天線陣面包裝箱設(shè)計(jì)方法研究*

王 超，顧葉青

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

天線陣面包裝箱設(shè)計(jì)方法研究*

王 超，顧葉青

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

天線陣面包裝箱結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要滿足多種性能要求。文中研究了某大型天線陣面包裝箱的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法。首先對(duì)工程上常用的幾種包裝箱的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后從外形設(shè)計(jì)、承載性能、周轉(zhuǎn)方便性、環(huán)境適應(yīng)性等方面對(duì)天線陣面包裝箱的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)分析的包裝箱提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)包裝箱設(shè)計(jì)中需要注意的銘牌標(biāo)識(shí)、干涉檢查、配合尺寸等需要重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

天線陣面；包裝箱；設(shè)計(jì)方法

引 言

天線陣面包裝箱需在滿足運(yùn)輸條件的前提下保證產(chǎn)品在運(yùn)輸、裝卸及存放過(guò)程中不受到損傷。具體要求有：具有足夠的剛強(qiáng)度，確保天線在吊裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中不降低陣面精度、不損壞陣面；應(yīng)設(shè)計(jì)合適的接口以便于天線吊裝和運(yùn)輸；需滿足環(huán)境適應(yīng)性的要求，如具有良好的密封性以保證天線在運(yùn)輸和存放過(guò)程中有較好的防雨和防沙性能；應(yīng)設(shè)置保護(hù)裝置，以保證天線在包裝、運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中不與包裝箱蓋等零件發(fā)生碰撞；應(yīng)有合理的工藝性，使其具有可多次重復(fù)使用、便于固定天線陣面等性能。

天線陣面包裝箱的結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)中需要綜合考慮的因素較多，只有全面考慮各種因素，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比高、方便耐用的天線陣面包裝箱。本文旨在通過(guò)介紹和探討天線陣面包裝箱的基本設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)研究和設(shè)計(jì)工作提供參考。文中介紹了天線陣面包裝箱的基本結(jié)構(gòu)形式，詳細(xì)分析了天線陣面包裝箱的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)陣面包裝箱設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。

1 包裝箱的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)被運(yùn)輸對(duì)象的重量、體積、精度、耐候性等要求的不同，目前應(yīng)用較多的包裝箱形式有如下幾種[1]：

1)木質(zhì)包裝箱。木質(zhì)包裝箱是最傳統(tǒng)的包裝箱結(jié)構(gòu)形式，因原料容易取得、成本低廉、制作方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于設(shè)備重量較輕、對(duì)運(yùn)輸環(huán)境要求不高或運(yùn)輸時(shí)存放環(huán)境已配備必要的環(huán)控裝置的場(chǎng)合。但這種包裝箱頻繁周轉(zhuǎn)時(shí)容易損壞，使用壽命短，易燃，受潮易變形，易遭腐蝕，必要時(shí)得采取阻燃防潮措施[2]。

雷達(dá)上結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的天線罩、重量較輕的有源子陣等多采用這種木箱加內(nèi)襯的包裝形式，有些精密設(shè)備需對(duì)包裝箱骨架和內(nèi)襯進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)以滿足運(yùn)輸、剛強(qiáng)度、振動(dòng)特性等要求[3]。

2)鋼木包裝箱。鋼木箱一般先用型材焊接成框架，再在框架的外表面加裝膠合板作為擋板，然后用螺栓連接成一個(gè)封閉的包裝箱。這種包裝箱強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低廉，可通過(guò)合理存放節(jié)約空間，但拆箱麻煩，受潮易變形，易遭腐蝕。這種包裝箱一般適用于質(zhì)量較大、周轉(zhuǎn)次數(shù)相對(duì)較少的場(chǎng)合。

3)鋼制包裝箱。這種包裝箱剛強(qiáng)度性能優(yōu)良，具有較好的密封性，可長(zhǎng)期重復(fù)使用，但都比較笨重，且占用空間大，回空運(yùn)輸費(fèi)用高。不過(guò)，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可折疊或可拆解的鋼制包裝箱，可大幅降低回空運(yùn)輸費(fèi)用。在有些包裝箱的設(shè)計(jì)中，考慮到包裝箱蓋的非承載性能等特點(diǎn)，采用了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方案[4]。由于天線陣面在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)包裝箱的剛度性能、電性能、防雨防沙性能要求嚴(yán)苛，因此這種鋼制包裝箱在天線陣面轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中得到了廣泛運(yùn)用。本文也主要針對(duì)這種包裝箱形式進(jìn)行研究。

2 天線陣面包裝箱的設(shè)計(jì)方法

為了方便陣面的安裝和吊裝，一般將包裝箱設(shè)計(jì)成底部框架和上部箱蓋2個(gè)部分。由底部框架和上部箱蓋組成的包裝箱應(yīng)使陣面具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，以免受雨水、沙塵、太陽(yáng)輻射等的影響。底部框架為包裝箱的主承載結(jié)構(gòu)，且與陣面有良好的接口。某陣面包裝箱底部框架及整體結(jié)構(gòu)的形式如圖1所示。

圖1 包裝箱底部框架及整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)天線陣面包裝箱時(shí)需對(duì)其承載性能、對(duì)外接口精度、防雨防沙性能、陣面防撞保護(hù)等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。下面以圖1所示的某大型相控陣天線為研究對(duì)象，對(duì)包裝箱的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述。

2.1 外形設(shè)計(jì)

在對(duì)天線陣面的包裝箱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需根據(jù)陣面運(yùn)輸條件(公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸?shù)?確定包裝箱的設(shè)計(jì)邊界，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)被運(yùn)輸陣面的外形，設(shè)計(jì)出滿足剛強(qiáng)度性能、周轉(zhuǎn)方便性、造型美觀的包裝箱。

2.2 承載性能設(shè)計(jì)

包裝箱的底框?yàn)殛嚸孓D(zhuǎn)場(chǎng)、運(yùn)輸?shù)裙r下的主要承載結(jié)構(gòu)，因此需對(duì)其承載性能進(jìn)行深入分析[5-6]。圖1所示的包裝箱框架由矩形截面型鋼焊接而成，在與陣面安裝的接口位置處焊接一塊較厚的鋼板，對(duì)其上表面進(jìn)行精加工，并加工出陣面安裝接口。

該包裝箱底框和箱蓋總重約8 t，其運(yùn)輸?shù)年嚸嬷亓考s32 t。這里主要分析包裝箱在吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中在沖擊載荷作用下的剛強(qiáng)度性能及其對(duì)陣面性能的影響。通過(guò)有限元法建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 包裝箱剛強(qiáng)度分析模型

2.2.1 吊裝工況

在這種工況下，除了分析陣面和包裝箱自身重力的影響外，還需考慮吊裝過(guò)程中由速度變化等因素引起的動(dòng)載荷。圖3和圖4分別為分析得到的包裝箱底框在吊裝載荷作用下的變形圖和應(yīng)力分布圖，其最大變形為2.6 mm，最大應(yīng)力為134.2 MPa。

圖3 包裝箱底框的變形分布(單位：mm)

圖4 包裝箱底框的應(yīng)力分布(單位：MPa)

2.2.2 沖擊工況

該工況考慮在運(yùn)輸過(guò)程中由路面不平等因素引起的沖擊載荷對(duì)陣面及包裝箱剛強(qiáng)度性能的影響。分析得到包裝箱底框在沖擊載荷作用下的變形和應(yīng)力分布，如圖5和圖6所示，其最大變形為16.5 mm，最大應(yīng)力為330.8 MPa。

圖5 包裝箱底框的變形分布(單位：mm)

圖6 包裝箱底框的應(yīng)力分布(單位：MPa)

2.2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)建議

根據(jù)包裝箱在吊裝及沖擊載荷工況下的變形和應(yīng)力分布情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)提出如下改進(jìn)設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖7)：需較大幅度地增強(qiáng)吊裝用4個(gè)支耳及其附近梁結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度(支耳厚度增加50 mm)；適當(dāng)增強(qiáng)兩側(cè)長(zhǎng)縱梁的剛度(箱梁的兩側(cè)板厚度增加4.5 mm)；適當(dāng)增強(qiáng)其車載安裝支點(diǎn)附近處2根橫梁的剛度及強(qiáng)度(箱梁的兩側(cè)板厚度增加4.5 mm)；在縱橫梁交錯(cuò)形成的框架連接點(diǎn)處設(shè)計(jì)斜支撐。

圖7 包裝箱底框的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

采用上述改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后的包裝箱底框在吊裝載荷作用下的最大變形為2.0 mm，最大應(yīng)力為63.0 MPa；在沖擊載荷作用下的最大變形為10.1 mm，最大應(yīng)力為160.4 MPa。由此可見(jiàn)，在2種載荷工況下包裝箱的最大變形降低約30%，最大應(yīng)力降低約50%，說(shuō)明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案有效地改善了包裝箱的承載性能。

2.3 周轉(zhuǎn)方便性

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)陣面在運(yùn)輸過(guò)程中所受的載荷特點(diǎn)合理布置陣面與包裝箱的安裝點(diǎn)，使兩者在運(yùn)輸過(guò)程中受力均勻，同時(shí)還應(yīng)充分考慮安裝點(diǎn)位置緊固件的操作空間，便于鉗工進(jìn)行操作。另外，大型陣面的重量一般少則十幾噸多則幾十噸，在吊裝陣面的過(guò)程中其微小的慣性加速度都將產(chǎn)生很大的慣性力，因此需在陣面或包裝箱上設(shè)計(jì)足夠剛度的定位銷以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速定位。在有些情況下，大型陣面與包裝箱安裝面平行的面不是平整的，而是有水管、水嘴、電纜等設(shè)備突出，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需為這些突出部件預(yù)留足夠的空間并采取一定的保護(hù)措施。

設(shè)計(jì)包裝箱蓋時(shí)還需考慮包裝箱蓋在裝配過(guò)程中有可能對(duì)被運(yùn)輸?shù)奶炀€陣面產(chǎn)生磕碰的情況。目前解決這一問(wèn)題的主要方法有：在包裝箱蓋內(nèi)部鋪設(shè)一層彈性材料以降低兩者之間的撞擊載荷；在被運(yùn)輸陣面或包裝箱蓋上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件來(lái)保證在裝配過(guò)程中兩者之間不發(fā)生直接接觸；在包裝箱蓋上預(yù)留繩索安裝接口，在安裝箱蓋的過(guò)程中通過(guò)拉風(fēng)繩來(lái)減小陣面的抖動(dòng)。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

多數(shù)陣面在運(yùn)輸過(guò)程中有防雨、防沙的需求[7]，因此在設(shè)計(jì)陣面時(shí)應(yīng)使其具有良好的密封性。包裝箱蓋與包裝箱安裝端面應(yīng)設(shè)計(jì)合理的密封條，以使包裝箱具有好的密封性，并綜合采取賭疏相結(jié)合的措施，如采用防雨檐和導(dǎo)液槽(出口處應(yīng)有過(guò)濾裝置以防止沙塵進(jìn)入)等，在包裝箱交付前應(yīng)進(jìn)行淋雨實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其密封性能。

為防止其在使用過(guò)程中出現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象，并考慮到產(chǎn)品交付時(shí)的一些外觀要求，在包裝箱交付前還應(yīng)對(duì)其表面進(jìn)行涂覆處理[8]。

2.5 設(shè)計(jì)中需要注意的其它問(wèn)題

1)需合理設(shè)計(jì)漏水孔。對(duì)于圖1所示的包裝箱結(jié)構(gòu)，一般需在其底框上加工出包裝箱蓋的安裝孔，或者需預(yù)留出陣面突出部件的空間，這樣由其矩形截面焊接而成的底框就不是一個(gè)密封的環(huán)境，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中就會(huì)使箱梁內(nèi)出現(xiàn)積水，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在各箱梁的合適位置預(yù)留漏水孔，并對(duì)箱梁內(nèi)過(guò)水表面進(jìn)行防腐處理。

2)應(yīng)在包裝箱上注明必要的信息標(biāo)識(shí)。這些信息標(biāo)識(shí)主要包括包裝箱的名稱、圖號(hào)、批次號(hào)等信息，包裝箱的前后上下等標(biāo)識(shí)信息，包裝箱蓋的吊裝點(diǎn)，安裝陣面后的包裝箱吊裝點(diǎn)等。

3)應(yīng)消除陣面與包裝箱底框間的干涉。如果陣面與包裝箱間存在干涉，就難以在陣面平放到底框上后對(duì)其進(jìn)行固定、檢查、清潔、維修等工作。

4)包裝箱蓋與底框間的連接孔需留有足夠余量。由于箱蓋的剛度遠(yuǎn)低于底框，因此長(zhǎng)時(shí)間使用后可能會(huì)出現(xiàn)箱蓋與底框間安裝孔錯(cuò)位的現(xiàn)象，進(jìn)而影響陣面密封性等性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

包裝箱為陣面等精密設(shè)備的運(yùn)輸載體，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可對(duì)設(shè)備起到很好的保護(hù)作用，提高現(xiàn)場(chǎng)操作的方便性和安全性以及工作效率。

[1] 董慧慧. 平板玻璃用鋼制包裝箱設(shè)計(jì)及研制[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012.

[2] 何淑芬, 王偉. 彈藥木包裝箱阻燃處理的研究[J]. 包裝工程, 2011, 32(23): 20-22.

[3] 機(jī)載電子設(shè)備的緩沖包裝[J]. 電子機(jī)械工程, 2002, 18(4): 46-48.

[4] 常躍東. 復(fù)合材料包裝箱的研制與應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2000, 21(4): 42-45.

[5] 趙子?xùn)|, 張建禮, 劉興民, 等. 基于有限元分析的某型彈藥包裝箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2013, 34(11): 59-62.

[6] 何自芬, 張印輝. 基于有限元法的包裝箱抗壓性能研究[J]. 包裝工程, 2009, 30(3): 39-41.

[7] 孔振, 李輝, 曹雪峰. 減振密封包裝箱設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析[J]. 包裝工程, 2014, 35(3): 128-131.

[8] 吳鍵. 軍用隱身包裝箱設(shè)計(jì)構(gòu)想[J]. 包裝工程, 2008, 29(7): 88-90.

王 超(1984-)，男，工程師，博士，主要從事大型天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Research on Design Methods of Packing Chest of Antenna Array

WANG Chao，GU Ye-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Although the packing chest of the antenna array has a relatively simple structure, it needs to meet a variety of performance requirements. The structural style and design methods of the packing chest of a large antenna array are studied in this paper. Firstly, the typical structural styles of the packing chest are introduced. Then the design methods of the packing chest are described in detail from the shape, load bearing performance, transfer convenience and environmental adaptability. And some improvement designs are proposed. Finally some details in packing chest design are proposed, such as tags, interference check, size et al.

antenna array; packing chest; design method

2016-08-09

TN82

A

1008-5300(2016)06-0041-04