新型高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線架撤機(jī)構(gòu)的研制

，，

(1.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

高機(jī)動(dòng)雷達(dá)是隨現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)的需求應(yīng)運(yùn)而生的戰(zhàn)場(chǎng)低空監(jiān)視雷達(dá)，一般通過(guò)快速架撤機(jī)構(gòu)將天線架設(shè)到一定高度來(lái)克服強(qiáng)地雜波和低空障礙物，增加其作用距離和范圍，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

傳統(tǒng)的基于平行四連桿式的門架式舉升機(jī)構(gòu)[1]和基于平面多連桿的折疊式舉升機(jī)構(gòu)[2]，受架設(shè)高度與架設(shè)重量以及架設(shè)高度與機(jī)動(dòng)性的互相制約，不能滿足新體制高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的架撤需求。在此，研制了一種基于兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，多液壓油缸協(xié)調(diào)動(dòng)作、多連桿折疊運(yùn)動(dòng)原理的新型雷達(dá)天線架撤機(jī)構(gòu)。

1 設(shè)計(jì)要求

某新體制高機(jī)動(dòng)低空監(jiān)視雷達(dá)，采用有源全數(shù)字相控陣體制天線，高度集成大密度輻射單元、數(shù)字陣列模塊、電源、液冷等設(shè)備于一體，天線頭(包括天線、天線俯仰機(jī)構(gòu)與天線座)總重量約2 500 Kg，要求將天線頭快速架設(shè)至不低于15 m，架撤時(shí)間小于5 min，雷達(dá)工作時(shí)天線頭晃動(dòng)量小于4′，滿足多種運(yùn)輸方式兼容。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)組成

為了滿足架撤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，提高架撤機(jī)構(gòu)的展收壓縮比，降低在雷達(dá)整機(jī)中的空間占比，設(shè)計(jì)了一種基于兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的少自由度串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。架撤機(jī)構(gòu)主要由工作平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)油缸G3、下動(dòng)臂、驅(qū)動(dòng)油缸G2、輔助翻轉(zhuǎn)支架、翻轉(zhuǎn)下油缸F1、輔助支臂、輔助伸縮油缸L1、驅(qū)動(dòng)油缸G1、上動(dòng)臂、天線座姿態(tài)保持油缸Z1、天線座、天線俯仰裝置、天線以及伺服液壓系統(tǒng)、編碼器及連接線纜等組成。其中，天線、天線俯仰裝置和天線座構(gòu)成天線頭。

圖1 新型雷達(dá)天線架撤機(jī)構(gòu)構(gòu)型

2.2 工作原理

該架撤機(jī)構(gòu)運(yùn)用多液壓缸協(xié)調(diào)動(dòng)作、多連桿折疊運(yùn)動(dòng)原理，通過(guò)兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的多個(gè)液壓油缸協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)上、下動(dòng)臂完成架設(shè)步驟實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線頭從運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。在架設(shè)過(guò)程中，伺服控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在上、下動(dòng)臂各關(guān)節(jié)處的角度編碼器，對(duì)天線頭水平狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)各液壓油缸進(jìn)行協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)控制，完成整個(gè)架設(shè)動(dòng)作。

雷達(dá)天線架設(shè)至15 m高處，天線需以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描，架撤機(jī)構(gòu)必須能夠提供穩(wěn)定可靠的支撐作用。因此，驅(qū)動(dòng)油缸Gi(i=1, 2, 3)的3組油缸具備末端機(jī)械自鎖功能，即在最大行程位置，活塞桿和缸筒可通過(guò)內(nèi)部機(jī)械鎖緊形成支撐連桿，使架撤機(jī)構(gòu)形成穩(wěn)定的塔式支撐結(jié)構(gòu)，大幅提高了天線頭在離地15 m高的工作穩(wěn)定性，空間多連桿構(gòu)型也保證了自身結(jié)構(gòu)的剛性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高展收壓縮比空間折疊機(jī)構(gòu)

新體制高機(jī)動(dòng)低空監(jiān)視雷達(dá)對(duì)架設(shè)高度和運(yùn)輸兼容性均有較高的要求，但二者又互相制約，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。應(yīng)用全新的設(shè)計(jì)思想，采用兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的折疊式臂架，展開(kāi)后能夠?qū)崿F(xiàn)較大的架設(shè)高度；撤收后上動(dòng)臂完全收攏于下動(dòng)臂內(nèi)，運(yùn)輸高度方向占用尺寸小，即展收壓縮比大，解決了架設(shè)高度與運(yùn)輸兼容性的矛盾。同時(shí)，將多組舉升油缸沿臂架對(duì)稱向內(nèi)側(cè)斜置，展開(kāi)后形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增大了機(jī)構(gòu)的橫向支撐跨距，利于架撤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛性和抗風(fēng)穩(wěn)定性。

3.2 多油缸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)智能化控制

架撤機(jī)構(gòu)分步工作時(shí)，多組油缸既有主動(dòng)與隨動(dòng)，又有獨(dú)立與協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，是復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制精度要求高。液壓系統(tǒng)選用電液比例流量閥、截止型換向閥等高精度控制元件；伺服系統(tǒng)采用基于旋轉(zhuǎn)編碼器、水平傳感器以及比例放大模塊等多種檢測(cè)元件反饋的PCC分時(shí)多任務(wù)控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了架撤機(jī)構(gòu)多油缸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的智能化控制，架撤過(guò)程中各動(dòng)作執(zhí)行軟件相互聯(lián)鎖，提高了系統(tǒng)控制精度與安全性。

3.3 光電液一體化融合設(shè)計(jì)

架撤機(jī)構(gòu)在雷達(dá)系統(tǒng)中起到了承上啟下的作用，不僅承擔(dān)了天線的架撤任務(wù)，而且還是數(shù)字陣列雷達(dá)光纖、電源、液冷及液壓傳輸裝置寄生的載體。在不影響架撤機(jī)構(gòu)性能的前提下，利用上、下動(dòng)臂與轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部空間，將光纖、電纜、液壓油管及液冷水管一體化融合設(shè)計(jì)，各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處選用高可靠旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)了光電液的可靠傳輸，使得管線得到了良好的防護(hù)，機(jī)構(gòu)的外形也美觀整齊。

4 力學(xué)分析

4.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用ADAMS(機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件)對(duì)架撤機(jī)構(gòu)的整個(gè)架設(shè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，優(yōu)化架設(shè)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)受力情況，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的正確性，為鋼結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及伺服控制設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

4.1.1 分析模型

將定義好材質(zhì)的機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ADAMS后，添加各構(gòu)件之間的約束關(guān)系與驅(qū)動(dòng)，建立了如圖2所示的動(dòng)力學(xué)仿真模型。為了使運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的速度和加速度變化連續(xù)平滑，且避免加速度突變，給定動(dòng)作部件在相應(yīng)工況下的動(dòng)作采用擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線[3]輸入進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，計(jì)算其他部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、各組液壓缸的驅(qū)動(dòng)力曲線以及重要連接零部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力的動(dòng)態(tài)變化等。

圖2 架撤機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型

4.1.2 分析結(jié)果

機(jī)構(gòu)架撤由多組油缸多個(gè)步驟分時(shí)有序驅(qū)動(dòng)，這里以其中一組主驅(qū)動(dòng)油缸G3的分析結(jié)果為例，介紹動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。第二級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)架設(shè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)油缸G3最大推力為146 kN，最大行程1 797 mm，此類分析結(jié)果可給伺服控制、油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置提供有益的理論參考。

圖3為架設(shè)過(guò)程中G3油缸鉸點(diǎn)受力的變化曲線，反映了支撐G3油缸結(jié)構(gòu)的受力情況，可為架撤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析提供載荷條件。

圖3 架設(shè)過(guò)程中G3油缸鉸點(diǎn)受力的變化曲線

根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)分析方法，可以得出架設(shè)過(guò)程中，所有驅(qū)動(dòng)油缸鉸點(diǎn)受力情況。在各驅(qū)動(dòng)油缸對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)架設(shè)狀態(tài)的最大受力點(diǎn)，進(jìn)行校核和優(yōu)化，可使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)在各種工作狀態(tài)下均具有足夠的承載能力。

4.2 有限元分析計(jì)算

架撤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不僅要能夠承受架設(shè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)油缸的負(fù)載作用，而且要保證雷達(dá)工作時(shí)，在風(fēng)載荷作用下天線頭部的晃動(dòng)量小于4′。因此，機(jī)構(gòu)上、下動(dòng)臂等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用960 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板拼焊而成的箱型臂架結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)整體具有足夠的剛強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了系統(tǒng)重量。

4.2.1 分析模型

根據(jù)圖1建立機(jī)構(gòu)架設(shè)狀態(tài)下的有限元模型進(jìn)行分析，如圖4所示。假設(shè)天線頭旋轉(zhuǎn)部分已進(jìn)行動(dòng)平衡，模型中機(jī)械自鎖后的支撐油缸均采用桿單元，薄鋼板采用殼單元，天線質(zhì)量等效為集中質(zhì)量，將各部位風(fēng)載荷按力矩平衡進(jìn)行等效疊加，施加在天線頭質(zhì)心處，其數(shù)值按如下方式確定[4]：

F風(fēng)=CxqA

Cx為風(fēng)力系數(shù)，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)取最大數(shù)值Cx=1.41；F風(fēng)為風(fēng)載荷；A為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積；q為動(dòng)壓頭，q=v2/16，v為風(fēng)速。

此外，在所有銷軸連接處均放開(kāi)剛性連接的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

圖4 舉升機(jī)構(gòu)有限元分析模型

4.2.2 分析結(jié)果

表1給出了該架撤機(jī)構(gòu)在天線不同轉(zhuǎn)速和風(fēng)速等級(jí)下的位移、晃動(dòng)量和應(yīng)力，表明天線頭經(jīng)動(dòng)平衡后，架撤機(jī)構(gòu)在風(fēng)速和轉(zhuǎn)速作用下，晃動(dòng)量滿足指標(biāo)要求，架撤機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)材料選用960 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有較大的余量，足以應(yīng)對(duì)極端環(huán)境條件載荷。

表1 不同工況下應(yīng)力、變形及晃動(dòng)量計(jì)算結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析的準(zhǔn)確性，架撤機(jī)構(gòu)實(shí)物總裝后，進(jìn)行了模擬加載試驗(yàn)，并與分析結(jié)果進(jìn)行了比較。測(cè)試方法采用常見(jiàn)的應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)法[5]，將應(yīng)變片貼在主要受力結(jié)構(gòu)件及重點(diǎn)關(guān)注的部位。

5.1 模擬天線頭加載架撤試驗(yàn)

采用模擬天線頭重量逐級(jí)加載的方式，驗(yàn)證空間連桿機(jī)構(gòu)在負(fù)載情況下架設(shè)/撤收運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的正確性。如圖5所示，取500 kg間隔為一檔，逐級(jí)在天線座轉(zhuǎn)盤(pán)上加載500，1 000，1 500，2 000，2 500 kg共5組，每組加載分別進(jìn)行3次架設(shè)、撤收流程，檢查架撤機(jī)構(gòu)的動(dòng)作與控制是否正常，記錄架設(shè)到位和撤收到位時(shí)，機(jī)構(gòu)受力關(guān)注部位的測(cè)試結(jié)果。

圖5 模擬天線頭加載架撤試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：各級(jí)負(fù)載下，架撤機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和控制均與設(shè)計(jì)、仿真的多油缸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃一致，上、下動(dòng)臂的受力關(guān)注部位應(yīng)力測(cè)試結(jié)果在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 模擬風(fēng)負(fù)載加載試驗(yàn)

風(fēng)載荷是雷達(dá)工作時(shí)架撤機(jī)構(gòu)主要承受的負(fù)載之一，其帶來(lái)的的天線晃動(dòng)是影響雷達(dá)性能指標(biāo)的重要因素。如圖6所示，本試驗(yàn)采用模擬風(fēng)載荷的形式，架撤機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)，將該力施加到轉(zhuǎn)盤(pán)的加力桿工裝上模擬實(shí)際風(fēng)載荷，通過(guò)施加不同重量的重物模擬不同風(fēng)速大小對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷。依據(jù)理論分析中架撤機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果，測(cè)試架撤機(jī)構(gòu)上、下動(dòng)臂應(yīng)力分布區(qū)域的應(yīng)力，并與計(jì)算結(jié)果互相比對(duì)。

圖6 模擬風(fēng)載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力位于下動(dòng)臂根部與平臺(tái)支撐連接處，最大應(yīng)力值為301 MPa，其測(cè)量值與理論結(jié)果有一定差異，原因是理論分析取值為應(yīng)力集中點(diǎn)峰值，實(shí)際設(shè)計(jì)中在應(yīng)力集中處增加了筋板，分散了集中應(yīng)力，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)試，結(jié)果穩(wěn)定一致，強(qiáng)度安全系數(shù)>2，因此滿足安全使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某新體制高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線架撤機(jī)構(gòu)的研制，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)、力學(xué)仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行了闡述，對(duì)基于多液壓缸協(xié)調(diào)動(dòng)作、多連桿折疊運(yùn)動(dòng)原理的雷達(dá)天線架撤機(jī)構(gòu)做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線的快速架設(shè)/撤收及高機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)與使用表明，本系統(tǒng)的綜合指標(biāo)滿足總體設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用于某型號(hào)產(chǎn)品。

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