馬躍峰 張 筱 何冠傑北京航天發射技術研究所 北京 100076

摘 要：針對某型號天線車的天線塔系統試驗過程中存在的結構剛強度不足問題，透過開展機理分析，在天線塔原有結構基礎上，根據天線塔載荷邊界對天線塔本體和翻轉支架結構進行改進設計，並利用有限元方法對改進結構進行計算確認。天線塔系統改進後經過多次試驗驗證，產品狀態良好，改進效果明顯。文中所述措施可供同類產品參考使用。

關鍵詞：天線塔系統；剛強度；改進

中圖分類號：V351.37 文獻標識碼：B 文章編號：1001-0785（2018）10-0165-04

天線塔系統為天線車載車系統的重要組成部分，通常由天線塔和雷達天線組成[1]，是天線車載車系統的核心部件。天線塔系統主要用於雷達天線的直接裝載與支撐，以及在不同工況下配合液壓及其控制系統共同完成雷達的起豎及翻轉動作，並保持姿態鎖定[2]。

1 天線塔系統結構組成天線塔系統主要由下級天線塔、上級天線塔、天線塔基座和天線塔翻轉支架等組成，如圖1 所示。

1．天線塔基座 2. 下級天線塔 3. 上級天線塔4. 天線塔翻轉支架 5. 上級塔翻轉液壓缸 6. 下級塔起豎液壓缸圖1 天線塔系統結構示意圖

下級天線塔和上級天線塔之間透過翻轉軸連線，翻轉軸穿過下級天線塔上的自潤滑軸承，上級天線塔繞翻轉銷軸實現轉動。連線結構形式見圖2。

1. 上級天線塔 2. 下級天線塔 3. 自潤滑軸承 4. 翻轉軸圖2 上級塔與下級塔連線示意圖

天線塔翻轉支架與上級塔翻轉液壓缸配合實現上級天線塔180°翻轉，翻轉支架主要由上連桿、下連桿和連線軸組成。其中，上、下連桿為鋼板折彎後對焊而成，中間設計連線軸用於提升翻轉支架的整體剛強度，連線軸兩端用於連線翻轉液壓缸。天線塔翻轉支架結構見圖3。

2 天線塔系統結構強度分析天線塔系統在隨天線車進行出廠前上級塔維修工況0° ~180°翻轉試驗過程中，當上級塔翻轉至約170°時，上級塔以及翻轉支架上下連桿區域性結構變形過大，已出現明顯屈服，且翻轉支架端部已出現裂紋，現場試驗情況如圖4 所示。

1. 上連桿 2. 連線軸 3. 下連桿圖3 翻轉支架結構示意圖

圖4 天線塔系統試驗及裂紋位置示意圖

針對天線塔系統剛強度問題，以結構剛強度不足為頂事件，對故障現象進行分析，分別從生產質量、試驗載荷控制、設計計算等環節對翻轉支架進行復查，故障樹如圖5 所示。

透過對天線塔系統生產過程進行復查，產品生產所用原材料、結構加工和焊接工藝、產品尺寸等均按設計要求開展，生產過程檔案記錄均可查，因此生產質量滿足設計檔案要求。

圖5 天線塔系統剛強度不足問題故障樹

天線塔試驗所用模擬天線負載根據設計任務書要求生產，產品質心、介面尺寸等均滿足任務書要求，因此試驗載荷不滿足任務書要求的底事件也可排除。對天線塔設計計算情況進行復查，透過對載荷工況進行復算，上級天線塔翻轉過程中翻轉支架承受拉載荷和壓載荷，而原結構在設計計算時未考慮拉載荷工況，對翻轉支架承受拉載荷工況進行復算[3]，上連桿的計算結果見圖6，最大應力1 160 MPa，所用材料Q345，已超出材料屈服極限。此外，上級塔翻轉銷軸採用兩個短銷軸形式，在翻轉過程中短銷軸抗彎能力不足，結構僅靠固定短銷軸的8 mm 側板抗彎，導致上級塔側板區域性變形較大，上級塔結構復算結果見圖7 和圖8，結構最大應力2 851 MPa，最大變形6.34 mm，上級塔材料Q345，已超出材料屈服極限，因此天線塔系統結構剛強度明顯不足。

圖6 翻轉支架上連桿應力雲圖

圖7 上級天線塔應力雲圖

圖8 上級天線塔位移雲圖

3 天線塔系統結構改進方案根據上述計算結果，天線塔系統剛強度不滿足要求，需要對結構進行改進。針對天線塔系統結構特點和承載要求，透過增加天線塔本體的剛度與翻轉支架的強度來改進天線塔系統整體承載效能[4]。

3.1 翻轉支架結構改進經過對原翻轉支架結構復算，當承受拉載荷時，上、下連桿的端部應力均遠遠超過抗拉強度，因此對翻轉支架的連桿進行強度最佳化設計。更改結構對比見圖9。

(a) 原連桿結構 (b) 改進後連桿結構圖9 翻轉支架連桿改進方案對比

原翻轉支架上下連桿連線叉結構兩端均為8 mm 厚度的Q345 鋼板，改進後上下連桿連線叉的厚度增大為15 mm，材料選40Cr。上下連桿與天線塔連線部位由原開口結構改為封閉結構，且側板厚度由8 mm 改為15mm。

改進後結構計算結果見圖10 和圖11，結構最大應力502.6 MPa，所用材料40Cr 的屈服極限785 MPa，安全係數大於1.5，因此結構強度滿足要求。

圖10 改進結構壓載荷計算結果

3.2 天線塔本體結構改進原天線塔系統翻轉支架與天線塔本體連線軸為短軸結構，短軸在天線塔本體的側壁生根，而天線塔本體側壁厚度僅為8 mm，當承受載荷時側壁區域性剛度明顯不足，因此需要對天線塔本體的連線剛度進行改進。具體改進措施為首先將原兩個短軸改為一根貫通天線塔的長軸，長軸與翻轉支架連線部位直徑保持60 mm不變，長軸在天線塔內部的直徑儘量大，最終確定為110 mm，更改前後對比見圖12。

圖11 改進結構拉載荷計算結果 （a）原結構 (b) 改進後結構

圖12 天線塔本體改進方案對比

此外，為進一步增加天線塔本體的區域性剛強度，在與翻轉支架連桿連線部位的外側補焊一塊加強板，見圖13。加強板厚度10 mm，材料選用Q345 鋼板，與天線塔本體材料一致。

改後結構計算結果見圖14，天線塔本體最大應力210 MPa，所用材料為Q345 鋼板，屈服極限345 MPa，安全係數1.64，因此剛強度滿足要求。

圖13 上級天線塔增加加強板示意圖

4 天線塔系統試驗驗證經過對天線塔系統的翻轉支架、天線塔本體結構進行改進設計，有效解決了產品原結構方案所產生的剛強度不足問題。翻轉支架和天線塔本體改進結構生產、裝配完成後，配合天線車完成滿載起豎試驗、維修工況全程動作試驗、風載試驗等試驗專案，試驗後產品狀態良好。

圖14 上級天線塔改進結構應力雲圖

5 結論本文針對天線塔系統試驗過程中存在的結構剛強度不足問題進行分析，根據天線塔結構特點和載荷邊界對翻轉支架、天線塔本體的結構剛強度進行改進設計，並對改進結構進行計算確認。

天線塔系統改進後經過多次試驗驗證，功能效能均滿足產品使用要求，產品狀態良好，改進效果明顯。

參 考 文 獻[1] 張增太, 房景仕. 某雷達天線舉升翻轉機構的設計[J].雷達科學與技術, 2009(4):312-315.[2] 程海平. 某雷達轉檯翻轉機構一體化設計與分析[J]. 電子機械工程 , 2008,24（5）:18-21.[3] 張建偉.ABAQUS 6.12 有限元分析[M]. 北京：機械工業出版社，2014.[4] 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2008.