芝世磊，楊潤澤

(軍械工程學院機械制造教研室，河北石家莊050003)

0 引 言

在國防和民用技術中，常需要通過一定手段將某些設備平臺調整到水平狀態(tài)，以便提高其工作性能，達到特定的指標和要求。

架撤調平機構作為設備調平系統(tǒng)的組成部分，近幾年廣泛應用于社會生產、生活領域，如起重機、光電設備、壓樁機、大型鉆機、橋梁檢測、地鐵、淺海修井平臺等。在軍工領域，調平機構是雷達車、測控裝置、機動發(fā)射裝置、坦克火控調試臺等裝備不可缺少的一部分。

作為防空領域里的“千里眼”，雷達裝備的工作精度和機動性與調平機構密切相關。雷達機動性是指雷達快速隱蔽或轉移陣地的能力，涉及雷達從一個陣地的工作狀態(tài)，經過拆收、越野行軍、進入另一個陣地架設轉入工作狀態(tài)等諸多環(huán)節(jié)，是雷達使用性能的重要指標。對雷達機動性的要求一般包括:雷達整機的架撤調平時間、操作人員的數量、運輸單元的數目、對各種裝載運輸的要求和陣地的適應性等［1］?，F代戰(zhàn)爭局勢瞬息萬變，提高地面雷達的機動性是在戰(zhàn)爭中提高自身生存能力的有效措施之一。因此，對雷達調平設備的研究，不但能有效提高雷達工作效率和質量，而且能夠提高雷達裝備自身在戰(zhàn)爭中的生存能力。

本研究對現有的架撤調平機構進行全面回顧和綜合分析。

1 架撤調平機構特性分析

調平機構是整個雷達車調平系統(tǒng)的執(zhí)行元件，一般都以垂直伸縮的方式支撐著車體的重量并完成其升降工作。

雷達車調平系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 雷達車調平系統(tǒng)組成示意圖

圖1 展示了其支撐調平系統(tǒng)的結構組成，座車通過獨立的垂直支撐腿完成架撤和調平。在工作時，控制系統(tǒng)根據檢測裝置反饋的水平信號，驅動各支腿以一定的方式升降到同一水平線上，從而保證了與支腿接觸的車體處于水平狀態(tài)。

從傳動方式來講，調平機構可分為液壓式和機電式兩種［2］。

1．1 液壓式調平機構

液壓式調平機構是靠密封容器內液壓油受靜壓力驅動來傳送動力的。在液壓系統(tǒng)中，以液壓泵或液壓馬達為動力源，通過控制閥調節(jié)具有一定流量和壓力的液壓油，借助于封閉的缸體使壓力能轉化為支撐件的機械能，進而驅動支撐腿機構升降，實現工作平臺的移動或回轉［3］。典型的以液壓缸為支撐機構的液壓式調平系統(tǒng)圖如圖2 所示。

該機構在工作時由液壓閥控制液壓缸執(zhí)行支撐動作。根據控制閥的不同，一般有電磁換向閥和比例伺服閥兩種控制方式，區(qū)別在于前者靠電磁換向閥控制，系統(tǒng)控制電流不隨平臺傾斜程度的變化而變化，調平過程是不連續(xù)的;而后者靠比例伺服閥控制，控制電流大小與平臺的傾斜變化成正比，調平連續(xù)、控制精度高、動作響應快。2010年，南京電子技術研究所的郭洪偉等［4］基于負載敏感技術的調平系統(tǒng)就以電磁換向閥控制，而施勤、岳振興［5］基于油壓檢測的雷達調平系統(tǒng)使用比例伺服閥控制。

圖2 液壓式自動調平系統(tǒng)圖

根據運動形式的不同，液壓缸可分為缸筒固定和活塞桿固定兩種形式，在實際應用中根據情況而定。調平油缸的特性分析關乎整個系統(tǒng)的調平精度。為設計更穩(wěn)定的調平系統(tǒng)，常對工作中的油缸進行力學分析并建立數學仿真模型，常見的仿真軟件有Matlab、DSH、流體工作站［6］以及AMESim［7］等。如油缸在開始工作時，活塞桿首先伸出使車輪離地，靜平衡時活塞組件主要受到油液的壓力和油液黏性摩擦力，受力情況如圖3 所示，在各力作用下運動學方程為:

式中:mh—活塞上總質量，kg;vh—活塞的運動速度，m/s;Pin，Pout—油缸進、出油腔的工作壓力，Pa;S1，S2—活塞上、下端面的有效面積，m2;b—活塞粘性摩擦系數，N·s·m－1。

圖3 活塞組件受力分析

調平機構如何維持支撐體長時間的平衡與穩(wěn)定是關鍵，除常有液壓馬達帶抱閘、增加平衡回路和平衡閥之外，為了有效鎖緊，還可配合機械鎖緊裝置，常用的有套筒式、剎片式、內漲式等［8-9］。2013年，郭世軍等［10］設計的內漲式機械鎖緊液壓缸，活塞和缸體之間過盈配合產生鎖緊力，很好地實現了鎖定與解鎖。

液壓式調平具有以下優(yōu)點:①直接利用車體本身攜帶的發(fā)動機作為動力源，大大減少準備時間;②運行過程中可實現大范圍的無級調速和無間隙傳動，運動平穩(wěn)［11-12］;③采用油作為傳動介質，液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命較長;④便于實現自動工作循環(huán)和過載保護。

同時，液壓式也存在缺點:①液壓油本身可壓縮，粘滯系數隨溫度變化，易泄露，易燃，尤其在戰(zhàn)時雷達被擊中以后可能會發(fā)生爆炸;②能量損失大、效率低、發(fā)熱大;③液壓元件加工精度高，造價高;④系統(tǒng)故障難找，檢修困難［13］。

1．2 機電式調平機構

機電式調平以電機為驅動，附有電氣控制電路及相關運動部件，一般將電機及傳動機構合并稱為“電氣拖動”，電機按控制用途可分為步進電機和伺服電機。機構調平系統(tǒng)框圖(以4 腿支撐為例)如圖4所示。

圖4 機電驅動系統(tǒng)原理圖

機電式調平機構以圓筒式垂直升降機構為主，一般由升降套筒和升降驅動機構組成。升降驅動機構位于升降套筒內，承受所支撐平臺的垂直載荷，或升降套筒隨驅動機構作垂直升降運動。在國外，Alenia 公司生產的RAC 雷達天線升降機構與Ericsson 公司生產的Giraffa 雷達，就運用了圓筒式垂直升降機構。該類機構執(zhí)行元件主要為螺旋支腿，常見梯形絲杠與滾珠絲杠。以滾珠絲杠為支撐的機電式調平機構示意圖如圖5 所示。

圖5 機電式調平機構示意圖

絲杠作為傳動執(zhí)行元件，支撐調平過程穩(wěn)定、可靠。調平完成后，關鍵在于保持支撐平臺長時間穩(wěn)定在某一位置，因此要求機構具有鎖定功能。對于梯形絲杠來說，其螺紋升角不大于當量摩擦角，一般不需要額外的鎖定裝置就可實現良好的自鎖，支撐體可在行程范圍內任意停留且無下沉現象，有效避免了調平系統(tǒng)體積龐大。2014年，李波等［14］設計的雷達天線升降調平機構采用梯形螺紋絲杠，很好地利用了其自鎖性。

在具體應用中，可通過自鎖原理進行驗證。已知自鎖條件:

式中:λ—螺紋升角，ρ—當量摩擦角。

已知:

式中:S—螺紋導程，d2—螺紋中經，f—材料摩擦因數，α—螺紋牙形角。

滾珠絲杠的許多性能都優(yōu)于梯形絲杠，2002年，就有西安電子工程研究所的李忠于以滾珠絲杠作為傳動件設計調平裝置，充分利用了其傳動效率高、承受動載能力強、耐疲勞等特點［15］，但自鎖性能與傳動效率成反比，因其摩擦角一般小于螺旋角，幾乎沒有自鎖。兩者在調平機構中應用性能的區(qū)別如表1 所示。

表1 普通絲杠與滾珠絲杠性能比較

針對滾珠絲杠難以自鎖的問題，目前有3 種方法解決:

(1)動力元件輔助自鎖。使用帶抱閘的電機實現鎖定控制［16］。

(2)增加機械制動裝置。將傳動系統(tǒng)中蝸桿、齒輪、軸承等元件設計成自鎖［17-18］。

(3)增加超越離合器［19］或電磁離合器［20］。若需要防止雙向逆轉，可用兩個單向超越離合器。使用電磁離合器時，增加一個控制齒輪，當電磁鐵斷電失效，彈簧壓緊控制齒輪，使其無法運動，同時絲杠被卡死。

螺旋支腿作為調平機構的主要優(yōu)點有:在能自鎖的情況下，不需要另加自鎖裝置;可承載較大載荷，調平過程穩(wěn)定、可靠、精度高。不足在于調平時間較長，而且如果時間長了，嚙合機構內發(fā)生銹蝕，將造成操作困難［21-22］。

概括來說，機電式垂直升降機構占據車輛空間較小，便于總體布局，通用性、可移植性好;升降過程速度平穩(wěn)，相應的控制回路也比較簡單。目前在調平裝置中使用較多。

2 架撤調平機構的研究現狀

上世紀80年代以前，調平機構主要依賴于簡單機械，如水平儀、手動螺桿等，調平時通過人眼觀察基準水泡或手工調節(jié)，而且需要多人協(xié)作并反復調整后才能達到一定水平要求，耗時長且精度不高，如原蘇聯(lián)的SA-2 防空導彈發(fā)射車和法國響尾蛇主戰(zhàn)車的平臺調平。該方式調整時間長、精度低，且平臺抗傾覆能力差，現在基本上已不再使用。

上世紀80年代以后，借助于液壓技術的發(fā)展及調平精度要求提高，調平機構布局從最初的三點發(fā)展到四點、六點或更多［23］，同時出現了液壓油缸、千斤頂等支撐結構類型，實現了調平機構在種類和質量上的超越。如在上世紀90年代初，東南大學翟羽健、倪江生［24］按對稱矩形方式布置支承油缸，實現了四點支承雷達天線座車的自動電液式調平。上世紀90年代末，西安電子科技大學盛英等［25-26］設計了以閥控液壓缸支撐的電液式大噸位六點支撐調平平臺，參照Stewart結構，設計了空間的六自由度并聯(lián)支撐機構。

進入21 世紀，隨著計算機和電氣控制技術的發(fā)展，伺服電機不斷應用到調平機構支撐中，同時表現出更優(yōu)越的性能。近年來，劉春華等設計的水平位置測控調平裝置、吳遠貴等［27］設計的雷達自動調平裝置、李波等設計的雷達天線升降調平機構等，都采用機電式調平機構。機電式調平機構精度高、成本低、工作穩(wěn)定性好，適宜在惡劣的環(huán)境下工作，且維護修理較液壓式容易?？傊?，伺服驅動下的垂直升降式調平機構具有更廣泛的應用潛力，也是目前調平應用中的主流趨勢。

國外對這方面的研究相對早于國內。1965年，Steward 博士就研究了6 自由度平臺的調平問題［28］。在調平機構的種類、機械性能等方面的研究與國內基本一致。不同的是，近年國外主要側重于控制算法的研究，多結合脈寬調制技術，PID、自適應、神經網絡控制等算法，調平時間短，精度和穩(wěn)定性也高。但由于技術保護，出口到國內產品的精度并不理想［29］。

3 結束語

本研究通過對雷達常用架撤調平機構的闡述和研究，綜合比較了它們在結構、工作原理以及應用范圍方面的不同與利弊。筆者認為今后調平機構的研究應向以下幾個方向發(fā)展:

(1)小型化、輕型化。應注重使用新材料和新工藝，優(yōu)化結構，在提高承載能力的同時更加方便靈活的使用。

(2)模塊化、系列化。研究設計獨立的模塊化調平機構，擴大其應用范圍，對推動裝備系統(tǒng)模塊化、縮短研制周期、降低研制費用、提高可靠性和維修性等方面具有重要的促進作用。

(3)高精度化、高效化。未來調平對核心機構的要求必然隨著裝備的發(fā)展不斷提高。采用前沿的數字化技術，實現高精度高性能必是其追求的目標。

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