大型相控陣雷達陣面維修機構(gòu)設(shè)計

邱坤濱，李 紅

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

20世紀50年代開始，為滿足對本國或他國洲際彈道探測和防御的需要，地面大型相控陣雷達作為美蘇導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的骨干裝備得以快速發(fā)展，美蘇兩國相繼研制了一系列大型戰(zhàn)略相控陣雷達[1-2]，這些雷達典型特征是陣面大、天線單元多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陣面口徑通常達數(shù)十米，且多以固定式建筑物形式存在，大都部署在偏僻的地點[3]，大型配套維修設(shè)備很難快速就位。因此，在陣面設(shè)備安裝和后期維修維護時，又經(jīng)常需要人員快速到達陣面前方任意位置，為方便使用，一般會在陣面前方布置一套陣面維修機構(gòu)。

1 總體布局設(shè)計

陣面維修機構(gòu)在總體布局上有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式：一種是導(dǎo)軌沿陣面寬度方向，上下布局，稱為橫向式，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其工作原理是在陣面的頂部和底部各設(shè)置有一條橫向?qū)к墸趦蓷l導(dǎo)軌上安裝一個臂架，臂架可以沿導(dǎo)軌左右橫向移動，工作平臺通過導(dǎo)軌與臂架連接，并可以沿臂架方向縱向上下移動，這樣通過縱向和橫向?qū)к壙梢允构ぷ髌脚_定位于天線陣面口徑范圍內(nèi)的任何一個工作位置，在收藏狀態(tài)下將臂架置于雷達陣面的一側(cè)。

圖1 陣面維修機構(gòu)橫向式布局原理

另一種是導(dǎo)軌沿陣面高度方向，左右布局，稱為縱向式，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其工作原理是在天線陣面的寬度方向兩側(cè)位置各設(shè)一根縱向?qū)к?，工作平臺通過左右兩根縱向?qū)к壸錾舷乱苿樱ぷ髌脚_的長度接近于整個雷達陣面的寬度尺寸，維修人員可以在維修平臺長度方向上移動，通過這種方式使人員可以到達覆蓋雷達陣面口徑的任意維修位置，收藏狀態(tài)下，平臺一般置于陣面底部。

圖2 陣面維修機構(gòu)橫向式布局原理

兩種布局方式均能滿足系統(tǒng)功能，但橫向式布局方案有明顯的缺點。

（1）陣面尺寸變大。臂架在收藏狀態(tài)下置于陣面的一側(cè)，為使其不遮擋雷達信號，天線陣面在寬度方向上需要預(yù)留一定的空間用以存放桁架，這樣會增加天線陣面的結(jié)構(gòu)尺寸。

（2）維修安裝設(shè)備不便，效率較低。工作人員在這種平臺對設(shè)備進行維修或者更換時，身體會前出工作艙，而且工作艙的空間有限，對于較重的設(shè)備，不便于多人同時對設(shè)備進行操作。

（3）安全性不足。如果驅(qū)動系統(tǒng)或者工作艙在使用過程中出現(xiàn)了問題，工作人員需要從臂架慢慢下來，不能很快地進行撤離，還有可能被困在工作艙內(nèi)。

縱向式布局克服了橫向式布局的諸多缺點，可以允許多名工人（可以多達12人）同時上平臺進行操作，效率會高很多，而且，該布局不會遮擋雷達波，外觀上比較美觀，維修性也較好。綜上所述，在工程應(yīng)用中，選用縱向式布局的陣面維修機構(gòu)的應(yīng)用案例會比較普遍。

2 驅(qū)動方案設(shè)計

陣面維修機構(gòu)在確定采用了縱向式布局方案后，工作平臺如何沿軌道上下運行成了關(guān)鍵，即選用何種驅(qū)動方案能更好地服務(wù)于工作平臺。常用的驅(qū)動方案有兩種：自行式和牽引式。

2.1 自行式驅(qū)動方案

自行式驅(qū)動就是讓工作平臺通過自身動力沿導(dǎo)軌上下運行，實現(xiàn)方案是在工作平臺兩側(cè)各設(shè)有一套驅(qū)動系統(tǒng)，動力可以采用液壓馬達或者電機，馬達或電機驅(qū)動齒輪齒條副沿左右縱向?qū)к夁M行上下運動，即“雙電機/馬達+齒輪齒條副”。

該方案有兩個問題需要解決：（1）齒輪齒條磨損問題。齒輪在開式傳動過程中，磨損比較嚴重，造成傳動的不一致性，需要使用適當(dāng)?shù)臐櫥椭瑢﹂_式齒輪在運轉(zhuǎn)中進行潤滑，但潤滑油脂會附著塵、屑等外部介質(zhì)[4]，影響使用。（2）維修性問題。在運行過程中，如果平臺出現(xiàn)了問題卡在了中間，對于這種驅(qū)動方式，維修人員不能將其松放到陣面下方進行維修，必須要登高到平臺進行。如果此時有緊急任務(wù)，需要開機工作，而且維修人員在很短時間修復(fù)不好的情況下，工作平臺會滯留在陣面前方，遮擋波束，耽誤裝備執(zhí)行任務(wù)。

2.2 牽引式驅(qū)動方案

牽引式驅(qū)動方案是通過卷揚機收放鋼絲繩來牽引工作平臺沿左右兩根導(dǎo)軌進行升降運動。根據(jù)使用電機的情況，又可以分為單電機牽引和雙電機牽引方式。

對于單電機驅(qū)動，可通過一個卷揚機同時控制左右兩側(cè)收放鋼絲繩的收放動作實現(xiàn)機械同步，圖2即是單電機驅(qū)動；對于雙電機驅(qū)動，采用伺服電機同步控制來實現(xiàn)平臺平穩(wěn)的上下運行。

采用單電機驅(qū)動，由于每邊使用2根鋼絲繩（安全備份），使用一個卷揚機來纏繞4根鋼絲繩，空間上很難布置，傳動結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積較大。使用雙電機驅(qū)動，在陣面頂部兩端各放置一組驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間較小，對雙電機同步控制方法研究很多，也比較成熟[5]，能夠滿足同步性要求。當(dāng)平臺出現(xiàn)問題時，可通過手動操作電機尾部的釋放桿進行人工釋放，工作平臺依靠重力下降到陣面底部合適位置，不會影響雷達后續(xù)工作。

因此，選擇“雙電機牽引式驅(qū)動”方案可以更好滿足系統(tǒng)要求。

3 安全性設(shè)計

安全性是整個陣面維修機構(gòu)設(shè)計中非常重要的一個方面，在設(shè)計過程中要綜合考慮各方面影響安全的因素，主要包括以下幾個方面。

（1）整個結(jié)構(gòu)要能滿足不同工況下剛強度設(shè)計的要求，包括平臺自重載荷、集中載荷（典型載荷：1 t）、冰雪載荷、風(fēng)載以及過載等。

（2）完善的安全保護措施，對每一種可能的事故都要有防護手段，可能的意外及措施如下。

①電機制動器發(fā)生故障，工作平臺突然下滑，應(yīng)在驅(qū)動機構(gòu)上設(shè)有防超速裝置，當(dāng)其速度達到設(shè)定速度時，該裝置立即動作，將整個工作平臺制停，避免發(fā)生快速礅底的危險。

②在鋼絲繩的使用數(shù)量上，每個驅(qū)動機構(gòu)與維修平臺之間均采用兩根鋼絲繩連接，互為備份，即便是斷了一根，另一鋼絲繩還能工作，達到安全保護作用，不會使維修平臺滑落下來。

③如果兩根鋼絲繩同時斷繩，在鋼絲繩斷裂的瞬間，工作平臺也可以通過防脫棘爪將自身固定在軌道上（沿導(dǎo)軌長度方向上每間隔一定的距離設(shè)置一個踏步，維修機構(gòu)上的掛鉤通過鋼絲繩觸發(fā)），防止平臺脫落。

④如果限位開關(guān)失靈，在導(dǎo)軌的底端還設(shè)有緩沖座，即便是發(fā)生礅底也能夠起到一定的緩沖作用，盡可能保護工作人員的安全。

（3）運行、制動平穩(wěn)，操作性好，最大限度減少工作人員受傷概率。采用變頻控制技術(shù)，運行平穩(wěn)，起制動應(yīng)無沖擊，運行速度可以隨時調(diào)整（建議運行速度控制在3.5 m/min左右較為合適）。另外，在操作方式上，采用了電箱操作和遙控操作兩種操作方式，操作人員可以原地操作平臺的運行，減少因來回操作造成的風(fēng)險。

4 結(jié)語

陣面維修機構(gòu)有橫向式和縱向式兩種總體布局方式，現(xiàn)有工程和應(yīng)用案例表明，縱向式布局配合雙電機牽引式驅(qū)動方案，更能充分發(fā)揮陣面維修機構(gòu)的功能，這種配置必然會成為大型雷達維修配套方案的首選。另外，陣面維修機構(gòu)作為建筑升降機械的一種，屬于特種專業(yè)設(shè)備，安全性設(shè)計是重中之重。

[參考文獻]

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[3]張根烜，查金水，胡勁松.大型相控陣雷達陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2016（3）：337-342.

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[5]楊晨娜，張怡.雙電機同步控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].工業(yè)控制計算機，2009（1）：36-37.