高架雷達結構安全性分析與驗證*

賀 鵬，洪林峰

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

高架雷達結構安全性分析與驗證*

賀 鵬，洪林峰

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

高架雷達因天線舉升到較高位置而會面臨一些安全性問題，文中分析了高架雷達在結構設計中存在的主要風險因素，從結構設計的角度論述了高架雷達的安全性設計內容與思路。以某典型高架雷達為例，主要論述了該雷達的抗風安全性、動平衡及架設安全性設計。雷達設計階段充分應用了各種先進手段，如整機三維設計及機構分析、升降機構動力學分析等，同時開展了大量安全性試驗驗證，后續(xù)的實際使用表明結構安全性設計取得成功。

結構安全性；抗風；動平衡；架設安全性

引 言

為了提高雷達的陣地適應能力和低空性能，雷達天線往往需要舉升到較高的高度以提高其作用距離和范圍。高架雷達工作時天線處于一個居高臨下的位置，因此來自環(huán)境負載的影響較為顯著，包括風載荷、冰雪、雷電等，其中作用在天線上的風載荷因高度的增加明顯增大，因此抗風設計是高架雷達結構安全性設計的首要任務。此外高架雷達架設過程中往往動作較多，其機構設計較復雜，這些增加了人員和設備出現(xiàn)安全風險的概率。以下以某典型高架雷達為例，闡述高架雷達結構安全性設計的思路和注意事項。

1 高架雷達的抗風安全性設計

某高架雷達工作狀態(tài)下天線舉高17 m，主要由天線陣面、天線座、舉升機構、機動平臺及電子設備艙等組成，其抗風能力指標要求為：

1)風速≤20 m/s，正常工作；

2)20 m/s<風速≤25 m/s，降高度工作；

3)25 m/s<風速≤35 m/s，雷達停機，倒天線，不破壞。

雷達在架高狀態(tài)下，天線受風載荷的影響最為顯著，計算風載荷的大小是抗風安全性設計的前提。根據天線結構設計理論，風載荷大小與天線形狀、天線特征面積A及風速V有關，并按下式進行計算：

(1)

式中：C為風力系數(shù)，與天線形狀、透空度等相關，與雷諾數(shù)Re有關，通常制作模型進行風洞試驗，測得風力后可求出風力系數(shù)。

1.1 主要構件的理論計算分析

確定風載荷大小后需要對雷達的主要結構件進行剛強度設計計算，上述雷達的主要承力構件包括天線骨架、天線座、舉升機構、承載平臺及抗傾覆腿等，且從上至下構成一條完整的傳力路徑。為了較好地模擬雷達的實際工況，針對主要構件建立整機有限元模型，如圖1所示。頂部天線重量通過集中質量單元加在升降機構頂部，天線風壓產生的風載荷平均加在天線質量單元上，升降機構上的風壓直接加在每節(jié)升降桿上。

圖1 整機有限元模型

計算結果表明，在25 m/s風速條件下(考慮陣風因子及高度修正系數(shù))，最大應力為283 MPa，出現(xiàn)在升降機構與銷軸連接處，如圖2所示。為了降低此處應力水平，銷軸安裝處增加外圍框和筋板，銷軸同時與外圍框和升降機構主體結構連接，這樣可有效分散升降機構的應力。此外為了滿足強度要求，升降機構主要受力部分采用高強度鋼，可以滿足安全系數(shù)不小于2的要求。最大位移為86 mm，滿足總體不大于120 mm的偏擺量要求。

圖2 系統(tǒng)應力云圖

1.2 力學試驗及驗證

為了最大程度地模擬雷達的實際受力情況，試驗時天線車系統(tǒng)整體參與現(xiàn)場實物測試。試驗需要解決風載荷的作用問題，本試驗采用模擬風載荷的形式，將各部位風載荷平移至天線上并使其對地的風力矩大小不變，疊加的風力之和等效為所有風載荷的作用，將該力施加到天線的安全部位模擬實際風載荷。試驗采用常見的應力應變電測法，將應變片貼在主要受力結構件及需要關注的部位。模擬風載荷加載示意圖如圖3所示，通過施加不同重量的重物模擬不同風速大小對應的風載荷。

圖3 模擬風載荷加載方式

試驗結果表明，施加25 m/s風載荷(考慮陣風因子及高度修正系數(shù))，整機最大應力為126 MPa，位于銷軸所在的外圍框區(qū)域。測量值與理論計算結果有較大差異，原因是實際設計中采取了上述分散應力的措施，同時分析軟件讀取的是應力集中點的最大值，導致了計算與試驗的誤差；此外建模時未考慮升降機構各節(jié)的間隙，忽略了內部的一些加強筋等細部結構，也導致了計算偏差的產生。應力實測結果小于許用應力值300 MPa，滿足安全使用要求。

1.3 抗傾覆安全設計

風載荷對雷達的作用形成了對雷達有傾覆作用的風力矩Mq，而雷達的自重提供了穩(wěn)定力矩Mg，雷達的抗傾覆安全性取決于抗傾覆安全系數(shù)n：

式中：Fi為各作用點處的風載荷；hi為風載荷作用點到地距離；G為雷達自重；R為抗傾覆半徑。

由上式可知，增加穩(wěn)定力矩，減小傾覆力矩有利于提高抗傾覆安全性，本雷達主要采取以下措施：

1)通過減小天線陣面風載荷來降低傾覆力矩Mq。天線陣面位于最高處，此處風力距作用最為明顯，為了減小風載荷，天線陣面采用鏤空設計，有效降低風阻系數(shù)。

2)通過增大抗傾覆半徑來提高穩(wěn)定力矩Mg。雷達采用大跨距的抗傾覆腿(見3.1節(jié))，同時總體布局時控制整車重心位置到抗傾覆腿的距離在合適范圍內。

2 高架雷達動平衡設計

天線在高架的同時高速旋轉，這樣的工作條件對高架雷達的動平衡設計提出了更高的要求。在調平狀態(tài)下，動平衡問題通常表現(xiàn)為天線系統(tǒng)偏心導致的動態(tài)晃動，動平衡設計的目的是盡量減小動態(tài)晃動，使系統(tǒng)安全平穩(wěn)工作。上述高架雷達應用數(shù)字化仿真設計控制天線系統(tǒng)的重心和重量，通過試驗測試天線動態(tài)晃動量并指導設計改進，最大程度減小動態(tài)晃動量，達到動平衡設計的目的。

2.1 天線系統(tǒng)重量及重心控制

天線系統(tǒng)重量的控制是高架雷達的主要設計任務之一，對于動平衡設計也有重要意義。較輕的天線一方面可減小天線系統(tǒng)轉動慣量，另一方面可提高整機模態(tài)頻率。根據圖1的整機有限元模型，通過設置天線質量單元大小進行模態(tài)分析，結果見表1。

表1 整機固有頻率計算表 Hz

天線重量/kg第1階第2階第3階第4階第5階10002.02262.53236.39927.670410.184915001.87742.31606.15887.24269.7398

由表可見，天線較重的天線車系統(tǒng)的各階模態(tài)都小于天線較輕的情況，由此可知，控制天線系統(tǒng)重量有利于提高整機固有頻率，進而減小天線轉動和風載荷帶來的諧振影響。天線系統(tǒng)的重心控制主要依靠陣面合理布局和三維設計手段。進行陣面布局時充分考慮設備的對稱和平衡布置，陣面骨架、組件、電源、接收及天線陣面總裝等主要設備均采用三維設計，通過三維設計可方便計算出天線系統(tǒng)的重心位置，根據重心位置的偏差合理調整設備布局，同時引導分系統(tǒng)設備進行重量和重心的控制。通過以上措施，雷達天線陣面重心偏離控制在了11 mm左右。

2.2 動平衡測試

動平衡測試主要測量不同天線轉速下天線中心所產生的絕對位移，為動平衡設計提供依據。采用空間3點定位法進行測量，如圖4所示。

圖4 空間3點定位示意圖

實際測試時在3個定位點處分別安裝位移傳感器，在天線中心點處安裝定位器，定位器分別與位移傳感器的感應線連接。啟動控制系統(tǒng)使天線按設定轉速轉動，用動態(tài)信號分析儀記錄天線啟動至停止過程中3個位移傳感器所感應的位移值，計算中心點在工作過程中的絕對位移。

為了試驗安全，采用假負載代替天線，重1 560 kg，同時施加偏載86 kg × 195 mm，模擬天線偏心11 mm。天線舉升，分別按2、5、8、10、12、15 r/min天線轉速開展試驗。試驗結果表明，中心點位移隨著轉速的增大而增大，到達額定轉速15 r/min時總位移為88 mm(X、Y、Z方向矢量和)，略大于80 mm的晃動量限值要求。將假負載重量降至1 500 kg，重復上述步驟進行試驗，轉速15 r/min時總位移為76 mm。根據試驗結果，天線系統(tǒng)的設計重量控制在1 500 kg，偏心不大于11 mm，可滿足動平衡設計要求。

3 高架雷達的架設安全性設計

從運輸狀態(tài)到工作狀態(tài)，高架雷達一般要經歷抗傾覆支臂展開、調平、升降機構豎起與鎖定、天線舉升的過程。架設過程中由于動作較多，天線舉高將帶來失穩(wěn)、干涉、誤操作、環(huán)境影響等危險因素。在產品設計階段應充分避免這些危險因素，確保架設安全。

3.1 架設過程的穩(wěn)定性設計

天線架高17 m，由于重心的升高和風載荷的作用，天線車系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨考驗。為了使雷達穩(wěn)定可靠工作，采用了以下措施：

1)采用4條獨特的大跨距X形抗傾覆支臂，該支臂呈X形交叉與平臺上平面和兩側面同時焊接，如圖5所示。該交叉布置的特點不僅可以滿足橫向穩(wěn)定性要求，而且沿平臺縱向實際上構成了穩(wěn)定的互支撐結構，因此相比于其他如蛙腿、H形支腿等具有更好的縱向穩(wěn)定性。

圖5 X形抗傾覆支臂(收攏狀態(tài))

2)總體布局時做到重心均衡，關注雷達從運輸狀態(tài)到工作狀態(tài)的整機重心位置變化情況，避免升降機構翻轉軸過于靠近抗傾覆支臂，導致升降機構豎起時整機重心移動而使穩(wěn)定力矩減小。

3.2 仿真設計

為了在設計階段最大程度降低安全風險，在樣機試制前雷達整機采用三維設計，并針對架設過程開展機構分析和動力學分析。應用Pro/E軟件完成雷達整機建模并在該軟件中完成機構分析，檢查各機構運動情況及動態(tài)干涉情況。根據升降機構的結構特點在Matlab中對其舉升過程進行仿真分析，在15 m/s風速條件下，升降機構中液壓缸的動力學仿真分析結果如圖6所示[2]。圖中給出了升降機構的速度-時間曲線和壓力-時間曲線，由圖可知，液壓缸壓力達到16.8 MPa后壓力和速度基本趨于平穩(wěn)，表明運行安全可靠。

圖6 升降機構動力學分析

3.3 安全聯(lián)鎖設計

雷達在架設過程中動作較多，如果這些動作以錯誤的順序發(fā)生將可能帶來安全事故[3]。為了避免這種情況發(fā)生，伺服系統(tǒng)設計時加裝檢測聯(lián)鎖，在各動作的極限位置和關鍵部位安裝檢測開關，如倒豎到位、天線升降到位等均實現(xiàn)到位保護。把各檢測點的狀態(tài)送給主控計算機，利用主控計算機實現(xiàn)各種復雜的安全聯(lián)鎖，避免錯誤動作順序的發(fā)生。如抗傾覆腿未展開到位，下一動作即升降機構豎起將無法實現(xiàn)，而升降機構未豎起并鎖定好的情況下，天線不能舉升。

4 防雷設計

相比于常規(guī)雷達，高架雷達更易遭受雷電的侵害，尤其是直擊雷的危害。直擊雷是指雷電直接擊在建筑物、大地、防雷裝置或其他物體上，產生電效應、熱效應和機械效應的雷擊，從而使被擊物受損[4]。防直擊雷的措施主要包含以下要素：

1)接閃裝置的安裝。本例雷達采用避雷針，安裝在一根可機動的升降桿上。避雷針的架設高度應滿足雷達處于防雷區(qū)內的要求，并按滾球法確定。根據雷達的一級防雷要求，按滾球半徑30 m計算，避雷針架設高度為21 m。

2)接地裝置的布置。需要保護的雷達電子設備必須采取等電位連接與接地保護措施。接地裝置的布置與埋設應滿足最低接地電阻要求，一般接地電阻值不大于10 Ω。接地裝置可以是圓鋼、角鋼、扁鋼、扁銅或銅纜等。圖7為一種經典接地方式，其中4根垂直接地棒采用圓鋼，水平接地帶為扁銅帶，將各接地棒連接在一起。

圖7 避雷接地示意圖

5 結束語

高架雷達因天線“高架”的特點，其安全性設計倍受關注。文中的某高架雷達在研制過程中始終貫徹安全性設計思想，在設計階段采用數(shù)字化設計及仿真分析等先進手段，并開展了大量的安全性驗證試驗。該雷達在后續(xù)數(shù)年的雷達轉場、架設及工作過程中經受了各種惡劣陣地條件的考驗，表明結構安全可靠，其設計思路及注意事項可供同類雷達研制參考。

[1] 朱鐘淦, 葉尚輝. 天線結構設計[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1980.

[2] 賀鵬, 陳亞峰. 高架機動雷達總體結構設計與關鍵技術分析[J]. 現(xiàn)代雷達, 2014, 36(3): 73-76, 82.

[3] 夏勇, 趙德昌, 李建峰. 地面雷達機電系統(tǒng)安全性設計研究[J]. 質量與可靠性, 2008(3): 34-37.

[4] 王強. 民航空管二次雷達站綜合防雷[J]. 科技傳播, 2012(10): 20-21.

賀 鵬(1977-)，男，高級工程師，主要從事雷達結構總體設計及研究工作。

洪林峰(1975-)，男，高級工程師，主要從事雷達結構總體設計工作。

Structure Safety Analysis and Test of High-raised Radar

HE Peng，HONG Lin-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

High-raised radar will meet some safety problems when its antenna is raised to a high position. This paper analyzes the main risk factors in the structural design of high-raised radar and discusses the contents and thoughts of safety design from the structural design perspective. With a typical high-raised radar as example, this paper discusses the design of wind resistance, dynamic balance and erection safety for this radar. In radar design phase, various advanced methods such as the 3D design and mechanism analysis of the total radar, the dynamics analysis of the high-raise mechanism are applied. A lot of experimental safety verifications are carried out at the same time. Following practical applications show that the structure safety design is successful.

structure safety; wind resistance; dynamic balance; erection safety

2016-01-11

TN957.8

A

1008-5300(2016)02-0024-04