天線測試轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

毛俊東，王宏杰

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

天線測試轉(zhuǎn)臺是雷達等電子裝備天線性能標定與測試的專用設(shè)備，其性能直接影響天線設(shè)備的技術(shù)性能和實際使用效能。天線測試轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)作為天線測試轉(zhuǎn)臺的控制傳動機構(gòu)，其傳動精度及其一致性、傳動響應(yīng)時間、傳動與天線負載的匹配性，以及傳動系統(tǒng)的可靠性能等直接決定了對不同天線載荷的波束性能、方位與仰角覆蓋性能，以及不同極化和工作方式控制條件下的天線動態(tài)性能的實時精度。

目前，傳統(tǒng)的天線測試轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)一般采用同步帶傳動的機構(gòu)形式。但是，該形式對測試轉(zhuǎn)臺承載能力的限制較大，不利于在保證測試精度前提下拓展被測天線重量和轉(zhuǎn)動載荷等測試范圍。通過采用同步帶輪傳動機構(gòu)更換為蝸桿減速箱傳動機構(gòu)，可在保留原轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)中擺線減速箱和末級齒輪傳動以及電機等的基礎(chǔ)上，有效提高測試轉(zhuǎn)臺的承載能力和保精度、高可靠的天線測試能力。

所述天線測試轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，可不改變現(xiàn)有天線測試轉(zhuǎn)臺的使用要求和內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，僅需進行天線測試轉(zhuǎn)臺的方位傳動系統(tǒng)、俯仰傳動系統(tǒng)、極化傳動系統(tǒng)等的系統(tǒng)分析和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)將同步帶輪傳動更換為蝸桿減速箱傳動，即可完成對天線測試轉(zhuǎn)臺的升級改進。

1 方位傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

1.1 優(yōu)化要求與改進思路

針對多種被測天線載荷的方位傳動系統(tǒng)在實際測試過程中需要頻繁運動，其轉(zhuǎn)動角度相對較大導(dǎo)致傳動系統(tǒng)需要相對較大的轉(zhuǎn)動速度的特點，為保證原有傳動系統(tǒng)的使用要求和安裝尺寸，采用速比為7.5的蝸桿減速箱取代原速比是4的帶輪傳動(如圖1所示）。

由于傳動比的增大會引起傳動系統(tǒng)速度的減小，傳動力矩增大，根據(jù)步進電機的頻－矩特性曲線，通過調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)速，以此來保證傳動系統(tǒng)的速度。

圖1 方位傳動系統(tǒng)的組成

1.2 方位傳動系統(tǒng)改進優(yōu)化計算

綜合方位傳動系統(tǒng)的安裝空間、電機性能參數(shù)和傳動性能要求，選用博能生產(chǎn)的R63 系列蝸桿減速箱。該減速箱的兩個接口端均采用短法蘭形式。蝸桿減速箱的傳動比為7.5，效率為0.78，蝸桿減速箱最大允許輸出轉(zhuǎn)矩為107 Nm。其方位傳動系統(tǒng)的最大負載力矩可達3190 Nm。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)速為600 r/min時，根據(jù)電機的頻-矩特性曲線此時的輸出轉(zhuǎn)矩為10.2 Nm，電機的輸出功率為0.64 kW。

系統(tǒng)改進前后速比、效率、最大負載和速度見表1和表2。表1 是傳動系統(tǒng)改進前后速比的變化由計算公式i0=i1×i2×i3得到改進前后的總速比。由表1可知，改進后總速比增大了87.5%。由系統(tǒng)的負載計算公式M輸入=M輸出×i0×η總效率得到改進后傳動系統(tǒng)的最大輸出負載為32329 Nm。表2 是系統(tǒng)改進前后的最大負載對比，其最大負載能力增大了61.8%。由系統(tǒng)的速度計算公式v=v輸出/i總得到改進后的轉(zhuǎn)臺速度為0.133 r/min。由表2 可知，改進后系統(tǒng)的速度減小了46.8%。

表1 方位傳動系統(tǒng)改進前后各級速比

表2 方位傳動系統(tǒng)改進前后性能參數(shù)

由于方位傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動速度直接影響測試轉(zhuǎn)臺的測試效率，在改進過程中不允許該傳動系統(tǒng)速度下降太多。根據(jù)以上計算，改進后系統(tǒng)的速度降低了46.8%，這對測試效率影響較大。

為了保證測試效率，把步進電機的輸入轉(zhuǎn)速由600 r/min 調(diào)整到800 r/min，此時轉(zhuǎn)臺的輸出轉(zhuǎn)速為0.178 r/min，比改進前減小了25.1%，能夠滿足使用要求。電機轉(zhuǎn)速為800 r/min時，根據(jù)電機的頻-矩特性曲線此時的輸出轉(zhuǎn)矩為8 Nm，電機的輸出功率為0.67 kW，此時傳動系統(tǒng)最大輸出扭矩為25356 Nm，比改進前提高了26.8%，滿足了該傳動系統(tǒng)性能要求。

1.3 方位傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化實現(xiàn)

根據(jù)方位傳動系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特點，改進的重點是蝸桿減速箱與傳動系統(tǒng)中的擺線減速箱(如圖1中件8所示）的聯(lián)接。考慮了原住友減速箱和蝸桿減速箱的結(jié)構(gòu)特點，二者通過過渡法蘭(如圖2中件2所示）實現(xiàn)剛性聯(lián)接。由于空間位置限制，蝸桿減速箱和電機的安裝位置必須精確計算并且通過三維數(shù)字模型檢驗其空間尺寸。改進后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進后的方位傳動系統(tǒng)

2 俯仰傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化要求和改進思路

由于在測試過程中俯仰傳動系統(tǒng)運動不頻繁，而且相對轉(zhuǎn)動幅度較小，對俯仰傳動系統(tǒng)的速度要求不高。但是，該傳動系統(tǒng)在測試過程中運動到特定的測試角度后必須保持其位置，這就要求該傳動系統(tǒng)具有自鎖功能。針對以上特點，采用速比為30 且?guī)ё枣i的蝸桿減速箱取代原速比為4的帶輪傳動(如圖3所示）。

圖3 俯仰傳動系統(tǒng)的組成

改進后的俯仰傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的剛性聯(lián)接，承載能力和自鎖能力得到了大幅提高，同時其速度也能滿足測試要求。

2.2 俯仰傳動系統(tǒng)改進優(yōu)化計算

綜合俯仰傳動系統(tǒng)安裝空間、電機性能參數(shù)和傳動性能要求，選用博能生產(chǎn)的R63 系列蝸桿減速箱。蝸桿減速箱的傳動比為30，效率為0.70，允許最大輸出轉(zhuǎn)矩為127 Nm。該傳動系統(tǒng)采用與方位傳動系統(tǒng)相同的電機，電機的輸出轉(zhuǎn)速為600 r/min。

系統(tǒng)改進前后速比、效率、最大負載和速度見表3和表4。由表3 可知，改進后速比增大了650%;其最大負載為437000 Nm，增大了528%;速度減小了74.2%。

改進后俯仰傳動系統(tǒng)的速度雖然降低了74.2%，但本轉(zhuǎn)臺使用頻率相對較低且轉(zhuǎn)動角度較小，對測試效率影響較小，能夠滿足測試使用要求。

表3 俯仰傳動系統(tǒng)改進前后速比

表4 俯仰傳動系統(tǒng)改進前后性能參數(shù)

2.3 俯仰傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化實現(xiàn)

根據(jù)俯仰傳動系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特點，該傳動系統(tǒng)的改造與方位傳動系統(tǒng)類似。由于空間位置的限制，該系統(tǒng)改造重點是合理布置傳動系統(tǒng)中的蝸桿減速箱和電機，使其不與原轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)發(fā)生干涉。通過三維數(shù)字模型的驗證，最終確定改進后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進后的俯仰傳動系統(tǒng)

3 極化傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化要求與改進思路

極化傳動系統(tǒng)與方位傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和連接安裝方式基本類似。綜合極化傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、測試過程中運動不頻繁、工作中要求轉(zhuǎn)動角度較小、對轉(zhuǎn)動速度要求不高及需要自鎖的特點，該傳動系統(tǒng)的改造采用速比為30 帶自鎖功能的蝸桿減速箱替換速比為4的帶輪傳動。

3.2 極化轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)的計算

該傳動系統(tǒng)使用的步進電機輸出轉(zhuǎn)速為600 r/min。改造前后系統(tǒng)性能變化如表5和表6所示。表5 是傳動系統(tǒng)改進前后速比的變化，速比增大了650%;改進后傳動系統(tǒng)的最大負載為93709 Nm，增大了547%;系統(tǒng)的速度減小了74.2%。

表5 極化傳動系統(tǒng)改進前后各級速比

表6 極化傳動系統(tǒng)改進前后性能參數(shù)

本傳動系統(tǒng)使用頻率相對較低，轉(zhuǎn)動角度較小。速度減小對測試效率影響較小，改造后系統(tǒng)速度能夠滿足測試需求。

4 結(jié)束語

通過對轉(zhuǎn)臺的傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了剛性聯(lián)接，提高了轉(zhuǎn)臺的承載能力，同時也使轉(zhuǎn)臺的安全性和可維護性得到增強。俯仰、極化傳動系統(tǒng)在工作中需要自鎖，經(jīng)過本次改進這兩個傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了剛性聯(lián)接，電機斷電時的自鎖力矩和蝸桿減速機的自鎖力之和為傳動系統(tǒng)的自鎖力，其自鎖性能得到了提高，安全性得到了增加，可有效拓展天線測試轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用性能。

［1］張潤逵，戚仁欣，張樹雄.雷達結(jié)構(gòu)與工藝(上冊）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.4.

［2］申余才，楊錫和.含曲柄連桿機構(gòu)的俯仰傳動裝置［J］.雷達與對抗，2007(1）.

［3］北京有色冶金設(shè)計研究總院編.機械設(shè)計手冊(第3 卷）［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1993.12.