唐際杰

(桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司， 廣西 桂林 541001)

某大型雙耳式車載天線座系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

唐際杰

(桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司， 廣西 桂林 541001)

隨著我國(guó)國(guó)防事業(yè)的快速發(fā)展，裝備結(jié)構(gòu)形式越來越趨向于向大型化和輕型化兩極發(fā)展。在需要移動(dòng)式大功率發(fā)射的情況下，大型車載天線座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便成為裝備研制的核心內(nèi)容。為了有效利用設(shè)備空間，提高天線座整體的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足野外車載設(shè)備工作的需要，文中從總體布局、結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、散熱及防雨設(shè)計(jì)等方面對(duì)某大型車載天線座系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)并已交付客戶使用。

天線座系統(tǒng)；傳動(dòng)；散熱；防雨設(shè)計(jì)

引 言

大型車載天線座系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是移動(dòng)式大功率車載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，在需利用定向天線進(jìn)行方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雙耳式天線座憑借其結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)成了此類設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)形式。但以往設(shè)計(jì)的天線轉(zhuǎn)臺(tái)多為分體式結(jié)構(gòu)，天線座存在穩(wěn)定性差、俯仰軸同心度不高的缺點(diǎn)。為適應(yīng)某車載設(shè)備路況差、天線定位精度高的需要，本文從天線座總體布局、結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、散熱及防雨設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對(duì)該大型車載天線座系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了流體仿真分析。目前該天線座已投產(chǎn)使用，并取得了很好的應(yīng)用效果。

1 天線座系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體布局

該天線座系統(tǒng)由天線座底座、天線座轉(zhuǎn)臺(tái)、方位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和天線框架等組成。天線座總體布局與所裝載的天線、發(fā)射組件和電源模塊的安裝形式有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)此類天線座時(shí)，首先要根據(jù)天線及各類設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和重量尺寸進(jìn)行總體布局。該天線座安裝的天線為2個(gè)平板陣列天線，并排安裝時(shí)需要較大的空間；發(fā)射組件為14個(gè)功放發(fā)射單元，連同14個(gè)通風(fēng)散熱單元并排安裝也需要較大的空間。為充分利用安裝空間，采用雙耳式天線座結(jié)構(gòu)，天線框架安裝于兩支耳之間，一面安裝2個(gè)陣列天線；另一面安裝功放發(fā)射單元和通風(fēng)散熱單元，天線轉(zhuǎn)臺(tái)周圍多余的空間用于安裝進(jìn)風(fēng)扇、出風(fēng)扇和電源模塊等。圖1為天線座總體布局圖。

圖1 天線座總體布局

1.2 傳動(dòng)原理

伺服傳動(dòng)原理如圖2所示。方位傳動(dòng)和俯仰傳動(dòng)均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，方位電機(jī)通過方位減速器和方位齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方位轉(zhuǎn)臺(tái)，方位同步機(jī)通過一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)從方位軸上獲取同步信號(hào)；俯仰電機(jī)通過方位減速器和俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)天線框架，俯仰同步機(jī)通過一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)從俯仰軸上獲取同步信號(hào)。另外，在該產(chǎn)品中，方位要實(shí)現(xiàn)±120°轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)設(shè)備到天線座的連接電纜進(jìn)行±120°回轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)了螺旋彈簧帶動(dòng)電纜回轉(zhuǎn)的電纜卷繞裝置，如圖3所示。

圖2 天線座伺服傳動(dòng)原理

圖3 電纜卷繞裝置

2 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料的選擇

在確定天線座材料時(shí)必須遵循2個(gè)原則：天線座本身的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求[1]；為方便吊裝，天線座應(yīng)盡量輕。根據(jù)天線座的承載能力和自身重量設(shè)計(jì)要求，對(duì)鑄鋁和鑄鋼進(jìn)行性能比較。一般工程用鑄鋼主要應(yīng)用于大型固定基座，其重量大，加工性能差；鑄鋁ZL102應(yīng)用于形狀復(fù)雜、耐腐蝕、氣密性高的薄壁基座，其加工性能好，重量適中。根據(jù)比較結(jié)果，決定采用鑄鋁ZL102作為該車載天線座的材料。天線框架材料采用防銹鋁板。防銹鋁板重量輕，耐腐蝕，綜合性能優(yōu)越。

2.2 結(jié)構(gòu)形式的確定

天線座的結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)所安裝的天線和設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、重量和尺寸來確定。該產(chǎn)品使用的天線為雙陣列天線，為充分利用安裝空間，天線和其他設(shè)備均安裝在天線框架的前后兩面，天線框架做5°～15°的俯仰運(yùn)動(dòng)。雙耳式天線座安裝空間較大，可滿足安裝要求。天線座上部為轉(zhuǎn)臺(tái)及俯仰傳動(dòng)區(qū)，下部為方位傳動(dòng)區(qū)，如圖4所示。

圖4 雙耳式天線座

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 天線轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1.1 傳統(tǒng)雙耳式天線轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于以往高度尺寸較小的鋼制雙耳式天線轉(zhuǎn)臺(tái)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式為分體式設(shè)計(jì)，即先對(duì)支耳1、支耳2和安裝盤進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后從底部對(duì)三者進(jìn)行螺裝設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，加工簡(jiǎn)單，成本低，但存在整體穩(wěn)定性和兩端俯仰軸同心度差的缺點(diǎn)。車載天線座若長(zhǎng)期在路況較差的道路環(huán)境下工作，其穩(wěn)定性就會(huì)急速下降，進(jìn)而影響天線的運(yùn)行精度。

2.3.1.2 整體式雙耳式天線轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)天線座上安裝的設(shè)備數(shù)量和尺寸大小，該轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑達(dá)2 m，支耳高1.5 m，受總體重量的限制，轉(zhuǎn)臺(tái)材質(zhì)采用密度較小的鋁合金材料。為增加天線座整體的穩(wěn)定性，提高兩端俯仰軸的同心度，將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)成整體鑄造的結(jié)構(gòu)形式。用鏜床對(duì)兩端俯仰孔進(jìn)行一次性鏜孔加工，以保證兩端俯仰軸的同心度。天線轉(zhuǎn)臺(tái)支筋的厚度根據(jù)安裝設(shè)備的尺寸和重量來確定，在天線座轉(zhuǎn)臺(tái)底部設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，并進(jìn)行適當(dāng)減重和美化處理。設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留好俯仰電機(jī)的安裝位置。圖5為雙耳式天線轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 雙耳式天線轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座為整個(gè)天線座系統(tǒng)的關(guān)鍵受力部件，具有承重和安裝方位傳動(dòng)件的功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮以下幾個(gè)方面：

1)根據(jù)設(shè)備和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸確定底座的大小；

2)根據(jù)整個(gè)天線座系統(tǒng)的重量設(shè)計(jì)底座的厚度，并進(jìn)行受力分析；

3)預(yù)留方位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝位置；

4)預(yù)留易于操作的維修口、孔；

5)確定布線路徑，預(yù)留布線位置。

根據(jù)以上幾個(gè)方面確定底座的形狀和大小，整個(gè)底座分上下2層，上層為方位傳動(dòng)件安裝層，下層為對(duì)外接口安裝層。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)底座進(jìn)行合理減重，設(shè)置傳動(dòng)件維修口，并對(duì)外形進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?。圖6為底座結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 底座結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)設(shè)計(jì)為整個(gè)天線座系統(tǒng)的核心，其好壞關(guān)系到整個(gè)天線座系統(tǒng)的成敗。傳動(dòng)設(shè)計(jì)需從傳動(dòng)形式的確定、電機(jī)和減速器的選擇、傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面來考慮。

2.3.3.1 傳動(dòng)形式的確定

傳動(dòng)形式種類很多，常用的有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等幾種。該產(chǎn)品要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。根據(jù)這一特點(diǎn)，方位和俯仰均采用圓柱齒輪傳動(dòng)形式。方位和俯仰傳動(dòng)裝置均由電機(jī)+減速器一體機(jī)、齒輪裝置、電氣和機(jī)械限位裝置以及軸承等組成。

2.3.3.2 電機(jī)及減速器的選擇

1)負(fù)載力矩的計(jì)算。在確定電機(jī)和減速器之前，首先需分別對(duì)方位和俯仰負(fù)載力矩進(jìn)行計(jì)算(負(fù)載力矩一般包括慣性力矩和風(fēng)力矩)，并對(duì)兩者取2倍的安全系數(shù)，最后得出所需電機(jī)的最小功率。

2)電機(jī)及減速器選型。根據(jù)所需電機(jī)的最小功率初選某一型號(hào)的電機(jī)，再根據(jù)所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)數(shù)得出最大減速比，由最大減數(shù)比選定減速器、齒輪傳動(dòng)比和總傳動(dòng)比。

3)電機(jī)輸出功率、力矩的復(fù)核。根據(jù)電機(jī)的額定力矩、總傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率，得出最大力矩大于負(fù)載力矩即可。當(dāng)然，若產(chǎn)品應(yīng)用在海拔高度大于2 000 m的高原，則高度每增加1 000 m，功率大約降低10%。因此，在進(jìn)行電機(jī)實(shí)際功率和實(shí)際輸出力矩的復(fù)核時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)的損耗。

2.3.3.3 傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪傳動(dòng)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。齒輪設(shè)計(jì)主要考慮齒輪材料、精度和齒數(shù)的選擇以及齒面強(qiáng)度、齒根彎曲度、分度圓、中心距和齒輪寬度的計(jì)算[2]。當(dāng)然，若技術(shù)人員設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富，也可省去齒面強(qiáng)度和齒根彎曲度的計(jì)算。鑒于齒輪末級(jí)傳動(dòng)對(duì)總的回差影響最大，所以在對(duì)末級(jí)齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使齒輪中心距可調(diào)，這樣可部分消除齒側(cè)隙[3]。另外，還應(yīng)對(duì)齒輪零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p重。

2.4 散熱及防雨設(shè)計(jì)

2.4.1 散熱設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，功放單元、微波組件、固態(tài)繼電器、變壓器及各種整流模塊等各種電子元器件的集成度越來越高，元器件對(duì)周圍環(huán)境溫度的要求也越來越苛刻。為了保證天線座系統(tǒng)各元器件的正常工作，采用熱交換器來降低天線座系統(tǒng)的內(nèi)部溫度是很有必要的。

根據(jù)該產(chǎn)品的特點(diǎn)，陣列天線和功放單元分別安裝在天線框架的兩側(cè)。功放單元為最大散熱部件，需對(duì)它進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，在天線轉(zhuǎn)臺(tái)底面設(shè)計(jì)了3個(gè)散熱風(fēng)扇(1個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇，2個(gè)出風(fēng)風(fēng)扇)。將功放單元和散熱片貼合在一起，外設(shè)風(fēng)道和風(fēng)扇，用風(fēng)扇對(duì)散熱單元進(jìn)行強(qiáng)制散熱，增加空氣的對(duì)流，形成1個(gè)一進(jìn)一出的散熱單元。該產(chǎn)品共有14個(gè)功放單元，設(shè)計(jì)了7組散熱單元，熱風(fēng)自左向右吹出，與天線轉(zhuǎn)臺(tái)底面及天線罩形成1個(gè)天線散熱系統(tǒng)。

天線散熱系統(tǒng)的冷熱風(fēng)循環(huán)過程為：天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇將方艙內(nèi)制冷空調(diào)的冷風(fēng)帶入天線系統(tǒng)內(nèi)，天線系統(tǒng)的7組散熱單元利用冷風(fēng)對(duì)散熱單元進(jìn)行強(qiáng)制散熱，熱風(fēng)通過轉(zhuǎn)臺(tái)底部的2個(gè)出風(fēng)風(fēng)扇將其熱量強(qiáng)制帶出天線罩，使天線罩內(nèi)部形成1個(gè)冷熱風(fēng)交替循環(huán)系統(tǒng)，完成冷熱風(fēng)交替。天線系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示，天線罩內(nèi)部流體分析如圖9所示。

圖7 天線系統(tǒng)散熱布局示意圖

圖8 單個(gè)散熱單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 天線罩內(nèi)部流體分析圖

2.4.2 防雨設(shè)計(jì)

為達(dá)到防雨和防塵的效果，專門為天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)了天線罩。天線罩采用玻璃鋼材料制作，其下部設(shè)計(jì)有金屬安裝臺(tái)階，在天線轉(zhuǎn)臺(tái)與天線罩接合面設(shè)計(jì)有密封圈。通過天線罩、天線轉(zhuǎn)臺(tái)和密封圈實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的防雨設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

在野外復(fù)雜道路環(huán)境下使用的車載設(shè)備對(duì)天線座的重量、承載能力、穩(wěn)定性、俯仰軸同心度等都有較高的要求。工程實(shí)踐表明，在整體重量相當(dāng)?shù)那闆r下，該車載天線座的承重能力、穩(wěn)定性、俯仰軸同心度等指標(biāo)跟以往的雙耳式天線座相比，有了明顯提高，可以替代部分雙耳式分體天線座。對(duì)于車載大型雙耳式天線座，在設(shè)計(jì)中不僅要考慮其結(jié)構(gòu)布局、傳動(dòng)形式、散熱及防雨等，還要考慮天線座結(jié)構(gòu)的加工、裝配工藝性和維修性以及天線座內(nèi)部電纜的卷繞、布線形式和外部的起吊裝置等。此外，若在海上、高原等惡劣環(huán)境下使用，還要考慮結(jié)構(gòu)件表面的特殊處理及外觀涂覆等?？傊挥芯C合考慮以上因素才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)美觀、性能可靠的天線座系統(tǒng)。

[1] 吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1975.

[2] 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 吳鳳高. 雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1973.

唐際杰(1979-)，男，工程師，主要從事軍用電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

聲 明

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Design of a Large Vehicle-borne Double-ear Antenna Pedestal System

TANG Ji-jie

(GuilinChanghaiDevelopmentCo.,Ltd.,Guilin541001,China)

With the rapid development of China′s national defense, the equipment structure develops towards large and lightweight trends. The design of the large vehicle-borne antenna pedestal system becomes the core of equipment development when the mobile high-power transmitter is required. In order to use effectively the space of equipment, improve the stability of the whole antenna pedestal system and to ensure the stable working conditions of the outdoor vehicle-borne equipment, the design of a large vehicle-borne antenna pedestal system is described from the overall layout, the structure form, the transmission design, the heat radiation design and the rainproof design in this paper. This system is completed in engineering design and has been delivered to the customers.

antenna pedestal system; transmission; heat radiation; rainproof design

2015-12-09

TN820.8+2

A

1008-5300(2016)03-0038-04