同步式電動升降桅桿結構設計

李波

（鐵嶺長天機電有限責任公司，遼寧鐵嶺112000）

0 引言

在雷達、通信和其他電子對抗領域，升降桅桿常用于天線的架設和收裝。隨著現代雷達、通信技術的發展，對承載雷達、通信天線，并帶動其升降的桅桿的使用性能要求越來越高。本文所介紹的同步式電動升降桅桿不僅能夠滿足國軍標嚴格的使用環境要求，如高低溫工作、淋雨、濕熱、振動沖擊、電磁兼容和三防（霉菌、鹽霧和潮濕）等，同時還具有足夠的強度、剛度和穩定性。此種結構桅桿承載重、自重輕、展開高度高、外形小、升降速度快，且抗風能力強，風力等級小于8級（平均風速19 m/s）時，電動升降桅桿能夠正常工作，風力等級小于12級（平均風速35 m/s）時其結構不損壞。

1 工作原理

同步式電動升降桅桿是一種高載荷多絲杠桅桿，升降桅桿包括桿體、減速裝置和手動裝置。其中桿體主要由絲杠、絲母和鋁管組成；減速裝置由電機、行星減速機和齒輪副組成；手動裝置是應急時手動操作使用的搖柄，由傘齒輪副組成。同步式電動升降桅桿在設計過程中充分考慮了“通用化、系列化、組合化”的設計要求，桿體可以通過調整絲杠與鋁管的數量和長度實現不同的展開高度和閉合高度要求。下面僅以4節鋁管的桅桿為例，說明同步式電動升降桅桿的基本結構和工作原理。

如圖1，不同直徑鋁合金管（管1、管2和管3）的管節底部相應地與絲母（絲母1、絲母2和絲母3）固定，絲母（絲母1、絲母2和絲母3）相應地與絲杠（絲杠1、絲杠2和絲杠3）組成螺旋傳動副，絲杠1（絲杠2）與絲母2（絲母3）之間存在支撐關系并組成旋轉副。電動機通電后通過行星減速機減速，再由齒輪帶動絲杠轉動，3節絲杠通過導向鍵同步轉動，3個絲母帶動3節鋁合金管升降。這樣，外皮管固定不動，其他各節管隨絲母及絲杠的升降同時展開，各節管行程相同。此外，在升降桅桿的外皮管上設置有極限位置開關，當升降桅桿升降至極限位置時，觸動升降開關，電機立即停止轉動。

圖1 結構組成

2 結構特性

1）同步式電動升降桅桿螺旋副采用梯形螺紋，能夠自鎖，桅桿在行程范圍內升降到任意高度位置都可以停止使用，且長時間停留無下沉現象。電動升降桅桿自鎖條件：λ≤ρ1。式中 λ 為螺紋升角，ρ1為當量摩擦角；λ=arctan［S÷（πd2）］，式中：S 為螺紋導程；d2為螺紋中徑；ρ1=arctan（），式中f為材料摩擦因數，α為螺紋牙形角。

2）同步式電動升降桅桿是所有絲母帶動鋁管同步升降，所以升降速度快，升降時間短。同步式電動升降桅桿的升降時間T=（L-l）i總［/S×（n-1）×1400］，其中：L為電動桿展開高度；l為電動桿閉合高度；n為電動桿管節數；i總為減速裝置總傳動比；S為絲杠導程。

3）采用特制冷拉帶四鍵的鋁合金管，密度小精度高且剛性好。

4）該結構采用防水、防砂塵措施，在各節管的頭部及內部的關鍵部位都設置了密封件。

3 設計參數確定

同步式電動升降桅桿的設計準則是先按照螺紋耐磨性、絲杠的強度和螺紋自鎖性計算出螺紋的中徑、小徑和導程，根據尺寸設計排列出鋁管的尺寸后，然后驗算螺母牙強度和展開后桿體的抗風強度。

1）梯形螺紋的耐磨性設計計算：d2≥0.8。其中：F 為螺紋軸向載荷；［p］為許用壓強；φ 取1.2～2.5。

2）絲杠危險截面的強度設計計算：d1≥。其中：d1為絲杠螺紋小徑；［σ］為絲杠材料的許用應力。

其中：d1為螺母螺紋大徑；b為螺紋牙根部厚，b=0.65p；p為螺紋螺距；z為螺母的旋合圈數；［τ］為螺母許用剪切應力。

4）螺紋牙根部彎曲強度校核計算：σb=≤［σ］b。其中：h為螺紋牙工作高度；［σ］b為螺母許用彎曲應力。

4 抗風計算

桅桿抗風計算主要是計算出桿體展開后受風力作用而產生的偏移量，風力大小與風速和迎風面積有關，風力的計算公式：F風=CFqA。其中，CF為風力系數，q為不同風速產生的動壓，A為迎風面積。根據實際調查，我國沿海地區q=v2/17，一般內陸地區q=v2/16，高原和高山地區q=v2/18～v2/19，桅桿風力計算中均取 q=v2/16（v為風速）。桅桿展開狀態承受風力情況見圖2。下面介紹2種計算桅桿承受風力后的偏移量的方法。疊加法；有限元分析法。

圖2 桅桿展開狀態承受風力情況

4.1 疊加法

相關參數：E為彈性模量70×103N/mm2；Ii為每節管截面的軸慣性矩0.0491（），mm4，其中 Di和 di分別為各節管的外徑和內徑尺寸；F風（天線）為天線負載所受風力，N；qi為每節管外表面所受風力集度，N/m。

一節管撓度 f1和轉角 θ1：f1=

；θ1=。

二節管撓度f2和轉角θ2：

三節管撓度f3和轉角θ3：

桅桿受風力時因桿體變形產生的偏移量f=f3+θ3（L1+L2）+f2+θ2L1+f1。

考慮到加工工藝和實際生產情況，桅桿每節管之間需要存在間隙，設每節管之間的間隙均為x，當桅桿受風力時，由于間隙所造成的偏擺量為g，每節管插入下節管的重合量為yi。

桅桿承受風力后的總偏移量為

4.2 有限元分析法

電動升降桅桿承受風力后的變形分析屬于固體力學分析，分析過程分為以下幾個步驟：1）創建幾何模型。建立幾何實體模型前，需要對幾何模型進行必要的簡化，使簡化后的模型，既能夠保留主要的結構和力學特性，也要考慮提高有限元建模的效率和縮短分析計算的時間等。2）定義材料屬性。對于有限元模型，需要定義模型的材料屬性，在這里管材料為鋁合金6063-T6，定義的材料屬性見圖3。3）給定約束和加載。按照圖2桅桿展開狀態承受風力的情況對幾何模型加約束和負載。4）有限單元劃分、后處理并生成結果。桿體承受風力后變形情況見圖4。

圖3 定義的材料屬性

5 可靠性和安全性

結構可靠性通常定義為：在規定的使用條件和環境下，在給定的使用壽命期間，結構有效地承受載荷和耐受環境而正常工作的能力。它的廣義概念包含結構的安全性和耐久性兩個方面。

桅桿在靜載和瞬間動載作用下，結構安全性問題是結構可靠性研究的重點。同步式多絲杠電動升降桅桿作為高端重負載的升降設備，其安全性就是指在限定的使用環境下能夠操作安全、方便，確保人身安全和天線負載不受損害。同步式電動升降桅桿在結構上避免了液壓、氣動和鋼絲繩結構產品因元器件內泄、油管爆破和鋼絲繩長時間工作磨損而存在的典型安全隱患，同時也彌補了單絲杠桅桿承載能力小，強度不高等性能方面的不足。此結構桅桿在提高安全性和穩定性采取的主要措施如下：

圖4 桿體承受風力后變形情況

1）所有絲杠絲母螺旋副具有機械結構自鎖性。絲杠絲母自鎖性決定了桅桿可以在任意高度位置長時間停留工作而不會像液壓結構出現下沉現象，也決定了桅桿不會在電機或其他傳動鏈出現故障時突然下落造成天線損壞和人身傷害。

2）在上升和下降的極限位置設置限位保護。同步式升降桅桿具有電氣限位功能，可在桅桿升降到極限位置時自動切斷動力源，確保在使用和維護過程中安全，同時也設置了上升、下降機械結構限位作為二層保護，防止電氣限位失靈。

3）所有元器件（包含電機）采用機械密封保護。同步式升降桅桿使用防護罩把所有元器件（包含電機）密封保護，使桅桿整體滿足三防（防潮濕、防鹽霧和防霉菌）要求，可以在淋雨、濕熱的環境下正常工作。

4）各節管頂部間和傳動部分采用密封保護。桿體部分和減速裝置部分均有密封措施，增強桅桿的防塵、防水能力，將桅桿的螺旋副部分設計在封閉空間內，減小雨水和沙塵進入桿體內部對螺旋副的影響。這樣，有效避免在壽命期內出現絲杠方面故障，提高升降桅桿的穩定性和耐久性。

同步式多絲杠電動升降桅桿的安全性、穩定性和可靠性在正樣機的環境適應性試驗和可靠性試驗中得到證實，試驗情況見表1。

表1 正樣機環境適應性試驗情況

6 結語

同步式多絲杠電動升降桅桿已經在2008年成功申請國家發明專利，已在軍工雷達、通信系統中得到廣泛的使用，并以其使用安全和穩定可靠得到廣大客戶的好評，且在2011年“XXX工程”一體化信息系統中通過設計定型并批量生產。

［1］ 朱鐘淦，葉尚輝.天線結構設計［M］.北京：國際工業出版社，1980.

［2］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京.化學工業出版社，2011.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.5版.北京.高等教育出版社，2011.

［4］ 趙罘.SolidWorks設計與分析范例教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.