陳常明，江 偉，李德威

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

某相控陣?yán)走_車機動性設(shè)計*

陳常明，江 偉，李德威

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

某相控陣?yán)走_具有集成度高、天線口徑大、質(zhì)量重等特點，其機動性設(shè)計是個難題。文中通過對天線陣面進行合理分塊并選擇合適的折疊方式，設(shè)計并使用一套天線自動展/收和調(diào)平的自動架設(shè)/撤收的液壓系統(tǒng)，運用MSC·ADAMS運動分析軟件對天線展/收機構(gòu)進行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，使該雷達車的機動性達到了指標(biāo)要求，并已通過整機工程實施對其進行了驗證。該系統(tǒng)可靠性高，性能優(yōu)越，對類似雷達車的機動性設(shè)計具有一定的參考意義。

雷達車；機動性；自動架設(shè)/撤收；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引 言

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，地面雷達裝備的機動性愈來愈受到重視。雷達機動性包括運輸單元的數(shù)量，符合海、陸、空裝載運輸規(guī)范以及雷達異地架設(shè)和撤收的時間要求等[1-2]。風(fēng)廓線雷達作為地面伴隨保障裝備，其機動性要求也越來越高。

目前，國內(nèi)外風(fēng)廓線雷達天線體制和外形尺寸各不相同，其機動性設(shè)計指標(biāo)和方法也有所差別。某風(fēng)廓線雷達采用的印制半波振子形式的行列饋電有源相控陣天線，尺寸為3.5 m × 3.5 m，質(zhì)量約1 600 kg，機動性指標(biāo)要求所有設(shè)備安裝在一輛越野載車上，滿足公路、鐵路等多種運輸方式，在八級風(fēng)載荷工況下能正常工作， 2人在30 min內(nèi)完成雷達系統(tǒng)的架設(shè)和撤收。為了滿足雷達工作的各項指標(biāo)，文中研制了一種新型單車集成高機動雷達。在系統(tǒng)設(shè)計時從運輸裝載性和自動架設(shè)2個方面進行了重點設(shè)計論證，以提高雷達的機動性。

1 運輸裝載性設(shè)計

該機動式風(fēng)廓線雷達車總質(zhì)量約15 t, 其布局如圖1所示，工作和運輸狀態(tài)如圖2所示。載車選用北方奔馳列裝二類底盤，通過優(yōu)化布局設(shè)計，將雷達天線、電子設(shè)備、自動架設(shè)系統(tǒng)和油機系統(tǒng)等布置于一個運輸單元。雷達天線采用折疊式設(shè)計，即天線沿寬度方向等分為2塊，運輸時，一塊固定于方艙的頂部，另一塊折疊后依附在方艙的側(cè)部；工作時，通過天線展開機構(gòu)將折疊天線從90°(與水平面成90°)展開到0°，并與固定天線拼接成一套完整的相控陣天線。天線展開機構(gòu)依附在電子方艙側(cè)壁，調(diào)平系統(tǒng)布置在載車大梁兩側(cè)，油機系統(tǒng)設(shè)置在載車前部。在滿足運輸界限的條件下，盡量使電子方艙的結(jié)構(gòu)尺寸最大化，以提高艙內(nèi)設(shè)備的布局空間，優(yōu)化人機工程。該風(fēng)廓線雷達車最終實現(xiàn)了單車集成高機動，運輸單元、運輸方式和越野性能等滿足機動性指標(biāo)要求[3]。

圖1 雷達車布局圖

圖2 雷達車工作/運輸狀態(tài)示意圖

2 自動架設(shè)系統(tǒng)設(shè)計

為縮短雷達車的調(diào)平和天線展收時間，考慮執(zhí)行元件的尺寸和質(zhì)量，自動架設(shè)系統(tǒng)采用了一套全液壓伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成與功能如下：

1)調(diào)平撐腿。4條撐腿剛性連接于載車底盤兩側(cè)的支臂上，通過設(shè)置在方艙頂部載車中軸線上的雙軸傾角傳感器反饋水平狀態(tài)信號，控制各支腿液壓馬達。通過減速機驅(qū)動梯形絲桿，從而推動滑動桿的伸縮，實現(xiàn)雷達車的自動調(diào)平。

2)展開機構(gòu)。2根展開油缸同步驅(qū)動折疊天線實現(xiàn)雷達的工作和運輸狀態(tài)姿態(tài)轉(zhuǎn)換。2根插銷油缸用于運輸狀態(tài)下的機械鎖定。

3)伺服控制系統(tǒng)。 以可編程邏輯控制器(PLC)為核心單元發(fā)出指令，控制液壓系統(tǒng)中的液壓泵、閥和油缸等動作來完成自動架設(shè)系統(tǒng)的各個動作[4]。

2.2液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及計算

2.2.1 參數(shù)設(shè)計

根據(jù)雷達車抗風(fēng)性和架設(shè)/撤收時間要求，設(shè)計調(diào)平撐腿、展開油缸和鎖緊插銷油缸參數(shù), 見表1、表2和表3。

當(dāng)?shù)刂饕N植荔枝、柑桔、木瓜、番石榴、火龍果等經(jīng)濟作物。近兩年，當(dāng)?shù)卮罅ν菩兴室惑w化種植，這是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)施肥方式的一項先進農(nóng)作物科學(xué)施肥技術(shù)。目前當(dāng)?shù)刂魍扑室惑w化配套水溶肥、液體肥，很多農(nóng)民都參加了培訓(xùn)。從今年開始，農(nóng)藥價格較去年同期上漲3.6%，化肥價格同比上漲7%，經(jīng)銷商積極性雖然提高，但仍不囤貨。

表1 調(diào)平撐腿設(shè)計參數(shù)

表2 展開油缸設(shè)計參數(shù)

表3 鎖緊插銷油缸設(shè)計參數(shù)

天線展開機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響到架設(shè)/撤收時間和系統(tǒng)的可靠性。本文采用運動分析軟件MSC·ADAMS對機構(gòu)進行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計[5]，如圖3所示。仿真結(jié)果表明，在展收過程中，油缸推力變化均勻，鉸點設(shè)計合理。

圖3 仿真曲線示意圖

折疊天線在展收過程中，與水平面成90°時，迎風(fēng)面積最大。在八級風(fēng)載荷工況下，采用有限元分析軟件ANSYS進行了力學(xué)分析，等效應(yīng)力和變形云圖如圖4所示。仿真結(jié)果表明，最大等效應(yīng)力為68.8 MPa, 最大變形量為0.4 mm，即天線展開機構(gòu)和天線骨架強度和剛度滿足要求。

圖4 力學(xué)仿真云圖

2.2.2 液壓系統(tǒng)計算

調(diào)平撐腿選用4只擺線液壓馬達，排量為200 mL。單個馬達所需流量為：

式中：V為液壓馬達排量，mL;n為馬達工作轉(zhuǎn)速，設(shè)定為30 r/min。

4條調(diào)平撐腿所需最大流量為24 L/min。2根展開油缸所需流量為：

Q2=L/t=2.5 L/min

式中：L為油缸活塞腔總?cè)莘e，dm3；t為展開時間，min。

驅(qū)動液壓泵的電機功率為：

式中：N為系統(tǒng)功率，kW；P為液壓系統(tǒng)額定工作壓力，MPa；Q3為系統(tǒng)最大流量，取6 L/min；η為總效率，取0.85。

考慮系統(tǒng)功率冗余及泄露，電機選用功率為4 kW、同步轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的單相異步電機，液壓泵選用齒輪泵，流量為28 L/min，最高壓力為10 MPa。

2.3液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示。自動架設(shè)時，系統(tǒng)加電后，電機啟動，帶動液壓雙聯(lián)齒輪泵工作，通過多路電液比例閥控制高壓泵回路工作，帶動各調(diào)平撐腿快速伸出，完成落地檢測，然后啟動低壓泵回路進行調(diào)平，滿足水平精度要求后，調(diào)平液壓馬達停止供油，各撐腿絲杠自鎖，調(diào)平結(jié)束；切換電磁換向閥解鎖運輸插銷油缸，然后控制電液比例閥驅(qū)動天線展開油缸完成天線展開，油缸到位機械自鎖，系統(tǒng)架設(shè)結(jié)束。系統(tǒng)自動撤收過程與架設(shè)過程互逆。

圖5 液壓原理圖

為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，液壓系統(tǒng)還設(shè)計了如下功能：

1)防止負(fù)載跌落功能。選取高于3倍負(fù)載壓力的高壓軟管，在液壓油缸油口位置安裝防爆閥，通過流量計算與實際測試調(diào)整閥芯開度，防止其他不確定因素引發(fā)高壓軟管突然爆裂造成的負(fù)載跌落。

2)天線展/收到位減速功能。展開機構(gòu)在展/收接近到位時需要減速以避免因慣性引起的沖擊。在系統(tǒng)中通過接近開關(guān)發(fā)出的信號反饋給伺服系統(tǒng)中比例放大電路板，比例放大電路板通過控制輸出電壓控制電液比例換向閥減小油液供給，達到減速的目的，減小沖擊載荷的影響。

2.4伺服控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、電源模塊、伺服驅(qū)動器、開關(guān)、各類傳感器及顯示屏等組成。操作人員可通過顯示屏的人機界面實現(xiàn)機動式雷達“一鍵式”自動架設(shè)/撤收。系統(tǒng)設(shè)計了軟件互鎖功能，即載車調(diào)平后天線方可展開工作。該系統(tǒng)的原理框圖如圖6所示。

圖6 伺服系統(tǒng)原理框圖

2.4.1 自動調(diào)平

調(diào)平控制模塊通過雙軸傾角傳感器與PLC可編程控制器配套使用。 傾角傳感器可提供調(diào)平過程中平臺的實時誤差信號，計算機根據(jù)誤差信號及時修正各撐腿的控制量。當(dāng)傾角傳感器的輸出誤差在預(yù)設(shè)精度范圍內(nèi)時，調(diào)平任務(wù)完成。

2.4.2 天線展收

天線展收控制模塊控制2條自鎖液壓油缸同步驅(qū)動天線展開與折疊動作，展開到位后通過接近開關(guān)和限位塊分別實現(xiàn)電限位和機械限位，同時油缸內(nèi)部機械自鎖，液壓油缸可長期穩(wěn)定可靠地支撐天線呈展開狀態(tài)；折疊到位后也通過接近開關(guān)和限位塊分別實現(xiàn)電限位和機械限位。同時設(shè)置了2根鎖緊油缸輔助實現(xiàn)折疊天線折疊到位后的運輸鎖緊功能，液壓油缸鎖緊到位和解鎖到位均設(shè)置了接近開關(guān)。天線展/收限位示意圖如圖7所示。

圖7 天線展/收限位示意圖

3 結(jié)束語

本文從運輸裝載性和自動架設(shè)系統(tǒng)2個方面進行了系統(tǒng)的設(shè)計論證，并通過了整機工程實施驗證。在載車調(diào)平和天線展收過程中，液壓系統(tǒng)動作協(xié)調(diào)，在八級風(fēng)載荷工況下工作正常，自動架設(shè)時間為16 min(2人)，實現(xiàn)了機動性指標(biāo)要求，對類似雷達的研制工作具有一定的參考意義。在后續(xù)工作中，針對這種天線陣面大的自動架設(shè)系統(tǒng)，也可以考慮采用全機電自動架設(shè)系統(tǒng)設(shè)計。這需要在天線展開機構(gòu)的絞點設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式、雙缸同步與仿真分析方面進行深入研究。

[1] 岳振興. 一種新型鎖緊裝置在高機動雷達中的應(yīng)用[J]. 電子機械工程, 2013, 29(3): 29-32.

[2] 趙德昌. 地面高機動雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計探討[J]. 電子機械工程, 2007, 23(3): 19-23.

[3] 賀鵬, 陳亞峰. 高架機動雷達總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 現(xiàn)代雷達, 2014(3): 73-76.

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[5] 周紅, 樊雷. 某大型米波雷達天線車的機動性設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2015, 31(4): 20-23.

陳常明(1984-),男,碩士，工程師,主要從事雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。

MobilityDesignofaPhased-arrayRadarVehicle

CHENChang-ming，JIANGWei，LIDe-wei

(AnhuiSunCreateElectronicsCo.,Ltd.,Hefei230088,China)

The phased-array radar is characterized by high integration, big mass and the large-area antenna. Its mobility design is the difficult problem of the radar engineering. Design of a large-area antenna vehicle system is introduced in this paper, such as reasonable division and proper folding of the antenna array, the design of the automatic erecting and dismantling system of electro-hydraulic integration including the antenna deployment/folding and automatically leveling mechanism. Simulation and optimization design are carried out by MSC·ADAMS. The test result shows that the mobility of the radar meets the requirement and the designed system has the advantages of high reliability and superior performance. This design can be used as a reference for the mobility design of the similar radar vehicle.

radar vehicle; mobility; automatic erecting and dismantling; structure design

2016-12-06

TN959

A

1008-5300(2017)04-0014-04