河北華通通信系統(tǒng)工程有限公司 石家莊 050081

1 設(shè)計(jì)背景

500 m口徑大型球面射電望遠(yuǎn)鏡[1]的研制是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是世界上最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，主要由主動(dòng)反射面、接收機(jī)與終端、饋源支撐、測(cè)量與控制等系統(tǒng)組成[2]。

由于饋源艙入港、停靠平臺(tái)及其設(shè)施站位的需要，必須在索網(wǎng)中心預(yù)留正五邊形空間，同時(shí)要求在觀測(cè)時(shí)對(duì)正五邊形孔進(jìn)行遮擋，并使其參與反射面的整體變位，因此索網(wǎng)中心反射面單元應(yīng)具有兩個(gè)功能[3]：①在饋源艙入港?？科陂g，五個(gè)反射面單元能夠移開(kāi)，形成饋源艙入港停靠所需的正五邊形孔；②在觀測(cè)時(shí)五個(gè)反射面單元能夠歸位，形成具有完整功能和表面精度的反射面單元，參與反射面的整體變位。

為了滿足上述兩個(gè)功能，采用升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在每塊反射面單元的底邊中部位置設(shè)置升降旋轉(zhuǎn)座架，反射面單元和升降旋轉(zhuǎn)座架共同稱(chēng)為索網(wǎng)中心反射面單元，如圖1所示。

索網(wǎng)中心反射面單元設(shè)置在主動(dòng)反射面中心底部的望遠(yuǎn)鏡中心處，反射面在該處留有內(nèi)切圓直徑為16.8 m的正五邊形孔，中心安裝五塊反射面單元，另外還有促動(dòng)器、立柱、支撐環(huán)架、下拉索、工藝滑輪、滑輪支撐裝置、牽網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。反射面單元覆蓋狀態(tài)如圖2所示。

▲圖1 索網(wǎng)中心反射面單元

2 索網(wǎng)中心反射面單元組成

在饋源艙入港或離港時(shí)，反射面單元采用升降旋轉(zhuǎn)方式，能快速展開(kāi)和恢復(fù)，同時(shí)滿足簡(jiǎn)單、可靠、易維護(hù)的要求。在反射面單元厚度不超過(guò)600 mm的前提下，采用鋁合金型材，質(zhì)量輕，并且有一定的保形能力。

▲圖2 反射面單元覆蓋狀態(tài)示意圖

索網(wǎng)中心反射面單元升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是將各塊反射面單元旋轉(zhuǎn)至外側(cè)工作面上部，打開(kāi)正五邊形空間。

索網(wǎng)中心反射面單元主要由升降旋轉(zhuǎn)座架、反射面單元及其它附屬設(shè)施組成，如圖3所示。

▲圖3 索網(wǎng)中心反射面單元組成

3 運(yùn)動(dòng)原理

索網(wǎng)中心反射面單元的升降旋轉(zhuǎn)座架有兩組機(jī)構(gòu)，第一組包括一臺(tái)升降旋轉(zhuǎn)座架，對(duì)應(yīng)于第五塊反射面單元，第二組包括四臺(tái)升降旋轉(zhuǎn)座架，對(duì)應(yīng)前四塊反射面單元。第一組升降旋轉(zhuǎn)座架除了升降高度比第二組的四臺(tái)高0.6 m外，其它結(jié)構(gòu)和原理完全一致。五臺(tái)升降旋轉(zhuǎn)座架由統(tǒng)一的伺服控制系統(tǒng)控制，依次準(zhǔn)確展開(kāi)和恢復(fù)。升降旋轉(zhuǎn)座架內(nèi)立柱的末端裝有一個(gè)滾動(dòng)軸承，與外立柱的導(dǎo)向槽相配合，使內(nèi)立柱按既定的方位豎直升降到一定高度后再旋轉(zhuǎn)指定角度。反射面單元布局如圖4所示，運(yùn)動(dòng)如圖5所示，圖5中實(shí)線為展開(kāi)，虛線為恢復(fù)。

▲圖4 反射面單元布局

▲圖5 反射面單元運(yùn)動(dòng)示意圖

4 升降旋轉(zhuǎn)座架設(shè)計(jì)

4.1 行程計(jì)算

升降旋轉(zhuǎn)座架的運(yùn)動(dòng)分為直線運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)總體設(shè)計(jì)，升降立柱需要兩種規(guī)格，前四塊反射面升降的行程一樣，第五塊反射面升降的行程較長(zhǎng)，具體如圖6所示。

4.2 結(jié)構(gòu)

升降旋轉(zhuǎn)座架是實(shí)現(xiàn)反射面單元升降旋轉(zhuǎn)的主要設(shè)備，由固定座和升降旋轉(zhuǎn)立柱等組成。因反射面單元行程的不同，需要配備兩種升降旋轉(zhuǎn)座架。前四塊反射面行程一致，對(duì)應(yīng)短行程升降旋轉(zhuǎn)座架，第五塊反射面對(duì)應(yīng)長(zhǎng)行程升降旋轉(zhuǎn)座架。這兩種座架結(jié)構(gòu)形式一致，筆者在此主要介紹長(zhǎng)行程升降旋轉(zhuǎn)座架。

▲圖6 升降旋轉(zhuǎn)座架行程

升降旋轉(zhuǎn)座架是反射面單元展開(kāi)和恢復(fù)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由外立柱、內(nèi)立柱、尼龍滑套、對(duì)接板、滾動(dòng)軸承、螺旋升降裝置及接近開(kāi)關(guān)等組成，基座通過(guò)鋼筋混凝土基礎(chǔ)與地基相連，外立柱上法蘭內(nèi)側(cè)和螺母外側(cè)裝有尼龍滑套，內(nèi)立柱頂端裝有對(duì)接板。螺母靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，避免發(fā)生碰撞[4]。升降旋轉(zhuǎn)座架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

▲圖7 升降旋轉(zhuǎn)座架結(jié)構(gòu)

4.3 工作原理

升降工作通過(guò)螺旋升降裝置實(shí)現(xiàn)，具有自鎖功能。在外立柱的上法蘭中裝有尼龍滑套，與內(nèi)立柱形成上滑動(dòng)副。在內(nèi)立柱的末端安裝滾動(dòng)軸承，與外立柱的內(nèi)壁形成下滑動(dòng)副，通過(guò)上下滑動(dòng)副實(shí)現(xiàn)內(nèi)立柱軸向的雙點(diǎn)定位[5-6]。

在內(nèi)立柱的末端裝有一個(gè)滾動(dòng)軸承，與外立柱的導(dǎo)向槽相配合，使內(nèi)立柱按既定的方位豎直升降到一定高度后旋轉(zhuǎn)指定角度。

4.4 螺旋升降裝置組成及計(jì)算

螺旋升降裝置由電機(jī)、減速機(jī)、右旋絲杠螺母副組成，螺母固定在內(nèi)立柱的底面，工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)右旋絲杠旋轉(zhuǎn)，使螺母和內(nèi)立柱沿著外立柱的內(nèi)壁上升、下降。當(dāng)內(nèi)立柱升降到接近開(kāi)關(guān)位置時(shí)，電機(jī)斷電。

內(nèi)立柱的最大行程為2 300 mm，速度為4 mm/s。右旋絲杠公稱(chēng)直徑為100 mm，導(dǎo)程為16 mm。減速機(jī)速比為100∶1。升降旋轉(zhuǎn)座架電機(jī)選型計(jì)算如下。

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩。螺紋升角φ=arctan[L/（πd2）],L 為導(dǎo)程，L=16 mm，d2為螺紋中徑，d2=93 mm，則 φ=arctan[16/（3.14×93）]=3.136°。

當(dāng)量摩擦角 ρ′=arctan[μs/cos（α/2）]，μs為螺旋副摩擦因數(shù)，μs=0.08～0.1，α 為螺紋牙形角，α=30°， 則 ρ′=arctan[0.1/cos（α/2）]=5.91°。

式中：Famax為螺旋升降裝置承受的最大軸向質(zhì)量，F(xiàn)amax=2.5 t。

所需的電機(jī)輸出力矩Tm為：

式中：η1為電機(jī)的傳動(dòng)效率為，η1=0.9；i為減速比。

（2）電機(jī)功率。電機(jī)的輸出功率P為：

式中：Vmax為螺旋升降裝置的最大速度，Vmax=4 mm/s；k為電機(jī)安全因數(shù)，k=1.5；η2為螺旋升降裝置和電機(jī)的傳動(dòng)效率，η2=0.12。

可見(jiàn)，電機(jī)功率選擇1.5 kW。

（3）電機(jī)轉(zhuǎn)速選取1 400 r/min，能滿足升降立柱的升降速度要求。

綜上所述，電機(jī)選用功率為1.5 kW、轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的交流電機(jī)，防護(hù)等級(jí)為IP65。

5 反射面單元設(shè)計(jì)

5.1 整體設(shè)計(jì)

反射面單元具有特殊結(jié)構(gòu)，如圖8所示。依據(jù)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)位置為 10 392 mm×12 215mm×10 392 mm，設(shè)計(jì)如下。

▲圖8 反射面單元結(jié)構(gòu)

按照射電望遠(yuǎn)鏡總體設(shè)計(jì)，索網(wǎng)中心反射面單元形狀為五個(gè)相同形狀的等腰三角形，完全覆蓋中心處的正五邊形孔。每個(gè)反射面單元的一個(gè)耳板匯交于一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，與中心促動(dòng)器連接。每個(gè)反射面單元的另兩個(gè)耳板與正五邊形五個(gè)頂點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)連接，從而形成完整的反射面單元。這一反射面單元的厚度不應(yīng)超過(guò)550 mm，面板精度均方根值不大于4 mm，滿足總體要求。

索網(wǎng)中心反射面單元的展開(kāi)和恢復(fù)采用了剛度、強(qiáng)度十分可靠的旋轉(zhuǎn)方式，機(jī)構(gòu)的承載能力強(qiáng)，所以對(duì)反射面單元的質(zhì)量不需要特別的限制，在確保精度的前提下，盡量減輕質(zhì)量，采用易于加工、成本低的材質(zhì)。

5.2 面板結(jié)構(gòu)

反射面單元的面板均采用1 mm厚的沖孔鋁板，經(jīng)壓平、裁剪、激光切割、陽(yáng)極氧化等工藝精加工后組成面板結(jié)構(gòu)[7]，面板結(jié)構(gòu)如圖9所示。

▲圖9 面板結(jié)構(gòu)

5.3 背架結(jié)構(gòu)

反射面單元的背架采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)均采用T形鋁材焊接而成。反射面單元的背架通過(guò)力學(xué)計(jì)算后，最終選擇50 mm×50 mm×3 mm T形鋁材和25 mm×25 mm×3 mm L形鋁材，局部采用 50 mm×50 mm×8 mm T形鋁材，焊接成片桁架，再焊接成桁架結(jié)構(gòu)，如圖10所示。背架的特點(diǎn)是質(zhì)量輕、剛度大、易加工、成本低、生產(chǎn)周期短、效率高、可靠性高。

▲圖10 背架結(jié)構(gòu)

5.4 力學(xué)計(jì)算

根據(jù)需求，考慮載荷條件下天線的強(qiáng)度和剛度[8]。天線仿真分析采用ANSYS 12.0軟件，在模型簡(jiǎn)化中，將天線作為質(zhì)量元，忽略反射面的后端部分，即法蘭固定端的強(qiáng)度和剛度影響。劃分網(wǎng)格時(shí)，使用實(shí)體單元?jiǎng)澐种鞣瓷涿?，使用梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐志W(wǎng)格[9-10]。在反射面三個(gè)角處加固定邊界條件，力學(xué)分析如圖11～圖13所示。

力學(xué)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，工況下最大位移滿足小于30 mm的要求，最大應(yīng)力均滿足鋁材的許用應(yīng)力要求，安全性較高。

表1 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

▲圖11 反射面單元位移云圖

▲圖12 背架壓應(yīng)力云圖

▲圖13 斜撐桿拉應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

筆者針對(duì)500 m口徑大型球面射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙入港停靠期間的需求。設(shè)計(jì)了索網(wǎng)中心反射面單元結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANSYS軟件建立反射面單元的模型，對(duì)反射面單元進(jìn)行了力學(xué)分析。結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求，為后續(xù)的生產(chǎn)制造和樣機(jī)試驗(yàn)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。