靖 猛

（1. 中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西西安 710065；2. 陕西省天线与测控技术重点实验室，陕西 西安 710065）

引 言

近年来，随着大型天线系统的应用越来越广泛，天线罩对内部的天线系统起到了重要的防护作用[1]，但天线罩内空间有限，制约了罩内大型结构件的维修更换工作。例如，国内某站在对罩内26 m大型天线结构系统的副反射面结构进行更换时，需要先搭建大型脚手架，通过高空作业拆除天线罩顶部较大面积的板块，外部再采用大型吊车对内部天线结构件进行吊装拆除和更换。这种施工方法技术难度大，危险性高，周期长，耗费人力物力，成本高。若天线罩外部有机房环绕，则大型吊装设备不能靠近，根本无法进行吊装作业。目前国内外大型带罩天线系统保有量较大，改造任务繁重，因此急需对此进行深入研究，找到一种简便、安全、可行的施工方法。本文的主要目的是在天线罩内空间紧凑无法使用大型施工设备的条件下，本着节约、快速的原则，解决罩内大型天线结构系统顶端结构部件施工改造的技术难题。

1 研究背景

某25 m大型天线的结构如图1所示，其口径为25 m，天线顶端距地面26 m，采用方位俯仰型天线座架[2]。天线系统外部有直径为44 m的天线罩，天线罩环墙外15 m范围为设备机房。

图1 某25 m大型天线结构

该天线反射体内馈源系统为铸钢焊接结构，尺寸为Φ2.5 m×2 m，质量为4 t。新馈源分3段，最重的一段质量为0.4 t，尺寸为Φ2.5 m×1 m。原玻璃钢副反射面尺寸为Φ3.2 m×0.7 m，质量为0.2 t。新副反射面尺寸为Φ3.7 m×0.8 m，质量为0.3 t。天线罩内天线结构的改造任务是在2周内拆除馈源系统与副反射面，更换新设计的馈源及副反射面系统。该天线罩已安装40年，老化严重且无备件，拆除困难。天线罩外场地为机房，大型吊车无法靠近，无法使用吊装设备。因此，急需找到一种方法来解决该难题。

2 施工方法

根据上述情况，要在短短2周内解决天线罩内大型天线副反射面及馈源的更换问题，关键是要找到一套简单、实用、可靠性高的吊装工艺方法。根据一般天线的特点，考虑是否可以利用天线自身的俯仰运动，作为天线罩内大型结构件的吊装手段。如果要采用天线的这个特点，天线上就需要有一个挂绳的位置。该位置要高于所有被更换结构件的位置，并且在天线90°朝天状态下，能够提起（或下放）反射面内被更换的结构件，在天线俯仰0°位置，能够从地面将被更换结构件下放（或提起）。

天线处于朝天状态时，副反射面支撑三脚架是整个结构系统的最高位置，高于馈源和副反射面，因此可考虑在支撑三脚架上选一个适当的位置用来挂绳。要实现提起和下放动作，将需要更换的结构件转入主反射面内，只靠天线俯仰运动是远远不够的，还需要借助其他起吊工具。手拉葫芦是常用的起吊工具，但根据测量，在天线俯仰0°状态下，副反射面支撑三脚架顶端距离地面只有14.5 m，因此手拉葫芦在行程高度和可靠性上无法满足辅助吊装使用要求，而且对于高空作业有非常大的安全隐患。电葫芦在提升高度上能够满足吊装使用要求，但一般电葫芦（额定起重1 t）自身较重（约0.12 t）[3]，如何将这么重的电葫芦悬挂到副反射面支撑三脚架上又是一个新的问题。

要想将电葫芦悬挂到副反射面支撑三脚架上，现场可以考虑先用手拉葫芦将三脚架上的副反射面下放到馈源顶上进行固定，让出电葫芦悬挂位置，然后俯仰天线，利用电葫芦起吊能力将自身提升到主面内，最后用手拉葫芦将电葫芦导正，使悬挂就位。

此方法在流程上能够满足设备吊装要求，但需要核算以下2个参数：

1）俯仰电机的驱动力能否承受吊装大型结构件时产生的俯仰不平衡力矩；

2）吊装大型结构件时，天线副反射面撑调系统的强度、屈曲稳定性能否满足结构强度和刚度要求而不产生破坏[4]。

3 分析计算

3.1 电机受力分析

已知天线结构改造前俯仰为平衡状态，对吊装状态俯仰电机承受的最大俯仰不平衡力矩[5]进行计算。摩擦力矩电流If= 4 A，天线俯仰传动链传动比i= 3 500，俯仰电机额定力矩M= 120 N·m，额定电流I= 69 A，电机力矩系数S= 1.73 N·m/A，原馈源质量G1= 4 t，原副反射面质量G2= 0.2 t，电葫芦质量G3=0.12 t，最重馈源支套质量G4=0.4 t。

天线俯仰拆除完原副反射面、馈源时俯仰电机承受的力矩最大，如图2所示。该状态下电机的驱动力矩T为：

图2 馈源支套吊装工艺状态示意图

计算结果小于120 N·m，因此在天线吊装状态下俯仰电机的驱动力矩满足吊装工艺施工要求。

3.2 撑调系统受力分析

对天线副反射面撑调系统的强度、屈曲稳定性进行力学分析计算。由于馈源支套为吊装过程最重的结构件，因此吊装馈源支套时天线副反射面撑调系统受力最大，其工艺状态如图2所示。

副反射面撑调机构为钢管分段焊接结构件，各焊接组件由螺栓连接成型，其材料为16Mn。吊装状态的电葫芦质量为0.12 t，馈源支套质量为0.4 t。挂绳位置为副反射面撑腿下方的单管处。此外，还要考虑撑调机构的重力载荷。根据现场测量数据，对上述副反射面撑调系统进行三维仿真建模后，利用ANSYS Workbench[6]进行力学分析，如图3所示。

图3 天线0°状态下副反射面撑调机构的等效应力仿真图

根据分析，副反射面撑调机构在吊装馈源支套时俯仰0°，其屈曲变形安全系数较大，整体撑调机构框架不会失稳，但因吊装挂绳位置的局部等效应力较大（241.9 MPa），容易产生局部应力过载破坏，因此需对该挂绳位置进行局部加强处理。采取局部加强焊接措施后的模型如图4所示。对模型再次进行强度分析，如图5所示。

图4 副反射面撑调机构加强位置模型

图5 加强后副反射面撑调机构等效应力仿真图

采取局部加强措施后，副反射面撑调机构在吊装馈源支套时，俯仰0°位置的局部等效应力明显减小（27.9 MPa），满足吊装使用条件。

4 现场实施

分析与罩内更换过程相关的俯仰驱动力和副反射面撑调机构强度2个技术参数，并采取相应的加强措施解决局部应力过大的问题后，就可以进入现场实施环节了。现场改造的实施步骤如下：

1）在俯仰天线90°朝天位置，用手拉葫芦将副反射面下放到馈源顶面，并进行固定；

2）在俯仰天线0°止平位置，将电葫芦固定到天线下方背架上，如图6所示。

图6 现场电葫芦悬挂工艺方法示意图

3）在俯仰天线90°朝天位置，将电葫芦起吊钩挂在撑调机构悬挂位置；

4）在俯仰天线0°止平位置，将电葫芦从背架上松开，处于自由悬挂状态；

5）在俯仰天线0°止平位置，启动电葫芦，将其自身吊至主面内；

6）在俯仰天线90°朝天位置，采用手拉葫芦将电葫芦导正，并进行悬挂；

7）在俯仰天线90°朝天位置，将馈源顶面的副反射面松开，用电葫芦将副反射面提升至一定的高度；

8）在俯仰天线0°止平位置，启动电葫芦，将副反射面送至地面。

其他零部件的更换安装过程与上述7）和8）相同。按照上述方法顺利、安全、快速地完成了大型天线副反射面和馈源在天线罩内的更换改造任务，改造后的实物如图7所示。

图7 改造后罩内天线副反射面及馈源实物图

5 结束语

本文采用新的方法完成了天线罩内25 m口径大型天线副反射面及馈源的更换工作。新方法的顺利实施，再次验证了该方法的可靠性、可行性和安全性。该方法节约了大量吊车施工费用和脚手架费用，还保证了工程的时间节点，按时完成了改造任务并交付。项目改造过程进展顺利，天线副反射面及馈源的安装位置和姿态满足设计指标要求，设备后期使用性能良好。该方法为其他罩内大型天线的改造工作提供了新的思路，可为后续该类大型天线的现场改造提供指导。