雷達天線倒豎機構(gòu)設(shè)計與仿真分析*

婁華威，杜春江

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

雷達天線倒豎機構(gòu)設(shè)計與仿真分析*

婁華威，杜春江

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

根據(jù)地面機動雷達天線倒豎機構(gòu)工作要求，對比了常用倒豎機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，設(shè)計了雙自鎖液壓缸加曲柄的倒豎機構(gòu)。采用經(jīng)典方法進行受力分析和運動分析，同時利用Pro/E和LMS/Motion軟件進行了CAD建模和多體動力學(xué)仿真分析。并在此基礎(chǔ)上采用有限元分析方法對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的剛強度進行了校核。對機構(gòu)進行了實物驗證，結(jié)果表明液壓缸驅(qū)動力與計算結(jié)果一致，并且在小液壓缸運動階段，天線角速度與小液壓缸線速度近似為線性關(guān)系，運動平穩(wěn)，為類似天線倒豎機構(gòu)或折疊機構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

倒豎機構(gòu)；動力學(xué)仿真；有限元分析

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，對雷達的機動性要求越來越高，雷達的機動性能對雷達的快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力有決定性影響[1]。設(shè)計出戰(zhàn)技指標優(yōu)異、能實現(xiàn)快速部署和轉(zhuǎn)移、陣地適應(yīng)性強的高機動雷達[2]是結(jié)構(gòu)設(shè)計師的目標。同時多功能是雷達的發(fā)展方向，需要天線在不同仰角工作，某一角度機械可靠鎖定，實現(xiàn)情報雷達固定仰角連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能。其他角度液壓鎖定，由天線內(nèi)的角度傳感器反饋天線仰角，實現(xiàn)測控雷達功能。

常見倒豎機構(gòu)采用電動推桿或內(nèi)漲裝置自鎖液壓缸結(jié)構(gòu)，但推桿電機減速機尺寸大，布局困難。內(nèi)漲裝置自鎖液壓缸存在一缸故障時另一缸運動損壞天線的風(fēng)險。本文設(shè)計一種雙極限位置自鎖液壓缸加曲柄倒豎機構(gòu)，尺寸緊湊且無損壞天線的風(fēng)險。該機構(gòu)自鎖液壓缸采用鋼球摩擦式鎖緊缸，具有結(jié)構(gòu)簡單、解鎖方便等優(yōu)點。試驗結(jié)果表明：該機構(gòu)可使天線在70°仰角位置長期保精度工作、其余角度液壓鎖定工作。

1 設(shè)計需求

某機動雷達需開發(fā)一種天線倒豎機構(gòu)，倒豎仰角范圍0°～90°，在70°位置機械自鎖，其余角度可由液壓鎖定，要求風(fēng)速25 m/s時可正常倒豎，風(fēng)速30 m/s可應(yīng)急撤收。

2 倒豎機構(gòu)方案設(shè)計

倒豎機構(gòu)由自鎖大液壓缸、曲柄和自鎖小液壓缸組成如圖1所示。大液壓缸缸筒端與天線座在鉸支4位置銷軸連接，大液壓缸活塞桿端、曲柄下端和小液壓缸缸筒端在鉸支2位置銷軸連接，曲柄的一端與天線在鉸支3位置銷軸連接，天線與轉(zhuǎn)臺在鉸支5位置銷軸連接。

圖1 倒豎機構(gòu)原理示意圖

天線從0°運動到70°位置運動過程為：大液壓缸伸出，小液壓缸長度不變，小液壓缸、曲柄和天線形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。大液壓缸伸長，鉸支2、鉸支4和鉸支5形成一個變?nèi)切螜C構(gòu)，天線從0°運動到70°，下降是上升的逆過程。

天線從70°運動到90°位置運動過程為：小液壓缸伸出，大液壓缸長度不變，此時小液壓缸、曲柄和天線是一個變?nèi)切螜C構(gòu)，曲柄繞鉸支3旋轉(zhuǎn)。曲柄、大液壓缸、轉(zhuǎn)臺和天線在鉸支2、3、4和5四點之間形成一個四邊形，轉(zhuǎn)臺固定不動，曲柄轉(zhuǎn)動帶動大液壓缸和天線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動天線由70°運動到90°，下降為升起的逆過程。

大液壓缸受力：

該機構(gòu)原理簡圖如圖1(d)，已知L1、L2、L3、L6，大小液壓缸長度L5、L4由其初始長度加上伸出長度得出。

(1)

(2)

cosα=-cosβ

(3)

由式(1)、式(2)、式(3)得：

(4)

根據(jù)幾何關(guān)系可建立如下角位移參數(shù)方程：

3 倒豎機構(gòu)仿真分析

機構(gòu)運動仿真分析，可以實現(xiàn)機械工程中非常復(fù)雜、精確的機構(gòu)運動分析，在實際制造前利用零件的三維數(shù)字模型進行機構(gòu)運動仿真已成為現(xiàn)代CAD 工程中的一個重要方向及課題[3]。本文用三維設(shè)計軟件Pro/E進行幾何建模，在LMS 的Motion 模塊中采用DAS 求解器進行求解，動力學(xué)模型如圖2所示。倒豎過程可分為2個階段，即大液壓缸展開與小液壓缸展開階段。分別設(shè)定2個液壓缸的運動速度，并把二者運動串行。

圖2 LMS Motion模型

機構(gòu)運動過程中的載荷主要為天線及倒豎機構(gòu)的自重載荷和風(fēng)載荷。自重載荷直接通過在仿真軟件中定義結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性加速值及方向來實現(xiàn)，風(fēng)負載則考慮通過定義載荷隨仰角角度變化函數(shù)，以集中力方式施加在天線形心位置，其值按如下方式確定：天線最大風(fēng)力系數(shù)Cx= 0.96，在其他仰角α處的風(fēng)力系數(shù)近似取Cα=Cxsinα[4]。

仰角為α?xí)r:

Fw=CαqA

3.1 受力分析

風(fēng)從天線正面吹(風(fēng)速30m/s)，如圖3所示，天線與天線座支耳受力曲線如圖4所示。最大載荷出現(xiàn)在天線仰角約0°位置，載荷1 105.5kN，考慮偏載，單邊最大受力737kN。

實現(xiàn)高度場與觀察射線的交點計算是整個視差貼圖的關(guān)鍵所在。它直接決定了最終渲染效果的正確性和真實感程度。

圖3 風(fēng)向定義示意圖

圖4 天線與天線座支耳受力

大液壓缸受力曲線如圖5所示，最大載荷出現(xiàn)在天線仰角0°位置，載荷1 100 kN，考慮偏載，最大載荷單邊734 kN。

圖5 大液壓缸受力

小液壓缸受力曲線如圖6所示，最大載荷出現(xiàn)在天線仰角約0°位置，載荷930 kN，考慮偏載，最大載荷單邊620 kN。

圖6 小液壓缸受力

曲柄受力曲線如圖7所示，最大載荷出現(xiàn)在天線仰角0°位置，載荷188 kN，考慮偏載，最大載荷單邊125.3 kN。

圖7 曲柄受力

按風(fēng)從天線反面吹(風(fēng)速30 m/s),天線與天線座支耳受力最大載荷單邊737 kN，大液壓缸受力最大載荷單邊734 kN，小液壓缸受力最大載荷單邊620 kN，曲柄受力最大載荷83.5 kN。

3.2 運動分析

按大小液壓缸流量為定值進行仿真，運動曲線如圖8所示。天線在大液壓缸啟動階段速度變化大，在小液壓缸運動階段，曲線接近直線，天線角速度與小液壓缸線速度近似為線性關(guān)系。

圖8 角位移曲線

4 主要構(gòu)件剛強度分析計算

本文中通過將ANSYS 直接集成到Pro /E 中，所以在模型的轉(zhuǎn)換不脫離ANSYS 和Pro /E 這兩個軟件的情況下，從而實現(xiàn)了無縫連接，真正做到CAD/CAE 的一體化，保證了模型的完整性[5]。利用動力學(xué)仿真中獲得的載荷數(shù)據(jù)作為邊界條件，對典型工況下結(jié)構(gòu)的剛強度進行了校核。

工況2:按最大壓力97 kN，側(cè)向力21 kN進行有限元分析，如圖9(b)所示，曲柄最大應(yīng)力98.7 MPa。

曲柄采用38CrMoALA材料制造，強度滿足要求。

圖9 曲柄應(yīng)力云圖

5 試驗驗證及數(shù)據(jù)分析

試驗樣機的硬件如圖10所示。包括大液壓缸、小液壓缸、曲柄、轉(zhuǎn)臺、天線。大液壓缸在最長狀態(tài)鎖定，鎖緊力180 kN，無桿腔油口安裝單向平衡閥，使管路泄漏油時天線不會自行下墜。小液壓缸在活塞桿最短狀態(tài)鎖定，鎖緊力180 kN，上下油口各安裝單向平衡閥。在天線70°位置，大小液壓缸均自鎖，可長期保持位置精度，其余仰角由平衡閥鎖定液壓缸。

圖10 倒豎機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗過程中，大小液壓缸運動由CAN接口的比例閥給定流量控制液壓缸運動速度。在液壓缸各油口安裝壓力傳感器監(jiān)測壓力，由兩腔壓力推算液壓缸受力，測試結(jié)果與計算結(jié)果一致。

6 結(jié)束語

通過對雷達天線倒豎機構(gòu)設(shè)計、仿真分析和試驗驗證，得出以下結(jié)論：

1)倒豎機構(gòu)設(shè)計技術(shù)指標滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計正確。

2)倒豎機構(gòu)形式新穎，與電動推桿機構(gòu)相比結(jié)構(gòu)緊湊，但液壓缸存在滲漏油風(fēng)險，與內(nèi)漲裝置自鎖液壓缸機構(gòu)相比安全性好。

3)改變機構(gòu)液壓缸或曲柄參數(shù)可以改變機構(gòu)運動角度范圍和驅(qū)動力，可滿足不同雷達天線倒豎或折疊需求，該機構(gòu)具有較好的實用性和擴展性。

4)小液壓缸運動時，天線角速度平穩(wěn)，可以在某些小角度倒豎或折疊動作需求場合，把大液壓缸變換成一根定長桿件，由小液壓缸驅(qū)動四連桿機構(gòu)得到平穩(wěn)的運動角速度，對此可以進一步開展研究。

[1] 孟國軍, 倪仁品, 陳建平. 一種新型雷達天線折疊機構(gòu)研究與實現(xiàn)[J]．中國測試, 2012, 38(1): 85-89.

[2] 趙德昌. 地面高機動雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計探討[J]. 電子機械工程, 2007, 23(3): 19-23.

[3] 鄭雄文, 靳亞維. 淺析機構(gòu)運動仿真分析在機構(gòu)設(shè)計中的作用[J]. 機電工程技術(shù), 2005, 34(9): 52-54.

[4] 魏忠良. 某雷達陣面倒豎機構(gòu)力學(xué)計算與優(yōu)化[J]. 電子機械工程, 2008, 24(3): 28-30.

[5] 唐朋飛, 郭旭紅, 張明利, 等. 基于ANSYS 的重型機床立柱的靜態(tài)和模態(tài)分析[J]. 機械制造與自動化, 2012, 41(6): 111-114.

婁華威( 1977-)，男，高級工程師，主要從事雷達伺服傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design and Simulation of Radar Antenna Lifting Mechanism

LOU Hua-wei，DU Chun-jiang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

According to the working requirement of lifting mechanism of mobile ground-based radar antenna, the structure form and its advantages and disadvantages were compared. Lifting mechanism with two self-lock hydraulic cylinders and one crank project was designed. The classical method was used to analyze the force and motion, and CAD modeling and multi-body dynamic analysis was done by using the commercial software Pro/E and LMS/Motion. Based on it, strength and stiffness of some critical structural part was verified by using the FEA method. The experimental results showed that the driving force of the hydraulic cylinder is consistent with the calculation results. When the small hydraulic cylinder drives the antenna, the antenna′s angular velocity and the hydraulic cylinder′s linear are approximately linear, the antenna can move smoothly. The design of lifting mechanism provides theoretical basis for similar research.

lifting mechanism; multi-body dynamic analysis; FEA

2016-08-25

TH137

A

1008-5300(2016)05-0061-04