匯流環(huán)主軸剛度對測角系統(tǒng)精度的影響

陳 濤，施志勇

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

匯流環(huán)主軸剛度對測角系統(tǒng)精度的影響

陳 濤，施志勇

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對某雷達(dá)測角系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)軸角精度超差的現(xiàn)象，分析確定原因在于匯流環(huán)主軸轉(zhuǎn)動擾動。應(yīng)用MSC Nastran有限元軟件建模，通過仿真分析研究了匯流環(huán)主軸模型在不同材料、不同形狀時(shí)的扭曲變形，確定了匯流環(huán)主軸剛度不足造成軸角編碼器測角精度細(xì)微偏差。對類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

匯流環(huán)；主軸；剛度；有限元分析；測角精度

引 言

雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的測角系統(tǒng)，需要在實(shí)現(xiàn)跟蹤的同時(shí)，完成測角的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)天線實(shí)時(shí)軸角數(shù)據(jù)的高精度輸出，在伺服系統(tǒng)中具有重要作用。測角系統(tǒng)的好壞，精度的高低，直接影響著伺服系統(tǒng)各種功能、各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。

匯流環(huán)是雷達(dá)固定部分與轉(zhuǎn)動部分的電連接裝置，用于大功率電源信號、中頻信號和控制信號的傳輸。

在精密跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中，常采用多極旋變與匯流環(huán)組合安裝的形式。本文針對某雷達(dá)在測角系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)精度偏差的問題進(jìn)行了有限元分析[2]，并對匯流環(huán)主軸在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。

1 精度偏差現(xiàn)象描述及分析

某雷達(dá)整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)，測角系統(tǒng)調(diào)試過程中存在4′左右的測量精度誤差，無法滿足雷達(dá)使用要求。

影響軸角測量精度誤差的因素主要包括：旋轉(zhuǎn)變壓器測量精度；旋轉(zhuǎn)變壓器的軸與機(jī)械安裝軸的同軸度要求；聯(lián)軸器的加工安裝精度，軸系的精度和剛度；解算器件的解算精度和動態(tài)解算時(shí)的動態(tài)誤差大小[3]。

該多極旋變與整機(jī)脫離，單獨(dú)測試時(shí)，測量精度符合要求，由此可排除多極旋變以及解算器的因素。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器的加工安裝精度或軸系的精度或剛度的不足影響了測角系統(tǒng)的測量精度。

常規(guī)精密測量雷達(dá)的旋變系統(tǒng)常安裝在匯流環(huán)上方，旋變的轉(zhuǎn)動通常直接由天線座主軸帶動，再通過聯(lián)軸節(jié)帶動匯流環(huán)旋轉(zhuǎn)，見圖1。

圖1 旋變及匯流環(huán)安裝結(jié)構(gòu)圖

此安裝方式中旋變的轉(zhuǎn)動與匯流環(huán)無直接聯(lián)系，因此測量精度的誤差與匯流環(huán)軸系無關(guān)。

該雷達(dá)天線座中多極旋變與匯流環(huán)的裝配圖見圖2。

圖2 匯流環(huán)與多極旋變裝配圖

多極旋變需由匯流環(huán)帶動旋轉(zhuǎn)，匯流環(huán)由控制匯流環(huán)和中頻功率匯流環(huán)套裝組成?？刂茀R流環(huán)的主軸即為匯流環(huán)主軸，轉(zhuǎn)動力矩通過控制匯流環(huán)的主軸傳遞，再通過彈性聯(lián)軸節(jié)與多極旋變的主軸相連。匯流環(huán)軸系的精度或剛度的不足就成為影響測角系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵因素。匯流環(huán)主軸要保證足夠的剛度，防止自身的扭曲變形，才能保證測角系統(tǒng)精度的穩(wěn)定和可靠。

控制匯流環(huán)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 控制匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

為了方便控制匯流環(huán)出線，在軸的左端開了4個(gè)長65 mm的出線孔，在此部位只留有4根支撐筋，因此整個(gè)軸上此部位剛度最差。

根據(jù)實(shí)測，匯流環(huán)自身轉(zhuǎn)動力矩為7 N·m，軸角編碼器轉(zhuǎn)動力矩不大于2 N·m。在安裝到天線座上之后，考慮到匯流環(huán)與旋變之間可能存在轉(zhuǎn)軸不同心現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動一周過程中個(gè)別角度的轉(zhuǎn)動力矩可能會有所增大，因此匯流環(huán)帶動旋變轉(zhuǎn)動的最大轉(zhuǎn)動力矩約為10 N·m。本文通過有限元數(shù)值模擬的方法，對該主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。

2 仿真計(jì)算

匯流環(huán)主軸為鋁質(zhì)材料，外形尺寸：外徑63 mm；內(nèi)徑45 mm；長804 mm。

采用Pro/E對匯流環(huán)主軸進(jìn)行建模，分析時(shí)采用MSC Nastran通用有限元軟件，有限元模型采用實(shí)體單元建模，共產(chǎn)生36 142個(gè)節(jié)點(diǎn)和124 631個(gè)單元。

模型材料參數(shù)為：彈性模量E=0.7×105MPa；泊松比μ=0.3；質(zhì)量密度ρ=2.7×103kg/m3。

邊界條件定義：主軸一端采用固定端約束；另一端施加一10 N·m力矩，通過一個(gè)剛性單元均勻分布在主軸端面上。有限元模型如圖4所示。

圖4 匯流環(huán)主軸有限元模型

有限元仿真結(jié)果表明，匯流環(huán)主軸在10 N·m扭矩的作用下，扭轉(zhuǎn)剛度較弱的左端相對于右端的扭轉(zhuǎn)變形位移為4.47×10-2mm。匯流環(huán)主軸左端直徑為69 mm。相對轉(zhuǎn)角：

主軸變形云圖如圖5所示。

圖5 匯流環(huán)主軸變形云圖

匯流環(huán)主軸應(yīng)力和變形主要集中在主軸左端剛度最弱處。主軸4.45′的轉(zhuǎn)角變形與軸角編碼器4′的測量誤差基本一致，因此正是由于此處控制匯流環(huán)主軸的扭轉(zhuǎn)剛度較低，從而造成轉(zhuǎn)動過程中的擾動現(xiàn)象，影響了測角系統(tǒng)的測量精度。

3 改進(jìn)措施

鋁質(zhì)材料的扭轉(zhuǎn)剛度較低，為加強(qiáng)控制匯流環(huán)主軸的扭轉(zhuǎn)剛度，在主軸中套一加固軸。加固軸外形見圖6，外徑44 mm，內(nèi)徑26 mm，材料為45號圓鋼。

圖6 加固軸外形圖

匯流環(huán)加裝加固軸后的結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 匯流環(huán)加裝加固軸后的結(jié)構(gòu)圖

對改進(jìn)后的主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。同樣采用Pro/E建模，采用MSC Nastran分析，有限元模型如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后主軸有限元模型

模型材料參數(shù)為：彈性模量E=2.06×105MPa；泊松比μ=0.3；質(zhì)量密度ρ=7.8×103kg/m3。

有限元仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后主軸在10 N·m扭矩的作用下，扭轉(zhuǎn)變形為8.15×10-3mm。相對轉(zhuǎn)角：

主軸變形云圖如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后主軸變形云圖

加裝加固軸之后控制匯流環(huán)主軸的剛度得到增強(qiáng)，其抗扭轉(zhuǎn)變形能力明顯提高。

改進(jìn)后雷達(dá)測角系統(tǒng)的測量精度誤差由原來的4′降到了0.7′，滿足雷達(dá)伺服系統(tǒng)使用要求。

4 結(jié)束語

該雷達(dá)匯流環(huán)主軸經(jīng)過安裝加固軸的改進(jìn)措施后，有效解決了測角系統(tǒng)的測量精度偏差問題。后期產(chǎn)品中將原主軸材料改成45號圓鋼，外形設(shè)計(jì)時(shí)改變匯流環(huán)走線方式，主軸上不開設(shè)窗口，匯流環(huán)主軸自身剛度得到加強(qiáng)。

雷達(dá)系統(tǒng)中，天線座主軸的剛度可設(shè)計(jì)得較強(qiáng)，匯流環(huán)主軸受其自身結(jié)構(gòu)限制，剛度性能要較天線座主軸差。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)中匯流環(huán)與旋變兩個(gè)分系統(tǒng)同時(shí)存在時(shí)，要盡可能將旋變安裝在匯流環(huán)上端，旋變的轉(zhuǎn)動直接由天線座主軸帶動，避免與匯流環(huán)之間存在連帶轉(zhuǎn)動關(guān)系。若受天線座結(jié)構(gòu)限制，旋變系統(tǒng)只能安裝在匯流環(huán)下方，旋變的轉(zhuǎn)動由匯流環(huán)帶動，則匯流環(huán)主軸必須具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。要盡量避免在主軸上開設(shè)窗口，主軸材料盡可能選用剛度、強(qiáng)度高的材料。

[1] 李素梅. 雷達(dá)天線軸角編碼器實(shí)現(xiàn)的一種新方法[J]. 無線電通信技術(shù), 1999, 25(4): 24-25.

[2] 魏忠良, 陳玉振, 岳振興. 傳動齒輪疲勞壽命的仿真分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2010, 26(6): 56-58, 61.

[3] 高建華. 軸角編碼器誤差分析及控制[J]. 零八一科技, 2001(2): 46-49.

陳 濤(1977-)，男，工程師，主要從事匯流環(huán)設(shè)計(jì)工作。

施志勇(1978-)，男，高級工程師，主要從事天線座設(shè)計(jì)工作。

Effect of the Rigidity of Collector Ring Spindle on the Accuracy of Angle Measurement System

CHEN Tao，SHI Zhi-yong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The angle measurement accuracy deviation has occurred in the adjustment of a radar angle measurement system. It is confirmed that this deviation is resulted from the disturbance of the turning collector ring spindle. The problem is modeled using the finite element analysis software MSC Nastran. Model twist and de-formation of the collector ring spindle with different materials and different shapes are studied. Simulation analysis result confirms that the reason of the slight angle measurement accuracy deviation of the axial angle coder is that the collector ring spindle is not rigid enough. Results of this paper have guidance value for similar design.

collector ring; spindle; rigidity; finite element analysis; angle measurement accuracy

2013-04-18

TH114；TH115；TN820.3

A

1008-5300(2013)04-0028-03