趙承三，張增太

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某型雷達(dá)天線舉升系統(tǒng)設(shè)計

趙承三，張增太

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中針對某型雷達(dá)陣面系統(tǒng)具有的口徑大、載荷重等結(jié)構(gòu)特點，對其舉升系統(tǒng)的工作原理、組成及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)闡述。介紹了陣面精確定位設(shè)計技術(shù)，試驗測試表明該定位設(shè)計是合理的，且滿足要求。同時，對舉升動力系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了詳細(xì)描述及計算，從實際運用的效果來看，該雷達(dá)舉升機(jī)構(gòu)運行平穩(wěn)可靠，滿足功能要求，表明該系統(tǒng)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計是成功的。該型雷達(dá)天線舉升系統(tǒng)的研制對后續(xù)大型雷達(dá)陣面天線舉升系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。

天線舉升；結(jié)構(gòu)設(shè)計；液壓系統(tǒng)

引 言

隨著軍事技術(shù)的日益發(fā)展，雷達(dá)天線口徑愈變愈大以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。而大型陣面雷達(dá)的機(jī)動能力成為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的重要戰(zhàn)技指標(biāo)。某雷達(dá)天線陣面重達(dá)16 t，對于大載荷陣面雷達(dá)的快速拆裝及天線舉升系統(tǒng)而言，這是影響雷達(dá)機(jī)動性能的關(guān)鍵因素。另外，采用傳統(tǒng)的機(jī)電式舉升機(jī)構(gòu)難以滿足要求，而采用液壓舉升機(jī)構(gòu)不僅滿足設(shè)計要求，而且結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，滿足雷達(dá)整車的公路、鐵路運輸要求。本文采用的舉升系統(tǒng)控制平穩(wěn)，安全可靠，對后續(xù)大型雷達(dá)陣面的天線舉升系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。

1 舉升機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計指標(biāo)及參數(shù)

設(shè)計性能指標(biāo)為

1)陣面載荷： 16 t；

2)陣面口徑： 8 m × 9 m；

3) 天線方位與仰角調(diào)節(jié)：方位角度固定；天線仰角(與水平面夾角)可在40°～ 80°分檔調(diào)節(jié)，10°/檔；各俯仰角度重復(fù)性誤差應(yīng) ≤ 3′。

1.2 舉升系統(tǒng)的組成及工作原理

如圖1所示，該天線舉升系統(tǒng)由主舉升機(jī)構(gòu)、輔助舉升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)及天線背撐等組成。其工作過程為：由主舉升機(jī)構(gòu)與輔助舉升機(jī)構(gòu)組合完成天線陣面0°～ 15°舉升，陣面從15° 到 40°由主舉升機(jī)構(gòu)獨立完成，陣面翻轉(zhuǎn)至40°時，主油缸與天線背撐下絞點通過液壓插銷機(jī)構(gòu)鎖定。若陣面需要轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，則背撐解鎖，變幅機(jī)構(gòu)使天線陣面上滑塊在導(dǎo)軌上運動使其切換至所需要的工作角度(50°～ 80°)。到達(dá)所需角度后，背撐鎖定使機(jī)構(gòu)形成自由度為0的靜定結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 天線陣面舉升機(jī)構(gòu)示意圖

采用上述機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1)采用主舉升與輔助舉升相結(jié)合的機(jī)構(gòu)方式，可減少陣面舉升過程中的系統(tǒng)壓力；

2) 可降低天線臂架與車架的局部應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形；

3) 系統(tǒng)動作運行平穩(wěn)，安全可靠，背撐鎖定后天線陣面受力合理；

4) 可有效增強(qiáng)天線整車的抗傾覆能力。

2 舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計

舉升機(jī)構(gòu)由主舉升機(jī)構(gòu)及輔助舉升機(jī)構(gòu)組成。主舉升機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動臂架實現(xiàn)從0° 到 40°的翻轉(zhuǎn)動作，并在舉升到位后將舉升油缸進(jìn)行機(jī)械鎖定而轉(zhuǎn)化為一個剛性桿件。主舉升機(jī)構(gòu)運動包含2個動作：一是舉升油缸的舉升動作，另一個是舉升到位后鎖止油缸的插銷動作。鎖止機(jī)構(gòu)為油缸驅(qū)動雙插銷結(jié)構(gòu)，采用這種鎖止機(jī)構(gòu)是基于如下幾點考慮：

1)滿足鎖止力和精度要求。舉升油缸舉升到位并鎖定后，作為一個剛性桿件參與到后續(xù)的俯仰運動中，俯仰運動的重復(fù)定位精度由此桿件的剛性決定。

2)合理分配鎖止油缸的插拔銷作用力。插銷動作克服的是動摩擦力，而拔銷動作克服的是靜摩擦力，通過力學(xué)分析可知，拔銷阻力比插銷阻力大。通過拐臂轉(zhuǎn)換力的方向，在同一系統(tǒng)壓力下，將較大的油缸推力分配給拔銷動作，而較小的油缸拉力配給插銷動作。

輔助舉升油缸布置在遠(yuǎn)離天線臂架的翻轉(zhuǎn)絞點處，由于作用點力臂較大，因此能夠以較小的油缸推力獲得較大的翻轉(zhuǎn)力矩。分析得知，天線陣面臂架在水平起始位置時主舉升油缸推力最大，運動速度也最快，隨著臂架翻轉(zhuǎn)角度的增大，主舉升油缸推力變小，速度也趨于平緩。根據(jù)這一特性，將輔助油缸的作用力分配在臂架從0°翻轉(zhuǎn)到15°范圍內(nèi)，超過此范圍，輔助油缸脫離天線臂架，由主舉升油缸單獨執(zhí)行舉升動作。

2.2 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計

俯仰機(jī)構(gòu)由俯仰油缸和導(dǎo)軌滑塊副組成，是一個典型的四連桿曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，掛車車架作為固定部件是四連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架，舉升油缸鎖定后作為一個剛性桿件起到擺桿的作用，天線陣面臂架是四連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄，通過滑塊在導(dǎo)桿上運動，從而使天線臂架獲得從50°到 80°的翻轉(zhuǎn)角度。俯仰機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊的運動原理是基于如下考慮：

1)合理分配工作狀態(tài)下天線陣面的重心位置。如果采用單一的舉升油缸作俯仰動作，隨著臂架角度的增加，臂架的重心將向掛車尾部移動，這種重心變化對整車的調(diào)平精度和工作狀態(tài)下整車的抗傾覆能力是不利的。而采用此結(jié)構(gòu)可使天線陣面臂架重心位置幾乎不變。

2)減少舉升油缸行程。舉升油缸只負(fù)責(zé)臂架從0°到40°的翻轉(zhuǎn)動作，而臂架50°～ 80°工作角度的變化由俯仰油缸來完成，這就大大縮短了舉升油缸的行程，便于舉升油缸的布置，從而獲得更大的翻轉(zhuǎn)力臂。

3)鎖定后天線臂架受力更為合理。在臂架翻轉(zhuǎn)到各個工作角度并通過輔助臂撐鎖定后，將俯仰油缸的兩腔壓力歸零，釋放俯仰油缸對臂架的約束，這時輔助背撐、舉升油缸、車架將組成一個更加穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，臂架受力更為合理。

2.3 輔助背撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

輔助背撐機(jī)構(gòu)設(shè)計分為輔助背撐和插銷鎖定結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。輔助背撐為雙層套筒伸縮桿結(jié)構(gòu)，與天線臂架、舉升油缸、車架一起組成一個穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，改善臂架在工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)， 增加抗風(fēng)載能力[2]。

圖2 輔助背撐結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

插銷鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計是通過行程較短的直線測距傳感器來完成的，具體過程為：按照臂架工作角度40°、50°、60°、70°、80°位置在背撐內(nèi)筒上設(shè)置5個定位銷釘，在背撐伸縮過程中，每當(dāng)彈簧撥片接觸到定位銷釘時便帶動直線測距傳感器檢測行程，當(dāng)行程到達(dá)預(yù)先計算好的數(shù)值后發(fā)出信號通知插銷機(jī)構(gòu)執(zhí)行插銷動作。

3 天線陣面精確定位設(shè)計

為保證天線陣面在各工作角度下的重復(fù)性誤差滿足小于3′的要求，采取的技術(shù)措施包括：

天線陣面在各工作狀態(tài)時，通過背撐收放、鎖定機(jī)構(gòu)實現(xiàn)各工況鎖定；當(dāng)舉升油缸將天線陣面翻轉(zhuǎn)到40°時，背撐放下并將下絞點導(dǎo)入插銷座中鎖定；當(dāng)天線陣面分別處于50°、60°、70°、80°工作狀態(tài)時，利用背撐上的液壓插銷將其鎖定，用于支撐天線陣面，減小陣面變形，各工作角度重復(fù)性測試數(shù)值見表1。圖3為天線陣面重心轉(zhuǎn)移示意圖。

圖3 天線陣面重心轉(zhuǎn)移示意圖

表1 角度重復(fù)性測試值

重復(fù)性誤差最大為0.04°，小于3′即0.05°，滿足指標(biāo)要求。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

該液壓系統(tǒng)由電動泵站、多路換向閥、溢流閥、雙向平衡閥、順序閥、壓力開關(guān)、液壓油缸、濾油器等元件組成。同時，液壓系統(tǒng)設(shè)計采用雙動力單元，獨立電動泵站和外接應(yīng)急泵站，并將主回路與應(yīng)急回路隔離，在主操作方式出現(xiàn)故障的情況下，可采用應(yīng)急回路系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的架設(shè)和撤收。

4.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)分為高壓、中壓、低壓3部分，其中高壓系統(tǒng)壓力為14～16MPa， 中壓為8～10MPa,低壓系統(tǒng)為4～5 MPa。泵站采用三聯(lián)齒輪泵，7.5 kW電機(jī)驅(qū)動，齒輪泵流量分別為10 L/min、10 L/min和5 L/min，根據(jù)系統(tǒng)動作的需求通過合流的方法提供不同的流量。主要操作方式為PLC自動程序控制電磁閥組完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，電磁閥供電方式為DC24V。電磁換向閥具有手動操作手柄，可以進(jìn)行手動操作。液壓系統(tǒng)回路包括天線臂架舉升回路、俯仰回路、鎖定回路、應(yīng)急回路等。如圖4所示,該系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)[3]。天線臂架舉升回路中，為防止載荷沖擊，設(shè)置平衡閥,以確保系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠。舉升油缸的同步靠結(jié)構(gòu)剛性連接保證。另外, 俯仰油缸存在超越載荷問題，故在回路中設(shè)置雙路平衡閥，以確保系統(tǒng)安全、可靠。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

4.3 液壓系統(tǒng)計算

4.3.1 舉升油缸計算

液壓系統(tǒng)的最大壓力滿足P≤16 MPa，舉升油缸所受最大載荷F= 216 580 N，初步確定液壓主舉升油缸缸徑為160 mm，桿徑為110 mm。

F=PAη= 16 × 0.25π (1602-1102) × 0.95 × 2 =

322 317.9 N

式中：P為液壓系統(tǒng)最大工作壓力;A為舉升液壓油缸有效工作面積;η為液壓缸的機(jī)械效率,取0.95。根據(jù)計算，缸徑取160 mm，桿徑110 mm的主舉升油缸滿足舉升要求。

4.3.2 俯仰油缸計算

液壓系統(tǒng)最大壓力P≤ 16 MPa，俯仰油缸所受最大載荷F=271303.2N，初步確定液壓油缸缸徑為110 mm，桿徑為63 mm，F(xiàn)=PAη= 16 × 0.25π × (1102-632) × 0.95 × 2 =388 076 N。根據(jù)計算，缸徑取110 mm，桿徑63 mm的俯仰油缸滿足舉升要求。

5 結(jié)束語

本文對某型雷達(dá)天線舉升系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計等設(shè)計要點及注意事項進(jìn)行了闡述，可為后續(xù)類似雷達(dá)舉升系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒；對舉升動力系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及系統(tǒng)原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述及相應(yīng)的計算；介紹了天線陣面精確定位設(shè)計技術(shù)，從實際應(yīng)用效果來看，其重復(fù)性誤差指標(biāo)滿足總體要求，效果良好。

[1] 孫恒. 機(jī)械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[2] 葉尚輝，李在貴. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 陜西：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[3] 張利平. 液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

趙承三(1978-)，男，工程師，主要從事天饋結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design of Antenna Lifting System of a Certain Type of Radar

ZHAO Cheng-san，ZHANG Zeng-tai

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

The work principle, system composition and the corresponding structure design of the lifting system of a certain type of radar array system (with structure characteristics of large diameter, heavy load) are described in detail in this paper. The design technology for accurate location of the array is introduced. The test shows that this technology is rational and meets the requirement. Meanwhile its lifting power system is described in detail and calculated. Practice suggests this radar lifting mechanism is stable, reliable and meets the functional requirements, which proves the design of the lifting mechanism system is successful. The development of this radar antenna lifting system has certain reference value for further development of large radar array antenna lifting system.

antenna lifting; structure design; hydraulic system

2013-11-25

TN820.3

A

1008-5300(2014)01-0026-03