何文杰，程 林，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）

無論在和平時代，在本國國土領(lǐng)域內(nèi)，獲取可疑活動目標(biāo)信息，保障領(lǐng)土領(lǐng)空領(lǐng)海安全；還是在戰(zhàn)爭時期，獲知敵情，進(jìn)行火力打擊，搜索雷達(dá)裝備是必不可少的國防利器。相對于地面雷達(dá)系統(tǒng)，機(jī)載搜索雷達(dá)具有靈活機(jī)動、快速進(jìn)出戰(zhàn)場等優(yōu)勢，其作用越來越明顯。然而惡劣的使用環(huán)境也限制了機(jī)載搜索雷達(dá)的發(fā)展。

針對機(jī)載雷達(dá)所處的復(fù)雜熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境以及電磁環(huán)境，本文在有限的空間和重量下，通過合理布局、潤滑密封設(shè)計、力學(xué)仿真分析設(shè)計出滿足要求的伺服轉(zhuǎn)臺。以下就雷達(dá)伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動力矩計算、力學(xué)仿真分析進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成

伺服轉(zhuǎn)臺主要包括外殼及底座、方位機(jī)構(gòu)、方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)和角度反饋單元[1-2]。如圖1所示，方位機(jī)構(gòu)主要包括外殼及底座、直流減速電機(jī)、回轉(zhuǎn)支撐、編碼器等幾部分。外殼和底座是整個伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)，支承天線重量和環(huán)境引起的力學(xué)載荷，要有足夠的剛強(qiáng)度，并且重量和尺寸要最小[3-4]。

圖1 伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

2 方位結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)支撐結(jié)合齒輪和軸承功能，具有軸向尺寸小、承載力大、抗傾覆能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，本著“軸向空間和重量最小化”原則，采用帶外齒的回轉(zhuǎn)支撐和小齒輪作為整個方位驅(qū)動機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)支承采用脂潤滑，如圖2所示。為保證強(qiáng)度和剛度，齒輪及回轉(zhuǎn)支撐采用40CrMo；為了輕量化設(shè)計，固定外殼等使用高強(qiáng)度鋁合金7075。

圖2 方位驅(qū)動結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺整體受徑向尺寸限制，在確定電機(jī)輸出功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等條件下，同級別電機(jī)減速機(jī)軸向尺寸較大，易形成懸臂梁問題。為減小機(jī)載振動對電機(jī)輸出穩(wěn)定性的影響，除在減速機(jī)輸出端進(jìn)行固定外，在電機(jī)中段位置安裝兩個半月型卡箍，將其固連于法蘭盤上，一方面加強(qiáng)電機(jī)減速機(jī)安裝穩(wěn)定性，一方面可以將電機(jī)工作產(chǎn)生的熱量傳遞至外殼上，起到冷卻作用，如圖3所示。

圖3 電機(jī)固定方式

2.2 角度反饋單元

角度反饋單元采用絕對式編碼器，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，外圈固定，其同軸安裝于與轉(zhuǎn)盤固連的撥叉上，內(nèi)圈通過固定環(huán)軸向固定，外圈通過3個固定塊安裝在外殼上。另一方面在轉(zhuǎn)臺運(yùn)動時，撥叉還起到撥動匯流環(huán)旋轉(zhuǎn)端的功能，如圖4所示。將角度反饋單元安裝在撥叉上，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，有效地降低了高速轉(zhuǎn)臺軸向尺寸。

圖4 角度反饋單元安裝方式

2.3 高速潤滑

回轉(zhuǎn)支撐與密封罩構(gòu)成的空間內(nèi)注入軸承7008潤滑脂，一次注入密封脂位置如圖5所示，回轉(zhuǎn)支撐外圈與外界通過旋轉(zhuǎn)密封圈來密封。由于低溫條件下摩擦力矩較大，故拆除回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)外圈的密封圈，通過迷宮結(jié)構(gòu)設(shè)計來完成潤滑脂的密封。

圖5 高速潤滑密封結(jié)構(gòu)

3 力學(xué)分析

機(jī)載搜索雷達(dá)的轉(zhuǎn)臺特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)振動，力學(xué)仿真主要目的校核結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提高結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和降低重量，避免發(fā)生力學(xué)相關(guān)質(zhì)量問題。機(jī)載設(shè)備對尺寸和重量的要求非?？量?，為滿足輕質(zhì)的設(shè)計要求，高速轉(zhuǎn)臺的主要承力件采用高強(qiáng)度鋁合金7075-T6，該材料的屈服強(qiáng)度為395 MPa。

通過仿真分析可以看出，高速轉(zhuǎn)臺殼體在向上10.5 g過載工況下（見圖6），最大應(yīng)力為56.9 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺殼體與載機(jī)連接孔處。在Z向20 g沖擊下（見圖7），轉(zhuǎn)臺殼體最大應(yīng)力為207 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺殼體與載機(jī)連接孔處。在Z向隨機(jī)載荷下（見圖8），轉(zhuǎn)臺殼體最大3σ應(yīng)力為136.1 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺殼體與載機(jī)的連接孔處。在Z向正弦振動下（見圖9），轉(zhuǎn)臺殼體最大應(yīng)力為103.6 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺殼體與載機(jī)連接孔處。從上面的仿真結(jié)果可以看出，伺服轉(zhuǎn)臺重要承力件殼體滿足強(qiáng)度要求。

圖6 向上10.5 g過載應(yīng)力

圖7 Z向20 g沖擊應(yīng)力

圖8 Z向隨機(jī)振動3σ應(yīng)力

圖9 Z向正弦振動應(yīng)力

4 結(jié)語

機(jī)載搜索雷達(dá)復(fù)雜的工作環(huán)境對整個雷達(dá)系統(tǒng)的空間尺寸和重量都提出了苛刻的要求。本文在有限的空間和重量下，通過合理布局、潤滑密封設(shè)計、力學(xué)仿真分析設(shè)計出滿足要求的伺服轉(zhuǎn)臺。系統(tǒng)工程樣機(jī)通過了多次地面振動臺試驗以及高溫（+55 ℃）低溫（-40 ℃）試驗，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]洪長滿，段勇軍.機(jī)載雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能評估[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011（6）：72-75.

[2]張潤逵，戚仁欣，張樹雄.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[4]高安幫.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計禁忌[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．