賀 鵬，洪林峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高架雷達(dá)結(jié)構(gòu)安全性分析與驗(yàn)證*

賀 鵬，洪林峰

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高架雷達(dá)因天線舉升到較高位置而會面臨一些安全性問題，文中分析了高架雷達(dá)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度論述了高架雷達(dá)的安全性設(shè)計(jì)內(nèi)容與思路。以某典型高架雷達(dá)為例，主要論述了該雷達(dá)的抗風(fēng)安全性、動平衡及架設(shè)安全性設(shè)計(jì)。雷達(dá)設(shè)計(jì)階段充分應(yīng)用了各種先進(jìn)手段，如整機(jī)三維設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)分析、升降機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析等，同時(shí)開展了大量安全性試驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)的實(shí)際使用表明結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)取得成功。

結(jié)構(gòu)安全性；抗風(fēng)；動平衡；架設(shè)安全性

引 言

為了提高雷達(dá)的陣地適應(yīng)能力和低空性能，雷達(dá)天線往往需要舉升到較高的高度以提高其作用距離和范圍。高架雷達(dá)工作時(shí)天線處于一個(gè)居高臨下的位置，因此來自環(huán)境負(fù)載的影響較為顯著，包括風(fēng)載荷、冰雪、雷電等，其中作用在天線上的風(fēng)載荷因高度的增加明顯增大，因此抗風(fēng)設(shè)計(jì)是高架雷達(dá)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。此外高架雷達(dá)架設(shè)過程中往往動作較多，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，這些增加了人員和設(shè)備出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的概率。以下以某典型高架雷達(dá)為例，闡述高架雷達(dá)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的思路和注意事項(xiàng)。

1 高架雷達(dá)的抗風(fēng)安全性設(shè)計(jì)

某高架雷達(dá)工作狀態(tài)下天線舉高17 m，主要由天線陣面、天線座、舉升機(jī)構(gòu)、機(jī)動平臺及電子設(shè)備艙等組成，其抗風(fēng)能力指標(biāo)要求為：

1)風(fēng)速≤20 m/s，正常工作；

2)20 m/s<風(fēng)速≤25 m/s，降高度工作；

3)25 m/s<風(fēng)速≤35 m/s，雷達(dá)停機(jī)，倒天線，不破壞。

雷達(dá)在架高狀態(tài)下，天線受風(fēng)載荷的影響最為顯著，計(jì)算風(fēng)載荷的大小是抗風(fēng)安全性設(shè)計(jì)的前提。根據(jù)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，風(fēng)載荷大小與天線形狀、天線特征面積A及風(fēng)速V有關(guān)，并按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：C為風(fēng)力系數(shù)，與天線形狀、透空度等相關(guān)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)，通常制作模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，測得風(fēng)力后可求出風(fēng)力系數(shù)。

1.1 主要構(gòu)件的理論計(jì)算分析

確定風(fēng)載荷大小后需要對雷達(dá)的主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，上述雷達(dá)的主要承力構(gòu)件包括天線骨架、天線座、舉升機(jī)構(gòu)、承載平臺及抗傾覆腿等，且從上至下構(gòu)成一條完整的傳力路徑。為了較好地模擬雷達(dá)的實(shí)際工況，針對主要構(gòu)件建立整機(jī)有限元模型，如圖1所示。頂部天線重量通過集中質(zhì)量單元加在升降機(jī)構(gòu)頂部，天線風(fēng)壓產(chǎn)生的風(fēng)載荷平均加在天線質(zhì)量單元上，升降機(jī)構(gòu)上的風(fēng)壓直接加在每節(jié)升降桿上。

圖1 整機(jī)有限元模型

計(jì)算結(jié)果表明，在25 m/s風(fēng)速條件下(考慮陣風(fēng)因子及高度修正系數(shù))，最大應(yīng)力為283 MPa，出現(xiàn)在升降機(jī)構(gòu)與銷軸連接處，如圖2所示。為了降低此處應(yīng)力水平，銷軸安裝處增加外圍框和筋板，銷軸同時(shí)與外圍框和升降機(jī)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)連接，這樣可有效分散升降機(jī)構(gòu)的應(yīng)力。此外為了滿足強(qiáng)度要求，升降機(jī)構(gòu)主要受力部分采用高強(qiáng)度鋼，可以滿足安全系數(shù)不小于2的要求。最大位移為86 mm，滿足總體不大于120 mm的偏擺量要求。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)力云圖

1.2 力學(xué)試驗(yàn)及驗(yàn)證

為了最大程度地模擬雷達(dá)的實(shí)際受力情況，試驗(yàn)時(shí)天線車系統(tǒng)整體參與現(xiàn)場實(shí)物測試。試驗(yàn)需要解決風(fēng)載荷的作用問題，本試驗(yàn)采用模擬風(fēng)載荷的形式，將各部位風(fēng)載荷平移至天線上并使其對地的風(fēng)力矩大小不變，疊加的風(fēng)力之和等效為所有風(fēng)載荷的作用，將該力施加到天線的安全部位模擬實(shí)際風(fēng)載荷。試驗(yàn)采用常見的應(yīng)力應(yīng)變電測法，將應(yīng)變片貼在主要受力結(jié)構(gòu)件及需要關(guān)注的部位。模擬風(fēng)載荷加載示意圖如圖3所示，通過施加不同重量的重物模擬不同風(fēng)速大小對應(yīng)的風(fēng)載荷。

圖3 模擬風(fēng)載荷加載方式

試驗(yàn)結(jié)果表明，施加25 m/s風(fēng)載荷(考慮陣風(fēng)因子及高度修正系數(shù))，整機(jī)最大應(yīng)力為126 MPa，位于銷軸所在的外圍框區(qū)域。測量值與理論計(jì)算結(jié)果有較大差異，原因是實(shí)際設(shè)計(jì)中采取了上述分散應(yīng)力的措施，同時(shí)分析軟件讀取的是應(yīng)力集中點(diǎn)的最大值，導(dǎo)致了計(jì)算與試驗(yàn)的誤差；此外建模時(shí)未考慮升降機(jī)構(gòu)各節(jié)的間隙，忽略了內(nèi)部的一些加強(qiáng)筋等細(xì)部結(jié)構(gòu)，也導(dǎo)致了計(jì)算偏差的產(chǎn)生。應(yīng)力實(shí)測結(jié)果小于許用應(yīng)力值300 MPa，滿足安全使用要求。

1.3 抗傾覆安全設(shè)計(jì)

風(fēng)載荷對雷達(dá)的作用形成了對雷達(dá)有傾覆作用的風(fēng)力矩Mq，而雷達(dá)的自重提供了穩(wěn)定力矩Mg，雷達(dá)的抗傾覆安全性取決于抗傾覆安全系數(shù)n：

式中：Fi為各作用點(diǎn)處的風(fēng)載荷；hi為風(fēng)載荷作用點(diǎn)到地距離；G為雷達(dá)自重；R為抗傾覆半徑。

由上式可知，增加穩(wěn)定力矩，減小傾覆力矩有利于提高抗傾覆安全性，本雷達(dá)主要采取以下措施：

1)通過減小天線陣面風(fēng)載荷來降低傾覆力矩Mq。天線陣面位于最高處，此處風(fēng)力距作用最為明顯，為了減小風(fēng)載荷，天線陣面采用鏤空設(shè)計(jì)，有效降低風(fēng)阻系數(shù)。

2)通過增大抗傾覆半徑來提高穩(wěn)定力矩Mg。雷達(dá)采用大跨距的抗傾覆腿(見3.1節(jié))，同時(shí)總體布局時(shí)控制整車重心位置到抗傾覆腿的距離在合適范圍內(nèi)。

2 高架雷達(dá)動平衡設(shè)計(jì)

天線在高架的同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，這樣的工作條件對高架雷達(dá)的動平衡設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在調(diào)平狀態(tài)下，動平衡問題通常表現(xiàn)為天線系統(tǒng)偏心導(dǎo)致的動態(tài)晃動，動平衡設(shè)計(jì)的目的是盡量減小動態(tài)晃動，使系統(tǒng)安全平穩(wěn)工作。上述高架雷達(dá)應(yīng)用數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)控制天線系統(tǒng)的重心和重量，通過試驗(yàn)測試天線動態(tài)晃動量并指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，最大程度減小動態(tài)晃動量，達(dá)到動平衡設(shè)計(jì)的目的。

2.1 天線系統(tǒng)重量及重心控制

天線系統(tǒng)重量的控制是高架雷達(dá)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，對于動平衡設(shè)計(jì)也有重要意義。較輕的天線一方面可減小天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，另一方面可提高整機(jī)模態(tài)頻率。根據(jù)圖1的整機(jī)有限元模型，通過設(shè)置天線質(zhì)量單元大小進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果見表1。

表1 整機(jī)固有頻率計(jì)算表 Hz

天線重量/kg第1階第2階第3階第4階第5階10002.02262.53236.39927.670410.184915001.87742.31606.15887.24269.7398

由表可見，天線較重的天線車系統(tǒng)的各階模態(tài)都小于天線較輕的情況，由此可知，控制天線系統(tǒng)重量有利于提高整機(jī)固有頻率，進(jìn)而減小天線轉(zhuǎn)動和風(fēng)載荷帶來的諧振影響。天線系統(tǒng)的重心控制主要依靠陣面合理布局和三維設(shè)計(jì)手段。進(jìn)行陣面布局時(shí)充分考慮設(shè)備的對稱和平衡布置，陣面骨架、組件、電源、接收及天線陣面總裝等主要設(shè)備均采用三維設(shè)計(jì)，通過三維設(shè)計(jì)可方便計(jì)算出天線系統(tǒng)的重心位置，根據(jù)重心位置的偏差合理調(diào)整設(shè)備布局，同時(shí)引導(dǎo)分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行重量和重心的控制。通過以上措施，雷達(dá)天線陣面重心偏離控制在了11 mm左右。

2.2 動平衡測試

動平衡測試主要測量不同天線轉(zhuǎn)速下天線中心所產(chǎn)生的絕對位移，為動平衡設(shè)計(jì)提供依據(jù)。采用空間3點(diǎn)定位法進(jìn)行測量，如圖4所示。

圖4 空間3點(diǎn)定位示意圖

實(shí)際測試時(shí)在3個(gè)定位點(diǎn)處分別安裝位移傳感器，在天線中心點(diǎn)處安裝定位器，定位器分別與位移傳感器的感應(yīng)線連接。啟動控制系統(tǒng)使天線按設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，用動態(tài)信號分析儀記錄天線啟動至停止過程中3個(gè)位移傳感器所感應(yīng)的位移值，計(jì)算中心點(diǎn)在工作過程中的絕對位移。

為了試驗(yàn)安全，采用假負(fù)載代替天線，重1 560 kg，同時(shí)施加偏載86 kg × 195 mm，模擬天線偏心11 mm。天線舉升，分別按2、5、8、10、12、15 r/min天線轉(zhuǎn)速開展試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，中心點(diǎn)位移隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)總位移為88 mm(X、Y、Z方向矢量和)，略大于80 mm的晃動量限值要求。將假負(fù)載重量降至1 500 kg，重復(fù)上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)總位移為76 mm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重量控制在1 500 kg，偏心不大于11 mm，可滿足動平衡設(shè)計(jì)要求。

3 高架雷達(dá)的架設(shè)安全性設(shè)計(jì)

從運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)，高架雷達(dá)一般要經(jīng)歷抗傾覆支臂展開、調(diào)平、升降機(jī)構(gòu)豎起與鎖定、天線舉升的過程。架設(shè)過程中由于動作較多，天線舉高將帶來失穩(wěn)、干涉、誤操作、環(huán)境影響等危險(xiǎn)因素。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分避免這些危險(xiǎn)因素，確保架設(shè)安全。

3.1 架設(shè)過程的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

天線架高17 m，由于重心的升高和風(fēng)載荷的作用，天線車系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨考驗(yàn)。為了使雷達(dá)穩(wěn)定可靠工作，采用了以下措施：

1)采用4條獨(dú)特的大跨距X形抗傾覆支臂，該支臂呈X形交叉與平臺上平面和兩側(cè)面同時(shí)焊接，如圖5所示。該交叉布置的特點(diǎn)不僅可以滿足橫向穩(wěn)定性要求，而且沿平臺縱向?qū)嶋H上構(gòu)成了穩(wěn)定的互支撐結(jié)構(gòu)，因此相比于其他如蛙腿、H形支腿等具有更好的縱向穩(wěn)定性。

圖5 X形抗傾覆支臂(收攏狀態(tài))

2)總體布局時(shí)做到重心均衡，關(guān)注雷達(dá)從運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)的整機(jī)重心位置變化情況，避免升降機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)軸過于靠近抗傾覆支臂，導(dǎo)致升降機(jī)構(gòu)豎起時(shí)整機(jī)重心移動而使穩(wěn)定力矩減小。

3.2 仿真設(shè)計(jì)

為了在設(shè)計(jì)階段最大程度降低安全風(fēng)險(xiǎn)，在樣機(jī)試制前雷達(dá)整機(jī)采用三維設(shè)計(jì)，并針對架設(shè)過程開展機(jī)構(gòu)分析和動力學(xué)分析。應(yīng)用Pro/E軟件完成雷達(dá)整機(jī)建模并在該軟件中完成機(jī)構(gòu)分析，檢查各機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況及動態(tài)干涉情況。根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在Matlab中對其舉升過程進(jìn)行仿真分析，在15 m/s風(fēng)速條件下，升降機(jī)構(gòu)中液壓缸的動力學(xué)仿真分析結(jié)果如圖6所示[2]。圖中給出了升降機(jī)構(gòu)的速度-時(shí)間曲線和壓力-時(shí)間曲線，由圖可知，液壓缸壓力達(dá)到16.8 MPa后壓力和速度基本趨于平穩(wěn)，表明運(yùn)行安全可靠。

圖6 升降機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

3.3 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

雷達(dá)在架設(shè)過程中動作較多，如果這些動作以錯(cuò)誤的順序發(fā)生將可能帶來安全事故[3]。為了避免這種情況發(fā)生，伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加裝檢測聯(lián)鎖，在各動作的極限位置和關(guān)鍵部位安裝檢測開關(guān)，如倒豎到位、天線升降到位等均實(shí)現(xiàn)到位保護(hù)。把各檢測點(diǎn)的狀態(tài)送給主控計(jì)算機(jī)，利用主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的安全聯(lián)鎖，避免錯(cuò)誤動作順序的發(fā)生。如抗傾覆腿未展開到位，下一動作即升降機(jī)構(gòu)豎起將無法實(shí)現(xiàn)，而升降機(jī)構(gòu)未豎起并鎖定好的情況下，天線不能舉升。

4 防雷設(shè)計(jì)

相比于常規(guī)雷達(dá)，高架雷達(dá)更易遭受雷電的侵害，尤其是直擊雷的危害。直擊雷是指雷電直接擊在建筑物、大地、防雷裝置或其他物體上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的雷擊，從而使被擊物受損[4]。防直擊雷的措施主要包含以下要素：

1)接閃裝置的安裝。本例雷達(dá)采用避雷針，安裝在一根可機(jī)動的升降桿上。避雷針的架設(shè)高度應(yīng)滿足雷達(dá)處于防雷區(qū)內(nèi)的要求，并按滾球法確定。根據(jù)雷達(dá)的一級防雷要求，按滾球半徑30 m計(jì)算，避雷針架設(shè)高度為21 m。

2)接地裝置的布置。需要保護(hù)的雷達(dá)電子設(shè)備必須采取等電位連接與接地保護(hù)措施。接地裝置的布置與埋設(shè)應(yīng)滿足最低接地電阻要求，一般接地電阻值不大于10 Ω。接地裝置可以是圓鋼、角鋼、扁鋼、扁銅或銅纜等。圖7為一種經(jīng)典接地方式，其中4根垂直接地棒采用圓鋼，水平接地帶為扁銅帶，將各接地棒連接在一起。

圖7 避雷接地示意圖

5 結(jié)束語

高架雷達(dá)因天線“高架”的特點(diǎn)，其安全性設(shè)計(jì)倍受關(guān)注。文中的某高架雷達(dá)在研制過程中始終貫徹安全性設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)階段采用數(shù)字化設(shè)計(jì)及仿真分析等先進(jìn)手段，并開展了大量的安全性驗(yàn)證試驗(yàn)。該雷達(dá)在后續(xù)數(shù)年的雷達(dá)轉(zhuǎn)場、架設(shè)及工作過程中經(jīng)受了各種惡劣陣地條件的考驗(yàn)，表明結(jié)構(gòu)安全可靠，其設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)可供同類雷達(dá)研制參考。

[1] 朱鐘淦, 葉尚輝. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1980.

[2] 賀鵬, 陳亞峰. 高架機(jī)動雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2014, 36(3): 73-76, 82.

[3] 夏勇, 趙德昌, 李建峰. 地面雷達(dá)機(jī)電系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)研究[J]. 質(zhì)量與可靠性, 2008(3): 34-37.

[4] 王強(qiáng). 民航空管二次雷達(dá)站綜合防雷[J]. 科技傳播, 2012(10): 20-21.

賀 鵬(1977-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)及研究工作。

洪林峰(1975-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Structure Safety Analysis and Test of High-raised Radar

HE Peng，HONG Lin-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

High-raised radar will meet some safety problems when its antenna is raised to a high position. This paper analyzes the main risk factors in the structural design of high-raised radar and discusses the contents and thoughts of safety design from the structural design perspective. With a typical high-raised radar as example, this paper discusses the design of wind resistance, dynamic balance and erection safety for this radar. In radar design phase, various advanced methods such as the 3D design and mechanism analysis of the total radar, the dynamics analysis of the high-raise mechanism are applied. A lot of experimental safety verifications are carried out at the same time. Following practical applications show that the structure safety design is successful.

structure safety; wind resistance; dynamic balance; erection safety

2016-01-11

TN957.8

A

1008-5300(2016)02-0024-04