李德舉，宋文虎

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川成都610036）

引 言

隨著航空運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，各大機(jī)場(chǎng)的吞吐量猛增，地面環(huán)境日益復(fù)雜，加之氣候、環(huán)境因素的影響，僅依靠地面可視化指揮和管理是非常困難的。場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)具有全天時(shí)全天候工作的特點(diǎn)，成為解決這一問(wèn)題的有效工具[1]，已在國(guó)內(nèi)外大型機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)中得到廣泛應(yīng)用。

按照要求，某X波段場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的數(shù)據(jù)刷新頻率≥1 Hz，故天線轉(zhuǎn)速需≥60 r/min，而且要能適應(yīng)多種環(huán)境，尤其是能在高風(fēng)速下連續(xù)工作。另外，所需工作壽命長(zhǎng)，每年僅允許停機(jī)1～3天用于維護(hù)。這給天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

文獻(xiàn)[2]對(duì)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，如載荷計(jì)算、動(dòng)平衡、潤(rùn)滑等進(jìn)行了論述，并將其成功應(yīng)用于某型產(chǎn)品中；文獻(xiàn)[3]對(duì)某場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，分析并解決了天線座存在一定噪聲的問(wèn)題，滿足了系統(tǒng)需求；文獻(xiàn)[4]對(duì)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并擬將其應(yīng)用于樣機(jī)。與傳統(tǒng)天線座不同，實(shí)際使用要求該雷達(dá)天線座各零部件連續(xù)工作且可靠性高，因此，對(duì)器材選型、結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度以及維護(hù)都應(yīng)給予充分的考慮。

綜上所述，場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成了傳統(tǒng)天線座設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及對(duì)復(fù)雜工況下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的要求。本文根據(jù)某X波段場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的要求，通過(guò)天線外流場(chǎng)仿真分析得到所需電機(jī)的功率（用于電機(jī)、減速器選型和傳動(dòng)鏈配置），介紹了關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑、密封和維護(hù)，可供天線風(fēng)載荷和零部件疲勞壽命仿真計(jì)算以及高可靠性天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

1 天線座結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線座的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：

1）天線座方位轉(zhuǎn)速≥60 r/min；

2）天線長(zhǎng)6 614 mm，最大寬度為420.4 mm，高428 mm，考慮風(fēng)載荷影響，迎風(fēng)面為弧形，質(zhì)量約為180 kg；

3）工作時(shí)最大風(fēng)速為37 m/s；

4）工作壽命不低于10年；

5）能夠提供天線座運(yùn)行角度等信息；

6）天線射頻信號(hào)通過(guò)天線座傳遞給室內(nèi)機(jī)柜。

1.2 載荷計(jì)算

天線座驅(qū)動(dòng)天線方位按恒定的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)設(shè)備外無(wú)天線罩包攏，由于無(wú)加速要求，故天線座需要克服的主要負(fù)載為風(fēng)載荷。

天線風(fēng)載荷的計(jì)算可采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式[4]、仿真分析求解或采用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。文獻(xiàn)[4]給出的經(jīng)驗(yàn)公式適用于規(guī)則截面物體的風(fēng)載荷計(jì)算，由于文中天線的截面形狀不規(guī)則，故采用仿真分析的方式進(jìn)行求解。

基于ANSYS Workbench中的Fluent平臺(tái)，采用滑移界面法進(jìn)行天線的外流場(chǎng)仿真。如圖1所示，模型由天線三維實(shí)體、初始旋轉(zhuǎn)域和初始計(jì)算域組成。以天線主尺寸即天線長(zhǎng)度D與天線高度H為基準(zhǔn)，初始旋轉(zhuǎn)域?yàn)閳A柱體，其直徑為天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)影響區(qū)域的直徑，通常為1.3D～1.5D，高度為2.5H～3H；初始計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，其長(zhǎng)度通常為6D～8D，寬度為3D～4D，高度為5H～6H，靠近風(fēng)速入口部分的長(zhǎng)度通常為2D～ 3D。

圖1 仿真模型組成示意圖

對(duì)初始計(jì)算域與初始旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行布爾減預(yù)算，初始計(jì)算域去除初始旋轉(zhuǎn)域部分（與計(jì)算域重疊的部分），初始旋轉(zhuǎn)域邊界仍保留；對(duì)初始旋轉(zhuǎn)域與天線實(shí)體模型進(jìn)行布爾減預(yù)算，去除天線實(shí)體與旋轉(zhuǎn)域重疊的部分，并刪除天線邊界。最終形成新的計(jì)算域與旋轉(zhuǎn)域。將兩者的界面設(shè)定為交界面，將天線外輪廓設(shè)為壁面，根據(jù)實(shí)際風(fēng)向，將圖1所示計(jì)算域的面設(shè)為風(fēng)速入口，并將其對(duì)立面設(shè)為壓力出口。設(shè)定不同風(fēng)速及天線轉(zhuǎn)速進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，天線與風(fēng)向的夾角不同，所受風(fēng)力矩呈正弦態(tài)勢(shì)變化。設(shè)定不同風(fēng)速，得到的風(fēng)力矩及對(duì)應(yīng)的功率見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)力矩及功率

由于要求天線長(zhǎng)時(shí)間單方向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性無(wú)特殊要求，故選用交流異步電機(jī)（具有過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)功能）作為驅(qū)動(dòng)源。

安裝在室內(nèi)的變頻器提供電機(jī)所需的電源電壓，控制電機(jī)軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)，使電機(jī)在8～10 s內(nèi)達(dá)到所需轉(zhuǎn)速或停止。同時(shí)可通過(guò)變頻器的顯控裝置得到運(yùn)行過(guò)程中的電流等參數(shù)，轉(zhuǎn)換后所得的扭矩可與實(shí)際載荷進(jìn)行對(duì)比。

1.3 器材選型

如果依據(jù)峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型，那么電機(jī)及后續(xù)傳動(dòng)部件的體積、質(zhì)量會(huì)較大。綜合考慮電機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力（一般為3倍額定力矩）及使用工況，選定電機(jī)的額定功率為5.5 kW。根據(jù)末級(jí)轉(zhuǎn)速要求，選定配套成品的減速器速比為16.7。

由于天線在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中要傳遞射頻信號(hào)，故選用的減速器為中空軸輸出，中間穿過(guò)一段波導(dǎo)，其上端與天線陣波導(dǎo)口對(duì)接，下端與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)接。軟波導(dǎo)長(zhǎng)將近1 m，在60 r/min轉(zhuǎn)速下，由于離心力的作用，其中部難免會(huì)發(fā)生較大變形。在軟波導(dǎo)中部粘接2個(gè)半圓形擋塊（材料選用聚四氟乙烯），擋塊外緣與主軸內(nèi)壁存在1 mm的間隙，以抵抗波導(dǎo)的橫向變形?？紤]到加工和裝配誤差以及波導(dǎo)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電性能的損耗范圍，最終選用法蘭盤為BJ100型的軟波導(dǎo)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定端的法蘭盤與波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器對(duì)接后，同軸電纜將射頻信號(hào)傳遞至室內(nèi)設(shè)備。

1.4 結(jié)構(gòu)布局

天線座結(jié)構(gòu)總體布局如圖2所示。電機(jī)與減速器構(gòu)成了動(dòng)力鏈。減速器由一級(jí)行星齒輪副及一級(jí)錐齒輪副組成，其輸出軸為中空。主軸套在減速器的中空軸內(nèi)。主軸上端承載天線，下端通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)帶有外齒的數(shù)傳軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]到天線座高可靠性要求，采用冗余設(shè)計(jì)[5–6]，即數(shù)傳軸與2對(duì)雙片齒輪同時(shí)嚙合，雙片齒輪分別帶動(dòng)2個(gè)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，互為備份，將角度信息上報(bào)給上位機(jī)。減速器機(jī)殼下方與基座連接，基座可與基建支撐結(jié)構(gòu)對(duì)接。

圖2 結(jié)構(gòu)布局示意圖

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 主軸設(shè)計(jì)

主軸承受的載荷為脈動(dòng)交變載荷，最有可能發(fā)生的失效為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞失效，因而選擇沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb作為主軸材料。收集沿海地區(qū)的風(fēng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)表1中的載荷進(jìn)行歸一化處理，先對(duì)主軸進(jìn)行靜力學(xué)仿真，再結(jié)合樣件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用ANSYS Workbench nCode對(duì)主軸疲勞壽命進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示[7]。

圖3 主軸疲勞壽命仿真結(jié)果

主軸上最低疲勞壽命處出現(xiàn)在軸肩約束處，為1.345 × 107h（循環(huán)），對(duì)照連續(xù)10年（87 600 h）工作要求，疲勞壽命約為要求壽命的150倍，故主軸的疲勞壽命能夠滿足使用要求。

2.2 聯(lián)軸器設(shè)計(jì)

減速器立軸軸系為上下各一圓錐滾子軸承配置，其游隙等級(jí)為普通0級(jí)，由于天線無(wú)法滿足理論上的動(dòng)平衡，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中主軸存在一定的偏擺。相應(yīng)地，主軸帶動(dòng)數(shù)傳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間需要一聯(lián)軸器連接。

根據(jù)減速器軸系特點(diǎn)及主軸、數(shù)傳軸尺寸，選用三段式膜片聯(lián)軸器。聯(lián)軸器需要適應(yīng)主軸偏擺產(chǎn)生的變形、應(yīng)力以及兩軸不同軸的情況。

如圖4所示，膜片聯(lián)軸器由上中下3段軸套、2組膜片及緊固件組成。上軸套與主軸連接，下軸套與數(shù)傳軸連接。通過(guò)膜片的波浪狀變形來(lái)補(bǔ)償主軸與數(shù)傳軸之間的偏差，而膜片聯(lián)軸器的失效在通常情況下均為膜片損壞所致[8]，所以有必要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖4 膜片聯(lián)軸器組成示意圖

通過(guò)ANSYS Workbench進(jìn)行靜力仿真。軸套及膜片材料均選為不銹鋼0Cr18Ni9Ti。由于軸套與膜片的剛度差別較大，且軸套變形較小，故將軸套設(shè)定為剛體，對(duì)膜片采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將相應(yīng)連接面設(shè)為接觸狀態(tài)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，主軸的偏擺角度約為0.04°，位移約為0.3 mm。故將下軸套內(nèi)表面固定，在上軸套內(nèi)表面施加相應(yīng)的角位移及徑向位移，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 膜片聯(lián)軸器應(yīng)力云圖

0Cr18Ni9Ti 的抗拉強(qiáng)度為520 MPa，彎曲變形的疲勞極限約為208 MPa[9]。膜片的最大應(yīng)力為62.8 MPa，低于材料的疲勞極限，可認(rèn)為膜片為無(wú)限壽命，可滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。

2.3 基座設(shè)計(jì)

為便于對(duì)數(shù)傳軸系及編碼器進(jìn)行維護(hù)，基座兩側(cè)及前后均為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。作為整個(gè)天線座的基礎(chǔ)，基座承載了天線、減速器、電機(jī)等負(fù)載，還需抵抗風(fēng)載荷，同時(shí)其疲勞強(qiáng)度也十分關(guān)鍵。

圖6 基座外形圖

基座材料選為0Cr18Ni9Ti，其上方負(fù)載共465 kg。風(fēng)載荷見(jiàn)表1，以最大風(fēng)力對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核?？紤]到風(fēng)載的方向及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，以圖6所示的方位分別對(duì)0°、90°兩個(gè)方向進(jìn)行加載，負(fù)載平面為減速器的安裝面，風(fēng)載荷作用點(diǎn)為天線高度方向的中點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 基座強(qiáng)度仿真結(jié)果

0°方向的最大應(yīng)力為75.6 MPa，低于材料的彎曲疲勞極限，故可判斷基座的疲勞強(qiáng)度足夠，可滿足10年使用要求。

3 潤(rùn)滑、密封與維護(hù)

3.1 潤(rùn)滑

場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此必須對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑。減速器箱體內(nèi)采用油潤(rùn)滑，減速器內(nèi)齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可攪動(dòng)潤(rùn)滑油，起到飛濺潤(rùn)滑的作用。相較于脂潤(rùn)滑，油潤(rùn)滑的散熱效果更好。數(shù)傳軸與雙片齒輪采用脂潤(rùn)滑。數(shù)傳軸齒輪與一個(gè)多孔聚氨酯材料的齒輪嚙合，可以使?jié)櫥Ч志谩?/p>

3.2 密封

減速器的輸出軸為立軸軸系支撐，下方軸承下端原為單油封密封形式。在約5 000 h的運(yùn)行試驗(yàn)中，樣機(jī)的輸出軸出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象。隨后采用雙油封密封形式，即采用2個(gè)油封，并在兩者之間注滿黃油。這樣，當(dāng)?shù)?個(gè)油封滲油時(shí)，由于黃油在下方形成了密封環(huán)形空間，潤(rùn)滑油就不會(huì)再泄露了。下方油封起到防止灰塵及固定黃油的作用[10]，如圖8所示。改進(jìn)后，樣機(jī)又經(jīng)過(guò)約10 000 h的運(yùn)行試驗(yàn)，未再出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。

圖8 雙油封結(jié)構(gòu)（單邊）示意圖

3.3 維護(hù)

在減速器工作約10 000 h后，需更換潤(rùn)滑油。減速器下方設(shè)有放油管路及放油閥。為便于加注潤(rùn)滑油，除了減速器頂面自帶的注油口外，通過(guò)改裝減速器箱體的側(cè)蓋板，增設(shè)了一處注油孔。同時(shí)，側(cè)蓋板上還增加了油位、油溫傳感器以及油位觀察窗，用于監(jiān)控潤(rùn)滑油的狀態(tài)。

與減速器更換油脂周期同步，在減速器工作10 000 h后，需在數(shù)傳軸及雙片齒輪處涂抹適量潤(rùn)滑脂，以補(bǔ)充其消耗。

天線座周圍由6塊罩體包裹，在進(jìn)行以上維護(hù)操作過(guò)程中，需將罩體取下。罩體為薄壁折彎件，通過(guò)托板螺母、螺釘?shù)染o固件連接到基座等結(jié)構(gòu)上，易于拆裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行了負(fù)載計(jì)算、器材選型以及整體布局設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度、壽命進(jìn)行了仿真評(píng)估，并充分考慮了設(shè)備的潤(rùn)滑、密封以及后期的維護(hù)，滿足系統(tǒng)提出的各項(xiàng)功能、性能要求。

在已有場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)天線風(fēng)載荷及主軸疲勞壽命評(píng)估進(jìn)行了進(jìn)一步研究。在沒(méi)有足夠條件進(jìn)行風(fēng)洞及疲勞試驗(yàn)的情況下，對(duì)各部分進(jìn)行仿真分析，可在一定程度上減少經(jīng)費(fèi)及縮短研發(fā)周期；采用自制的三段式膜片聯(lián)軸器，解決了主軸與數(shù)傳軸不同軸的問(wèn)題；采用聚四氟乙烯擋塊適應(yīng)軟波導(dǎo)的偏擺；改進(jìn)減速器，加裝傳感器、放油閥等零部件，便于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及后期維護(hù)。整個(gè)天線座組成簡(jiǎn)單，可靠性高，對(duì)場(chǎng)面監(jiān)視及空管二次雷達(dá)等類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

目前，該場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)天線座已隨系統(tǒng)完成了可靠性試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)若干機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了部署。關(guān)于該產(chǎn)品今后的優(yōu)化，結(jié)合當(dāng)下傳動(dòng)類產(chǎn)品健康管理的理念，可在天線座基座或減速器機(jī)殼等部位加裝振動(dòng)傳感器，采集減速器的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析信號(hào)的頻域、時(shí)域特性，來(lái)評(píng)估其可靠性。這對(duì)天線座故障的預(yù)判及診斷是十分有效的。