一种雷达快速定位锁紧装置的设计*

文中设计了一种利用螺旋运动实现快速定位锁紧的一体化装置，适用于中大型雷达反射面天线的分块结构设计，特别是复合材料雷达天线分块结构设计。该快速定位锁紧一体化装置利用中段带有螺纹的定位锥销与定位锥套的精确配合以及其与旋转螺母间的相互锁紧，实现结构的一体化设计；采用两段不同导程的螺纹设计，由螺母的旋转运动带动定位锥销相对于定位锥套的轴向运动，实现该装置的快速作业。这种一体化设计技术还使得该装置相比同类机构具有体积小、重量轻、易操作等优点。

快速定位锁紧；螺旋运动；雷达反射面天线；分块结构

引 言

雷达系统中的大型反射面天线为了便于运输，均采用分块结构，块间拼装组合利用定位锁紧机构实现联接。由于天线在野外环境下工作，定位锁紧机构能否方便操作、是否可靠耐用，直接影响系统的机动性和可靠性设计指标。为了保证分块件的可靠联接，定位锁紧通常采用定位销和螺栓组合结构[1]。在现实作业中，定位销的安装或拆卸过程不仅费时，往往还需施加较大的外力[2]。这种作业方式容易对天线局部结构产生不利影响，进而使定位锁紧失效，给整个系统带来不可预测的风险。特别是针对大中型复合材料天线，其块间联接装置更要求在作业过程中避免使用冲击力进行安装和拆卸，因此研究天线分块结构的块间联接装置设计技术更具有很强的现实意义和推广应用价值[3]。文中所介绍的快速定位锁紧一体化装置是与产品设计领域相结合的技术，与产品的使用环境和使用要求相关联，因此其在定位锁紧方法、装置体积重量、安装接口形式等方面均有创新设计[4]。

文中装置利用中段带有螺纹的定位锥销与定位锥套的精确配合以及其与旋转螺母间相互锁紧，实现结构的一体化设计；采用两段不同导程的螺纹设计，由螺母的旋转运动带动定位锥销相对于定位锥套的轴向运动，实现该装置的快速作业。这种一体化设计技术还

使得该装置相比同类机构具有体积小、重量轻、易操作等优点。

1 结构组成

图1为快速定位锁紧一体化装置结构简图。该装置利用中段带有螺纹的定位锥销与定位锥套的配合实现精确定位，同时在旋转螺母的作用下实现机构的快速锁紧。其结构主要包括旋转螺母、定位锥销、定位锥套、螺纹定位锥套、端盖和压簧。图中定位锥销中段外螺纹最大实体包络于定位锥销锥度轮廓线内。中段外螺纹为多头梯形螺纹，梯形螺纹头数为3；与定位锥销螺纹配合的旋转螺母含两段导程不相等的内螺纹，分别与定位锥销和螺纹定位锥套形成螺旋副；旋转螺母含两段导程不相等的内螺纹，其导程差范围为3～15 mm；在旋转螺母和定位锥套之间以及定位锥销和端盖之间分别设计有压簧；压簧可以采用其他弹性元件代替。

图1 定位锁紧装置结构简图

图中旋转螺母在作业过程中，将带动定位锥销作轴向运动。由于整个定位配合部位均为锥部，所以定位锥销的位移量可以控制在很小的范围内即可完成定位和拆卸的动作。

2 设计计算和力学分析

2.1 螺纹导程设计

定位销钉相对于定位锥套的位移量及其运动方向是由两段配合螺纹部位的特性所决定的，导程差值反应两者相对的运动量。因此，螺纹特性的设计至为关键。与定位销钉配合的螺纹段，主要起驱动定位销钉快速左右移动的作用，而与定位锥套配合的螺纹段，主要起锁定紧固作用。在该装置螺纹特性的设计中，取旋转螺母与定位锥套配合螺纹为普通螺纹，取旋转螺母与定位锥销的配合螺纹为梯形螺纹，螺纹设计参数分别为[5]：

普通螺纹配合段采用单头标准牙型螺纹，螺纹公称直径D、d= 42 mm，螺距P= 4.5 mm，D1、d1= 37.129 mm，D2、d2= 39.077 mm。图2所示为标准牙型螺纹。

图2 标准牙型螺纹

梯形螺纹配合段采用3头梯形螺纹，螺纹公称直径D、d= 32 mm，螺距P= 6 mm，如图3所示。

图3 梯形牙型螺纹

两段螺纹均采用右旋螺纹，导程差ΔH=18 - 4.5 =13.5 mm，即旋转螺母工作1周，定位锥销的轴向位移量为13.5 mm。在具体应用中，根据实际作业空间的要求设定定位锥销的轴向位移量为13.5 × 2/3 = 9 mm，旋转螺母作业中旋转角度为240°。

根据计算，分别设计定位锥套、定位锥销和旋转螺母中的螺纹段，如图4所示。

图4 主要联接零件螺纹段结构

2.2 结构受力分析和计算

定位锁紧机构工作中，主要外载荷为风荷载和自重。活动边块风荷载与迎风面积和风速以及边块的风阻系数有关，可通过公式进行计算。受力件定位锥销承受剪切力和单向的弯力矩，此时定位锥销可以简化为悬臂空心轴。

悬臂轴的刚强度校核主要包括抗弯刚度校核和抗剪强度校核。定位锥销材料选择40Cr，热处理状态为HRC28～32，许用剪切应力为40～52 MPa，拉伸强度极限为750 MPa，拉伸屈服极限为550 MPa。

通过力学分析软件对定位锥销进行仿真分析计算[6]，其结构模型及边界约束见图5。图中锥面大端在X、Z两个方向进行紧固约束，中部螺旋部分在Y方向进行紧固约束，锥面小端在Z方向施加工作外载荷。

图5 定位锥销结构模型及边界约束

定位锥销拉应力及剪切应力计算云图分别如图6、图7所示。由图可知，最危险点在A处，该处最大拉应力为43.8 MPa，最大剪切应力为5.36 MPa。因此该定位锥销的设计可以满足系统结构强度的要求。

图6 定位锥销拉应力计算云图

图7 定位锥销剪切应力计算云图

同时通过计算得出定位锥销的最大位移变形量为0.027 mm，如图8所示。

图8 定位锥销位移变形计算云图

3 制造技术

定位锁紧机构利用锥面实现定位要求，定位套与定位销锥面的加工装配的工艺方法是加工中的关键。文中装置在设计过程中充分考虑了锥面加工装配的要求，在定位锥面设计中，将两段锥面设计成统一锥度，同时使得两段锥面在锁紧状态下共面，从而保证了两段锥面的尺寸精度、位置精度和配合要求。

定位锥销加工中由于两段锥面共面，因此在锥面的精加工中采用一个工步完成，中段的多线螺纹采用数控加工实现。

与定位锥销两段锥面配合的两件定位套采用同一件棒料先加工内部锥孔再切断分成两部分的加工方法，从而保证各零件定位锥面的设计精度。

定位锁紧机构在装配过程中，先将该机构预装入2个拼块件中，再进行锁紧，安装固定螺栓后，操作定位锁紧机构，保证运动灵活可靠，然后用柱销分别定位拼块和定位套筒。定位锁紧机构的加工实物如图9所示。

图9 定位锁紧机构的加工实物

4 结束语

文中所述的定位锁紧机构，采用集成化的设计思想，利用不同特性的螺纹段，实现了定位锁紧的一体化设计，已成功应用于某大型反射面复合材料天线设计中。从应用的结果可以看出，该定位锁紧机构既节省了分块单元的结构安装空间，又满足了装拆作业中准确、快速和可靠的要求。相比以往产品中类似的装置，在装拆过程中，不仅避免了以前采用的锤击作业方式，有效保护了天线拼装精度，同时还降低了装拆作业的劳动强度。

文中所述的结构形式适用于大中型分块式雷达天线的单元结构，尤其满足复合材料天线分块单元的设计要求。针对不同产品的需求，可对定位锁紧机构进行相应的尺寸变动，同样能满足产品的设计要求，从而使得该设计方法具有广泛的推广应用价值。

[1] 张润逵, 戚仁欣, 张树雄, 等. 雷达结构与工艺[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007: 64-69.

[2] 叶尚辉, 李在贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1986: 59-87.

[3] 赵美英, 陶梅贞. 复合材料结构力学与结构设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2007.

[4] 牛忠文, 仁翠锋, 鞠金山, 等. 大口径高精度航管雷达天线结构设计与应用[J]. 雷达科学与技术, 2015(1): 103-108.

[5] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[6] 曾攀. 有限元分析基础教程[M]. 北京: 清华大学, 2008.

何启跃(1959-)，男，高级工程师，主要研究方向为无线电通信。

牛忠文(1966-)，男，研究员级高级工程师，主要研究方向为雷达结构工艺技术。

任翠锋(1981-)，女，工程师，主要研究方向为雷达结构工艺技术。

Design of a Radar Fast Positioning and Locking Device

HE Qi-yue，NIU Zhong-wen，REN Cui-feng

(AnhuiSunCreateElectronicsCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

An integrated device for fast positioning and locking using spiral movement is designed in this paper. This is suitable for the block structure design of medium and large radar reflector antenna, especially for the block structure design of composite material radar antenna. The fast positioning and locking device realizes the structure integration design by the precise matching of the positioning taper pin with middle-segment screw thread and the positioning taper sleeve, and the inter locking of the positioning taper pin and the rotation nut; the design of two screw threads with different thread lead are adopted, the rotation of the nut drives the axial movement of the positioning taper pin relative to the positioning taper sleeve to realize fast operation of the device. This integration design technique also gives the device the advantages of small volume, light weight, easy operation and so on comparing to similar mechanisms.

fast positioning and locking; spiral movement; radar reflector antenna; block structure

2016-03-31

国家科技支撑计划项目(2011BAH24B11)

何启跃，牛忠文，任翠锋

(安徽四创电子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

TH13;TN82

A

1008-5300(2016)03-0023-03