一種水上三分量天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋冰 林召梅 李小總 陳學(xué)友

摘 要：針對(duì)水上三分量天線的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)天線自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核以及工藝設(shè)計(jì)給出的三分量天線，可實(shí)現(xiàn)船在搖擺、橫傾、縱傾時(shí)Z分量天線始終保持垂直；同時(shí)利用Ansys軟件對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析，分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，水上三分量天線穩(wěn)定可靠，可以很好滿足測(cè)試系統(tǒng)的需要，并且對(duì)同類(lèi)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三分量；天線；調(diào)節(jié)裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

水上三分量天線由于自身特殊的布局及方向要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，但關(guān)于該類(lèi)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)研究較少，是一種新穎的結(jié)構(gòu)探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)要求，使用時(shí)必須保證Z分量天線在船體橫傾、縱傾及搖擺過(guò)程中始終垂直，實(shí)現(xiàn)Z分量天線始終保持垂直的調(diào)節(jié)裝置，是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的因素[1]。

本文設(shè)計(jì)給出的三分量天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，在保證船體搖擺、橫傾、縱傾過(guò)程中性能指標(biāo)的同時(shí)，通過(guò)可靠的內(nèi)部走線設(shè)計(jì)，不僅保證了惡劣環(huán)境下的電連接穩(wěn)定可靠性，而且延長(zhǎng)了天線的使用壽命。

1.性能特性

根據(jù)水上三分量磁天線工作環(huán)境的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)的測(cè)量精度及可靠性，水上三分量磁天線要求互相垂直，在船體搖擺過(guò)程中，縱傾為±10°（30min），橫傾為±15°（30min），縱搖：±10°（4～10s，30min），橫搖：±45°（3～14s，30min），相對(duì)濕度95%。Z向天線始終保持垂直。

2.系統(tǒng)組成、功能

水上三分量天線結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)相互垂直的三分量天線、電氣盒及自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置等組成；工作狀態(tài)時(shí)，天線通過(guò)天線支架置于船舷外面，船以一定的速度行駛，天線進(jìn)行目標(biāo)物探測(cè)。

3.三分量天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示三分量磁天線主要有調(diào)節(jié)裝置、電氣盒、X向天線、Y向天線、Z向天線及相應(yīng)的固定座組成。天線固定座及各天線筒體材料為玻璃鋼，螺釘連接處需裝自攻螺紋護(hù)套。Z向天線與固定座1采用螺釘連接，X向和Y向天線分別通過(guò)相接觸的兩安裝座螺釘連接加固，其軸向位置有相應(yīng)的安裝座限位臺(tái)階來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。電氣盒通過(guò)安裝相應(yīng)的密封條，實(shí)現(xiàn)電路板的密封。

X向天線、Y向天線、Z向天線裝配過(guò)程中，首先將其中一帶螺紋端蓋配合環(huán)氧樹(shù)脂與天線筒體進(jìn)行粘接，待粘接好后，裝入纏繞好后的天線骨架，同時(shí)完成天線骨架組件的固定，并在各天線上做好標(biāo)示。

為滿足接收天線在船體搖擺過(guò)程中，Z向天線始終保持垂直，保持系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定性，天線調(diào)節(jié)裝置采用十字軸結(jié)構(gòu)形式，兩端分別連接天線支架和天線，其中通過(guò)軸兩端的雙螺母及尼龍墊片可以調(diào)節(jié)天線擺動(dòng)頻率[3]。

如圖2所示，調(diào)節(jié)裝置主要有連接頭、十字軸、絕緣套、雙螺母、連接板等組成[4]，上接頭采用可調(diào)的連接方式，用以保證X，Y向位置的準(zhǔn)確性，待X，Y向調(diào)整好后，用螺釘緊固，防止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2強(qiáng)度校核

工作狀態(tài)時(shí)，單根天線重量為5kg，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件運(yùn)用Ansys進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]。

（1）十字軸強(qiáng)度校核

十字軸材料為316不銹鋼，通過(guò)機(jī)加工切削成型。應(yīng)力與變形分別如圖3所示。

經(jīng)過(guò)核算，應(yīng)力及變形均很小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）固定座1強(qiáng)度校核

固定座1材料為玻璃鋼，通過(guò)機(jī)加工成型，Z向天線與固定座螺釘連接，固定座1四個(gè)凸臺(tái)與固定座2相連接。天線工作時(shí)，主要承受Y向和Z向天線的重力作用，應(yīng)力與變形分別如圖4所示。

經(jīng)過(guò)核算，應(yīng)力及變形均很小，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（2）走線優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖5所示，通過(guò)在相應(yīng)的固定座內(nèi)設(shè)計(jì)走線槽，實(shí)現(xiàn)了天線的內(nèi)部走線，使整個(gè)系統(tǒng)的走線穩(wěn)定、可靠且美觀，進(jìn)一步滿足了海上惡劣的作業(yè)環(huán)境使用要求。

（2）轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

工作時(shí)，調(diào)節(jié)裝置通過(guò)上轉(zhuǎn)接頭與天線支架相連接，通過(guò)對(duì)上轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用限位卡槽形式，方便了天線的安裝。

此外，為防止形成回路，對(duì)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行優(yōu)化，使十字軸通過(guò)絕緣套與上下轉(zhuǎn)接板相連接固定。

4結(jié)構(gòu)工藝性

設(shè)計(jì)中充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性及工藝性，在保證功能和精度的要求下，采用成熟、易于加工的結(jié)構(gòu)形式。

為了保證十字軸兩端軸的加工精度，零件的設(shè)計(jì)通過(guò)尺寸公差及形位公差保證；對(duì)同一方向上的兩軸進(jìn)行一體加工，裝配時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)接板的上下連接板與十字軸裝配。

5三防設(shè)計(jì)

提高設(shè)備的三防性能，以提高其可靠性，采用材料防護(hù)、工藝防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)（防塵）等措施，具體措施如下：

a）合理選材，如十字軸選用不銹鋼；

b）電氣盒設(shè)計(jì)有密封措施；

c）所有焊縫部位進(jìn)行焊渣和氧化皮的清除；

d）對(duì)焊點(diǎn)、電路板等采用噴涂三防漆措施；

e）線纜接口采用航空接頭。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某水上三分量天線工作狀態(tài)，文章主要對(duì)天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路、強(qiáng)度校核等做了詳細(xì)的闡述與分析。分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該三分量天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、簡(jiǎn)單、緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)，可以完全滿足測(cè)試探測(cè)系統(tǒng)的需要。

參考文獻(xiàn)

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[5] 黃志新，劉成柱 Ansys workbench14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M]，B北京：人民郵電出版社，2013-4