摘 要：【目的】設(shè)計(jì)一套液壓自動(dòng)架撤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能控制運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)、體積和自重大的雷達(dá)天線陣面實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，并具有較高的精度?！痉椒ā渴紫?，針對(duì)系統(tǒng)自重大且運(yùn)行平穩(wěn)的要求，用液壓系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)電式架撤系統(tǒng)。其次，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，選用運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性高的控制器和精度高的俯仰編碼器作為核心硬件。再次，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)多種減速閥的聯(lián)合控制來(lái)消除液壓系統(tǒng)中二級(jí)油缸可能產(chǎn)生的速度突變。最后，對(duì)控制算法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，通過(guò)精確控制液壓閥、電機(jī)和傳感器等關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制?！窘Y(jié)果】通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證，天線陣面的架撤時(shí)間小于5 min、運(yùn)行定位精度小于0.1°，關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求?！窘Y(jié)論】采用液壓舉升系統(tǒng)，并使用二級(jí)雙作用油缸，可保證大負(fù)載長(zhǎng)行程的天線陣面在工作中能穩(wěn)定、可靠、高精度地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：天線架撤；液壓系統(tǒng)；二級(jí)油缸；速度突變

中圖分類號(hào)：TN957.2；TH137.9" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1003-5168（2024）23-0019-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.004

Design of Hydraulic Automatic Erecting and Dismantling

System for a Radar Antenna

YAO Wei" ZHANG Chao" REN Handing" LIU Yuan

（Anhui National Defense Technology Vocational College， Lu'an 237000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to design a set of hydraulic automatic lifting system， which can control the radar antenna array with long motion stroke， large volume and heavy self-weight to achieve stable and reliable operation， and has high precision. [Methods] First of all， aiming at the heavy load and smooth operation requirements， the hydraulic system is selected to replace the traditional electromechanical system. Secondly， in the design of the control system， the controller with fast computing speed and high real-time performance and the pitch encoder with high accuracy are selected as the core hardware. Thirdly， during the movement of a variety of reduction valves to eliminate the speed mutation of the secondary cylinder in the hydraulic system. Finally， the control algorithm is analyzed and designed through the precise control of the hydraulic valve， motor and sensors and other key components to ensure the accurate control of the hydraulic system. [Findings] Through the physical verification， the time of the antenna movement is less than 5min， and the operation positioning accuracy is less than 0.1 degree， and the key indicators can meet the design requirements. [Conclusions] The hydraulic erecting and dismantling system and two-stage double-action cylinder can ensure the stable， reliable and high accuracy operation of the antenna array with large load and long stroke.

Keywords：antenna erecting and dismantling;hydraulic system; two-stage hydro-cylinder; sudden change in speed

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)日趨成熟，雷達(dá)天線的外形結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多。其中，大型化天線是現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。但體積龐大的天線必然帶來(lái)天線重量更大、天線架撤行程更長(zhǎng)等弊端，這就對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)架撤系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高要求。目前，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線架撤的主要方式兩種，即有機(jī)電式和液壓式［1］。與機(jī)電驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)相比，液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、承載能力大、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)［2］，并與PLC等設(shè)備連接簡(jiǎn)單、控制方便［3］，在地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中的應(yīng)用廣泛［4］。本研究針對(duì)某型雷達(dá)的大型天線陣面，設(shè)計(jì)出一套可靠性和自動(dòng)化程度較高的液壓自動(dòng)架撤系統(tǒng)。該系統(tǒng)能控制自重大、運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)的雷達(dá)天線陣面實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，并具有較高的精度。

1 總體方案

車載機(jī)動(dòng)式雷達(dá)的雷達(dá)天線陣面體積和自重比較大，天線架撤的行程比較長(zhǎng)，且系統(tǒng)要求的定位精度也比較高。針對(duì)這些技術(shù)要求，綜合考慮機(jī)動(dòng)式雷達(dá)的整體需求，自動(dòng)架撤系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了能精確控制液壓系統(tǒng)的流量和壓力，泵站電機(jī)選用高精度的伺服電機(jī)。選用運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性高的控制器作為系統(tǒng)的“大腦”，對(duì)傳感器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確處理，并將處理后的邏輯結(jié)果以指令形式發(fā)送出去。選用精度高的絕對(duì)值編碼器，將其裝在天線的轉(zhuǎn)軸處，可實(shí)時(shí)檢測(cè)天線的俯仰角度，并將角度值發(fā)送給控制器處理。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：在上位機(jī)或控制面板上輸入天線架撤指令到控制器，控制器實(shí)時(shí)獲取天線當(dāng)前的狀態(tài)和俯仰角度，通過(guò)控制算法輸出控制指令，并驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)天線運(yùn)行到設(shè)定的角度后停止運(yùn)行，并鎖定當(dāng)前的俯仰角度。

2 液壓系統(tǒng)原理

雷達(dá)天線在工作中要實(shí)現(xiàn)架設(shè)撤收、運(yùn)行減速和任意位置鎖定的功能，可根據(jù)需求來(lái)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)。

2.1 架設(shè)撤收工作原理

操作者在控制面板按下架設(shè)動(dòng)作按鈕后，液壓泵站電機(jī)以設(shè)定好的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁調(diào)速閥得電工作，延時(shí)后電磁換向閥也會(huì)動(dòng)作，陣面以較低速度舉升到一定小角度后電磁調(diào)速閥斷電，陣面高速舉升。當(dāng)陣面舉升至接近預(yù)定角度時(shí)，電磁調(diào)速閥得電，天線陣面以低速接近預(yù)定角度；當(dāng)編碼器反饋已到達(dá)預(yù)定角度時(shí)，所有電磁閥斷電，陣面停止運(yùn)動(dòng)，舉升動(dòng)作完成。

天線陣面撤收動(dòng)作時(shí)，電磁調(diào)速閥工作，延時(shí)后電磁換向閥也動(dòng)作，陣面以較低速度舉升到一定小角度后電磁調(diào)速閥斷電，陣面高速撤收。當(dāng)陣面撤收至接近預(yù)定0°時(shí)，電磁調(diào)速閥動(dòng)作，天線陣面以低速接近預(yù)定角度；當(dāng)編碼器反饋已到達(dá)預(yù)定角度時(shí)，所有電磁閥斷電，陣面停止運(yùn)動(dòng)，撤收動(dòng)作完成。

2.2 運(yùn)行減速工作原理

為了提高系統(tǒng)定位精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性，當(dāng)陣面架撤開(kāi)始或快到預(yù)定位置時(shí)，可通過(guò)泵站電機(jī)調(diào)速和調(diào)速閥動(dòng)作實(shí)現(xiàn)天線陣面減速。系統(tǒng)所用泵站電機(jī)是高精度伺服電機(jī)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器能方便調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制系統(tǒng)流量變化。液壓系統(tǒng)中的調(diào)速閥動(dòng)作后，系統(tǒng)供油量也會(huì)發(fā)生變化，從而使油缸速度變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。調(diào)速閥選用HAWE公司生產(chǎn)的SB08型調(diào)速閥，其控制流量不受負(fù)載影響，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。

2.3 位置鎖定工作原理

當(dāng)天線陣面動(dòng)作時(shí)，會(huì)停止在任意位置進(jìn)行工作或檢修，這就要求液壓系統(tǒng)能在任意位置鎖定。液壓系統(tǒng)中安裝有LHK型平衡閥，除了能使系統(tǒng)的架撤運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)外，還能確保升降機(jī)構(gòu)在停止動(dòng)作時(shí)及時(shí)關(guān)閉油路，將天線陣面“鎖定”在當(dāng)前位置，不會(huì)因重力或其他原因而發(fā)生滑移。此外，液壓系統(tǒng)中還增加了防爆閥，防止架撤過(guò)程中系統(tǒng)因外界壓力突然升高而導(dǎo)致軟管爆裂，造成嚴(yán)重的安全事故。平衡閥和防爆閥的使用為系統(tǒng)上了“雙保險(xiǎn)”，提高系統(tǒng)整體安全性。

3 二級(jí)油缸速度控制原理

由于天線陣面的運(yùn)動(dòng)行程較長(zhǎng)，單級(jí)油缸已無(wú)法滿足系統(tǒng)的架撤要求，所以液壓系統(tǒng)選擇兩只二級(jí)雙作用油缸作為系統(tǒng)架撤的執(zhí)行部件。但二級(jí)油缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因油缸的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度突變，本研究通過(guò)控制突變位置的速度來(lái)消除突變的影響。

天線在架設(shè)過(guò)程中，速度突變點(diǎn)會(huì)發(fā)生在一級(jí)油缸完全伸出，而二級(jí)油缸還未伸出時(shí)，如圖1所示。

假設(shè)油缸與天線的連接點(diǎn)到天線與載車的連接點(diǎn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，一級(jí)油缸完全伸出后油缸的長(zhǎng)度為l1，油缸與座車的連接點(diǎn)到天線與座車的連接點(diǎn)距離為S，則此時(shí)天線陣面與座車的夾角，即角度編碼器的數(shù)值θ可以用余弦定理進(jìn)行求解，見(jiàn)式（1）。

[cosθ=L2+S2-l122LS]" " " " " " （1）

θ的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

[θ=arccosL2+S2-l122LS]" " " " " （2）

以上式中：長(zhǎng)度L和距離S都是由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝確定的，長(zhǎng)度l1由油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)確定。

確定突變發(fā)生的角度后，在控制過(guò)程中，就能在編碼器反饋的角度接近θ時(shí)，改變天線架撤運(yùn)行的速度，并根據(jù)一、二級(jí)油缸的缸徑比例來(lái)確定速度的變化幅度，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。

4 液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

4.1 油缸設(shè)計(jì)計(jì)算

天線陣面的實(shí)際參數(shù)如下，液壓系統(tǒng)的總負(fù)載設(shè)定為2.5 t，一級(jí)油缸的缸徑為100 mm、桿徑為80 mm、行程為405 mm、活塞腔容積為3.18 L、桿腔容積為1.14 L，二級(jí)缸的缸徑為63 mm、桿徑為45 mm、行程為399 mm、活塞腔容積為1.24 L、桿腔容積為0.6 L。

油缸推力計(jì)算公式［5］見(jiàn)式（3）。

[Ft=P×[3.14×（d1/2）2]/10]" " " " " （3）

式中：Ft為油缸最大推力，kg；P為系統(tǒng)的工作壓力，設(shè)計(jì)時(shí)選取8 MPa；d1為油缸缸徑，mm。

將數(shù)值代入式（3）得一級(jí)油缸推力[Ft1=8 ][×3.14×100/22/10=6 208 kg]。

二級(jí)油缸推力[Ft2=8×3.14×63/22/10=]

[2 492 kg]。

油缸拉力計(jì)算公式見(jiàn)式（4）。

[Fl=P×3.14×d1/22-d2/22/10]" " （4）

式中：Fl為油缸最大推力，kg；P為系統(tǒng)工作壓力，設(shè)計(jì)時(shí)選取8 MPa；d1為油缸缸徑，mm；d2為油缸桿徑，mm。

將數(shù)值代入式（6），得一級(jí)缸拉力，[Fl1=8×]

[3.14×100/22-80/22/10=2 261 kg] 。

二級(jí)缸拉力為[Fl2=8×3.14×63/22-45/]

[22/10=1 221 kg] 。

綜上所述，油缸工作壓力為8 MPa時(shí)產(chǎn)生的推力和拉力均大于系統(tǒng)要求，且工作壓力為8 MPa（低于系統(tǒng)最大壓力12 MPa），滿足使用要求。

系統(tǒng)要求天線架設(shè)運(yùn)行時(shí)間小于5 min，根據(jù)油缸參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)所需最大流量。流量計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。

[Q=L/T]" "（5）

式中：Q為系統(tǒng)所需流量，L/min；L為活塞腔總?cè)莘e，L；T為系統(tǒng)所要求的天線架設(shè)運(yùn)行時(shí)間，min。

根據(jù)油缸參數(shù)表格數(shù)值得到活塞腔總?cè)莘eL = 4.42×2 = 8.84 L。

數(shù)值代入公式（5），計(jì)算得到Q = 8.84/5 = 1.77 L/min。

根據(jù)系統(tǒng)要求及油缸參數(shù)，計(jì)算得出系統(tǒng)所需最大流量為1.77 L/min。

4.2 電機(jī)功率計(jì)算及油泵選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算驅(qū)動(dòng)油泵電機(jī)功率，驅(qū)動(dòng)油泵電機(jī)功率計(jì)算公式見(jiàn)式（6）。

[N=qQ60×η] （6）

式中：N為系統(tǒng)功率，kW；Q為系統(tǒng)最大流量，L/min；q為額定工作壓力，MPa；η為系統(tǒng)總效率，取0.85。

計(jì)算得到系統(tǒng)最大流量為1.77 L/min，而系統(tǒng)最高壓力設(shè)定為12 MPa，將數(shù)值代入公式（6），計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)油泵電機(jī)功率N= （1.77×12）/（60×0.85） = 0.41 kW。

考慮系統(tǒng)功率冗余及泄漏，選用的電機(jī)功率為0.75 kW、同步轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，油泵選用派克齒輪泵，其排量1.3 mL、流量1.82 L/min、最高壓力16 MPa，大于系統(tǒng)所需流量，壓力滿足使用要求。

4.3 管道設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)已知壓力、流量計(jì)算系統(tǒng)管路直徑，其計(jì)算公式見(jiàn)式（7）。

[q=Q×4.22D2]" "（7）

式中：q為管道流速，取5 m/s；Q為系統(tǒng)最大流量，計(jì)算為1.77 L/min；D為管子內(nèi)徑，mm。

將已知數(shù)值代入公式（7），計(jì)算得到系統(tǒng)的管路直徑D = 2.74 mm。

管道壁厚計(jì)算公式見(jiàn)式（8）。

[c=4×p×D2×f]" " " " " " "（8）

式中：c為管道壁厚，mm；p為系統(tǒng)壓力，MPa；D為管子外徑，根據(jù)上述計(jì)算選取8 mm；f為鋼管抗拉強(qiáng)度，選取510 MPa。

代入數(shù)值計(jì)算式（8）可得：c=（4×16×8）/（2×510） = 0.5 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及無(wú)縫鋼管規(guī)格尺寸、通用性，系統(tǒng)油路選用外徑為8 mm、壁厚1 mm的不銹鋼無(wú)縫管。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)負(fù)載大、運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)、控制精度高的天線陣面舉升控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一套基于二級(jí)雙作用液壓油缸的液壓自動(dòng)架撤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效克服傳統(tǒng)機(jī)電式舉升控制系統(tǒng)負(fù)載小、運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的缺點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。本研究設(shè)計(jì)的液壓自動(dòng)架撤系統(tǒng)在某型雷達(dá)天線上進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

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