天線罩內大型天線副反射面及饋源更換技術*

靖 猛

（1. 中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西西安 710065；2. 陜西省天線與測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

引 言

近年來，隨著大型天線系統的應用越來越廣泛，天線罩對內部的天線系統起到了重要的防護作用[1]，但天線罩內空間有限，制約了罩內大型結構件的維修更換工作。例如，國內某站在對罩內26 m大型天線結構系統的副反射面結構進行更換時，需要先搭建大型腳手架，通過高空作業拆除天線罩頂部較大面積的板塊，外部再采用大型吊車對內部天線結構件進行吊裝拆除和更換。這種施工方法技術難度大，危險性高，周期長，耗費人力物力，成本高。若天線罩外部有機房環繞，則大型吊裝設備不能靠近，根本無法進行吊裝作業。目前國內外大型帶罩天線系統保有量較大，改造任務繁重，因此急需對此進行深入研究，找到一種簡便、安全、可行的施工方法。本文的主要目的是在天線罩內空間緊湊無法使用大型施工設備的條件下，本著節約、快速的原則，解決罩內大型天線結構系統頂端結構部件施工改造的技術難題。

1 研究背景

某25 m大型天線的結構如圖1所示，其口徑為25 m，天線頂端距地面26 m，采用方位俯仰型天線座架[2]。天線系統外部有直徑為44 m的天線罩，天線罩環墻外15 m范圍為設備機房。

圖1 某25 m大型天線結構

該天線反射體內饋源系統為鑄鋼焊接結構，尺寸為Φ2.5 m×2 m，質量為4 t。新饋源分3段，最重的一段質量為0.4 t，尺寸為Φ2.5 m×1 m。原玻璃鋼副反射面尺寸為Φ3.2 m×0.7 m，質量為0.2 t。新副反射面尺寸為Φ3.7 m×0.8 m，質量為0.3 t。天線罩內天線結構的改造任務是在2周內拆除饋源系統與副反射面，更換新設計的饋源及副反射面系統。該天線罩已安裝40年，老化嚴重且無備件，拆除困難。天線罩外場地為機房，大型吊車無法靠近，無法使用吊裝設備。因此，急需找到一種方法來解決該難題。

2 施工方法

根據上述情況，要在短短2周內解決天線罩內大型天線副反射面及饋源的更換問題，關鍵是要找到一套簡單、實用、可靠性高的吊裝工藝方法。根據一般天線的特點，考慮是否可以利用天線自身的俯仰運動，作為天線罩內大型結構件的吊裝手段。如果要采用天線的這個特點，天線上就需要有一個掛繩的位置。該位置要高于所有被更換結構件的位置，并且在天線90°朝天狀態下，能夠提起（或下放）反射面內被更換的結構件，在天線俯仰0°位置，能夠從地面將被更換結構件下放（或提起）。

天線處于朝天狀態時，副反射面支撐三腳架是整個結構系統的最高位置，高于饋源和副反射面，因此可考慮在支撐三腳架上選一個適當的位置用來掛繩。要實現提起和下放動作，將需要更換的結構件轉入主反射面內，只靠天線俯仰運動是遠遠不夠的，還需要借助其他起吊工具。手拉葫蘆是常用的起吊工具，但根據測量，在天線俯仰0°狀態下，副反射面支撐三腳架頂端距離地面只有14.5 m，因此手拉葫蘆在行程高度和可靠性上無法滿足輔助吊裝使用要求，而且對于高空作業有非常大的安全隱患。電葫蘆在提升高度上能夠滿足吊裝使用要求，但一般電葫蘆（額定起重1 t）自身較重（約0.12 t）[3]，如何將這么重的電葫蘆懸掛到副反射面支撐三腳架上又是一個新的問題。

要想將電葫蘆懸掛到副反射面支撐三腳架上，現場可以考慮先用手拉葫蘆將三腳架上的副反射面下放到饋源頂上進行固定，讓出電葫蘆懸掛位置，然后俯仰天線，利用電葫蘆起吊能力將自身提升到主面內，最后用手拉葫蘆將電葫蘆導正，使懸掛就位。

此方法在流程上能夠滿足設備吊裝要求，但需要核算以下2個參數：

1）俯仰電機的驅動力能否承受吊裝大型結構件時產生的俯仰不平衡力矩；

2）吊裝大型結構件時，天線副反射面撐調系統的強度、屈曲穩定性能否滿足結構強度和剛度要求而不產生破壞[4]。

3 分析計算

3.1 電機受力分析

已知天線結構改造前俯仰為平衡狀態，對吊裝狀態俯仰電機承受的最大俯仰不平衡力矩[5]進行計算。摩擦力矩電流If= 4 A，天線俯仰傳動鏈傳動比i= 3 500，俯仰電機額定力矩M= 120 N·m，額定電流I= 69 A，電機力矩系數S= 1.73 N·m/A，原饋源質量G1= 4 t，原副反射面質量G2= 0.2 t，電葫蘆質量G3=0.12 t，最重饋源支套質量G4=0.4 t。

天線俯仰拆除完原副反射面、饋源時俯仰電機承受的力矩最大，如圖2所示。該狀態下電機的驅動力矩T為：

圖2 饋源支套吊裝工藝狀態示意圖

計算結果小于120 N·m，因此在天線吊裝狀態下俯仰電機的驅動力矩滿足吊裝工藝施工要求。

3.2 撐調系統受力分析

對天線副反射面撐調系統的強度、屈曲穩定性進行力學分析計算。由于饋源支套為吊裝過程最重的結構件，因此吊裝饋源支套時天線副反射面撐調系統受力最大，其工藝狀態如圖2所示。

副反射面撐調機構為鋼管分段焊接結構件，各焊接組件由螺栓連接成型，其材料為16Mn。吊裝狀態的電葫蘆質量為0.12 t，饋源支套質量為0.4 t。掛繩位置為副反射面撐腿下方的單管處。此外，還要考慮撐調機構的重力載荷。根據現場測量數據，對上述副反射面撐調系統進行三維仿真建模后，利用ANSYS Workbench[6]進行力學分析，如圖3所示。

圖3 天線0°狀態下副反射面撐調機構的等效應力仿真圖

根據分析，副反射面撐調機構在吊裝饋源支套時俯仰0°，其屈曲變形安全系數較大，整體撐調機構框架不會失穩，但因吊裝掛繩位置的局部等效應力較大（241.9 MPa），容易產生局部應力過載破壞，因此需對該掛繩位置進行局部加強處理。采取局部加強焊接措施后的模型如圖4所示。對模型再次進行強度分析，如圖5所示。

圖4 副反射面撐調機構加強位置模型

圖5 加強后副反射面撐調機構等效應力仿真圖

采取局部加強措施后，副反射面撐調機構在吊裝饋源支套時，俯仰0°位置的局部等效應力明顯減小（27.9 MPa），滿足吊裝使用條件。

4 現場實施

分析與罩內更換過程相關的俯仰驅動力和副反射面撐調機構強度2個技術參數，并采取相應的加強措施解決局部應力過大的問題后，就可以進入現場實施環節了。現場改造的實施步驟如下：

1）在俯仰天線90°朝天位置，用手拉葫蘆將副反射面下放到饋源頂面，并進行固定；

2）在俯仰天線0°止平位置，將電葫蘆固定到天線下方背架上，如圖6所示。

圖6 現場電葫蘆懸掛工藝方法示意圖

3）在俯仰天線90°朝天位置，將電葫蘆起吊鉤掛在撐調機構懸掛位置；

4）在俯仰天線0°止平位置，將電葫蘆從背架上松開，處于自由懸掛狀態；

5）在俯仰天線0°止平位置，啟動電葫蘆，將其自身吊至主面內；

6）在俯仰天線90°朝天位置，采用手拉葫蘆將電葫蘆導正，并進行懸掛；

7）在俯仰天線90°朝天位置，將饋源頂面的副反射面松開，用電葫蘆將副反射面提升至一定的高度；

8）在俯仰天線0°止平位置，啟動電葫蘆，將副反射面送至地面。

其他零部件的更換安裝過程與上述7）和8）相同。按照上述方法順利、安全、快速地完成了大型天線副反射面和饋源在天線罩內的更換改造任務，改造后的實物如圖7所示。

圖7 改造后罩內天線副反射面及饋源實物圖

5 結束語

本文采用新的方法完成了天線罩內25 m口徑大型天線副反射面及饋源的更換工作。新方法的順利實施，再次驗證了該方法的可靠性、可行性和安全性。該方法節約了大量吊車施工費用和腳手架費用，還保證了工程的時間節點，按時完成了改造任務并交付。項目改造過程進展順利，天線副反射面及饋源的安裝位置和姿態滿足設計指標要求，設備后期使用性能良好。該方法為其他罩內大型天線的改造工作提供了新的思路，可為后續該類大型天線的現場改造提供指導。