淺析雷達(dá)天線驅(qū)動組件回轉(zhuǎn)支承故障原因及應(yīng)對措施

張煒

摘 要：回轉(zhuǎn)支承又稱轉(zhuǎn)盤軸承，是兩個物體之間需做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，又需同時承受軸向力、徑向力、傾翻力矩的機(jī)械所必需的重要傳動部件，被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)一二次雷達(dá)的驅(qū)動單元中?；剞D(zhuǎn)支承作為雷達(dá)天線驅(qū)動系統(tǒng)唯一的傳動組件，一旦發(fā)生故障將直接導(dǎo)致雷達(dá)運(yùn)行中斷影響空中交通管制服務(wù)。近年來民航空管雷達(dá)回轉(zhuǎn)支承發(fā)生的故障已經(jīng)引起全國各地雷達(dá)設(shè)備維護(hù)單位的廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：民航；雷達(dá)；機(jī)械；天線

中圖分類號：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0051-02

1 回轉(zhuǎn)支承故障原因分析

1.1 疲勞剝落損傷

疲勞故障是導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承失效的原因之一，主要與承力、運(yùn)行時間（或循環(huán)次數(shù)）有關(guān)[1]?；剞D(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在回轉(zhuǎn)支承工作時，滾道和滾動體表面既共同承受載荷又存在相對的滾動，由于交變載荷的作用，首先在表面下一定深度處（最大剪應(yīng)力處）形成裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表層發(fā)生剝落坑，最后發(fā)展到大片剝落，形成小坑。在回轉(zhuǎn)支承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，遇到凹坑就會造成碰撞就會產(chǎn)生沖擊振動，所以疲勞剝落會造成回轉(zhuǎn)支承運(yùn)行時的沖擊載荷、振動和噪聲加劇。

1.2 回轉(zhuǎn)支撐啟動時的米塞斯應(yīng)力影響

回轉(zhuǎn)支撐啟動時外圈滾道會受到動態(tài)米塞斯應(yīng)力影響?；剞D(zhuǎn)支承的損壞形式有兩種，一是滾道損壞，二是斷齒，而滾道損壞所占比例居高不下，因此滾道質(zhì)量是回轉(zhuǎn)支承質(zhì)量的核心問題。滾道是否損壞與米塞斯應(yīng)力的大小密切相關(guān)。馮·米塞斯屈服準(zhǔn)則的物理意思即，在一定變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性形變能達(dá)到某一常數(shù)時，材料就屈服。結(jié)合本案例，即滾道的磨損?；剞D(zhuǎn)支承外滾道米塞斯應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2給出了外滾道上的3個單元上的米塞斯應(yīng)力隨時間變化的曲線。單元45918（黑色實(shí)線）在0-0.025秒內(nèi)先是急劇上升，最大值到1450MPa，然后驟然下降，其波動十分劇烈。這是由于起始期間突然施加軸向載荷，滾動體與滾動道初始接觸引起滾動體的強(qiáng)烈震動，當(dāng)載荷和速度穩(wěn)定和波動就會變小。

1.3 滾動體質(zhì)量缺陷

回轉(zhuǎn)驅(qū)動通常由蝸桿、回轉(zhuǎn)支承、殼體、馬達(dá)等部件構(gòu)成。由于其核心部件采用回轉(zhuǎn)支承。因此可以同時承受軸向力、徑向力、傾翻力矩。2016年，北京首都國際機(jī)場民航某雷達(dá)天線驅(qū)動系統(tǒng)回轉(zhuǎn)支承故障，技術(shù)人員在拆除舊回轉(zhuǎn)支承的過程中觀察到有大量金屬碎屑出現(xiàn)在天線基座內(nèi)即殼體內(nèi)，但回轉(zhuǎn)支承齒輪結(jié)構(gòu)完好，從碎屑的材料及形狀可以判斷，該碎屑來自回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部的滾動體即滾球或滾柱。從該回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計結(jié)構(gòu)來看，不存在潤滑油無法充分浸入到滾動體的情況，故該型號回轉(zhuǎn)支承可能存在個別滾動體質(zhì)量有瑕疵，在持續(xù)壓力的滾動過程中出現(xiàn)破損，該破損的碎屑進(jìn)一步加快了其他滾動體的磨損過程，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

1.4 回轉(zhuǎn)支承安裝不當(dāng)

在雷達(dá)安裝過程中，可能由于多方面原因?qū)е禄剞D(zhuǎn)支承的安裝水平度欠佳，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承在長期運(yùn)轉(zhuǎn)中局部壓力偏大造成滾動道變形，加速滾動體的磨損。

1.5 回轉(zhuǎn)支承滾動體制造控制不當(dāng)

當(dāng)回轉(zhuǎn)支承中滾動體布局過密時，即安裝間隙過小，因?yàn)檩S向載荷需要作用在運(yùn)動轉(zhuǎn)移過程中的滾動體上，所以會造成滾動體之間的擠壓，使得局部阻力增大，滾動體與滾道之間的滑動摩擦力相應(yīng)增大，從而使得回轉(zhuǎn)支承的使用壽命降低。當(dāng)回轉(zhuǎn)支承中滾動體布局過疏時，將導(dǎo)致滾動體與滾動道的接觸面內(nèi)應(yīng)力增大。對于單排球式回轉(zhuǎn)支承施加的純軸向載荷Fa，由所有滾動體均等的承擔(dān)，因此每個滾動體的載荷為：

Q=

式中：Z為滾動體個數(shù)；α為滾動體和滾動道的接觸角。從上式可以看出當(dāng)滾動體數(shù)量減少時，單個滾動體所承擔(dān)的載荷將增加。當(dāng)接觸物體均為鋼時，接觸面內(nèi)的最大接觸應(yīng)力可以由下式求得：

式中：Q為載荷；ea=0.2363μ；eb=0.2363v；∑ρ為曲率之和。通過上式可以看出，當(dāng)滾動體載荷增加時，其接觸面內(nèi)的最大接觸應(yīng)力將相應(yīng)增加。綜上所述，滾動體的分布數(shù)量如果未能滿足合理區(qū)間即過密或過疏，都將對其使用壽命造成不利影響。

2 回轉(zhuǎn)支承故障應(yīng)對措施

（1）在定期維護(hù)中加強(qiáng)對天線驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械部分的檢查力度，建議采用有效的方法評估天線運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的震動及噪音，作為故障預(yù)防與判斷的參考。

（2）建議有同型號雷達(dá)的地區(qū)建立采購?fù)吞柣剞D(zhuǎn)支承的有效渠道并訂購備件；建議短期內(nèi)無法建立購買渠道的地區(qū)設(shè)法建立備件調(diào)撥渠道。

（3）建議計劃新建該型號雷達(dá)的地區(qū)，在項目前期針對此可能發(fā)生的故障與廠家人員充分溝通協(xié)商解決方案。

（4）謹(jǐn)慎使用雷達(dá)的緊急制動開關(guān)，緊急制動動作將使回轉(zhuǎn)支承滾道所承受的米塞斯應(yīng)力產(chǎn)生劇烈波動，可能使?jié)L道發(fā)生整體或局部變形，從而造成回轉(zhuǎn)支承的損壞。

（5）在新雷達(dá)的建設(shè)過程中，采用可靠的手段對天線基座安裝的水平度嚴(yán)格把關(guān)。

（6）更換潤滑油時確認(rèn)油品清潔，防止細(xì)小顆粒物隨潤滑油進(jìn)入回轉(zhuǎn)支承。

3 結(jié)語

回轉(zhuǎn)支承是航管一二次雷達(dá)機(jī)械部分的核心部件，也是易損部件，他的工作正常與否直接關(guān)系到雷達(dá)設(shè)備運(yùn)行時的正常率與完好率。本文根據(jù)回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動特征，結(jié)合民用航管雷達(dá)天線接線傳動結(jié)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果，對回轉(zhuǎn)支承的典型故障進(jìn)行了分類與原因分析。最后依據(jù)民用航管雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)狀及實(shí)際情況總結(jié)了應(yīng)對回轉(zhuǎn)支承故障的措施。

參考文獻(xiàn)

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[2] 吳正毅.測試技術(shù)與測試信號處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.