李 燕

(中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

40 m天線換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析*

李 燕

(中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

文中根據(jù)某40 m天線實際工程需要設(shè)計了一種新型換饋機構(gòu)。該換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，在換饋驅(qū)動單元驅(qū)動下，饋源繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)換饋。在換饋機構(gòu)工作過程中，工況復(fù)雜多變。由于換饋角度較小，時間要求相對較長，饋源擺動角速度和角加速度都非常小，因此可以用靜力學(xué)方法對其進(jìn)行研究。利用ANSYS對該換饋機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、計算和分析，得出在多種復(fù)雜工況下，該換饋機構(gòu)能夠滿足饋源對其結(jié)構(gòu)強度和剛度的要求。該換饋機構(gòu)可使天線的制造成本降低，使用率提高。

換饋機構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；ANSYS

引 言

隨著探月工程以及其他天文觀測的逐步實施和深入，對與之相關(guān)的天線的要求也越來越高，所需要的天線工作頻段也越來越廣[1]。為了節(jié)省成本，對于同一臺天線，常常需要設(shè)計多套饋電系統(tǒng)來滿足探月工程中多頻段信號接收和發(fā)射的需求。因此為了滿足這一需求，需要設(shè)計相應(yīng)的饋源或副面切換機構(gòu)來實現(xiàn)換饋功能。

目前，普遍使用的有人工換饋法、旋轉(zhuǎn)換饋法、副面轉(zhuǎn)換法。其中，人工換饋法是將饋源擺放在一定的位置，在需要更換饋源時，由人工實現(xiàn)換饋。該種換饋方法花費時間長，且需要較大的人力投入，自動化水平低，換饋極不方便。旋轉(zhuǎn)換饋法是將饋源擺放在一定的軌道上，設(shè)計饋源推升機構(gòu)，將需要的饋源推升至需要的位置。該種換饋方法自動化水平有所提高，但是需要較大的饋源支套空間來放置多個饋源以及換饋機構(gòu)。副面轉(zhuǎn)換法是將饋源固定不動，切換副面至與相應(yīng)饋源匹配的位置，實現(xiàn)換饋功能。該種換饋方法對副面撐調(diào)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。因此，在實際工程項目中，應(yīng)根據(jù)實際需求，選取或設(shè)計合適的換饋方式來實現(xiàn)換饋。

某40 m天線已經(jīng)使用多年，以上幾種換饋方式不能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上擴展天線工作頻段同時又保證天線主面精度。因此，本文設(shè)計出一種新型換饋機構(gòu)——鐘擺式換饋機構(gòu)(如圖1所示)來滿足該工程的實際需要。該天線原有S/X波段饋源，現(xiàn)擴展為S/X波段、C波段和Ku波段3套饋源，將3套饋源布置在垂直于天線俯仰軸的平面內(nèi)，通過繞垂直于該平面的一旋轉(zhuǎn)軸(平行于天線俯仰軸)做鐘擺式運動，實現(xiàn)換饋。根據(jù)各饋源尺寸關(guān)系，將3套饋源相心設(shè)計在同一個圓弧上，且S/X饋源軸線和天線主面軸線重合，C饋源和Ku饋源分別位于S/X饋源兩側(cè)±15°的對稱位置。考慮到安裝誤差及結(jié)構(gòu)變形等因素，將換饋機構(gòu)的換饋角度設(shè)計為±16.5°。

圖1 鐘擺式換饋圖

1 換饋機構(gòu)設(shè)計及其運動分析

1.1 換饋機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)該機構(gòu)運動原理，將其簡化為曲柄搖塊機構(gòu)[2]，選擇曲柄的有效行程角度為33°。根據(jù)圖1，將該機構(gòu)簡化為如圖2所示的機構(gòu)運動簡圖。以mm為單位建立如圖2所示的坐標(biāo)系，其中O點為曲柄OB旋轉(zhuǎn)中心，AB在絲杠螺母的驅(qū)動下以速度v在AB方向上滑動，AB能同時繞著定點A和動點B旋轉(zhuǎn)，從而形成搖塊。在如圖所示的坐標(biāo)系中，O、A、B三點坐標(biāo)為(0,0)、(Xa,Ya)、(Xb,Yb)，OB與OA之間夾角為θ。設(shè)OA=a，OB=b，AB=c，則可以得到：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)要求，取Xa=1 485 mm，Ya=435 mm，帶入式(1)得到a=1 547 mm。B點雖然繞A點做旋轉(zhuǎn)運動，但長度b保持不變，取b=3 042 mm， 27.629 2°≤θ≤60.629 2°，則可以得到：

1 818 mm≤c≤2 652 mm

(4)

由式(4)可得，絲杠工作行程Δc= 834 mm，取速度v= 2.5 mm/s，則絲杠從0行程到滿行程的換饋過程最多使用的時間：

圖2 換饋機構(gòu)運動簡圖

1.2 換饋機構(gòu)運動分析

根據(jù)式(3)可以得到：

(5)

選取推桿以速度v沿AB方向勻速運動，則：

c(t)=c0+vt

(6)

式中，c0為推桿0行程時A、B之間的距離，根據(jù)式(4)可知c0=1 818 mm。將式(6)帶入式(5)得到曲柄OB繞點O旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)：

(7)

分別對式(7)求一階、二階導(dǎo)數(shù)，得到曲柄OB繞點O旋轉(zhuǎn)的角速度和角加速度如下：

(8)

(9)

將速度v= 2.5 mm/s帶入式(6)、(8)和(9)即可得到曲柄OB旋轉(zhuǎn)的角速度和角加速度。

圖3所示為絲杠從0行程到滿行程的運動過程中，曲柄OB的旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度曲線。由圖可知，由于絲杠運行速度緩慢，所以在整個運動過程中，曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度非常小，其中角加速度達(dá)到10-4(°)/s2數(shù)量級。

圖3 換饋支撐筒旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度曲線

對應(yīng)于換饋機構(gòu)，由以上分析可以得到，完成整個換饋過程所需時間為5.56 min，滿足10 min的設(shè)計要求。當(dāng)絲杠沿AB方向勻速伸長或縮短時，饋源及其支撐結(jié)構(gòu)以非常小的角速度和角加速度繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)換饋。其中角加速度很小，因此可以將該機構(gòu)的動力學(xué)問題簡化為靜力學(xué)問題做進(jìn)一步研究。

2 換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元計算

2.1 換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元模型

根據(jù)以上確定的幾何參數(shù)，設(shè)計換饋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

該換饋機構(gòu)主要由換饋過渡筒、換饋支撐筒、換饋絲杠及其驅(qū)動、換饋旋轉(zhuǎn)軸等組成，整個換饋機構(gòu)通過過渡筒與原中心體上法蘭直接螺栓連接，并通過止口定位，安裝定位簡單方便[3]。在換饋旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)分別裝有限位開關(guān)和旋變組合，對換饋支撐筒實際旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行監(jiān)控，并與控制系統(tǒng)構(gòu)成反饋回路，確保換饋精度和換饋機構(gòu)運行安全。在換饋支撐筒的上端裝入饋源及其支套。在換饋絲杠及其驅(qū)動的帶動下，換饋支撐筒做單擺式往復(fù)運動，從而帶動安裝在換饋支撐筒上的饋源擺動，實現(xiàn)換饋。為了避免換饋絲杠承受壓力的情況，將換饋絲杠布置在換饋機構(gòu)的上方。饋源重心距離換饋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)，導(dǎo)致整個換饋機構(gòu)尺寸較大，因此為盡量減小換饋絲杠的載荷，也為了提高換饋機構(gòu)的整體剛度，在換饋支撐筒下端裝入適當(dāng)配重來平衡換饋絲杠的載荷和換饋支撐筒的變形。所有結(jié)構(gòu)件均使用Q235鋼材。

該天線饋源及其支套重量達(dá)到1 800 kg，且其重心距離換饋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)，達(dá)到3.2 m。除此之外，饋源相心距離換饋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸2.5 m，相對較遠(yuǎn)，因此為了研究換饋機構(gòu)工作時的結(jié)構(gòu)變形對饋源相心位置的影響，有必要對該換饋機構(gòu)工作時的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計算和校核。同時，為了減輕該換饋機構(gòu)的重量以減輕天線反射體和座架的載荷，在換饋機構(gòu)各結(jié)構(gòu)件設(shè)計中多采用薄壁板件焊接而成。對于重載荷薄壁板結(jié)構(gòu)件，有必要對其結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析校核，以確保換饋機構(gòu)工作時不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此利用有限元軟件ANSYS建立如圖5所示的換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對該結(jié)構(gòu)的強度和剛度進(jìn)行計算。

圖5 換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)三維有限元模型

為簡化模型，將饋源及支套用質(zhì)量元Mass21模擬，絲杠用桿Link8單元模擬，所有銷軸均用梁Beam188單元模擬，其余板件均用殼單元Shell63模擬。為了很好地模擬該換饋機構(gòu)的邊界約束條件，用殼單元Shell63模擬與換饋機構(gòu)相連的中心體高頻房，將約束條件施加在高頻房底部，則根據(jù)圣維南定理[4]，能夠較準(zhǔn)確地模擬出換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)的受力和傳力情況。由于該天線在工作時姿態(tài)較多，同時換饋機構(gòu)本身工作狀態(tài)也不唯一，因此為了能夠模擬出換饋機構(gòu)工作時的惡劣工況，選擇天線指平和朝天2種姿態(tài)，換饋機構(gòu)S/X饋源工作、C饋源工作和Ku饋源工作3種工作狀態(tài)(共6種工況)，對換饋機構(gòu)在重力作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算和分析。

2.2 有限元計算結(jié)果

圖6～圖8為在上述6種工況下，換饋機構(gòu)工作時的結(jié)構(gòu)重力變形云圖。當(dāng)天線朝天時，換饋機構(gòu)沿天線軸線方向(模型中Y向)變形對天線指標(biāo)影響較大；在天線指平時，沿天線橫向(模型中Z向)變形對天線指標(biāo)影響較大。因此，當(dāng)天線朝天時，關(guān)注換饋機構(gòu)Y向結(jié)構(gòu)變形；當(dāng)天線指平時，關(guān)注換饋機構(gòu)Z向結(jié)構(gòu)變形。對換饋機構(gòu)在各種工況下工作時的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。由表1可知，在換饋機構(gòu)工作時，如果天線指平或者仰角較低，則換饋機構(gòu)沿天線橫向變形的最大值將達(dá)到1.91 mm。

圖6 S/X饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)變形云圖

圖7 C饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)變形云圖

圖8 Ku饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)變形云圖

表1 換饋機構(gòu)各工況下變形最大值統(tǒng)計 mm

S/X饋源工作天線朝天(Y向)天線指平(Z向)C饋源工作天線朝天(Y向)天線指平(Z向)Ku饋源工作天線朝天(Y向)天線指平(Z向)-0.21-1.40-0.29-1.91-0.48-1.36

換饋機構(gòu)工作時，整個設(shè)備重量通過過渡筒上法蘭傳遞給中心體高頻房，再傳遞給天線座和塔基。在換饋機構(gòu)內(nèi)部，主要承力部位為過渡筒和支撐筒旋轉(zhuǎn)軸處、換饋絲杠兩端支耳和連接處，因此在這些部位會出現(xiàn)應(yīng)力峰值。對圖9～圖11所示的各種工況下?lián)Q饋機構(gòu)工作時結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可知，換饋機構(gòu)工作時的最大應(yīng)力為59.22 MPa。

圖9 S/X饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 C饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 Ku饋源工作時換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表2 換饋機構(gòu)各工況下變形最大值統(tǒng)計 MPa

S/X饋源工作天線朝天天線指平C饋源工作天線朝天天線指平Ku饋源工作天線朝天天線指平26.4453.2127.7859.2230.0645.73

3 結(jié)果分析

3.1 強度計算結(jié)果分析

在該結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用的材料是Q235鋼材，其容許應(yīng)力為157 MPa。由以上有限元計算結(jié)果可以看出，當(dāng)換饋機構(gòu)在以上6種工況下工作時，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為59.22 MPa(小于157 MPa)，發(fā)生在C饋源工作天線指平工況下，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在換饋過渡筒中筋板與上端法蘭連接的連接處，屬于應(yīng)力集中，但滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

3.2 剛度計算結(jié)果分析

由以上有限元計算結(jié)果可以看出：該換饋機構(gòu)工作時，結(jié)構(gòu)沿天線縱向的位移最大值為0.48mm(小于3 mm)，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求；結(jié)構(gòu)沿天線橫向的位移最大值為1.91 mm(Ku饋源工作時橫向最大位移為1.36 mm)，直接影響到天線的指向精度，對高頻饋源更為突出[5]。因此，有必要研究橫向變形量對高頻段Ku饋源的方向圖、增益和指向精度的影響，以進(jìn)行比較和分析。

3.3 指向精度分析

由于Ku饋源對指向要求較高，因此以Ku饋源為標(biāo)準(zhǔn)來校核該換饋機構(gòu)的指向精度。饋源相心橫向偏移對天線的指向精度影響最為嚴(yán)重，該換饋機構(gòu)中導(dǎo)致饋源相心橫向偏移的因素有：

1)換饋機構(gòu)止口定位產(chǎn)生的橫向偏差為0.05 mm；

2)旋轉(zhuǎn)軸及軸承間隙產(chǎn)生的橫向偏差分別為0.03 mm和0.04 mm；

3)絲杠兩端鉸接處各產(chǎn)生0.06 mm的橫向偏差；

4)重力變形導(dǎo)致的橫向偏差為1.36 mm。

因此該換饋機構(gòu)引起的饋源橫向偏移δ=1.6 mm。利用Grasp軟件分別計算Ku饋源橫向偏移為0 mm和1.6 mm時天線的方向圖，如圖12所示。通過Grasp軟件讀出當(dāng)Ku饋源發(fā)生1.6 mm橫向偏移時，天線增益值基本不變，保持為75.299 5 dB，指向偏差α1=0.001 887 5 ° = 6.795″。

圖12 Ku饋源橫向偏移時的方向圖

除此之外，影響換饋機構(gòu)指向精度的另一個重要分量為換饋絲杠位置精度。該換饋機構(gòu)中絲杠行程位置精度為0.1 mm，導(dǎo)致指向最大偏差α2=17″，因此該換饋機構(gòu)的指向精度α= 23.795″(小于25″)，滿足設(shè)計要求。

在目前的結(jié)構(gòu)形式下，該換饋機構(gòu)已經(jīng)能夠滿足結(jié)構(gòu)強度要求以及饋源對于結(jié)構(gòu)剛度的要求，但是對天線的指向精度依然有所影響。為了修正天線指向，使天線指標(biāo)達(dá)到更好的效果，可以通過控制加上結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)的方式減小饋源橫偏，以達(dá)到預(yù)期的指向精度。在實際工作時，利用控制回路，先針對Ku頻段對換饋機構(gòu)進(jìn)行預(yù)調(diào)，以提高天線的指向精度，然后復(fù)測得到天線的各項指標(biāo)。

實測結(jié)果顯示，換饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)后，各頻段饋源工作時天線指向精度得到了修正，天線指標(biāo)均為良好。其中，通過對比改造前后天線方向圖發(fā)現(xiàn)，S/X饋源工作時天線的增益有所增加，指標(biāo)有所提高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型鐘擺式自動換饋機構(gòu)，該機構(gòu)原理簡單，安裝方便，易于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)自動切換饋源到位的功能。同時，通過以上分析可以得到以下結(jié)論：

1)該換饋機構(gòu)工作時，絲杠沿運動方向勻速伸出或收回，換饋支撐筒帶動饋源繞旋轉(zhuǎn)軸作非勻速轉(zhuǎn)動。絲杠運動速度較慢，導(dǎo)致?lián)Q饋機構(gòu)支撐筒轉(zhuǎn)動角速度和角加速度都很小，因此可以將此動力學(xué)問題簡化為靜力學(xué)問題進(jìn)行研究。

2)該換饋機構(gòu)正常工作時，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為59.22 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強度要求；結(jié)構(gòu)沿天線軸線方向變形最大值為0.48 mm，沿天線橫向變形最大值為1.91 mm，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求；其指向精度為23.795″，滿足電氣指標(biāo)要求。

3)該換饋機構(gòu)通過繞平行于天線俯仰軸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)擺動實現(xiàn)換饋，因此可以通過對換饋機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)調(diào)來修正結(jié)構(gòu)變形引起的饋源相心橫向偏移，從而修正饋源和天線的同軸度和天線的指向精度。

4)對于S/X饋源，比較天線方向圖，由實測數(shù)據(jù)可知，使用換饋機構(gòu)對天線進(jìn)行改造后，天線的增益有所增加，指標(biāo)有所提高。

因此從設(shè)計角度上考慮，該換饋機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)換饋功能，且滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度要求，也能滿足各饋源對結(jié)構(gòu)變形的要求。從實際應(yīng)用角度考慮，該換饋機構(gòu)已經(jīng)順利安裝并投入使用，各項性能指標(biāo)良好，不僅沒有降低天線指向精度和效率，反而使天線指標(biāo)有所提高。因此，該換饋機構(gòu)的成功使用，在降低天線制造成本的同時提高了該天線的使用效率，對以后工程的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 王宇哲. 大型射電望遠(yuǎn)鏡多饋源切換機構(gòu)的設(shè)計[J]. 無線電工程, 2010, 40(5): 52-53.

[2] 孫桓, 陳作杰, 葛文杰. 機械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機械設(shè)計[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[4] 徐芝綸. 彈性力學(xué)簡明教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.

[5] 葉尚輝, 李在貴. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1986.

李 燕(1988-)，女，工程師，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析工作。

Structure Design and Finite Element Analysis of Feed-switching Mechanism in a 40 m Antenna

LI Yan

(The39thResearchInstituteofCETC,Xi′an710065,China)

A new style of feed-switching mechanism is designed for a 40 m antenna in this paper according to actual engineering requirements. This feed-switching mechanism is simple in structure and easy to operate. Feed-switching drive makes feed rotating around axis to realize feed switching. The feed-switching mechanism works under complicated working conditions. Because of small rotation angle and long time requirements, the feed rotates with very low velocity and acceleration, therefore statics methods can be used for research. Structure modeling, calculation and analysis for the feed-switching mechanism are conducted using ANSYS. The results show that the mechanism can meet the strength and stiffness requirements of feed under complex working conditions. This feed-switching mechanism can reduce the manufacturing cost of the antenna and increase its efficiency.

feed-switching mechanism; structure design; ANSYS

2016-09-06

TN82

A

1008-5300(2017)02-0022-05