风荷作用下的抛物面天线用螺栓强度分析

2023-08-31陈向阳

安徽理工大学学报（自然科学版） 2023年2期

张瑾,陈向阳,蒋燕

(1.安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001;2.西安普天天线有限公司技术部,陕西西安 710043)

螺栓作为最常用、最简单、最有效的连接用零件之一,被广泛应用于微波天线系统中。为保证天线使用寿命15年,要求螺栓强度能够满足寿命要求;为保证实现机械的功能以及可靠性,要对螺栓进行受力分析及强度方面的校核。螺栓看似简单实则繁琐、看似渺小却事关重大[1]。因此,研究和探讨整个抛物面天线系统中螺栓强度的校核分析方法,避免螺栓失效破坏,是天线结构设计的重要方向。

本文以口径为φ1.3m抛物面天线上选用的螺栓为例,提出了抛物面天线用螺栓强度校核的方法,并对校核结果进行实验验证,以保证螺栓在风速v=70m/s作用下既不会发生断裂又不会发生疲劳破坏。

1 结构简介

本文研究的φ1.3m抛物面天线由罩板、侧罩、反射面、中心盘、弯板、挂架和支撑杆等构件组成。在该天线系统中,所用的螺栓规格主要有M12(2个)和M14(8个)两种类型。M12的螺栓主要用来连接弯板与中心盘;4个M14螺栓用来连接弯板与挂架俯仰调节座,另4个把挂架俯仰座紧固在抱柱上。天线结构及螺栓连接位置如图1所示。

1.罩板;2.围子;3.反射面;4.支撑杆;5.中心盘;6.挂架弯板;7.夹板;8.抱柱

2 载荷的计算

该天线结构各部件基本上采用铝制材料,重量较轻,重力可以不予考虑。风载是作用在天线上的最重要的载荷,大小不同。计算采用笛卡尔直角坐标系,原点位于抛物反射面的顶点,Y轴与天线轴线重合,且竖直向上,X轴水平向右,Z轴由右手螺旋法则确定,天线结构所在坐标系及风向角α如图2所示[2]。

图2 坐标系及风角图

该抛物面天线所受的风力与其结构型式及风向角α有一定关系,主要因素有抛物面的凹度、抛物口面的形状等。对于本文分析的该类型抛物面天线,受到的风力又可以分为轴向力和横向力[3]。其轴向力和横向力计算公式如下:

FA=CAAV2

FS=CSAV2

式中,FA分别为轴向作用力,N;FS为横向作用力,N;A为天线正面面积,A=1.267m2;V为风速,V=70m/s;CA、CS为轴向力系数、横向力系数。

参考天线结构设计相关资料可知,在风向角α为0°、35°、75°、92°、180°时,天线受到的轴向力和横向力大小如表1[4-5]所示。

表1 不同工况的风压系数与载荷表

由表1中数值可知,在风向角α=0°时,天线所受轴向力FA=4843N,横向力FS= 0,两者差值最大,此时风载直接垂直作用在天线罩板上。

3 强度校核

根据天线的结构特点、工作时安装固定位置及风向载荷情况分析,在风向角α=0°时,主要用来连接弯板与中心盘的2个M12螺栓轴线与风力方向平行;用来连接弯板与挂架俯仰调节座的4个M14螺栓及把挂架俯仰座紧固在抱柱上的4个M14螺栓轴线均与受力方向垂直。

因此,8个M14螺栓在这两个连接处受力最大,可对结构中的8个M14螺栓在工况1下进行强度校核计算。整个天线结构中所用螺栓材质均为Q235(4.8级),由GB T3098.6-00《紧固件机械性能不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》查得,螺栓等级及机械性能要求如表2[6-7]所示。

表2 M14螺栓的机械性能

根据机械性能可以求出M14螺栓的抗拉极限Fs及抗剪极限值Ft,计算公式如下:

Fs=ASσS=111×420=46620N

Ft=ASτS=111×294=32634N

3.1 4个M14螺栓强度计算

现把挂架和弯板作为一个整体进行分析,因支撑杆和挂架组件两端均固定,此处连接弯板的4个M14螺栓的扭转力矩M=0,所以该处螺栓受到的拉力FL=0。风载P作用在罩板上,根据受力特点绘出其力臂结构尺寸图(见图3)。由表2知,在该工况下天线所受载荷P=FA=4843N。

图3 连接挂架与弯板的M14螺栓力臂图

图4 固定挂架组件与抱柱的螺栓力臂图

天线在风载荷P的作用下,此处的4个M14螺栓受到的剪切力Q如下

式中,L1为天线轴线到连接螺栓的距离,L1=0.261N;L2为天线轴线到支撑杆固定中心的距离,L2=0.71m;n为螺栓数量,n=4。

根据上述计算结果可得安全系数η为

从安全系数η=37>1可知,此处连接的4个M14螺栓的抗剪切强度足够满足要求。

3.2 4个M14螺栓的强度计算

1)绕抱柱方向受力分析把挂架和弯板分开单独分析,由上述分析可知连接弯板和挂架的M14螺栓产生的的剪切力为Q=885.4N,天线整体结构通过4个M14螺栓固定在抱柱上,而抱柱与铁塔焊接在一起并固定在地面不动,其力臂结构尺寸如图3所示。

由于固定中心盘与弯板的螺栓受到剪切力Q的作用,天线整体结构在挂架组件与抱柱的4个M14螺栓连接处结构产生绕抱柱旋转的弯矩Mt。而天线工作要求必须保证在4个M14螺栓连接的预紧力F0作用下,把天线整体结构通过挂架组件紧固在抱柱上。当天线整体结构受到弯矩Mt作用时,在抱柱上会产生一个与弯矩Mt反向的抗回转力矩Tp阻止天线绕抱柱旋转。当Mt>Tp,则天线整体结构会绕抱柱旋转;当Mt

根据以上分析,可以分别对弯矩Mt及抱柱的回转力矩Tp进行计算。天线整体结构在挂架组件与抱柱的4个M14螺栓连接处结构产生绕抱柱旋转的弯矩Mt计算如下

Mt=QL3=885.4×0.115=101.8N·m

式中,L3为连接弯板的M14螺栓到抱柱轴线的距离,L3=0.115m。

在抱柱上产生的抗回转力矩Tp是由螺栓预紧力F0产生的。预紧力F0为

式中,T为拧紧力矩,T=70N·m;d为螺栓直径,d=0.014m;k为拧紧力矩系数,取k=0.2。

抗回转力矩Tp为

2237.8N·m

式中,R为抱柱半径,R=0.057m;φ为夹板与抱柱接触角,φ=30°;μ为摩擦系数,μ=0.17;n为螺栓数量,n=4。

则安全系数η为

由η=22>1可知,Mt≪Tp。因此,整个天线结构能在M14螺栓预紧力的作用下紧固在抱柱上不会发生转动。

2)竖直方向的静力分析工况1下,天线整体结构在竖直方向仅受到自重G的作用,其重力图如图5所示。

图5 天线重力图

天线整体结构通过挂件选用的4个M14螺栓预紧力F0紧固在抱柱上,在摩擦力的作用下保持静止状态。而螺栓的预紧力F0作用在抱柱上产生总的正压力N,计算如下

对抱柱表面产生的静摩擦力Ff

Ff=Nμ=230946×0.17=39261N

而天线自重G

G=mg=44×9.8=431N

通过计算得Ff≫G,所以天线在竖直方向(自重状态下),通过4个M14螺栓紧固在抱柱上不会向下滑动,说明所选螺栓性能满足要求。

4 φ1.3m天线静载荷试验

为了验证计算结果的正确性,现对φ1.3m抛物面天线进行静载荷试验。将风速v=70m/s的风荷简化为484.3kg的静载荷,利用若干沙袋(14kg/袋)的重量代替484.3kg的静载荷,使其作用于φ1.3m抛物面天线罩板上,检验装载后的挂架是否变形,以及螺栓和螺母组成的螺旋副是否变松。试验过程及结论如下。