一種新型雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)研究與實(shí)現(xiàn)

孟國(guó)軍，倪仁品，陳建平

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

0引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，對(duì)大尺寸平面陣列天線雷達(dá)[1]的機(jī)動(dòng)性要求越來越高，雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能對(duì)雷達(dá)的快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力有決定性影響。實(shí)現(xiàn)大尺寸平面陣列天線的完全自動(dòng)倒伏使雷達(dá)滿足海陸空運(yùn)輸兼容技術(shù)一直是困擾中國(guó)雷達(dá)研究的難題。經(jīng)過幾年的艱苦研究，成功研制出一種新型的前翻四連桿折疊機(jī)構(gòu)，并應(yīng)用于某雷達(dá)大平板陣列天線的自動(dòng)展開與折疊，使該雷達(dá)滿足海陸空兼容的運(yùn)輸，具有很好的機(jī)動(dòng)性能[2]。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 方案的選擇

為滿足某大尺寸平面陣列天線高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的海陸空兼容運(yùn)輸方式，經(jīng)過充分論證比較，選擇如圖1所示的四連桿折疊機(jī)構(gòu)[3]。此折疊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，用一個(gè)90°的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)180°的天線折疊。

動(dòng)作原理：由圖1可知，整個(gè)折疊機(jī)構(gòu)由4個(gè)構(gòu)件組成。在此把構(gòu)件1定義為原動(dòng)件，構(gòu)件2和3定義為從動(dòng)件，構(gòu)件4定義為機(jī)架。初始位置構(gòu)件1處于水平0°位置，構(gòu)件3與構(gòu)件1部分重疊。當(dāng)原動(dòng)件（構(gòu)件1）繞O點(diǎn)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于構(gòu)件2的作用使構(gòu)件3在跟隨構(gòu)件1繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還圍繞著構(gòu)件2的D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使構(gòu)件3完成自轉(zhuǎn)。當(dāng)構(gòu)件1轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，構(gòu)件3旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)構(gòu)件1與構(gòu)件4部分重疊。

圖1 折疊機(jī)構(gòu)原理圖

基于此，如果把天線陣面分為上下陣面，天線下陣面通過鉸鏈方式與天線基座相連接，而把天線上陣面固定于構(gòu)件3上，則可利用構(gòu)件1的90°旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)天線上陣面的180°折疊。構(gòu)件1的動(dòng)力源為液壓油缸（見圖2）。

圖2 折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析示意圖

1.2 折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析[4]

圖2中除油缸長(zhǎng)度L外，其他構(gòu)件的長(zhǎng)度都是定值。當(dāng)油缸端點(diǎn)從A′運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)，據(jù)圖2中三角形AQO和AA′Q可得：

式中：QA′=1496mm，QO=1246mm，e=400mm；

υ——油缸速度（14.15mm/s）；

t——油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

由式（1）可解出擺桿AOC角度α與油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系為

在圖2中，xoy為右手直角坐標(biāo)系，x軸和y軸分別為實(shí)軸和虛軸。據(jù)四邊形OBDC各矢量的方向可得

式中：a，b，c——確定值。

對(duì)式（4）對(duì)時(shí)間求一階和二價(jià)導(dǎo)數(shù)，可得到構(gòu)件AOC的角速度ωα和角加速度εα為

對(duì)式（3）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)為

消去ωφ求出構(gòu)件BD的角速度ωθ為

對(duì)式（7）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得構(gòu)件BD的角加速度εθ為

1.3 折疊機(jī)構(gòu)受力分析[5]

1.3.1 天線上陣面的力學(xué)分析

對(duì)于折疊機(jī)構(gòu)，天線上陣面是負(fù)載，故取天線上陣面進(jìn)行力學(xué)分析。天線上陣面的受力示意圖如圖3所示。天線上陣面轉(zhuǎn)動(dòng)到任意位置都須保持力的平衡，則有：

式中：γ=φ+λ-270°，λ=arctan（a/（2d））；

α——擺桿AOC相對(duì)天線下陣面的角位移，（°）；

β——天線下陣面的角位移，（°）；

d——天線上陣面質(zhì)心到D點(diǎn)之間的距離，m；

G——天線上陣面的質(zhì)量，kg。

據(jù)式（9）解出

當(dāng) γ≤0時(shí)取“＋”，當(dāng) γ＞0時(shí)取“－”。

1.3.2 連桿受力分析

因連桿BD是二力桿，故連桿BD的受力大小F2如果為正，則受壓力；如果F2為負(fù)，則受拉力。連桿BD兩端鉸接處鉸鏈所受力大小也為F2，方向相反。

1.3.3 擺桿受力分析

對(duì)擺桿AOC，據(jù)圖3和靜力學(xué)平衡條件有：

解出

當(dāng) α≥45°時(shí)取“＋”；當(dāng) α＜45°時(shí)取“－”。

式（12）中F為油缸的力，F(xiàn)OX和FOY是AOC擺桿鉸鏈O處的2個(gè)分力。

折疊機(jī)構(gòu)中構(gòu)件CD與天線上陣面固聯(lián)為一體，BO與天線下陣面固聯(lián)為一體，故不再對(duì)其進(jìn)行受力分析。

圖3 天線上陣面的受力示意圖

因相關(guān)公式都不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系式，故無法直觀地看出力與α、β兩角度之間的變化趨勢(shì)。當(dāng)天線下陣面仰起到位（β=82°）后，折疊機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，且其原動(dòng)件（AOC）是在折疊油缸的推（或拉）力作用下擺動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)其他構(gòu)件動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)天線上陣面動(dòng)作。為此通過讀取連接在液壓系統(tǒng)中折疊油缸輸入端上壓力表所顯示的壓力值大小，計(jì)算出折疊油缸的推（拉）力大小，再根據(jù)式（10）、式（12）可以計(jì)算出擺桿、連桿和鉸鏈O處力的大?。ㄒ姳?）。

表1 折疊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在上陣面不同角度時(shí)受力大小

由表1可以清晰看出，當(dāng)天線上陣面運(yùn)動(dòng)到90°附近時(shí)，擺桿、連桿和鉸鏈O處所受力最大，油缸壓力和油缸力也最大。此時(shí)天線上陣面處于水平狀態(tài)，產(chǎn)生最大重力矩，故對(duì)折疊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件產(chǎn)生最大反作用力。

1.4 液壓系統(tǒng)

天線折疊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示[6]。為保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。伺服電機(jī)可以根據(jù)天線展開或收攏時(shí)需要調(diào)速進(jìn)行有效調(diào)速，保證天線在整個(gè)動(dòng)作過程中無沖擊。在液壓系統(tǒng)中采用了換向閥、流量調(diào)節(jié)閥、溢流閥、同步馬達(dá)、液壓鎖、平衡閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回；流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整油缸運(yùn)動(dòng)速度；液壓鎖用于防止系統(tǒng)長(zhǎng)期不工作時(shí)油缸和管路中液壓油的回流；溢流閥用于控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力；同步馬達(dá)用于保證量驅(qū)動(dòng)液壓缸同步運(yùn)行；平衡閥用于防止當(dāng)系統(tǒng)管路突然失效時(shí)天線上陣面不發(fā)生跌落失效；壓力表用于檢測(cè)管路油壓。

圖4 液壓系統(tǒng)控制原理圖

1.5 同步控制技術(shù)[7]

因特殊性，該折疊機(jī)構(gòu)必須成對(duì)使用，由此帶來了雙機(jī)構(gòu)同步問題。對(duì)于兩折疊油缸同步，它實(shí)際就是兩油缸活塞桿伸出或收回速度的同步，也就是兩油缸的進(jìn)出液壓油容積相等問題，為此在油路控制系統(tǒng)中加入了高精度容積式的液壓同步馬達(dá)。利用同步馬達(dá)來分別同時(shí)控制對(duì)應(yīng)的2個(gè)油缸，同步精度能達(dá)到1%，完全滿足要求，且同時(shí)同步馬達(dá)有很好的負(fù)載不平衡性。

1.6 伺服控制系統(tǒng)

折疊機(jī)構(gòu)的控制框圖見圖5[8]。系統(tǒng)采用PLC控制器[9]作為控制中心。PLC含有I/Q開關(guān)量模塊、AI/AQ模擬量模塊。接近開關(guān)用于檢測(cè)天線陣面是否到位，當(dāng)天線陣面某一狀態(tài)到位時(shí)，相應(yīng)的接近開關(guān)被點(diǎn)亮。同時(shí)此信號(hào)被傳送到PLC控制中心，在經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)對(duì)相應(yīng)的的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)斷處理并鎖定。RS485串口是與上位機(jī)相連接的通信數(shù)據(jù)線，不僅用來接收上位機(jī)發(fā)來的相關(guān)指令，還把本控制系統(tǒng)的PLC所采集到的設(shè)備狀態(tài)反饋給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 安全性、可靠性設(shè)計(jì)

折疊機(jī)構(gòu)的安全性和可靠性集中表現(xiàn)在展開或折疊過程中[10]，為此采取了如下措施：

（1）采用雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損壞，另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以把天線停在任意位置，并且允許把損壞的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全拆除。

（2）設(shè)置液壓鎖保護(hù)。在油缸的2個(gè)油口全都裝了防爆閥，當(dāng)油管突然破裂失效時(shí)，天線都會(huì)鎖定在相應(yīng)的位置，不會(huì)產(chǎn)生跌落現(xiàn)象。

（3）設(shè)置溢流閥保護(hù)。液壓系統(tǒng)壓力超過額定值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止，不會(huì)損壞天線。

圖5 天線折疊機(jī)構(gòu)控制框圖

圖6 折疊機(jī)構(gòu)收攏狀態(tài)

圖7 折疊機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)

（4）采用疊加閥?？刂崎y集成設(shè)計(jì)，減少連接管路，減少管路連接故障。

（5）軟件互鎖。在控制軟件中設(shè)置互鎖，保證只有在上一步正常的狀態(tài)下才可以進(jìn)行相關(guān)的下一步操作，從而可以防止誤操作，以保護(hù)天線安全。

圖6和圖7分別為折疊機(jī)構(gòu)收攏和展開狀態(tài)實(shí)物照。

3 結(jié)束語(yǔ)

該自動(dòng)折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式是一種全新的折疊結(jié)構(gòu)形式，能通過折疊機(jī)構(gòu)自身90°轉(zhuǎn)動(dòng)把天線上陣面向前折疊180°，使天線上下陣面成層疊狀，最大限度地降低了天線運(yùn)輸高度。此折疊機(jī)構(gòu)解決了雷達(dá)裝備高機(jī)動(dòng)性最關(guān)鍵技術(shù)，為大尺寸平面陣列天線雷達(dá)的高機(jī)動(dòng)性提供了良好的技術(shù)支持，使大尺寸平面陣列天線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)目標(biāo)成為可能。該折疊機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于某大尺寸平面陣列天線高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中，并經(jīng)受住了長(zhǎng)期各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。

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