雷達(dá)架撤調(diào)平機構(gòu)及其應(yīng)用研究綜述

芝世磊，楊潤澤

(軍械工程學(xué)院機械制造教研室，河北石家莊050003)

0 引 言

在國防和民用技術(shù)中，常需要通過一定手段將某些設(shè)備平臺調(diào)整到水平狀態(tài)，以便提高其工作性能，達(dá)到特定的指標(biāo)和要求。

架撤調(diào)平機構(gòu)作為設(shè)備調(diào)平系統(tǒng)的組成部分，近幾年廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)、生活領(lǐng)域，如起重機、光電設(shè)備、壓樁機、大型鉆機、橋梁檢測、地鐵、淺海修井平臺等。在軍工領(lǐng)域，調(diào)平機構(gòu)是雷達(dá)車、測控裝置、機動發(fā)射裝置、坦克火控調(diào)試臺等裝備不可缺少的一部分。

作為防空領(lǐng)域里的“千里眼”，雷達(dá)裝備的工作精度和機動性與調(diào)平機構(gòu)密切相關(guān)。雷達(dá)機動性是指雷達(dá)快速隱蔽或轉(zhuǎn)移陣地的能力，涉及雷達(dá)從一個陣地的工作狀態(tài)，經(jīng)過拆收、越野行軍、進(jìn)入另一個陣地架設(shè)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)等諸多環(huán)節(jié)，是雷達(dá)使用性能的重要指標(biāo)。對雷達(dá)機動性的要求一般包括:雷達(dá)整機的架撤調(diào)平時間、操作人員的數(shù)量、運輸單元的數(shù)目、對各種裝載運輸?shù)囊蠛完嚨氐倪m應(yīng)性等［1］?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭局勢瞬息萬變，提高地面雷達(dá)的機動性是在戰(zhàn)爭中提高自身生存能力的有效措施之一。因此，對雷達(dá)調(diào)平設(shè)備的研究，不但能有效提高雷達(dá)工作效率和質(zhì)量，而且能夠提高雷達(dá)裝備自身在戰(zhàn)爭中的生存能力。

本研究對現(xiàn)有的架撤調(diào)平機構(gòu)進(jìn)行全面回顧和綜合分析。

1 架撤調(diào)平機構(gòu)特性分析

調(diào)平機構(gòu)是整個雷達(dá)車調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行元件，一般都以垂直伸縮的方式支撐著車體的重量并完成其升降工作。

雷達(dá)車調(diào)平系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)車調(diào)平系統(tǒng)組成示意圖

圖1 展示了其支撐調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，座車通過獨立的垂直支撐腿完成架撤和調(diào)平。在工作時，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測裝置反饋的水平信號，驅(qū)動各支腿以一定的方式升降到同一水平線上，從而保證了與支腿接觸的車體處于水平狀態(tài)。

從傳動方式來講，調(diào)平機構(gòu)可分為液壓式和機電式兩種［2］。

1．1 液壓式調(diào)平機構(gòu)

液壓式調(diào)平機構(gòu)是靠密封容器內(nèi)液壓油受靜壓力驅(qū)動來傳送動力的。在液壓系統(tǒng)中，以液壓泵或液壓馬達(dá)為動力源，通過控制閥調(diào)節(jié)具有一定流量和壓力的液壓油，借助于封閉的缸體使壓力能轉(zhuǎn)化為支撐件的機械能，進(jìn)而驅(qū)動支撐腿機構(gòu)升降，實現(xiàn)工作平臺的移動或回轉(zhuǎn)［3］。典型的以液壓缸為支撐機構(gòu)的液壓式調(diào)平系統(tǒng)圖如圖2 所示。

該機構(gòu)在工作時由液壓閥控制液壓缸執(zhí)行支撐動作。根據(jù)控制閥的不同，一般有電磁換向閥和比例伺服閥兩種控制方式，區(qū)別在于前者靠電磁換向閥控制，系統(tǒng)控制電流不隨平臺傾斜程度的變化而變化，調(diào)平過程是不連續(xù)的;而后者靠比例伺服閥控制，控制電流大小與平臺的傾斜變化成正比，調(diào)平連續(xù)、控制精度高、動作響應(yīng)快。2010年，南京電子技術(shù)研究所的郭洪偉等［4］基于負(fù)載敏感技術(shù)的調(diào)平系統(tǒng)就以電磁換向閥控制，而施勤、岳振興［5］基于油壓檢測的雷達(dá)調(diào)平系統(tǒng)使用比例伺服閥控制。

圖2 液壓式自動調(diào)平系統(tǒng)圖

根據(jù)運動形式的不同，液壓缸可分為缸筒固定和活塞桿固定兩種形式，在實際應(yīng)用中根據(jù)情況而定。調(diào)平油缸的特性分析關(guān)乎整個系統(tǒng)的調(diào)平精度。為設(shè)計更穩(wěn)定的調(diào)平系統(tǒng)，常對工作中的油缸進(jìn)行力學(xué)分析并建立數(shù)學(xué)仿真模型，常見的仿真軟件有Matlab、DSH、流體工作站［6］以及AMESim［7］等。如油缸在開始工作時，活塞桿首先伸出使車輪離地，靜平衡時活塞組件主要受到油液的壓力和油液黏性摩擦力，受力情況如圖3 所示，在各力作用下運動學(xué)方程為:

式中:mh—活塞上總質(zhì)量，kg;vh—活塞的運動速度，m/s;Pin，Pout—油缸進(jìn)、出油腔的工作壓力，Pa;S1，S2—活塞上、下端面的有效面積，m2;b—活塞粘性摩擦系數(shù)，N·s·m－1。

圖3 活塞組件受力分析

調(diào)平機構(gòu)如何維持支撐體長時間的平衡與穩(wěn)定是關(guān)鍵，除常有液壓馬達(dá)帶抱閘、增加平衡回路和平衡閥之外，為了有效鎖緊，還可配合機械鎖緊裝置，常用的有套筒式、剎片式、內(nèi)漲式等［8-9］。2013年，郭世軍等［10］設(shè)計的內(nèi)漲式機械鎖緊液壓缸，活塞和缸體之間過盈配合產(chǎn)生鎖緊力，很好地實現(xiàn)了鎖定與解鎖。

液壓式調(diào)平具有以下優(yōu)點:①直接利用車體本身攜帶的發(fā)動機作為動力源，大大減少準(zhǔn)備時間;②運行過程中可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速和無間隙傳動，運動平穩(wěn)［11-12］;③采用油作為傳動介質(zhì)，液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命較長;④便于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和過載保護(hù)。

同時，液壓式也存在缺點:①液壓油本身可壓縮，粘滯系數(shù)隨溫度變化，易泄露，易燃，尤其在戰(zhàn)時雷達(dá)被擊中以后可能會發(fā)生爆炸;②能量損失大、效率低、發(fā)熱大;③液壓元件加工精度高，造價高;④系統(tǒng)故障難找，檢修困難［13］。

1．2 機電式調(diào)平機構(gòu)

機電式調(diào)平以電機為驅(qū)動，附有電氣控制電路及相關(guān)運動部件，一般將電機及傳動機構(gòu)合并稱為“電氣拖動”，電機按控制用途可分為步進(jìn)電機和伺服電機。機構(gòu)調(diào)平系統(tǒng)框圖(以4 腿支撐為例)如圖4所示。

圖4 機電驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

機電式調(diào)平機構(gòu)以圓筒式垂直升降機構(gòu)為主，一般由升降套筒和升降驅(qū)動機構(gòu)組成。升降驅(qū)動機構(gòu)位于升降套筒內(nèi)，承受所支撐平臺的垂直載荷，或升降套筒隨驅(qū)動機構(gòu)作垂直升降運動。在國外，Alenia 公司生產(chǎn)的RAC 雷達(dá)天線升降機構(gòu)與Ericsson 公司生產(chǎn)的Giraffa 雷達(dá)，就運用了圓筒式垂直升降機構(gòu)。該類機構(gòu)執(zhí)行元件主要為螺旋支腿，常見梯形絲杠與滾珠絲杠。以滾珠絲杠為支撐的機電式調(diào)平機構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 機電式調(diào)平機構(gòu)示意圖

絲杠作為傳動執(zhí)行元件，支撐調(diào)平過程穩(wěn)定、可靠。調(diào)平完成后，關(guān)鍵在于保持支撐平臺長時間穩(wěn)定在某一位置，因此要求機構(gòu)具有鎖定功能。對于梯形絲杠來說，其螺紋升角不大于當(dāng)量摩擦角，一般不需要額外的鎖定裝置就可實現(xiàn)良好的自鎖，支撐體可在行程范圍內(nèi)任意停留且無下沉現(xiàn)象，有效避免了調(diào)平系統(tǒng)體積龐大。2014年，李波等［14］設(shè)計的雷達(dá)天線升降調(diào)平機構(gòu)采用梯形螺紋絲杠，很好地利用了其自鎖性。

在具體應(yīng)用中，可通過自鎖原理進(jìn)行驗證。已知自鎖條件:

式中:λ—螺紋升角，ρ—當(dāng)量摩擦角。

已知:

式中:S—螺紋導(dǎo)程，d2—螺紋中經(jīng)，f—材料摩擦因數(shù)，α—螺紋牙形角。

滾珠絲杠的許多性能都優(yōu)于梯形絲杠，2002年，就有西安電子工程研究所的李忠于以滾珠絲杠作為傳動件設(shè)計調(diào)平裝置，充分利用了其傳動效率高、承受動載能力強、耐疲勞等特點［15］，但自鎖性能與傳動效率成反比，因其摩擦角一般小于螺旋角，幾乎沒有自鎖。兩者在調(diào)平機構(gòu)中應(yīng)用性能的區(qū)別如表1 所示。

表1 普通絲杠與滾珠絲杠性能比較

針對滾珠絲杠難以自鎖的問題，目前有3 種方法解決:

(1)動力元件輔助自鎖。使用帶抱閘的電機實現(xiàn)鎖定控制［16］。

(2)增加機械制動裝置。將傳動系統(tǒng)中蝸桿、齒輪、軸承等元件設(shè)計成自鎖［17-18］。

(3)增加超越離合器［19］或電磁離合器［20］。若需要防止雙向逆轉(zhuǎn)，可用兩個單向超越離合器。使用電磁離合器時，增加一個控制齒輪，當(dāng)電磁鐵斷電失效，彈簧壓緊控制齒輪，使其無法運動，同時絲杠被卡死。

螺旋支腿作為調(diào)平機構(gòu)的主要優(yōu)點有:在能自鎖的情況下，不需要另加自鎖裝置;可承載較大載荷，調(diào)平過程穩(wěn)定、可靠、精度高。不足在于調(diào)平時間較長，而且如果時間長了，嚙合機構(gòu)內(nèi)發(fā)生銹蝕，將造成操作困難［21-22］。

概括來說，機電式垂直升降機構(gòu)占據(jù)車輛空間較小，便于總體布局，通用性、可移植性好;升降過程速度平穩(wěn)，相應(yīng)的控制回路也比較簡單。目前在調(diào)平裝置中使用較多。

2 架撤調(diào)平機構(gòu)的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代以前，調(diào)平機構(gòu)主要依賴于簡單機械，如水平儀、手動螺桿等，調(diào)平時通過人眼觀察基準(zhǔn)水泡或手工調(diào)節(jié)，而且需要多人協(xié)作并反復(fù)調(diào)整后才能達(dá)到一定水平要求，耗時長且精度不高，如原蘇聯(lián)的SA-2 防空導(dǎo)彈發(fā)射車和法國響尾蛇主戰(zhàn)車的平臺調(diào)平。該方式調(diào)整時間長、精度低，且平臺抗傾覆能力差，現(xiàn)在基本上已不再使用。

上世紀(jì)80年代以后，借助于液壓技術(shù)的發(fā)展及調(diào)平精度要求提高，調(diào)平機構(gòu)布局從最初的三點發(fā)展到四點、六點或更多［23］，同時出現(xiàn)了液壓油缸、千斤頂?shù)戎谓Y(jié)構(gòu)類型，實現(xiàn)了調(diào)平機構(gòu)在種類和質(zhì)量上的超越。如在上世紀(jì)90年代初，東南大學(xué)翟羽健、倪江生［24］按對稱矩形方式布置支承油缸，實現(xiàn)了四點支承雷達(dá)天線座車的自動電液式調(diào)平。上世紀(jì)90年代末，西安電子科技大學(xué)盛英等［25-26］設(shè)計了以閥控液壓缸支撐的電液式大噸位六點支撐調(diào)平平臺，參照Stewart結(jié)構(gòu)，設(shè)計了空間的六自由度并聯(lián)支撐機構(gòu)。

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著計算機和電氣控制技術(shù)的發(fā)展，伺服電機不斷應(yīng)用到調(diào)平機構(gòu)支撐中，同時表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。近年來，劉春華等設(shè)計的水平位置測控調(diào)平裝置、吳遠(yuǎn)貴等［27］設(shè)計的雷達(dá)自動調(diào)平裝置、李波等設(shè)計的雷達(dá)天線升降調(diào)平機構(gòu)等，都采用機電式調(diào)平機構(gòu)。機電式調(diào)平機構(gòu)精度高、成本低、工作穩(wěn)定性好，適宜在惡劣的環(huán)境下工作，且維護(hù)修理較液壓式容易?？傊?，伺服驅(qū)動下的垂直升降式調(diào)平機構(gòu)具有更廣泛的應(yīng)用潛力，也是目前調(diào)平應(yīng)用中的主流趨勢。

國外對這方面的研究相對早于國內(nèi)。1965年，Steward 博士就研究了6 自由度平臺的調(diào)平問題［28］。在調(diào)平機構(gòu)的種類、機械性能等方面的研究與國內(nèi)基本一致。不同的是，近年國外主要側(cè)重于控制算法的研究，多結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)，PID、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等算法，調(diào)平時間短，精度和穩(wěn)定性也高。但由于技術(shù)保護(hù)，出口到國內(nèi)產(chǎn)品的精度并不理想［29］。

3 結(jié)束語

本研究通過對雷達(dá)常用架撤調(diào)平機構(gòu)的闡述和研究，綜合比較了它們在結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用范圍方面的不同與利弊。筆者認(rèn)為今后調(diào)平機構(gòu)的研究應(yīng)向以下幾個方向發(fā)展:

(1)小型化、輕型化。應(yīng)注重使用新材料和新工藝，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在提高承載能力的同時更加方便靈活的使用。

(2)模塊化、系列化。研究設(shè)計獨立的模塊化調(diào)平機構(gòu)，擴大其應(yīng)用范圍，對推動裝備系統(tǒng)模塊化、縮短研制周期、降低研制費用、提高可靠性和維修性等方面具有重要的促進(jìn)作用。

(3)高精度化、高效化。未來調(diào)平對核心機構(gòu)的要求必然隨著裝備的發(fā)展不斷提高。采用前沿的數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)高精度高性能必是其追求的目標(biāo)。

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