Проект широкополосной логарифмической периодической антенны для работы в составе мобильных радиотехнических комплексов связи на стоянке

На рисунке 4.9 изображены диаграммы направленности горизонтального вибратора при разном его возвышении над бесконечно проводящей поверхностью для плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Высота составляет в случае а - 1/8л; б - 1/4л;в - 3/8л; г - 1/2л; д- 5/8л; е - 3/4л; ж - 7/8л; з - 1л; и - 5/4л; к - 3/2л; л - 7/4л; м -- 2л.

Угол к горизонтали называют углом возвышения. Согласно рисунку 4.9г, угол возвышения максимума диаграммы горизонтального полуволнового вибратора, находящегося на высоте л/2 над идеальным грунтом, составляет 30° (коэффициент 2,0). При углах 10° и 55° коэффициент близок к 1,0.

Нетрудно оценить важность угла возвышения антенны для реальной дальней радиосвязи, если вспомнить о закономерностях распространения пространственных волн. Как известно, глобальная коротковолновая связь осуществляется благодаря отражениям в ионосфере. Чтобы отражаться от ионизированного слоя с ростом частоты, луч должен падать на него все более наклонно. Оптимальные углы возвышения для отдельных любительских диапазонов лежат в следующих интервалах:

1) 40 м- (12-40);

2) 30 м-(11-30);

3) 20 м -(10-25);

4) 17м- (8-22);

5) 15 м - (7-20)°;

6) 12 м -(6-17)°;

7) 10м-(5-14)°.

Рисунок 4.9 - Вертикальные диаграммы направленности горизонтального полуволнового вибратора

Отсюда следует, что энергия, излучаемая антенной под углами возвышения более 40° и менее 5°, неэффективна для дальней связи. Обычно излучение, распространяющееся по касательной к земной поверхности (угол возвышения меньше 5°), сильно поглощается грунтом. Долговременные колебания ионосферы учитываются интервалами оптимальных углов. Вслед за изменением ее состояния меняется и оптимальный угол возвышения. Поместить антенну как можно выше всегда выгодно, но уже при высоте 12 м можно рассчитывать на приличную дальнюю связь в любительских диапазонах 10, 15 и 20 м, в то время как антенна 40-метрового диапазона не должна находиться ниже 15 м, причем этого достаточно лишь при отсутствии окружающих объектов.

Находящиеся поблизости отражающие сооружения уменьшают эффективную высоту антенны и вызывают многочисленные изменения ее диаграммы направленности. Антенны с горизонтальной поляризацией особенно чувствительны к наличию разного рода посторонних проводников, металлических водостоков и горизонтальных элементов громоотводов. Однако допустимо пренебрегать влиянием подобных объектов, если их протяженность намного меньше половины длины волны, приведенной к рабочей частоте. Так, обычные телевизионные антенны не влияют на направленность соседних коротковолновых антенн. Особенно сильно страдает излучение вертикальных антенн при наличии отвесных объектов, например различных металлических опор.

Умеренно направленная антенна с горизонтальной поляризацией характеризуется таким же углом возвышения максимума диаграммы направленности, как горизонтальный полуволновый вибратор, если антенна и вибратор находятся на одинаковой относительной высоте от земли. Например, для трехэлементной директорной антенны «волновой канал» на высоте 3/4 длины волны над идеальным грунтом и для полуволнового вибратора на той же высоте характерны одни и те же лепестки диаграммы направленности при углах около 20° и более 60°. Однако соотношения амплитуд лепестков антенны и вибратора различны (рис. 4.10). Из диаграммы направленности директорной антенны следует, что ее излучение под углами больше 60° сильно подавлено по сравнению с излучением под углом 20°. Концентрация излучения на малых углах возвышения особенно важна при дальней связи. Описанному правилу подчиняются также многоэтажные антенны с горизонтальной поляризацией. При монтаже такие антенны размещают над земной поверхностью относительно среднего расстояния между плоскостью излучения антенны и грунтом.

Рисунок 4.10 - Вертикальная диаграмма горизонтальной трехэлементной директорной антенны и горизонтального полуволнового вибратора на высоте 3/4л от идеального грунта

Пример: Согласно рисунку 4.11, нижняя плоскость излучения двухэтажной направленной горизонтальной антенны находится на расстоянии л/2 от земли. Расстояние между этажами антенны также составляет л/2. Следовательно, эффективная высота антенны над грунтом равна 3/4л.

Рисунок 4.11 - Пример определения эффективной высоты многоэтажной горизонтальной антенны над идеальным грунтом



4.4.3 Зависимость направленности вертикальных антенн от окружающих предметов

Исключая вертикальные антенны с дополнительными отражающими элементами в нижней части, радиолюбители - коротковолновики редко применяют антенны с вертикальной поляризацией. В 2 - метровом любительском диапазоне вертикальная поляризация важна при передачах с частотной модуляцией.

Установка антенны с вертикальной поляризацией на некотором удалении от земли приводит к деформации диаграммы направленности в плоскости Е вследствие отражений от грунта. В данном случае именно эта характеристика является вертикальной диаграммой направленности (рисунок 4.12). Нижняя заштрихованная часть диаграммы отображает интервал углов, в котором часть излучения при уменьшении высоты антенны направляется вверх из-за отражений от грунта. Как уже говорилось, отраженная волна векторно суммируется с прямой волной, и результат зависит от высоты средней плоскости излучения антенны над идеальным грунтом, приведенной к длине волны.

Рисунок 4.12 - Векторная диаграмма направленности полуволнового вибратора на большом удалении от земной поверхности

Соответствующие примеры показаны на рисунке 4.13. Здесь за высоту вибратора принято расстояние между его геометрической серединой и землей: в случае а высота составляет 1/4л; б - 3/4л; в - 1/2л; г - 1л. Минимальный угол возвышения равен 0°, что указывает на распространение главного луча почти по касательной к земной поверхности. К сожалению, такая пологая трасса, выгодная для распространения волн в ионосфере, характеризуется ограниченной эффективностью, поскольку часть излучения при углах менее 5° теряется из-за поглощения грунтом. Пунктирные кривые дают представление о потерях за счет поглощения.

Рисунок 4.13 - Вертикальная диаграмма вертикального полуволнового вибратора

4.4.4 Усиление и коэффициент направленности

Усиление и коэффициент направленности - важные параметры антенны. В силу принципа взаимности следующие ниже положения одинаково применимы к приему и передаче радиоволн.

Усилением G_E приемной антенны называется отношение мощности, принятой антенной, которая оптимально ориентирована по направленности и поляризации в плоском волновом поле Р_Е, к мощности, принятой полуволновым вибратором, в том же плоском волновом поле Р_к:

. (4.17)



Из равенства Р = U²/R следует, что усиление антенны выражается также через отношение напряжений, если сопротивления нагрузки R обоих излучателей одинаковы:

(4.18)

Усиление удобнее представлять в виде логарифма отношения и выражать в децибелах:

(4.19)

Коэффициентом направленности приемной антенны, или коэффициентом ее направленного действия, называется отношение максимальной мощности Р_Е, принимаемой антенной в поле плоской волны, к мощности Р_К, принимаемой изотропным излучателем в том же поле:

(4.20)

Таким образом, коэффициент направленности отличается от коэффициента усиления тем, что сравнение в этом случае производится с изотропным излучателем. Поскольку полуволновый вибратор является направленной антенной и имеет по отношению к изотропному излучателю усиление 2,14 дБ, коэффициент направленности какой-либо антенны больше ее коэффициента усиления на 2,14 дБ или в 1,28 раз по напряжению:

D = 1,28G по напряжениюили

D = G+ 2,14 дБ (4.21)

На рисунке 4.14 показаны соотношения напряжения, тока и мощности, выраженные в децибелах. Поскольку в технике антенн необходимо рассчитывать затухания, на рисунке4.15 представлены соотношения тех же величин для затухания.

Преимущество вычислений в децибелах состоит в том, что в этом случае величины просто складываются и вычитаются. Пусть имеется антенна с усилением 12 дБ и потерями в фидере 7 дБ. Тогда усиление всего устройства 12 - 7 = 5 дБ.

В устаревшей литературе встречаются соотношения напряжения, тока и мощности, выраженные в неперах (Нп). При описании антенн эти единицы измерения уже почти не применяются. Для пересчета служат следующие соотношения:

1) 1 Нп = 8,686 дБ;

2) 1 дБ = 0,1151 Нп.

Многочисленные таблицы в приложении дают весьма точные значения табулированных величин [8].

Рисунок 4.14 - Соотношение тока, напряжения и мощности для усиления

логарифмический периодический мобильный антенна



Рисунок 4.15 - Соотношение тока, напряжения и мощности для затухания

4.4.5 Расчет и анализ диаграммы направленности по средствам программы MMANA-GAL

MMANA-GAL является одной из программ, позволяющей комфортно подготавливать данные для расчетов в модифицированном MININEC3 и анализировать полученный результат. Для создания модели антенны и вывода результатов в MMANA можно использовать как текстовый, так и графический режимы. Кроме подготовки - обработки данных MININEC3, MMANA включает в себя множество дополнительных функций, облегчающих жизнь проектировщику антенн.

Для расчета и анализа антенны ЛПА в программе MMANA-GAL необходимо заполнить закладку геометрия (рисунок 4.16), содержащую три таблицы, служащие для ввода и редактирования проводов, источников и нагрузок. Кроме того на ней расположены элементы позволяющие настроить параметры сегментации и установить основную частоту.

Таблица проводов расположена в верхней части окна и имеет 8 колонок. Первые шесть (X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2) описывают координаты (декартовы) начала и конца провода. Седьмая колонка R описывает радиус провода.

Таблица нагрузок служит для задания RLC элементов включенных в провода антенны. Количество используемых колонок зависит от способа описания нагрузки. Колонка Pulse служит для описания места включения нагрузки, которое описывается так же, как для источников. В колонке Type описывается тип нагрузки: LC, R+jX, S.

Заполняем таблицы для построения геометрической модели логопериодической антенны

Рисунок 4.16 - Закладка геометрия в программе MMANA-GAL

Закладка Вид служит для вывода изображения антенны и токов. Последние выводятся только в том случае, если антенна была просчитана.

Изображение антенны можно вращать двигая мышью с нажатой левой кнопкой по полю с изображением. Для перемещения антенны следует дополнительно нажать клавишу Shift (или Ctrl) клавиатуры.

Выделить один из проводов антенны можно при помощи щелчка мышью или при помощи кнопок вверх/вниз в меню Выбор провода. Выбранный провод изображается утолщенной линией, а в правом нижнем углу появляется полупрозрачная таблица с описанием координат провода в декартовых и полярных координатах.

Заполнив таблицы закладки геометрия получаем вид антенны представленный на рисунке

Рисунок 4.17 - Построенная антенна ЛПА в программе MMANA-GAL

Закладка Вычисления (рисунок 4.18) служит для запуска расчетов и вызова окон оптимизации, графиков и редакторов провода и элементов. На этой странице можно устанавливать частоту для текущего расчета, параметры земли и материал проводов (материал можно выбирать из нескольких предустановленных или выбрав тип пользователя описать параметры своего материала).

Результат последнего вычисления выводится в верхней строке таблицы и дублируется в поле правого верхнего угла окна. В случае модели с несколькими источниками в таблице выводится Za только для первого источника. Za для остальных источников - в поле правого верхнего угла.

Поле Доб высота показывает цифру, которая будет автоматически добавлена ко всем координатам Z антенны. Изменением этой цифры удобно оперативно двигать антенну по высоте. Однако, если вы проектируете антенну, касающуюся земли, то сумма координаты Z конца провода, касающегося земли и цифры в поле Доб высота должны быть равны нулю.

Окошко Земля позволяет выбрать тип земли, а также при выборе реальной земли задать и посмотреть её профиль, как набор из нескольких участков с разными характеристиками-высотами. Для первичного изучения антенны рекомендуется выбирать либо Свободное пространство либо Идеальную землю. И только разобравшись с работой самой антенны переходить к Реальной земле и изучать влияние земли на антенну. Понимание антенны сразу над реальной землей - это непростая задача, особенно для неопытного пользователя.

Следует учитывать, что используемый в MMANA-GAL модифицированный MININEC-3 рассчитывает входное сопротивление и ближнее (реактивное) поле без учета потерь в реальной земле (т.е. полагая землю идеально проводящей). Потери в земле учитываются только при расчете диаграммы направленности модели.

Радиус ближней зоны составляет около l/2p = 0,16l. Поэтому, если над реальной землёй рассчитываются: или горизонтальная антенна содержащая хотя бы один провод ниже 0,16l, или вертикал с противовесами, приподнятыми на высотах от 0,005l до 0,05l, то более точные результаты по Za и Ga дают вычисления на ядре NEC2. MININEC3 в этих случаях дает погрешность тем большую, чем сильнее отличаются параметры земли от идеальных.

Для построения диаграммы направленности в закладке вычисления необходимо задать частоту, в нашем случае 30 МГц. Затем указать тип грунта - реальный, после высота от грунта - 12 м и материал проводников - медь. После заполнения данных запускаем расчет нажатием кнопки “Start”.



Рисунок 4.18 - Закладка вычисления в программе MMANA-GAL

Далее получаем построенную диаграмму направленности антенны, которую можно представить как в двухмерном (рисунок 4.19), так и трехмерном пространстве (рисунок 4.20).

Рисунок 4.19 - Диаграмма направленности мобильной ЛПА



Рисунок 4.20а - Диаграмма направленности мобильной ЛПА представленная в трехмерном пространстве

Рисунок 4.20б - Диаграмма направленности мобильной ЛПА, вид слева

4.5 Расчет коэффициента стоячей волны

Коэффициент стоячей волны -- отношение наибольшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему [18].

Характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера). На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отражённая энергия ухудшает работу передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывают следующим образом:

KСВ = 1 / KБВ = (Uпад + Uотр) / (Uпад -- Uотр), (4.22)

где U_пад и U_отр -- амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.

КСВ измеряется или рассчитывается на определенной длине волны или в диапазоне длин волн.

В идеальном случае КСВ = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Значения КСВ до 1,5 считаются приемлемым в УКВ диапазоне. На практике чаще используется коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). Этот параметр обязательно оговаривается в технических требованиях на передающее устройство. Кроме того, существуют ГОСТы на предельно допустимый уровень КСВ.КСВ является обратной величиной к коэффициенту бегущей волны (КБВ).

КСВ зависит от многих условий, например:

1) Волновое сопротивление СВЧ кабеля и источника СВЧ сигнала

2) Неоднородности, спайки в кабелях или волноводах

3) Качество разделки кабеля в СВЧ-соединителях (разъёмах)

4) Наличие переходных соединителей

5) Сопротивление антенны в точке подключения кабеля

6) Качество изготовления и настройки источника сигнала и потребителя (антенны и др.)

КСВ измеряют с помощью включения в тракт двух направленных ответвителей, включенных в противоположных направлениях. В космической технике КСВ измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Параметр КСВ входит в состав телеметрической информации, принимаемой от космического аппарата.

При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что и падающая и отраженная волны испытывают затухание. В этом случае КСВН можно рассчитать по формуле:

КСВН = (U_прям + U_отрЧ К)/(U_прям - U_отрЧ К), (4.23)

где КСВН -- коэффициент стоячей волны по напряжению;

U_прям -- измеренное напряжение падающей волны;

U_отр -- измеренное напряжение отраженной волны;

К -- коэффициент ослабления отраженной волны.

Коэффициент ослабления отраженной волны рассчитывается по формуле:

K = B Ч 2 Ч L, (4.24)

где K -- коэффициент ослабления отраженной волны;

В -- удельное затухание, дБ/м;

L -- длина кабеля, м.

В этой формуле множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути. Так как при использовании кабеля PK50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би (около 27 МГц) составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 0,04 Ч 2 Ч 40 = 3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВН, равном 2,0, прибор покажет только 1,38; при реальном значении 3,0 прибор покажет около 2,08.

В ходе работы были произведены измерения и получены результаты представленные на рисунке 4.21

Рисунок 4.21 - КСВ мобильной ЛПА

Данное КСВ не превышает значение 3,0, а значит соответствует требованию технического задания.

4.6 Расчет на прочность несущих конструкций мобильной логопериодической антенны

Для расчета прочности используем трехмерный САПР Solid Works Premium. Программный комплекс Solid Works предназначен для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства изделий любой степени сложности и назначения. Специализированные модули программного комплекса решают задачи на этапе производства и эксплуатации.

Для расчета на прочность выберем узел в котором распорка, растягивающая полотно вибраторов присоединяется к собирательной линии питания (рисунок 4.22).

Рисунок 4.22 - Крепление распорок к собирательной линии питания

Из рисунка видно, что максимальную нагрузку испытывает деталь осуществляющая крепление распорки к траверсе, на которую воздействует сила в 70Н. Используя программный комплекс Solid Works, смоделируем необходимую деталь (рисунок 4.23).

Рисунок 4.23 - Рассчитываемая деталь

После этого запускаем приложение Simulation Xpress, в котором указываем необходимые для расчета параметры:

1) Крепления;

2) Нагрузки;

3) Материал.

Задаем первый параметр, указывая крепежные отверстия (рисунок 4.24).

Рисунок 4.24 - Зафиксированные крепежные отверстия

Для задачи второго параметра необходимо указать поверхность, на которую будет воздействовать сила (рисунок 4.25).

Рисунок 4.25 - Воздействие силы на поверхность

Затем необходимо задать материал детали, в данном случае это пруток Д16.Т.КР30ГОСТ 21488-97. После чего запускаем расчет Simulation Xpress, программа обсчитывает деталь и результатом выдает эпюру, показывающую распределение нагрузки на объект (рисунок 4.26).

Рисунок 4.26 - Эпюра показывающая распределение величины нагрузки на объект

Из графика мы видим, что максимальная нагрузка создается в месте отмеченным красным цветом и составляет 0,249 МПа, что не превышает предел текучести. Запас прочности не превышает 1, следовательно, деталь можно оставить в текущем виде без оптимизации.

4.7 Расчеты на срез и смятие

Детали, служащие для соединения отдельных элементов машин или строительных конструкций -- заклепки, штифты, болты, винты и т. п. -- во многих случаях воспринимают нагрузки, перпендикулярные к их продольной оси.

Поперечная нагрузка указанных деталей возникает, в частности, при растяжении (сжатии) соединяемых элементов. Соответствующие примеры приведены на рисунке 4.27 (а -- штифт, б -- заклепка, в -- болт, поставленный без зазора, г -- шпонка).

Действительные условия работы рассматриваемых деталей сложны и во многом зависят от технологии изготовления отдельных элементов конструкции и ее сборки. Практические расчеты этих деталей носят весьма условный характер и базируются на следующих основных допущениях:

Рисунок 4.27 - Поперечная нагрузка деталей при растяжении - сжатии

1) в поперечном сечении возникает только один внутренний силовой фактор -- поперечная сила;

2) касательные напряжения, возникающие в поперечном сечении, распределены по его площади равномерно;

3) в случае, если соединение осуществлено несколькими одинаковыми деталями (болтами и т. п.), принимается, что все они нагружены одинаково.

Разрушение соединительных элементов (в случае недостаточной прочности) происходит в результате их перерезывания по плоскости, совпадающей с поверхностью соприкосновения соединяемых деталей (рисунок 4.28). Поэтому говорят, что эти элементы работают на срез, и возникающие в их поперечном сечении касательные напряжения также называют напряжениями среза и обозначают.

Рисунок 4.28 -Работа элементов на срез

На основе сформулированных выше допущений получаем следующую расчетную формулу (условие прочности при расчете на срез):

, (4.25)

где -- рабочее (расчетное) напряжение среза, возникающее в поперечном сечении рассчитываемой детали;

F -- поперечная сила; при нескольких одинаковых соединительных деталях Q = F/i(F -- общая нагрузка соединения,

i -- число болтов, заклепок и т.п.);

A_cp -- площадь среза одного болта (заклепки и т.п.);

[ф_cp] -- допускаемое напряжение на срез, зависящее от материала соединительных элементов и условий работы конструкции.

В машиностроении при расчете штифтов, болтов, шпонок и т.п. принимают:

,

где [] -- предел текучести материала.

Меньшие значения принимают при невысокой точности определения действующих нагрузок и возможности не строго статического нагружения.

Формула (4.25) является зависимостью для проверочного расчета соединения. В зависимости от постановки задачи она может быть преобразована для определения допускаемой нагрузки или требуемой площади сечения (проектировочный расчет).

Расчет на срез обеспечивает прочность соединительных элементов, но не гарантирует надежность конструкции (узла) в целом. Если толщина соединяемых элементов недостаточна, то давления, возникающие между стенками их отверстий и соединительными деталями, получаются недопустимо большими. В результате стенки отверстий сминаются, и соединение становится ненадежным. В случае, если изменение формы отверстия значительно (при больших давлениях), а расстояние от его центра до края элемента невелико, часть элемента может срезаться (выколоться), как схематически показано на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29 - Линии выкола

Давления, возникающие между поверхностями отверстий и соединительных деталей, принято называть напряжениями смятия и обозначать у_см. Соответственно расчет, обеспечивающий отсутствие значительных деформаций стенок отверстий, называют расчетом на смятие. Распределение напряжений смятия по поверхности контакта деталей весьма неопределенно и в значительной степени зависит от наличия зазора (в ненагруженном состоянии) между стенками отверстия и болтом (заклепкой и т.п.).

Расчет на смятие носит условный характер и ведется в предположении, что силы взаимодействия между деталями равномерно распределены по поверхности контакта и во всех точках нормальны к этой поверхности. Соответствующая расчетная формула имеет вид:

.(4.26)

ГдеF/i -- нагрузка на одну соединительную деталь;

А_см -- расчетная площадь смятия;

[у_см] -- допускаемое напряжение на смятие.

В машиностроении для болтовых, штифтовых и шпоночных соединений принимают: для деталей из малоуглеродистой стали [у_см] = 100 ч 120 н/мм²; для деталей из среднеуглеродистой стали [у_см] = 140ч 170 н/мм²; для чугунного литья [у_см] = 60ч80н/мм².

Часто контактирующие детали изготовлены из различных материалов; в этих случаях при выборе допускаемого напряжения ориентируются на материал той детали, прочность которого меньше.

В качестве расчетной площади смятия при контакте по плоскости (рисунке 4.26г) принимают действительную площадь соприкосновения-- F_см = tl, где l -- размер шпонки в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа; при контакте по цилиндрической поверхности (рисунок 4.27 а,б,в) принимают площадь проекции поверхности контакта на диаметральную плоскость, т.е. F_см = dд. При различной толщине соединяемых деталей в расчетную формулу следует подставлять д_min.

Тот факт, что расчетная площадь смятия в случае контакта деталей по поверхности полуцилиндра равна площади диаметральной проекции этой поверхности, легко обосновать предпосылкой о характере распределения напряжений смятия. На рисунок 4.30 показано поперечное сечение штифта (болта и т.п.), действующая на него нагрузка F и напряжения смятия, возникающие на поверхности контакта штифта с одним из соединяемых им элементов конструкции.

Рисунок 4.30 - Поперечное сечение штифта

Положим, что размер поверхности контакта в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, равенд,тогда на элемент поверхности, соответствующий центральному углу dц, приходится сила, равная

(4.27)

Составляя уравнение равновесия сил, действующих на штифт (проектируя все силы на направление F), получаем

. (4.28)



откуда

(4.29)

В некоторых конструкциях соединительные детали (штифты, шпонки) работают на срез по продольным сечениям (рисунок 4.27г); здесь предпосылки расчета и его методика остаются такими же, как и при срезе по поперечным сечениям.

Помимо расчетов на срез и смятие, необходима проверка прочности соединяемых элементов на растяжение по ослабленному сечению, т. е. проходящему через центр отверстия, и расчет на срез (выкалывание) части элемента от центра отверстия до его края.

Используя выше приведенные данные произведем расчеты на растяжение тяг и срез штыря.

Условия расчета:

Тяги 1 и 2 соединены между собой с помощью штыря 3, вставленного в их проушины, и нагружены, как показано на рисунке 4.31 и 4.32. Определить допускаемую величину сил F, растягивающих тяги, при следующих значениях допускаемых напряжений: на растяжение [у_р] = 120н/мм²; на срез [ф_ср] = 80н/мм²; на смятие [у_см] = 210н/мм².

Допускаемая нагрузка соединения определяется из расчета тяг на растяжение, штыря на срез, стенок отверстий в тягах на смятие и краёв проушины на срез (выкалывание).

Рисунок 4.31 - Соединение двух тяг (главный вид)

Рисунок 4.32 - Соединение двух тяг (вид сверху, разрез)

В результате каждого из указанных расчетов в общем случае получаются различные значения допускаемой нагрузки.

Решением задачи является такая величина нагрузки, при которой обеспечена прочность всех элементов конструкции, т. е. наименьшая из полученных по результатам отдельных расчетов.

1) Определение допускаемой нагрузки из расчета тяги 1 на растяжение:

а) по сечению I-I (неослабленное сечение)

б) по сечению II-II (это сечение показано отдельно на рисунке 4.30)

2) Определение допускаемой нагрузки из расчета тяги 2 на растяжение:

а) по сечению III-III (неослабленное сечение)

б) по сечению II-II (рисунок 4.30)

3) Определение допускаемой нагрузки из расчета штыря на срез. Штырь имеет две плоскости среза:

4) Определение допускаемой нагрузки из расчета стенок отверстий в проушинах на смятие.

Для первой тяги расчетная площадь смятия, через которую передается сила F

То же для тяги 2:

Таким образом, достаточно произвести расчет для более нагруженной, т.е. имеющей меньшую площадь смятия, проушины тяги 2:

5) Определение допускаемой нагрузки из расчета краев проушин на выкалывание:

а) для проушины тяги 1

б) для проушины тяги 2



Здесь не учитывается незначительная разница между размером e₂ и длиной линий ak и cl.

Таким образом, допускаемая нагрузка ограничивается прочностью тяги 2 на растяжение по сечению, проходящему через центр отверстий для штыря. Следует заметить, что значительное различие в величинах допускаемых нагрузок, определенных из условий прочности отдельных элементов конструкций, указывает на ее нерациональность. Всегда следует стремиться к тому, чтобы все элементы конструкции обладали равной прочностью -- это обеспечит наиболее полное использование ее материала [19].



5. Разработка технологии изготовления мобильной логопериодической антенны

5.1 Анализ технологичности конструкции

Под технологичностью конструкции изделия (ТКИ) понимает совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в снижении оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте, по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкция изделий того же назначения. Различает производственную, эксплуатационную, ремонтную технологичность и технологичность при техническом обслуживании, технологичность конструкции деталей и сборочной единицы, а также технологичность конструкции по процессу изготовления, форме поверхности, размерам, материалам.

Стандарты ЕСТПП предусматривают обязательную отработку конструкций на технологичность на всех стадиях их создания. Общие правила отработки конструкции на технологичность регламентируются ГОСТ 14.201-83.

Различают качественную и количественную оценки ТКИ.

К качественным характеристикам ТКИ относят взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность и инструментальную доступность конструкции.

Количественная оценка технологичности конструкции основана на системе показателей, которые согласно ГОСТ 14.201-83 делятся на три вида:

базовые показатели технологичности. Их оптимальные значения и предельные отклонения регламентированы для однотипных изделий отраслевыми стандартами и указываются в техническом задании на разработку изделия;

показатели технологичности конструкции, достигнутые при разработке изделия;

показатели уровня технологичности конструкции разрабатываемого изделия, которые определяются как отношения показателей ТКИ нового изделия к базовый показателям ТКИ.

По области проявления свойств ТКИ различают производственную и эксплуатационную технологичности.

Производственная технологичность конструкции проявляется в сокращении затрат средств, времени на конструкционную и технологическую подготовку производства и процессы изготовления.

Эксплуатационная технологичность проявляется в сокращении затрат средств и времени на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Вид изделия, объем выпуска и тип производства являются главными факторами, определяющими требования к технологичности конструкции изделия. При проектировании изделия технолог должен участвовать во всех стадиях проектирования, что позволяет быстрее получить данные для подготовки производства.

Основные задачи, решаемые при анализе технологичности конструкции обрабатываемой детали, сводятся к возможному уменьшению трудоемкости и материалоемкости, возможности изготовления и обработки высокопроизводительными методами. Таким образом, улучшение технологичности конструкции позволяет снизить себестоимость ее изготовления без ущерба для служебного назначения.

Общие требования к технологичности конструкции, учитываемые при проектировании детали, в процессе изготовления, в техническом обслуживании и ремонте:

1) конструкция детали должна состоять из стандартных и унифицированных конструктивных элементов или быть стандартной в целом; состав конструктивных элементов выбирают с учетом ограничительных перечней, стандартов и карточек применяемости;

2) формы и габариты детали, конструктивные элементы, основные и вспомогательные базы и их сочетания, схемы простановки размеров должны максимально соответствовать принятым обозначениям для типовой конструкции детали;

3) материалы, покрытия, требования к упрочнению должны максимально соответствовать принятым обозначениям для типовой конструкции детали;

4) детали должны изготавливаться из стандартных или унифицированных заготовок;

5) размеры и поверхности детали должны иметь соответственно оптимальные (экономически и конструктивно обоснованные) точность и шероховатость;

6) физико-химические и механические свойства материала, формы и размеры должны соответствовать требованиям технологии изготовления;

7) жесткость детали, ее форму и размеры выбирает с учетом требований технологии изготовления и ремонта (включая процессы упрочнения, коррозионной защиты и др.), хранения и транспортирования;

8) показатели базовой поверхности (точность, шероховатость) детали должны обеспечивать точность установки, обработки и контроля;

9) заготовки должны быть получены рациональными способами с учетом заданного объема и выпуска и типа производства;

10) при выборе метода изготовления заготовок следует исходить из возможности одновременного изготовления нескольких деталей;

11) сопряжения поверхностей деталей различных квалитетов точности и величины шероховатости должны соответствовать применяемым методам и средствам обработки;

12) конструкция детали должна обеспечивать возможность применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления и ремонта [20].

Применяемые значения шероховатостей поверхностей деталей конструкции R_a6,3 и R_a12,5 (применяемые для поверхностей, не трущихся и не подвергающихся износу) позволяют использовать несложные средства технологического оснащения.

Применение допусков формы и классов точности не высокого уровня позволяет сильно упростить изготовление детальных и сборочных узлов, так как не требуется разработки дополнительной оснастки.

Использование недефицитных и не дорогостоящих материалов: АМг6 ГОСТ 17232-99, полиамид блочный ПА-6 ТУ6-05-988-87, стеклотекстолита марки ТСЭФ 14х20ГОСТ 12496-88, Д16Т ГОСТ 21488-97 и т.д. позволяет повысить технологичность конструкции.

Использование стандартных и унифицированных крепежных и такелажных изделий, позволяет использовать типовые и стандартные технологические процессы для изготовления изделия.

Применение стеклотекстолита ТСЭФ 14х20 ГОСТ 12496-88, в качестве материала для натяжителей полотна излучателей является технологичным, поскольку он обладает низкой стоимостью и хорошей обрабатываемостью. Данный материал обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами в заданных ТЗ климатических условиях.

Виды и показатели технологичности конструкции приведены в ГОСТ 14.205-83, а правила обработки конструкции изделия и перечень обязательных показателей технологичности - в ГОСТ 14.201-83

Отработку конструкции на технологичность рекомендуется проводить в следующем порядке:

1) Подобрать и проанализировать исходные материалы;

2) Уточнить объем выпуска изделий;

3) Проанализировать показатели технологичности базовой конструкции;

4) Определить показатели технологичности деталей;

5) Провести сравнительную оценку и расчет уровня технологичности конструкции разрабатываемого изделия;

6) Разработать мероприятия по улучшению показателей технологичности.

Оценка технологичности конструкции может быть двух видов:

1) качественный;

2) количественный.

5.2 Качественная оценка технологичности

Качественная оценка характеризует технологичность конструкции обобщенно на основании опыта исполнителя и допускается на всех стадиях проектирования как предварительная. Она начинается с анализа применяемого материала и далее учитывать обрабатываемость, стоимость, возможность получения, а также его замены более легким, прочным материалом или с повышенными физико-механическими свойствами.

Обрабатываемые поверхности должны быть простыми (плоскими, цилиндрическими, конусными, винтовыми), так как точность и стабильность обработки детали в значительной степени определяются простотой конструктивных форм. Положительным фактором является наличие большого количества поверхностей детали, не требующих обработки резанием.

Анализ простановки размеров связан с определением размерных связей между конструкторскими, технологическими и измерительными базами и возможностью их совмещения.

При анализе точности и шероховатости следует помнить, что чрезмерные требования к точности размеров и шероховатости поверхностей ведут к увеличению трудоемкости и перерасходу средств на изготовление деталей. Поэтому размеры должны иметь более широкие поля допусков, а сами поверхности - большую шероховатость.

Технологичность заготовок характеризуется возможностью ее получения по форме с максимальным приближением к форме и размерам готовой детали при условии обеспечения технологичности при ее дальнейшей механической обработке.

Для того чтобы конструкция изделия была признана технологичной необходимо обеспечить ее простое и экономичное изготовление. Повышение технологичности конструкции изделия предусматривает проведение комплекса различных мероприятий, в числе которых необходимо отметить следующие:

1) Применение сварных соединений. Уменьшение трудоемкости при этом достигается не только за счет сокращения числа деталей и упрощения сборки, но также благодаря снижению требований к точности деталей, входящих в расчетные размерные цены машины и к точности обработки присоединительных поверхностей этих деталей.

2) Создание конфигурации деталей и подбор их материалов, позволяющих применение наиболее совершенных исходных заготовок, сокращающих объем механической обработки (точное и кокильное литье, объемная штамповка, ЭШП и т.д.).

Упрощение конфигурации деталей позволит также унифицировать режущий инструмент и создать условия для более благоприятной его работы, позволит применять наиболее совершенные и производительные методы механической обработки (обработка многорезцовым, фасонным и многолезвийным инструментом, накатывание и вихревое нарезание резьбы).

3) Использование простановки размеров в чертежах деталей, обеспечивающей возможность выполнения обработки по принципу автоматического получения размеров на настроенных станках, автоматах и полуавтоматах и совмещение конструкторских и технологических баз.

4) Проведение нормализации и унификации деталей и стандартных единиц выпускаемых изделий, являющихся предпосылками типизации технологических процессов, унификации режущего и мерительного инструмента, а также внедрения групповой обработки.

5) Выполнение требований «азбуки конструирования» - обработанные поверхности на деталях надо четко разграничивать от необработанных. Должны быть обеспечены условия для врезания и выхода режущего инструмента, следует обеспечить доступ ко всем элементам детали для обработки и измерения, соответствие формы и размеров поверхностей стандартному инструменту и т.п.

6) Создание конструкции изделия, позволяющей проведение операционной сборки по принципам полной или неполной взаимозаменяемости, что является одним из основных условий организации поточной сборки.

Осуществление указанных мероприятий представляет собою сложную задачу, решение которой требует глубокого анализа конструкции изделия и технологии производства.

Вследствие того, что проведение отдельных из перечисленных мероприятий может противоречить остальным (стремление к созданию конструкции, состоящей из минимального количества взаимозаменяемых деталей, может пойти вразрез с принципом конструирования наиболее простых деталей, имеющих предельно широкие допуски), окончательное решение вопроса о наиболее технологичной конструкции изделия должно применяться с учетом общей экономичности изделия в целом для завода.

При этом должны приниматься во внимание и организационные вопросы, связанные с изготовлением рассматриваемой конструкции изделия, которые могут способствовать выпуску или затруднить его (вопросы межцеховой или межзаводской кооперации, загрузки определенных видов оборудования, возможности пополнения станочного парка, получения определенных исходных заготовок и т.д.).

Из сказанного следует, что понятие технологичности конструкции по существу не может быть абсолютным, что оно меняется вместе с развитием производства и технологии и для разных типов производства и даже для различных по характеру и уровню технологии предприятий, принадлежащих к одному типу производства, это понятие неодинаково. Так, например, на предприятиях единичного производства, применяющих станки с ЧПУ, требования к технологичности конструкции отличаются от требований, предъявляемых к таким же деталям, обрабатываемых на универсальных станках.

С развитием технологии производства требования к технологичности конструкции изменяются, поэтому само представление о технологичности со временем также претерпевает изменения.

5.3 Количественная оценка технологичности

Технологичность конструкции может быть объективно оценена путем расчета количественных показателей технологичности по ГОСТ 14.201-73 и ГОСТ 14.204-73.

По ГОСТ 14.201-73 предусмотрена значительная номенклатура (22) количественных показателей. Количественные показатели технологичности разделяются на основные и дополнительные.

Основными показателями являются:

1) Абсолютное значение трудоемкости изделия Тu. Опыт показывает, что трудоемкость механической обработки по отношению к общей трудоемкости (по удельному весу в % ) стабильна для одного и того же типа изделий. Следовательно, для сравнительной оценки достаточно определить трудоемкость механической обработки.

2) Абсолютное значение технологической себестоимости изготовления изделия Cт.u. Лучше всего оценивать технологичность по себестоимости. Но при этом следует помнить, что расчет ее не в условиях производства, а при проектировании очень трудоемок.

3) Показатель уровня технологичности по трудоемкости изготовления

, (5.1)



где Тu и Tu.Б. - ожидаемая трудоемкость изготовления нового изделия и трудоемкость базового показателя.

4) Показатель уровня технологичности по технической себестоимости

, (5.2)

Где Ст.и. и Ст.и.б. - ожидаемая техническая себестоимость проектируемого изделия и себестоимости базового изделия.

К дополнительным показателям технологичности относят ряд частных и комплексных, абсолютных и относительных показателей, оценивающих конструкцию, как с экономической, так и с технической стороны.

Коэффициент использования материала

, (5.3)

где,q - масса детали, Q - масса заготовки.

Рассчитаем коэффициент использования материала, для несущих деталей конструкции.

1) Рассчитаем коэффициент использования материала, для изолирующего уголка, удерживающего траверсы на основании мачты (рисунок. 5.1):

Рисунок 5.1 - Уголок

.

Из расчетов видно, что К_ИМ уголка очень низкий, таким образом можно сказать, что эта деталь не технологична.

2) Рассчитаем коэффициент использования материала для основания (рисунок 5.2):

Рисунок 5.2 - Основание

.

Расчет показывает высокий коэффициент использования материала, следовательно, деталь технологична.

2) Коэффициент унификации и стандартизации деталей

, (5.4)

где К_уэ - коэффициент унификации конструктивных элементов; N_уэ, N_э - соответственно число унифицированных конструктивных элементов детали и общее, шт.

Рассчитаем коэффициент унификации для изделия по формуле 5.4

.

3) Коэффициент обработки поверхностей



, (5.5)

где Д_МО - число поверхностей, подвергаемых механической обработке, Д_Э - общее число поверхностей.

Рассчитаем коэффициент обработки поверхностей для несущих деталей конструкции (рисунок 5.1, рисунок 5.2).

а) Рассчитаем коэффициент обработки поверхностей, для изолирующего уголка, удерживающего траверсы на основании мачты (рисунок. 5.1):

Так как К_ПО = 0,54, следовательно, заготовка выбрана правильно, а значит, деталь технологична.

б) Рассчитаем коэффициент обработки поверхностей для основания (рисунок 5.2):

К_ПО = 0,33, а это меньше единицы, следовательно, деталь технологична.

4)Коэффициент точности обработки

, (5.6)

где А_СР - средний квалитет точности обработки

Рассчитаем коэффициент точности обработки для основания (рисунок 5.2):

К_ТЧ = 14,2.

5) Коэффициент шероховатости поверхности

, (5.7)

где Б_СР - средняя высота неровностей поверхностей изделия

Рассчитаем К_Ш - для всего изделия: К_Ш = 6,3.

6. Организационно экономическая часть

6.1 Определение трудоемкости ОКР

Общая трудоемкость ОКР может быть определена исходя из доли этапа разработки рабочих чертежей, рассчитанного по нормативам.

Для определения затрат времени на проведение опытно-конструкторской разработки существует несколько методов. Использование того или другого метода зависит, прежде всего, от новизны разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и сложности конструкции. Одним из распространенных методов является метод типовых этапов. Исходя из норм времени, результаты расчета трудоемкости разработки рабочих чертежей и темы приведены в таблицах 6.1 и 6.2.

Таблица 6.1

Расчет норм времени

Наименование работ	Количество чертежей формата А1	Норма времени на один чертеж, чел.-ч	Трудоемкость, чел.-ч
1. Разработка чертежей отдельных узлов и блоков	10	9,8	98,0
2. Разработка чертежей общего вида и его согласование	5	10,2	51,0
3. Разработка и выпуск детальных чертежей	10	11,0	110,0
4. Выполнение контрольно-сборочных чертежей, составление спецификаций, ведомостей технических условий	2	10,6	21,2
5. Копирование подлинников, сличение с оригиналами	-	-	20,0
6. Технологический и нормализационный контроль чертежей	-	-	30,0
Итого	27	-	330,2
С учетом коэффициента унификации и применения заимствованных деталей, равного 0,7	-	231,1
С учетом коэффициента новизны конструкции, равного 1,5	-	346,7
С учетом коэффициента серийности, равного 1,2	-	416,0
С учетом коэффициента условия применения, равного 1,5	-	624,0
Всего	-	624,0

Рассчитаем число исполнителей Р_исп по формуле:

(6.1)

где Т - трудоёмкость;

Ф_э - месячный эффективный фонд времени 1-го исполнителя;

Д - директивный срок, равный 4-5 мес.;

К_вн- коэффициент выполнения норм, равный 1.1.

чел.

Результаты расчетов отражены в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Расчет числа исполнителей

Исполнители	Удельный вес, %	Число исполнителей, чел.
1. Ведущий инженер, руководитель темы	15	1
2. Инженер 1 кат.	10	1
3. Инженер 2 кат.	10	1
4. Инженер-программист 1 кат.	20	1
5. Инженер-конструктор 1 кат. 20%)	20	1
6. Инженер 3 кат.	15	1
7. Техник 1 кат.	10	1
Всего	100	7

6.2 Распределение трудоемкости ОКР по исполнителям

Трудоемкость ОКР распределена по исполнителям исходя из соотношения категорий, содержания работ и квалификационных характеристик. Результаты расчетов отражены в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Распределение трудоемкости ОКР по исполнителям

Показатель	Удельный вес, %	Всего на ОКР
1. Ведущий инженер, руководитель темы	15	720
2. Инженер 1 кат.	10	480
3. Инженер 2 кат.	10	480
4. Инженер-программист 1 кат.	20	960
5. Инженер-конструктор 1 кат. 20%)	20	960
6. Инженер 3 кат.	15	720
7. Техник 1 кат.	10	480
Всего	100	4800

6.3 Определение договорной цены ОКР

Результатом опытно-конструкторской разработки является научно-техническая продукция, которая, как и любой товар имеет свою цену. Так как данный проект разрабатывается на предприятии, то в дальнейших расчетах используются данные, предоставленные плановым отделом базового предприятия.

Таблица 6.4

Расчет заработной платы исполнителей

Исполнители	Трудоемкость, чел.-ч	Часовая оплата, р.	Зарплата, р.
1. Ведущий инженер, руководитель темы	720	94	67680
2. Инженер 1 кат.	480	88	42240
3. Инженер 2 кат.	480	82	39360
4. Инженер-программист 1 кат.	960	88	82560
5. Инженер-конструктор 1 кат. 20%)	960	88	82560
6. Инженер 3 кат.	720	76	54720
7. Техник 1 кат.	480	64	30720
Всего	4800	-	168000



Таблица 6.5

Расчет стоимости покупных изделий нового товара

Наименование материалов, покупных изделий, полуфабрикатов	Количество	Цена за единицу, р.	Сумма, р.
Розетка СР-75-211 ФВ	2	412,92	825,84
Вилка СР-75-211 ФВ	2	351,54	703,08
Кабель РК-75-7-22	5,6 м	670	3,350
Итого	-	-	1532,27
Транспортно-заготовительные расходы	-	-	153,227
Всего	-	-	1685,497

Таблица 6.6

Расчет договорной цены ОКР в рублях

Наименование затрат	Затраты	Примечание
1) Материалы	1685,497	Таблица 6.5
2) Спецоборудование	4000	-
3) ФОТ	168000	Таблица 6.4
4) Страховые взносы	50400	30% от п. 3
5) Затраты по работам, выполняемым сторонними организациями и предприятиями	-	-
6) Расходы на командировки	40526	-
7) Накладные расходы	166,32	99% от п. 3
8) Прочие расходы	-	-
9) Себестоимость	264777,817	сумма п. 1 - п. 8.
10) Прибыль	52956	20% от п. 9
Итого договорная цена	317733,4

6.4 Выбор и обоснование товара-конкурента

В качестве товара-конкурента выбираем DLP-11L фирмы Titanex, Введение новых функциональных возможностей при сохранении совместимости с конкурентом способствует росту спроса на это изделие.

Взятая за прототип логопериодическая антенна DLP-11L фирмы Titanex, содержащая, как и аналог: жесткую двухпроводную питающую линию, одновременно играющую роль несущей траверсы для крепления диполей (излучателей); серию гибких диполей (излучателей), подключенных к двухпроводной линии, расстояние между которыми и их размеры определяются известными для логопериодических антенн соотношениями; гибкий диэлектрический строп, обеспечивающий натяжение всей структуры антенны в эксплуатационном положении, и имеющая массу 11 кг, длину питающей линии (бума) 6м, максимальную длину излучающего элемента 10,3м при общем числе диполей 11 и коэффициентом стоячей волны на входе питающего разъема менее 2.

По сравнению с аналогом прототип антенной системы имеет лучшие показатели мобильности (меньшая масса), позволяющие использовать его в мобильных радиотехнических комплексах, однако процедура предварительной сборки антенны на земле также существенно увеличивает время приведения антенны в рабочее состояние и осложняет процесс подъема ее на мачту. Устранение перечисленных недостатков достигается тем, что в антенне работающей в диапазоне рабочих частот 30-80 МГц и содержащей:

- жесткую двухпроводную питающую линию длиной 4,5 м., играющую роль несущей траверсы для крепления диполей (излучателей);

- серию гибких диполей (излучателей) с максимальным размером 4м. и минимальным размером 0,5м, подключенных к двухпроводной линии, расстояние между которыми, их размеры и число определяются известными для логопериодических антенн соотношениями;

- гибкий диэлектрический строп, обеспечивающий натяжение всей структуры антенны в эксплуатационном положении;

вводится механизм развертывания - свертывания антенны, состоящий из четырех подвижных диэлектрических натяжителей, диэлектрического же стропа, удерживающего в рабочем состоянии гибкие излучатели антенны, при натяжении стропа и диэлектрической растяжки (тетивы).