一種雷達(dá)快速定位鎖緊裝置的設(shè)計*

文中設(shè)計了一種利用螺旋運(yùn)動實現(xiàn)快速定位鎖緊的一體化裝置，適用于中大型雷達(dá)反射面天線的分塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是復(fù)合材料雷達(dá)天線分塊結(jié)構(gòu)設(shè)計。該快速定位鎖緊一體化裝置利用中段帶有螺紋的定位錐銷與定位錐套的精確配合以及其與旋轉(zhuǎn)螺母間的相互鎖緊，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計；采用兩段不同導(dǎo)程的螺紋設(shè)計，由螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動定位錐銷相對于定位錐套的軸向運(yùn)動，實現(xiàn)該裝置的快速作業(yè)。這種一體化設(shè)計技術(shù)還使得該裝置相比同類機(jī)構(gòu)具有體積小、重量輕、易操作等優(yōu)點。

快速定位鎖緊；螺旋運(yùn)動；雷達(dá)反射面天線；分塊結(jié)構(gòu)

引 言

雷達(dá)系統(tǒng)中的大型反射面天線為了便于運(yùn)輸，均采用分塊結(jié)構(gòu)，塊間拼裝組合利用定位鎖緊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)聯(lián)接。由于天線在野外環(huán)境下工作，定位鎖緊機(jī)構(gòu)能否方便操作、是否可靠耐用，直接影響系統(tǒng)的機(jī)動性和可靠性設(shè)計指標(biāo)。為了保證分塊件的可靠聯(lián)接，定位鎖緊通常采用定位銷和螺栓組合結(jié)構(gòu)[1]。在現(xiàn)實作業(yè)中，定位銷的安裝或拆卸過程不僅費時，往往還需施加較大的外力[2]。這種作業(yè)方式容易對天線局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而使定位鎖緊失效，給整個系統(tǒng)帶來不可預(yù)測的風(fēng)險。特別是針對大中型復(fù)合材料天線，其塊間聯(lián)接裝置更要求在作業(yè)過程中避免使用沖擊力進(jìn)行安裝和拆卸，因此研究天線分塊結(jié)構(gòu)的塊間聯(lián)接裝置設(shè)計技術(shù)更具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義和推廣應(yīng)用價值[3]。文中所介紹的快速定位鎖緊一體化裝置是與產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域相結(jié)合的技術(shù)，與產(chǎn)品的使用環(huán)境和使用要求相關(guān)聯(lián)，因此其在定位鎖緊方法、裝置體積重量、安裝接口形式等方面均有創(chuàng)新設(shè)計[4]。

文中裝置利用中段帶有螺紋的定位錐銷與定位錐套的精確配合以及其與旋轉(zhuǎn)螺母間相互鎖緊，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計；采用兩段不同導(dǎo)程的螺紋設(shè)計，由螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動定位錐銷相對于定位錐套的軸向運(yùn)動，實現(xiàn)該裝置的快速作業(yè)。這種一體化設(shè)計技術(shù)還

使得該裝置相比同類機(jī)構(gòu)具有體積小、重量輕、易操作等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)組成

圖1為快速定位鎖緊一體化裝置結(jié)構(gòu)簡圖。該裝置利用中段帶有螺紋的定位錐銷與定位錐套的配合實現(xiàn)精確定位，同時在旋轉(zhuǎn)螺母的作用下實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速鎖緊。其結(jié)構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)螺母、定位錐銷、定位錐套、螺紋定位錐套、端蓋和壓簧。圖中定位錐銷中段外螺紋最大實體包絡(luò)于定位錐銷錐度輪廓線內(nèi)。中段外螺紋為多頭梯形螺紋，梯形螺紋頭數(shù)為3；與定位錐銷螺紋配合的旋轉(zhuǎn)螺母含兩段導(dǎo)程不相等的內(nèi)螺紋，分別與定位錐銷和螺紋定位錐套形成螺旋副；旋轉(zhuǎn)螺母含兩段導(dǎo)程不相等的內(nèi)螺紋，其導(dǎo)程差范圍為3～15 mm；在旋轉(zhuǎn)螺母和定位錐套之間以及定位錐銷和端蓋之間分別設(shè)計有壓簧；壓簧可以采用其他彈性元件代替。

圖1 定位鎖緊裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖中旋轉(zhuǎn)螺母在作業(yè)過程中，將帶動定位錐銷作軸向運(yùn)動。由于整個定位配合部位均為錐部，所以定位錐銷的位移量可以控制在很小的范圍內(nèi)即可完成定位和拆卸的動作。

2 設(shè)計計算和力學(xué)分析

2.1 螺紋導(dǎo)程設(shè)計

定位銷釘相對于定位錐套的位移量及其運(yùn)動方向是由兩段配合螺紋部位的特性所決定的，導(dǎo)程差值反應(yīng)兩者相對的運(yùn)動量。因此，螺紋特性的設(shè)計至為關(guān)鍵。與定位銷釘配合的螺紋段，主要起驅(qū)動定位銷釘快速左右移動的作用，而與定位錐套配合的螺紋段，主要起鎖定緊固作用。在該裝置螺紋特性的設(shè)計中，取旋轉(zhuǎn)螺母與定位錐套配合螺紋為普通螺紋，取旋轉(zhuǎn)螺母與定位錐銷的配合螺紋為梯形螺紋，螺紋設(shè)計參數(shù)分別為[5]：

普通螺紋配合段采用單頭標(biāo)準(zhǔn)牙型螺紋，螺紋公稱直徑D、d= 42 mm，螺距P= 4.5 mm，D1、d1= 37.129 mm，D2、d2= 39.077 mm。圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)牙型螺紋。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)牙型螺紋

梯形螺紋配合段采用3頭梯形螺紋，螺紋公稱直徑D、d= 32 mm，螺距P= 6 mm，如圖3所示。

圖3 梯形牙型螺紋

兩段螺紋均采用右旋螺紋，導(dǎo)程差ΔH=18 - 4.5 =13.5 mm，即旋轉(zhuǎn)螺母工作1周，定位錐銷的軸向位移量為13.5 mm。在具體應(yīng)用中，根據(jù)實際作業(yè)空間的要求設(shè)定定位錐銷的軸向位移量為13.5 × 2/3 = 9 mm，旋轉(zhuǎn)螺母作業(yè)中旋轉(zhuǎn)角度為240°。

根據(jù)計算，分別設(shè)計定位錐套、定位錐銷和旋轉(zhuǎn)螺母中的螺紋段，如圖4所示。

圖4 主要聯(lián)接零件螺紋段結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)受力分析和計算

定位鎖緊機(jī)構(gòu)工作中，主要外載荷為風(fēng)荷載和自重?；顒舆厜K風(fēng)荷載與迎風(fēng)面積和風(fēng)速以及邊塊的風(fēng)阻系數(shù)有關(guān)，可通過公式進(jìn)行計算。受力件定位錐銷承受剪切力和單向的彎力矩，此時定位錐銷可以簡化為懸臂空心軸。

懸臂軸的剛強(qiáng)度校核主要包括抗彎剛度校核和抗剪強(qiáng)度校核。定位錐銷材料選擇40Cr，熱處理狀態(tài)為HRC28～32，許用剪切應(yīng)力為40～52 MPa，拉伸強(qiáng)度極限為750 MPa，拉伸屈服極限為550 MPa。

通過力學(xué)分析軟件對定位錐銷進(jìn)行仿真分析計算[6]，其結(jié)構(gòu)模型及邊界約束見圖5。圖中錐面大端在X、Z兩個方向進(jìn)行緊固約束，中部螺旋部分在Y方向進(jìn)行緊固約束，錐面小端在Z方向施加工作外載荷。

圖5 定位錐銷結(jié)構(gòu)模型及邊界約束

定位錐銷拉應(yīng)力及剪切應(yīng)力計算云圖分別如圖6、圖7所示。由圖可知，最危險點在A處，該處最大拉應(yīng)力為43.8 MPa，最大剪切應(yīng)力為5.36 MPa。因此該定位錐銷的設(shè)計可以滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

圖6 定位錐銷拉應(yīng)力計算云圖

圖7 定位錐銷剪切應(yīng)力計算云圖

同時通過計算得出定位錐銷的最大位移變形量為0.027 mm，如圖8所示。

圖8 定位錐銷位移變形計算云圖

3 制造技術(shù)

定位鎖緊機(jī)構(gòu)利用錐面實現(xiàn)定位要求，定位套與定位銷錐面的加工裝配的工藝方法是加工中的關(guān)鍵。文中裝置在設(shè)計過程中充分考慮了錐面加工裝配的要求，在定位錐面設(shè)計中，將兩段錐面設(shè)計成統(tǒng)一錐度，同時使得兩段錐面在鎖緊狀態(tài)下共面，從而保證了兩段錐面的尺寸精度、位置精度和配合要求。

定位錐銷加工中由于兩段錐面共面，因此在錐面的精加工中采用一個工步完成，中段的多線螺紋采用數(shù)控加工實現(xiàn)。

與定位錐銷兩段錐面配合的兩件定位套采用同一件棒料先加工內(nèi)部錐孔再切斷分成兩部分的加工方法，從而保證各零件定位錐面的設(shè)計精度。

定位鎖緊機(jī)構(gòu)在裝配過程中，先將該機(jī)構(gòu)預(yù)裝入2個拼塊件中，再進(jìn)行鎖緊，安裝固定螺栓后，操作定位鎖緊機(jī)構(gòu)，保證運(yùn)動靈活可靠，然后用柱銷分別定位拼塊和定位套筒。定位鎖緊機(jī)構(gòu)的加工實物如圖9所示。

圖9 定位鎖緊機(jī)構(gòu)的加工實物

4 結(jié)束語

文中所述的定位鎖緊機(jī)構(gòu)，采用集成化的設(shè)計思想，利用不同特性的螺紋段，實現(xiàn)了定位鎖緊的一體化設(shè)計，已成功應(yīng)用于某大型反射面復(fù)合材料天線設(shè)計中。從應(yīng)用的結(jié)果可以看出，該定位鎖緊機(jī)構(gòu)既節(jié)省了分塊單元的結(jié)構(gòu)安裝空間，又滿足了裝拆作業(yè)中準(zhǔn)確、快速和可靠的要求。相比以往產(chǎn)品中類似的裝置，在裝拆過程中，不僅避免了以前采用的錘擊作業(yè)方式，有效保護(hù)了天線拼裝精度，同時還降低了裝拆作業(yè)的勞動強(qiáng)度。

文中所述的結(jié)構(gòu)形式適用于大中型分塊式雷達(dá)天線的單元結(jié)構(gòu)，尤其滿足復(fù)合材料天線分塊單元的設(shè)計要求。針對不同產(chǎn)品的需求，可對定位鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的尺寸變動，同樣能滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求，從而使得該設(shè)計方法具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

[1] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄, 等. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 64-69.

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[4] 牛忠文, 仁翠鋒, 鞠金山, 等. 大口徑高精度航管雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2015(1): 103-108.

[5] 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[6] 曾攀. 有限元分析基礎(chǔ)教程[M]. 北京: 清華大學(xué), 2008.

何啟躍(1959-)，男，高級工程師，主要研究方向為無線電通信。

牛忠文(1966-)，男，研究員級高級工程師，主要研究方向為雷達(dá)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。

任翠鋒(1981-)，女，工程師，主要研究方向為雷達(dá)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。

Design of a Radar Fast Positioning and Locking Device

HE Qi-yue，NIU Zhong-wen，REN Cui-feng

(AnhuiSunCreateElectronicsCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

An integrated device for fast positioning and locking using spiral movement is designed in this paper. This is suitable for the block structure design of medium and large radar reflector antenna, especially for the block structure design of composite material radar antenna. The fast positioning and locking device realizes the structure integration design by the precise matching of the positioning taper pin with middle-segment screw thread and the positioning taper sleeve, and the inter locking of the positioning taper pin and the rotation nut; the design of two screw threads with different thread lead are adopted, the rotation of the nut drives the axial movement of the positioning taper pin relative to the positioning taper sleeve to realize fast operation of the device. This integration design technique also gives the device the advantages of small volume, light weight, easy operation and so on comparing to similar mechanisms.

fast positioning and locking; spiral movement; radar reflector antenna; block structure

2016-03-31

國家科技支撐計劃項目(2011BAH24B11)

何啟躍，牛忠文，任翠鋒

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

TH13;TN82

A

1008-5300(2016)03-0023-03