相控阵雷达中重型组合吊具

尹 宁 沈明成

南京国睿防务系统有限公司 南京 210039

0 引言

随着现代设计技术的不断发展，在追求产品轻量化设计的同时，设计的创新性和经济性得到了越来越多的关注[1]。相控阵雷达的天线阵面为高集成、模块化设计、可拆装的子阵级自适天线阵面。大型天线阵面质量大，具备较大规模外形尺寸[2]，为了满足运输性要求，一般将阵面分成上中下3块，天线阵面骨架前方安装子阵面，后方安装电源等电子设备，故其重心位置有一定的偏移。由于天线阵面具有质量大、外形尺寸长、重心偏移等特点，该设备对吊装的安全性、可靠性和稳定性要求很高。考虑到吊装对设备自身结构强度、刚度的影响，本文从吊装方案的选择、吊点的确定、吊具设计、辅具选择等方面对天线阵面的重型组合吊具进行设计。

1 吊装方案的选择

选择天线阵面的吊装方案时，在有测量条件的情况下可通过称重确定设备的质量及重心位置，以方便进行吊装方案的确定、吊具设计和吊索、卸扣等辅具的计算选型。进行吊点的选择时，通常采用四吊点方式，该方式下连接吊钩的吊索倾斜放置，吊索与水平线的夹角α控制在不小于22.5°～30°之间[3]。吊装时夹角α越小，吊索内力就越大，其水平分力会对起吊设备产生相当大的压力，故该角一般不小于30°。为避免吊索与设备的接触，同时缩小吊索夹角，吊装方案中可增加横吊梁式吊具来降低吊索高度，并减小吊索对起吊设备的横向压力。通过加吊具将吊索分为上下2层，通常上层吊索为等长不可调，下层吊索为可调。以天线中块和带包装箱天线中块为例，吊装方案中所选择的吊装点如图1、图2所示。

天线中块和包装箱的吊点位置接近4个吊点形成图形的形心，同时为便于吊具安装，采用吊板将吊索与天线中块连接。包装箱上部框架顶部布置4个角件，其位置与包装箱底框吊耳的位置对应，作为包装箱上部框架吊装的吊点和整体吊装时的吊绳限制点。天线阵面吊装时，主要由吊具上2根和吊具下4根受力吊索承受吊装中载荷。由于起吊后吊点变为实际支撑点，设备受力情况会发生变化，进行吊点选择时需综合考虑吊点位置对设备受力的影响，并确定刚度、强度变化符合设备要求。根据设备高度ha、吊具距离设备高度hb、吊具距离吊钩距离hc，总的起吊高度H＝ha+hb+hc。从图1和图2可知，天线中块起吊高度H为9 800 mm，带包装箱天线中块起吊高度H为9 900 mm。确定好起吊高度的初始位置H后，根据已知的起升高度、总质量、设备重心距离起重臂转动中心最小距离等参数，可选择合适的起升机构。此外，除确定吊钩高度外还需确定吊钩在水平面上的位置。对设备进行称重，可得质量及水平面上的重心位置，如图1、图2所示。由于天线阵面要求水平起降，本吊装方案中吊钩位于重心的正上方。吊钩与重心在水平面上的投影重合，可保证起吊设备的平稳离地。

图1 天线中块外形与吊装点

图2 带包装箱天线中块外形与吊装点

2 吊具的设计计算

吊装总体方案确定后，需对吊具进行设计计算。首先计算出各吊点的受力情况，然后进行吊具结构的刚度、强度计算，最后通过计算选择合适的吊索和卸扣等辅具。

2.1 吊具结构设计

根据天线上块、天线中块以及天线下块的吊点位置和参数的不同，对吊具进行相应的结构设计。天线分块带包装箱后，吊点设在包装箱上，为方便起见，将3种包装箱的吊具统一设计，并与天线分块的吊具兼容。所设计的吊具由2个单元组成，即由1个横梁单元（见图3a）和2个吊梁（见图3b）组成。各单元采用Q345材料焊接成型，并通过销轴、螺钉连接实现2个单元的组合。梁体结构做成流线型形状，可根据被吊物的尺寸，模块化组成不同的吊具，同时可方便选择起吊点位置。

图3 吊具结构

根据吊具构件特点和组合方法，进行刚度、强度和稳定性验算。各种吊装情况得到相应的计算条件如表1所示，利用Ansys Workbench软件进行计算，对应的计算结果如表2所示。由结果可知，吊具的最大位移满足小于变形10 mm的指标要求，吊具的最大应力保证其工作安全系数在规定安全系数外，吊具不会发生破坏，故该设计是可行的。

表1 计算条件

表2 刚度、强度计算结果

针对最有可能出现失稳情况的工况7进行稳定性分析，杆件截面为空心矩形形状，长度L=6.402 m，承受的轴向压力F=141 451 N，材料E=210 GPa。进行屈曲分析计算时，施加的初始载荷为1 000 N，如图4所示，临界压力Pcr=4 378×1 000=4 378 000 N，吊具的工作稳定安全系数n=4 378 000÷141 451=31。吊具的工作稳定安全系数远大于规定的稳定安全系数，故该设计可行。

图4 工况7下失稳计算结果

2.2 吊索

吊索是用钢丝绳制成的，钢丝绳的允许拉力即为吊索的允许拉力。吊索拉力取决于起吊设备的质量及吊索的垂直夹角，在吊装中吊索的拉力不应超过其允许拉力。吊索的拉力为[4]

式中：k1为动载系数，一般取1.1；k2为不均匀系数，一般取1.2～1.3；Q为设备质量；n为吊索的分支数；α为吊索各分支与垂直线的夹角；S为吊索破断拉力；k为吊索安全系数，一般取6。

式（1）适用于设备重心没有条件测量以及对起吊设备倾角要求不高的情况，通常4根吊索等长，其中k2根据重心估计位置来定，吊钩在水平面上投影与重心在水平面投影偏差大时则k2取较大值，反之取小。如果设备重心位置有条件测量，同时对设备吊装角度有较高要求时，吊索的拉力为

式中：Tx各吊索拉力，x=1，2，3，4。

由于各点拉力Tx均可求出，故此时不均匀系数k2为1。天线阵面吊索选型可采用式（2），按照式（2）求解破断力以选择吊索型号。以天线中块和带包装箱天线中块为例，对吊具以上吊索求得其最大破断力为152.45 t，经查手册选用6×37钢芯钢丝绳[3]，钢丝绳直径16 mm，破断拉力161 t；对吊具以下吊索求得其最大破断力为68.88 t，经查手册选用6×37纤维芯钢丝绳，钢丝绳直径16 mm，破断拉力95 t。

由于天线阵面需以水平姿态起吊，重心与吊钩在水平面上的投影必须重合，为确保起吊角度的精度，要求吊索长度可调。对天线阵面进行吊装时，吊具上方4根吊索设计为等长不可调式，吊具下方4根吊索采用手动葫芦设计为不等长可调式。可调式吊索进行试吊后，根据测量的实际吊索长度将其改成不可调式。

2.3 卸扣

卸扣由弯环和销轴2部分组成，用于吊索与吊索或吊索与设备吊耳之间的连接，根据各吊点的载荷，需选择合适的卸扣。选用卸扣时需注意：

1）选用的卸扣安全系数≥4；

2）卸扣外表面镀锌处理，防止卸扣有大面积的腐蚀或锈蚀，且卸扣弯环及销轴的任何一处截面磨损量不得超过名义尺寸10%；

3）所选卸扣要正确地支撑载荷，确保作用力沿着卸扣的中心线，避免出现弯曲和不稳定载荷；

4）合理选择卸扣弯环直径，确保销轴在承吊孔中灵活转动，避免出现卡阻现象。

以天线中块和带包装箱天线中块为例，吊索与被吊设备及包装箱角件连接用卸扣的最大拉力为11.48 t时，选用4个15 t的卸扣；吊索与横梁吊耳连接用卸扣的最大拉力为25.41 t时，选用2个30 t的卸扣。

3 结论

雷达产品属贵重电子设备，设备吊装对安全性、可靠性和稳定性要求较高。针对多功能地基相控阵雷达的天线阵面质量大、外形尺寸长、重心偏移等特点，本文选择稳定、可靠的吊装方案，采用横梁+吊梁的新型组合形式对吊具进行计算设计，同时对吊具辅具进行计算选型。依据不同的吊装工况，将吊梁架设至横梁的不同位置处，并灵活选择起吊点位置，可实现天线阵面的稳定、可靠吊装。