1（絲杠2）與絲母2（絲母3）之間存在支撐關(guān)系并組成旋轉(zhuǎn)副。電動(dòng)機(jī)通電后通過行星減速機(jī)減速，再由齒輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，3節(jié)絲杠通過導(dǎo)向鍵同步轉(zhuǎn)動(dòng)，3個(gè)絲母帶動(dòng)3節(jié)鋁合金管升降。這樣，外皮管固定不動(dòng)，其他各節(jié)管隨絲母及絲杠的升降同時(shí)展開，各節(jié)管行程相同。此外，在升降桅桿的外皮管上設(shè)置有極限位置開關(guān)，當(dāng)升降桅桿升降至極限位置時(shí)，觸動(dòng)升降開關(guān)，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

2 結(jié)構(gòu)特性

1）同步式電動(dòng)升降桅桿螺旋副采用梯形螺紋，能夠自鎖，桅桿在行程范圍內(nèi)升降到任意高度位置都可以停止使用，且長(zhǎng)時(shí)間停留無下沉現(xiàn)象。電動(dòng)升降桅桿自鎖條件：λ≤ρ1。式中 λ 為螺紋升角，ρ1為當(dāng)量摩擦角；λ=arctan［S÷（πd2）］，式中：S 為螺紋導(dǎo)程；d2為螺紋中徑；ρ1=arctan（），式中f為材料摩擦因數(shù)，α為螺紋牙形角。

2）同步式電動(dòng)升降桅桿是所有絲母帶動(dòng)鋁管同步升降，所以升降速度快，升降時(shí)間短。同步式電動(dòng)升降桅桿的升降時(shí)間T=（L-l）i總［/S×（n-1）×1400］，其中：L為電動(dòng)桿展開高度；l為電動(dòng)桿閉合高度；n為電動(dòng)桿管節(jié)數(shù)；i總為減速裝置總傳動(dòng)比；S為絲杠導(dǎo)程。

3）采用特制冷拉帶四鍵的鋁合金管，密度小精度高且剛性好。

4）該結(jié)構(gòu)采用防水、防砂塵措施，在各節(jié)管的頭部及內(nèi)部的關(guān)鍵部位都設(shè)置了密封件。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

同步式電動(dòng)升降桅桿的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是先按照螺紋耐磨性、絲杠的強(qiáng)度和螺紋自鎖性計(jì)算出螺紋的中徑、小徑和導(dǎo)程，根據(jù)尺寸設(shè)計(jì)排列出鋁管的尺寸后，然后驗(yàn)算螺母牙強(qiáng)度和展開后桿體的抗風(fēng)強(qiáng)度。

1）梯形螺紋的耐磨性設(shè)計(jì)計(jì)算：d2≥0.8。其中：F 為螺紋軸向載荷；［p］為許用壓強(qiáng)；φ 取1.2～2.5。

2）絲杠危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：d1≥。其中：d1為絲杠螺紋小徑；［σ］為絲杠材料的許用應(yīng)力。

其中：d1為螺母螺紋大徑；b為螺紋牙根部厚，b=0.65p；p為螺紋螺距；z為螺母的旋合圈數(shù)；［τ］為螺母許用剪切應(yīng)力。

4）螺紋牙根部彎曲強(qiáng)度校核計(jì)算：σb=≤［σ］b。其中：h為螺紋牙工作高度；［σ］b為螺母許用彎曲應(yīng)力。

4 抗風(fēng)計(jì)算

桅桿抗風(fēng)計(jì)算主要是計(jì)算出桿體展開后受風(fēng)力作用而產(chǎn)生的偏移量，風(fēng)力大小與風(fēng)速和迎風(fēng)面積有關(guān)，風(fēng)力的計(jì)算公式：F風(fēng)=CFqA。其中，CF為風(fēng)力系數(shù)，q為不同風(fēng)速產(chǎn)生的動(dòng)壓，A為迎風(fēng)面積。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，我國(guó)沿海地區(qū)q=v2/17，一般內(nèi)陸地區(qū)q=v2/16，高原和高山地區(qū)q=v2/18～v2/19，桅桿風(fēng)力計(jì)算中均取 q=v2/16（v為風(fēng)速）。桅桿展開狀態(tài)承受風(fēng)力情況見圖2。下面介紹2種計(jì)算桅桿承受風(fēng)力后的偏移量的方法。疊加法；有限元分析法。

圖2 桅桿展開狀態(tài)承受風(fēng)力情況

4.1 疊加法

相關(guān)參數(shù)：E為彈性模量70×103N/mm2；Ii為每節(jié)管截面的軸慣性矩0.0491（），mm4，其中 Di和 di分別為各節(jié)管的外徑和內(nèi)徑尺寸；F風(fēng)（天線）為天線負(fù)載所受風(fēng)力，N；qi為每節(jié)管外表面所受風(fēng)力集度，N/m。

一節(jié)管撓度 f1和轉(zhuǎn)角 θ1：f1=

；θ1=。

二節(jié)管撓度f2和轉(zhuǎn)角θ2：

三節(jié)管撓度f3和轉(zhuǎn)角θ3：

桅桿受風(fēng)力時(shí)因桿體變形產(chǎn)生的偏移量f=f3+θ3（L1+L2）+f2+θ2L1+f1。

考慮到加工工藝和實(shí)際生產(chǎn)情況，桅桿每節(jié)管之間需要存在間隙，設(shè)每節(jié)管之間的間隙均為x，當(dāng)桅桿受風(fēng)力時(shí)，由于間隙所造成的偏擺量為g，每節(jié)管插入下節(jié)管的重合量為yi。

桅桿承受風(fēng)力后的總偏移量為

4.2 有限元分析法

電動(dòng)升降桅桿承受風(fēng)力后的變形分析屬于固體力學(xué)分析，分析過程分為以下幾個(gè)步驟：1）創(chuàng)建幾何模型。建立幾何實(shí)體模型前，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，使簡(jiǎn)化后的模型，既能夠保留主要的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，也要考慮提高有限元建模的效率和縮短分析計(jì)算的時(shí)間等。2）定義材料屬性。對(duì)于有限元模型，需要定義模型的材料屬性，在這里管材料為鋁合金6063-T6，定義的材料屬性見圖3。3）給定約束和加載。按照?qǐng)D2桅桿展開狀態(tài)承受風(fēng)力的情況對(duì)幾何模型加約束和負(fù)載。4）有限單元?jiǎng)澐?、后處理并生成結(jié)果。桿體承受風(fēng)力后變形情況見圖4。

圖3 定義的材料屬性

5 可靠性和安全性

結(jié)構(gòu)可靠性通常定義為：在規(guī)定的使用條件和環(huán)境下，在給定的使用壽命期間，結(jié)構(gòu)有效地承受載荷和耐受環(huán)境而正常工作的能力。它的廣義概念包含結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性兩個(gè)方面。

桅桿在靜載和瞬間動(dòng)載作用下，結(jié)構(gòu)安全性問題是結(jié)構(gòu)可靠性研究的重點(diǎn)。同步式多絲杠電動(dòng)升降桅桿作為高端重負(fù)載的升降設(shè)備，其安全性就是指在限定的使用環(huán)境下能夠操作安全、方便，確保人身安全和天線負(fù)載不受損害。同步式電動(dòng)升降桅桿在結(jié)構(gòu)上避免了液壓、氣動(dòng)和鋼絲繩結(jié)構(gòu)產(chǎn)品因元器件內(nèi)泄、油管爆破和鋼絲繩長(zhǎng)時(shí)間工作磨損而存在的典型安全隱患，同時(shí)也彌補(bǔ)了單絲杠桅桿承載能力小，強(qiáng)度不高等性能方面的不足。此結(jié)構(gòu)桅桿在提高安全性和穩(wěn)定性采取的主要措施如下：

圖4 桿體承受風(fēng)力后變形情況

1）所有絲杠絲母螺旋副具有機(jī)械結(jié)構(gòu)自鎖性。絲杠絲母自鎖性決定了桅桿可以在任意高度位置長(zhǎng)時(shí)間停留工作而不會(huì)像液壓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，也決定了桅桿不會(huì)在電機(jī)或其他傳動(dòng)鏈出現(xiàn)故障時(shí)突然下落造成天線損壞和人身傷害。

2）在上升和下降的極限位置設(shè)置限位保護(hù)。同步式升降桅桿具有電氣限位功能，可在桅桿升降到極限位置時(shí)自動(dòng)切斷動(dòng)力源，確保在使用和維護(hù)過程中安全，同時(shí)也設(shè)置了上升、下降機(jī)械結(jié)構(gòu)限位作為二層保護(hù)，防止電氣限位失靈。

3）所有元器件（包含電機(jī)）采用機(jī)械密封保護(hù)。同步式升降桅桿使用防護(hù)罩把所有元器件（包含電機(jī)）密封保護(hù)，使桅桿整體滿足三防（防潮濕、防鹽霧和防霉菌）要求，可以在淋雨、濕熱的環(huán)境下正常工作。

4）各節(jié)管頂部間和傳動(dòng)部分采用密封保護(hù)。桿體部分和減速裝置部分均有密封措施，增強(qiáng)桅桿的防塵、防水能力，將桅桿的螺旋副部分設(shè)計(jì)在封閉空間內(nèi)，減小雨水和沙塵進(jìn)入桿體內(nèi)部對(duì)螺旋副的影響。這樣，有效避免在壽命期內(nèi)出現(xiàn)絲杠方面故障，提高升降桅桿的穩(wěn)定性和耐久性。

同步式多絲杠電動(dòng)升降桅桿的安全性、穩(wěn)定性和可靠性在正樣機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中得到證實(shí)，試驗(yàn)情況見表1。

表1 正樣機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)情況

6 結(jié)語

同步式多絲杠電動(dòng)升降桅桿已經(jīng)在2008年成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，已在軍工雷達(dá)、通信系統(tǒng)中得到廣泛的使用，并以其使用安全和穩(wěn)定可靠得到廣大客戶的好評(píng)，且在2011年“XXX工程”一體化信息系統(tǒng)中通過設(shè)計(jì)定型并批量生產(chǎn)。

［1］ 朱鐘淦，葉尚輝.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)際工業(yè)出版社，1980.

［2］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.5版.北京.高等教育出版社，2011.

［4］ 趙罘.SolidWorks設(shè)計(jì)與分析范例教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.