房景仕，張根烜，王晨晨

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

一種車載高機(jī)動雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計*

房景仕，張根烜，王晨晨

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

文中以一種車載高機(jī)動雷達(dá)的設(shè)計指標(biāo)為邊界條件，基于頂層設(shè)計理念，在結(jié)構(gòu)總體布局中嚴(yán)格控制運輸包絡(luò)的條件下，合理規(guī)劃各分系統(tǒng)邊界條件，分解各分系統(tǒng)指標(biāo)尺寸，運用關(guān)鍵技術(shù)解決其大口徑高機(jī)動的難題。 詳細(xì)闡述了為滿足雷達(dá)運輸與工作狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)化，在有限的包絡(luò)尺寸下設(shè)計了具有大角度翻轉(zhuǎn)、俯仰、舉高、定位和鎖緊于一體的多功能集成化機(jī)構(gòu)。同時方案中論述了如何運用多功能調(diào)平系統(tǒng)，實現(xiàn)在無吊裝設(shè)備的情況下載車和平臺的快速分離，滿足鐵路運輸要求。

高機(jī)動；頂層布局；大角度翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；多功能調(diào)平

引 言

出于現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)展的需要, 地面雷達(dá)裝備為了提高自身的生存能力，快速可靠的架設(shè)和撤收是其基本要求之一[1]。車載高機(jī)動雷達(dá)除了要滿足戰(zhàn)場需求快速機(jī)動外，還需要滿足海、陸、空裝載以及運輸規(guī)范等要求。因此，處理好車載高機(jī)動雷達(dá)高機(jī)動與各工況條件的運輸布局以及工作狀態(tài)安全穩(wěn)定，是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計頂層考慮的關(guān)鍵難點。

雷達(dá)為了獲得較遠(yuǎn)的探測距離，必須增大發(fā)射功率，加大天線陣面口徑，但同時也進(jìn)一步影響了其機(jī)動性能。在完成整體布局設(shè)計的情況下，縮短天線陣面的架設(shè)和撤收時間是提高車載高機(jī)動雷達(dá)的快速機(jī)動的重要措施，所以天線陣面采取高可靠、自動化程度高的自動架撤系統(tǒng)是非常必要的。一方面可以有效減少操作人員的數(shù)量和降低作業(yè)強度；另一方面能夠可靠地縮短作業(yè)時間,提高雷達(dá)設(shè)備的機(jī)動性。

本文以某雷達(dá)為例，介紹了一種集成平臺調(diào)平、天線舉升/折疊以及俯仰等動作的高機(jī)動車載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。

1 設(shè)計要求

陣面尺寸(波導(dǎo)裂縫天線)： 6.5 m × 4 m(寬 × 高)；

風(fēng)載荷系數(shù): 1.03；

風(fēng)速: 30 m/s(降精度工作)，36 m /s(生存)；

天線質(zhì)量(含背架)： 3 t；

陣面中心離地高度：≥6.6 m；

天線車架設(shè)/撤收時間：≤10 min/2人。

符合GJB 2948—97《運載裝載尺寸與重量限制》規(guī)定的鐵路運輸基本貨物裝載界限要求，鐵路運輸時不需要另外的吊裝設(shè)備。

2 結(jié)構(gòu)總體架構(gòu)設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成

車載高機(jī)動雷達(dá)結(jié)構(gòu)單元一般由天線車單元、電子設(shè)備單元、電站單元等組成，對于大功率高熱流密度雷達(dá)有時還需要增加液冷單元。為了提高雷達(dá)機(jī)動性，需對各單元進(jìn)行小型化和集成化設(shè)計，盡量縮減運輸單元數(shù)[2]，比如把電子設(shè)備單元、電站單元或液冷單元集成到天線車上，同時要求各運輸單元之間的電纜盡量少且能夠自動收放。雷達(dá)結(jié)構(gòu)單元系統(tǒng)組成如圖1所示。

該雷達(dá)共有兩個運輸單元：電站單元和天線車單元。天線車單元是雷達(dá)的核心單元，集成了天線陣面、自動架設(shè)系統(tǒng)(伺服控制及調(diào)平系統(tǒng)、集中式發(fā)射系統(tǒng)、天線舉高機(jī)構(gòu)、天線折疊/俯仰機(jī)構(gòu))、轉(zhuǎn)臺、載車平臺及底盤車等。

圖1 車載雷達(dá)結(jié)構(gòu)組成

2.2總體布局設(shè)計

布局設(shè)計不是樂高式積木形的拼接，而是采用TOP-DOWN的設(shè)計理念，從頂層布局規(guī)劃邊界條件(運輸要求、系統(tǒng)組成、外形包絡(luò)等)[3]。車載高機(jī)動雷達(dá)的設(shè)計流程如圖2所示，首先按戰(zhàn)技指標(biāo)要求確定結(jié)構(gòu)總體布局的邊界限制點，根據(jù)總體設(shè)備組成從頂層完成布局設(shè)計；然后依據(jù)運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)的邊界控制要求進(jìn)行核算，經(jīng)過工業(yè)造型反復(fù)溝通設(shè)計，完成各分系統(tǒng)的邊界區(qū)間及指標(biāo)輸入，下達(dá)各分系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)，完成天線車的整體構(gòu)造。

圖2 設(shè)計流程

為了壓縮設(shè)備單元個數(shù)，把電子設(shè)備艙集成到了天線車上，同時根據(jù)設(shè)計要求的已知信息(陣面尺寸、陣面中心離地高度等)，設(shè)計了如圖3所示的結(jié)構(gòu)總體布局。天線陣面從高度方向均分成2塊，豎直放置于平臺兩側(cè)，陣面中間放置有舉高機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺，陣面折疊/俯仰機(jī)構(gòu)放置于轉(zhuǎn)臺上方；2 m的電子設(shè)備艙放置于平臺的最后端。從圖中可以看出整個結(jié)構(gòu)布局具有2大特點：

1)平臺上設(shè)備較多，兩陣面間空間比較局促；

2)天線工作狀態(tài)舉升高，天線重心高，且兩陣面間空間小制約了機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

圖3 結(jié)構(gòu)總體布局

為了滿足該雷達(dá)運輸需求，采用陣面分塊，折疊運輸形式[4]。天線車的架設(shè)流程為載車調(diào)平、門架舉升、陣面展開、陣面俯仰。每一步都配有安全鎖緊裝置，保證系統(tǒng)的安全可靠。天線車架設(shè)后的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 天線車架設(shè)狀態(tài)示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

舉高6 m且俯仰具有多種姿態(tài)可調(diào)的大陣面(6.5 m × 4 m)高機(jī)動雷達(dá)，實現(xiàn)快速架撤是其關(guān)鍵難點。解決該關(guān)鍵難點應(yīng)該從兩方面著手，一是載荷要輕，優(yōu)化驅(qū)動資源；二是機(jī)構(gòu)的自動化程度要高。在負(fù)載輕質(zhì)化設(shè)計方面，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)總體布局減少陣面設(shè)備量，天線骨架、轉(zhuǎn)臺等承力構(gòu)件采用輕質(zhì)材料的同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；在自動化程度方面，該雷達(dá)調(diào)平、舉升、大角度翻轉(zhuǎn)、俯仰以及鎖定等動作全部實現(xiàn)自動化[5]，可單人一鍵操作實現(xiàn)，從而解決了其大口徑和高機(jī)動的瓶頸問題。架設(shè)流程如圖5所示。

圖5 架設(shè)流程圖

因為舉高機(jī)構(gòu)采用的門架式舉升即平行四連桿機(jī)構(gòu)在雷達(dá)行業(yè)應(yīng)用較多，在接下來的系統(tǒng)設(shè)計中就不作介紹，下面主要論述關(guān)鍵技術(shù)難點：多功能調(diào)平系統(tǒng)和一體化大角度折疊/俯仰機(jī)構(gòu)。

3.1多功能調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

該雷達(dá)單塊天線陣面高2 m，集成到天線車上后整車運輸高度約3.95 m，該高度能夠滿足公路運輸限界要求，卻滿足不了火車一級超限要求。為此在總體布局方案中，利用調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計，開發(fā)了一種自裝卸天線平臺。當(dāng)需要火車運輸時，天線車開到火車平板上，松開天線平臺與底盤車的快鎖機(jī)構(gòu)(蘑菇頭式扭鎖)，然后利用調(diào)平系統(tǒng)完成天線平臺的自裝卸。

如圖6所示，該調(diào)平系統(tǒng)由調(diào)平腿、斜滑腿、插銷、滑輪組、油缸和天線平臺等組成，油缸通過滑輪組和鋼絲繩控制斜滑腿的運動，滑輪組和油缸內(nèi)置于天線平臺內(nèi)部。其中在斜滑腿上有多個不同位置的銷孔，利用這些銷孔與插銷的配合可實現(xiàn)調(diào)平腿不同跨距的要求，同時控制天線平臺自裝卸過程的位置要求。平時在工作狀態(tài)下，只有固定的一個插銷孔和插銷配合，調(diào)平過程為斜滑腿滑移到底，插銷鎖緊，然后進(jìn)行調(diào)平操作。

圖6 調(diào)平系統(tǒng)組成

天線平臺的火車自裝卸示意圖如圖7所示，具體流程為：

1)松開天線平臺與底盤車的連接，給天線車伺服系統(tǒng)上電；

2)調(diào)節(jié)斜滑腿，保證調(diào)平腿可落在火車平臺上，然后插銷調(diào)平，使天線平臺和載車分離一定高度(40 mm左右)；

3)載車駛出天線平臺，在天線平臺下墊墊木，收調(diào)平腿；

4)平臺落在墊木上后，通過鋼絲繩拉動斜滑腿上移，更換其插銷孔位置；

5)調(diào)平腿繼續(xù)伸出到一定高度，使平臺底部脫離墊木；

6)接著再次收調(diào)平腿，最終實現(xiàn)天線平臺落地要求。

圖7 天線平臺火車自裝卸示意圖

3.2一體化大角度折疊/俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)公路運輸限界寬度不超過2.5 m的要求，設(shè)計寬度控制在2.4 m，天線厚度約0.3 m，考慮到安全距離(50 mm)，實際可給天線舉高、轉(zhuǎn)臺、折疊機(jī)構(gòu)預(yù)留的寬度空間約1.7 m。在這么狹小的空間內(nèi)布置這么多機(jī)構(gòu)且要保證可靠性和維修性，必須采取一體化的設(shè)計方式。

為了解決這一難題，設(shè)計了一套集翻轉(zhuǎn)、定位、鎖緊和俯仰等功能于一體的180°折疊/俯仰機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用液壓擺缸直接驅(qū)動陣面翻轉(zhuǎn)并利用電推桿實現(xiàn)陣面俯仰。機(jī)構(gòu)主要包括鎖緊機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、感應(yīng)檢測裝置、液壓控制系統(tǒng)和自定位裝置等[6]。

當(dāng)天線需要展開時，折疊機(jī)構(gòu)的撤收鎖緊油缸首先把上背架和轉(zhuǎn)盤之間的連接解鎖，擺缸驅(qū)動上背架翻轉(zhuǎn)，直至上陣面與下陣面處于同一平面，此時到位感應(yīng)開關(guān)發(fā)出信號，擺缸停止驅(qū)動；然后展開鎖緊油缸伸出插銷鎖緊上下背架；最后依靠俯仰機(jī)構(gòu)實現(xiàn)陣面俯仰角調(diào)節(jié)，機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。俯仰機(jī)構(gòu)采用電動梯形絲杠副的傳動形式實現(xiàn)，傳動副具有自鎖功能，可實現(xiàn)任意角度位置的鎖定。

圖8 機(jī)構(gòu)示意圖

折疊/俯仰機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有3大特點：

1)上下背架的自動定位設(shè)計。折疊機(jī)構(gòu)多為鉸鏈副連接，且驅(qū)動的均為大負(fù)載的天線陣面，各傳動鉸鏈副的間隙誤差積累以及翻轉(zhuǎn)背架的自身剛性變形，會給天線陣面的重復(fù)精度帶來很大的影響。為此，本折疊機(jī)構(gòu)在設(shè)計過程中盡量少地使用鉸鏈副，同時在上下背架間采用錐形自定位結(jié)構(gòu)(定位銷固定在上背架上，銷孔固定在下背架上)，提高了重復(fù)定位精度。

2)安全可靠性設(shè)計。各鎖緊機(jī)構(gòu)液壓缸小，便于安裝。且收縮壓力是伸出壓力的5倍，插銷拔出的力約為插銷插進(jìn)力的3倍，有力地保障了鎖緊系統(tǒng)的可靠性工作。俯仰電推桿采用梯形自鎖絲杠，且電機(jī)帶閘。

3)一體化設(shè)計。整個折疊機(jī)構(gòu)集成了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)，完全可以作為通用化的折疊機(jī)構(gòu)使用，只要定義好和天線陣面骨架的法蘭接口，就完全可以安裝各種180°折疊天線，為其他機(jī)動性雷達(dá)直接借用提供了便利條件。

3.3穩(wěn)定性分析

該雷達(dá)陣面較大，舉升高度較高，為了保證工作狀態(tài)重心靠下，在設(shè)計過程中合理規(guī)劃了天線陣面的設(shè)備量，優(yōu)化了天線骨架的重量，有效提高了風(fēng)載狀態(tài)下天線車的穩(wěn)定性要求。

雷達(dá)工作時，轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量m1= 5 t，其重心在以O(shè)點為圓心、半徑R為0.4 m的圓周上。而不轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量m2= 19 t，重心在平臺的中心線上。撐腿的展開面積為9.15 m × 4.1 m(長 × 寬)。

將雷達(dá)整車數(shù)學(xué)建模，并將模型中各部位按圖9所示賦值。將風(fēng)力加載在天線陣面上(風(fēng)速為30 m/s)，通過多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件Motion View進(jìn)行動力學(xué)仿真，模擬天線轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動過程中風(fēng)力對天線陣面交變的影響，從而影響到天線載車各個調(diào)平撐腿的支撐力大小(天線轉(zhuǎn)速為3 r/min)，仿真計算結(jié)果如圖10所示。圖中給出天線轉(zhuǎn)動過程中載車4條撐腿的支撐力情況，從圖中可以看出天線陣面轉(zhuǎn)動過程中，受風(fēng)力的影響，前腿最大壓力為8.8 t，后腿最小壓力為2.5 t，沒有一個支腿的力小于0，未發(fā)生虛支撐的現(xiàn)象，說明了天線車在30 m/s的風(fēng)速、3 r/min的轉(zhuǎn)速下不會發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

圖9 重心分布

圖10 4條調(diào)平腿受力曲線圖

通過該軟件分析，當(dāng)天線不轉(zhuǎn)動、風(fēng)速最大時，天線架設(shè)狀態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也滿足要求。

4 結(jié)束語

為了獲得較高的探測精度和較遠(yuǎn)的探測距離，大口徑天線雷達(dá)已成為現(xiàn)代高機(jī)動雷達(dá)發(fā)展的趨勢。較好地處理大口徑天線展開折疊、架高與運輸性的關(guān)系，對提高雷達(dá)的陣地適應(yīng)能力和生存能力至關(guān)重要。本文從雷達(dá)的結(jié)構(gòu)頂層布局考慮，運用集成化、一體化、輕質(zhì)化、自動化的設(shè)計理念[7]，成功實現(xiàn)了小空間內(nèi)多機(jī)構(gòu)布局，滿足某型大口徑雷達(dá)狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換需求，并已在實際應(yīng)用中得到很好的體現(xiàn)。

[1] 胡長明, 羅超人. 從結(jié)構(gòu)總體設(shè)計角度探討提高地面雷達(dá)機(jī)動性的方法[J]. 電子機(jī)械工程, 1999, 81(5): 11-60.

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房景仕(1980-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體及傳動系統(tǒng)工作。

SystemStructureDesignofaHighMobilityVehicle-borneRadar

FANGJing-shi，ZHANGGen-xuan，WANGChen-chen

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Based on research requirement of a high mobility vehicle-borne radar system, to realize high mobility requirement under limited transport boundary situation from top-level design, the dimension and formulate boundary condition of each subsystem is analyzed. This paper describes the rapid switchover between transporta-tion and installation in detail, successfully realizes multifunction integrated structure design with large angleoverturn, elevation, lifting, positioning and locking function, and the plan describes how to rapidly separate the loading vehicle and platform without hoisting equipment by multifunction leveling system under limited envelope dimension to satisfy the requirement of railway transportation.

high mobility; top-level design; large angle overturn structure; multifunction leveling

2017-02-16

TN957.8

A

1008-5300(2017)04-0006-04