彈簧平衡裝置在天饋伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃瓊瓊

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林541001）

彈簧平衡裝置在天饋伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃瓊瓊

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林541001）

天饋伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)導(dǎo)航和電子對(duì)抗等領(lǐng)域，能在環(huán)境條件極為惡劣的野外工作，由于其工作的特點(diǎn)，對(duì)負(fù)載的平衡也提出了越來越高的要求，文章以海用搖擺臺(tái)為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應(yīng)用，為天饋伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)理念。

彈簧平衡裝置；天饋系統(tǒng)；負(fù)載配重

1 引言

天饋伺服系統(tǒng)在輻射和接收電磁波的無線電設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛，主要用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、天文、氣象、航海、航空和國防等相關(guān)領(lǐng)域。隨著近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是車載、艦載和機(jī)載雷達(dá)裝備的需要，對(duì)雷達(dá)天饋伺服系統(tǒng)提出了越來越高的要求。它不僅要滿足電性能指標(biāo)的要求，而且還要滿足機(jī)械性能指標(biāo)的要求，同時(shí)對(duì)天饋伺服系統(tǒng)的體積和重量也提出了越來越高的要求。目前國內(nèi)的各種伺服平臺(tái)均采用配重塊對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡，但這種平衡方式存在平衡范圍窄、調(diào)整困難以及造成伺服平臺(tái)重量增大等缺點(diǎn)，同時(shí)由于增加了轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量，因此造成負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及整個(gè)天饋伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和重量也隨著急劇增大。例如對(duì)于驅(qū)動(dòng) 120kg負(fù)載的天饋伺服系統(tǒng)，其總重量大約在2000～3000kg不等，而隨著負(fù)載的不斷增加，配重塊的安裝越發(fā)困難，由于負(fù)載的重心通常距轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)，為達(dá)到平衡，配重塊的重量通常為負(fù)載重量的2～4倍。鑒于此，有必要采用一種新的負(fù)載平衡的方式對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡。下面以海用搖擺臺(tái)為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應(yīng)用。

2 搖擺臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式

搖擺臺(tái)是用于艦船上的穩(wěn)定平臺(tái)，搖擺臺(tái)的負(fù)載通常為各種類型的天線，是一種典型的天饋伺服系統(tǒng)。采用彈簧平衡裝置，可為搖擺臺(tái)提供一種為多運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行單自由度搖擺、雙自由度復(fù)合搖擺下的自動(dòng)平衡。同時(shí)采用多級(jí)組合彈簧平衡方式對(duì)大負(fù)載在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的任意角度的重力矩，慣性力矩進(jìn)行平衡，其平衡負(fù)載范圍大，操作簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，體積小，重量輕。由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量比采用配重平衡方式的大大減輕，因此負(fù)載力矩小，極大地減輕了搖擺臺(tái)的整機(jī)重量和體積，具有很高的性價(jià)比。同樣對(duì)于驅(qū)動(dòng)120kg負(fù)載的天饋伺服系統(tǒng)，搖擺臺(tái)的總重量?jī)H有500kg。搖擺臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　搖擺臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3 彈簧平衡原理

用于搖擺臺(tái)的彈簧平衡裝置，它包括一級(jí)彈簧平衡裝置和二級(jí)彈簧平衡裝置，其中一級(jí)彈簧平衡裝置用于平衡內(nèi)環(huán)的負(fù)載，二級(jí)彈簧平衡裝置用于平衡外環(huán)的負(fù)載。一級(jí)和二級(jí)彈簧平衡裝置均采用組合彈簧的形式，平衡范圍大、調(diào)整簡(jiǎn)單、工作可靠，通過調(diào)整彈簧的壓縮量，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意角度下彈簧力矩與重力矩相等，而一級(jí)和二級(jí)彈簧平衡裝置的總重量只有40kg，一級(jí)彈簧平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，二級(jí)彈簧平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　一級(jí)彈簧平衡結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　二級(jí)彈簧平衡結(jié)構(gòu)示意圖

一級(jí)彈簧平衡裝置和二級(jí)彈簧平衡裝置原理相同，均包括連接桿、彈簧筒、可調(diào)節(jié)螺套、萬向球鉸鏈、鎖緊螺套、內(nèi)彈簧和外彈簧。內(nèi)、外彈簧套在連接桿上，連接桿伸出彈簧筒的一端通過可調(diào)節(jié)螺套與萬向球鉸鏈連接，萬向球鉸鏈通過傳動(dòng)軸與曲柄連接；而連接桿的另一端，安裝鎖緊螺套，通過調(diào)整鎖緊螺套，可以調(diào)整內(nèi)、外彈簧的壓縮量，從而可對(duì)不同負(fù)載進(jìn)行任意轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的平衡。

4 彈簧平衡裝置的設(shè)計(jì)

4.1一級(jí)彈簧平衡裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)負(fù)載重量W=125kg，負(fù)載重心距離內(nèi)環(huán)軸心為540mm，內(nèi)環(huán)平衡角度為20°。

根據(jù)結(jié)構(gòu)空間位置，設(shè)OA=160mm，OB=341mm ，選定OB與X軸夾角為36°。一級(jí)彈簧平衡裝置的平衡簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4　一級(jí)彈簧平衡裝置的平衡簡(jiǎn)圖

由圖4可確定彈簧的預(yù)壓縮量：S0= OB-OA = 181mm

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)到25°時(shí)，彈簧的最大壓縮量為 Smax = A1B，根據(jù)余弦定律，

根據(jù)力矩平衡原理，確定彈簧剛度k：

由此可計(jì)算彈簧的最大工作載荷為：Pmax=k·Smax= 258kg。

由于彈簧剛度大，為了減小彈簧平衡裝置的空間尺寸，采用雙層組合彈簧，彈簧剛度為：k = k1+k2。

4.2二級(jí)彈簧平衡裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)負(fù)載重量W=330kg，負(fù)載重心距離外環(huán)軸心為200mm，外環(huán)平衡角度為23°。

根據(jù)結(jié)構(gòu)空間位置，設(shè)OA=150mm，OB=320mm ，選定OB與Z軸夾角為46°。二級(jí)彈簧平衡裝置的平衡簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5　二級(jí)彈簧平衡裝置的平衡簡(jiǎn)圖

由圖5可確定彈簧的預(yù)壓縮量：S0=OB-OA=170mm

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)到23°時(shí)，彈簧的最大壓縮量為 Smax=A1B，根據(jù)余弦定律，

根據(jù)力矩平衡原理，確定彈簧剛度k：

由此可計(jì)算彈簧的最大工作載荷為：Pmax=k·Smax= 264kg。

由于彈簧剛度大，為了減小彈簧平衡裝置的空間尺寸，采用雙層組合彈簧，彈簧剛度為：k=k1+k2。

5 結(jié)語

本文以海用搖擺臺(tái)為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應(yīng)用，說明了彈簧平衡的原理、方法和具體應(yīng)用。采用組合彈簧的形式，可使平衡范圍更大、調(diào)整簡(jiǎn)單、工作可靠，通過調(diào)整彈簧的壓縮量，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意角度下彈簧力矩與重力矩相等。同時(shí)一級(jí)和二級(jí)彈簧平衡裝置的總重量只有 40kg，搖擺臺(tái)的總重量?jī)H有 500kg。而在同等條件下，采用配重塊進(jìn)行平衡的搖擺臺(tái)重量約2000kg，其優(yōu)勢(shì)可見一斑。

目前已將這種理論運(yùn)用于實(shí)際產(chǎn)品中，以其工作性能可靠、調(diào)整快捷而得到了用戶的好評(píng)。通過產(chǎn)品應(yīng)用又進(jìn)一步證實(shí)了理論分析的正確性。理論和實(shí)踐表明，將彈簧平衡裝置用于天饋伺服系統(tǒng)中的負(fù)載平衡，是一種新的設(shè)計(jì)途徑。

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The application of spring balancing device in antenna servo system

Antenna servo system which can work under extremely harsh field conditions is now widely applied in communication、navigation and EW（electronic warfare），etc. There’re increasing demands on load balance because of its work characteristics. This article, taking a sea balance platform for example,elaborates on the specific application of its spring balancing device, providing a new idea in design of antenna servo system.

Spring balancing device;antenna servo system;balance weight

TN95

A

1008-1151(2015)04-0069-02

2015-03-10

黃瓊瓊（1963-），女，重慶人，桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司高級(jí)工程師，主任設(shè)計(jì)師，研究生，從事天氣雷達(dá)、海用雷達(dá)和電子對(duì)抗領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)總師工作。