某大型雷達電纜轉(zhuǎn)繞裝置改進設計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

雷達是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中的重要電子設備，其任務是探測、發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方目標[1]。絕大多數(shù)雷達工作過程中，其陣面轉(zhuǎn)動設備與地面固定設備之間需要實現(xiàn)電源和信號的轉(zhuǎn)動傳輸，一般通過采用匯流環(huán)完成。電纜轉(zhuǎn)繞裝置作為一種新型的轉(zhuǎn)動傳輸裝置，與匯流環(huán)相比具有結構簡單、拆裝方便、性價比高等優(yōu)點，可用于某些非連續(xù)旋轉(zhuǎn)的場合[2]。

關于電纜轉(zhuǎn)繞裝置方面，文獻[3]介紹了拖鏈在國外供電技術上的一些應用。文獻[4]論述了某雷達電纜轉(zhuǎn)繞裝置的結構設計，并對其中電纜溫度變化進行了測試分析，但是該雷達電纜轉(zhuǎn)繞裝置主要用于天線陣面的俯仰方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度范圍不大(±90°)，實現(xiàn)相對容易；當轉(zhuǎn)動方向改變或轉(zhuǎn)動角度范圍變大時，電纜轉(zhuǎn)繞裝置的設計難度增大。

在此，針對某大型雷達電纜轉(zhuǎn)繞裝置在方位轉(zhuǎn)動調(diào)試過程中出現(xiàn)的故障進行原因分析，并開展電纜轉(zhuǎn)繞裝置的改進方案設計，提出相應的改進措施，最后通過相關試驗對改進方案進行實際驗證。

1 故障描述

某大型相控陣雷達要求方位轉(zhuǎn)動角度為±185°，傳輸功率達到4 MW。由于其并非連續(xù)旋轉(zhuǎn)，且傳輸功率特別高，若采用匯流環(huán)來實現(xiàn)陣面轉(zhuǎn)動設備和地面固定設備之間的電源和信號傳輸[5]，不僅設計制造過程復雜，而且后期維護成本高，因此綜合考慮采用電纜轉(zhuǎn)繞裝置方案。電纜轉(zhuǎn)繞裝置結構如圖1所示，其主要由中心筒、外筒、拖鏈、電纜以及內(nèi)、外轉(zhuǎn)接板等組成。

圖1 電纜轉(zhuǎn)繞裝置結構示意

前期在進行電纜轉(zhuǎn)繞裝置調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，由于存在拖鏈選型和設計安裝等問題，拖鏈在運行過程中出現(xiàn)故障，接頭附近鏈節(jié)發(fā)生變形，拖鏈內(nèi)部的電源電纜出現(xiàn)破損，最終影響方位轉(zhuǎn)動角度的指標要求和系統(tǒng)安全性。具體表現(xiàn)為：前期的電纜轉(zhuǎn)繞裝置在轉(zhuǎn)動調(diào)試過程中發(fā)生故障，金屬拖鏈出現(xiàn)運行困難、軌道偏離現(xiàn)象；拖鏈接頭部位與中心軸之間連接脫離，產(chǎn)生嚴重彎曲變形，如圖2所示。

圖2 拖鏈變形及電纜破損

由于拖鏈產(chǎn)生變形，導致穿入的部分電源電纜表皮發(fā)生嚴重破損，存在漏電風險，影響整個雷達系統(tǒng)的安全性；由于電纜轉(zhuǎn)繞裝置發(fā)生故障，導致雷達方位轉(zhuǎn)臺無法按照技術要求實現(xiàn)相應的方位轉(zhuǎn)動，從而影響系統(tǒng)的繼續(xù)使用。

2 原因分析

針對以上問題故障進行原因分析，總體歸納為以下幾點。

a.原電纜轉(zhuǎn)繞裝置方案中采用的金屬拖鏈，其自身重量大，而拖鏈底部的滾輪尺寸較小；此外，由于缺乏定期潤滑維護，拖鏈鏈節(jié)之間轉(zhuǎn)動不靈活，導致拖鏈運行不暢。

b.原方案中的拖鏈支撐板用于實現(xiàn)電纜的分隔排布，其材料為金屬鋁板。當電纜轉(zhuǎn)繞裝置發(fā)生故障后，支撐板由于彎曲變形造成電纜表皮破損，存在較大的安全隱患。

c.原方案中拖鏈兩端的接頭與中心軸、外筒連接部位僅有上、下2組緊固連接，連接強度不足。當拖鏈運行時，由于連接部位受剪切力的作用導致接頭與中心軸、外筒脫離并產(chǎn)生變形。

d.由于原電纜轉(zhuǎn)繞裝置設計時未考慮保形措施，拖鏈在運行時軌跡發(fā)生偏離，具體表現(xiàn)為：隨著轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，與中心筒接觸的一段向外拱起，而與外筒接觸的一段向內(nèi)側偏移，這2部分鏈節(jié)最終發(fā)生接觸，造成拖鏈運行受阻，發(fā)生卡死。

3 方案改進設計

基于上述分析情況，開展電纜轉(zhuǎn)繞裝置的改進方案設計，主要的改進措施如下。

a.更換拖鏈。采用工程塑料拖鏈，與金屬拖鏈相比，其優(yōu)點是重量較輕，安裝靈活，非金屬材料的絕緣安全性好，不會因電纜表皮破損導致系統(tǒng)帶電。2種拖鏈實物對比如圖3所示。

圖4 拖鏈截面電纜排布

b.安裝分隔片。由于電纜數(shù)量比較多，排布比較密集，因此在拖鏈截面安裝多層分隔片，以保證電纜在拖鏈內(nèi)部能夠分層均勻排布，如圖4所示。同時，由于分隔片為非金屬材質(zhì)，絕緣性能好，且不會劃傷電纜，保證了拖鏈在運行過程中的系統(tǒng)安全性。

c.加強緊固連接。鑒于原方案中拖鏈緊固連接強度不足的問題，改進方案中在拖鏈兩端的接頭處各增加1組緊固連接，以保證連接更加牢固可靠。

d.內(nèi)、外擋環(huán)設計。改進方案中，內(nèi)、外擋環(huán)的作用是為了解決拖鏈在運行時的軌道偏離問題，保證拖鏈沿預定軌跡運行。內(nèi)、外擋環(huán)均采用聚四氟乙烯材料，其耐磨性好，與塑料拖鏈接觸摩擦系數(shù)小，可有效減少磨損，保證拖鏈正常使用。內(nèi)、外擋環(huán)安裝如圖5所示。

圖5 內(nèi)、外擋環(huán)安裝示意

4 試驗驗證

4.1 方位轉(zhuǎn)動試驗

搭建試驗平臺，開展電纜轉(zhuǎn)繞裝置的方位轉(zhuǎn)動試驗。試驗時，外筒固定，內(nèi)筒沿中心軸轉(zhuǎn)動。試驗結果表明：改進后的電纜轉(zhuǎn)繞裝置轉(zhuǎn)動過程平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動狀態(tài)良好，拖鏈運行軌跡正常，方位轉(zhuǎn)動角度能夠滿足技術要求。新電纜轉(zhuǎn)繞裝置轉(zhuǎn)動過程中在-185°，0°和+185°方位角度時的位置如圖6所示。

圖6 方位轉(zhuǎn)動角度位置示意

4.2 電流加載試驗

為了驗證拖鏈內(nèi)所用的電源電纜的電流承載能力，進行大電流加載試驗[6]，如圖7所示。

圖7 模擬加載試驗設備

模擬加載試驗設備型號為HCT-50KVA/5000A，該模擬加載試驗設備是基于電磁感應原理進行，主要由試驗控制臺、電氣控制柜、開啟式穿心加熱變壓器、感應變壓器、電流互感器等組成。

本次試驗用的電纜為CF310.UL.1500.01電源電纜，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 電源電纜主要性能參數(shù)

由于現(xiàn)場電源電纜正常工作時通過的電流在250 A左右，考慮到因電壓波動帶來的影響，加載電流分別選取250 A，300 A和350 A進行試驗。采用鉗形電流表對電源電纜通過的電流進行檢測，如圖8所示。

圖8 電纜通過電流測試

試驗結果表明：測得電源電纜的通過電流與系統(tǒng)的加載電流數(shù)值基本一致(±5%內(nèi))，電纜無明顯異常發(fā)熱現(xiàn)象，證明該電源電纜的電流承載能力滿足設計要求。

4.3 現(xiàn)場性能測試

為了進一步驗證電纜轉(zhuǎn)繞裝置改進方案的實際效果，將電纜轉(zhuǎn)繞裝置裝入雷達方位轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，進行現(xiàn)場性能測試。現(xiàn)場安裝完成的電纜轉(zhuǎn)繞裝置如圖9所示。

圖9 安裝完成的電纜轉(zhuǎn)繞裝置

對現(xiàn)場因故障發(fā)生破損的電源電纜進行全部更換，待完成所有電源電纜連接后，進行雷達系統(tǒng)通電開機測試。測試結果顯示雷達系統(tǒng)開機正常，所有通電設備無異常故障發(fā)生。證明電源電纜連接無問題，且載流能力滿足雷達使用要求。

隨后對雷達方位轉(zhuǎn)臺進行了多次正、反向轉(zhuǎn)動試驗，轉(zhuǎn)動角速度按要求設定為0.2 (°)/s。轉(zhuǎn)動過程中，對電纜轉(zhuǎn)繞裝置的運行狀態(tài)和轉(zhuǎn)動角度范圍等進行了測試。測試結果表明：在轉(zhuǎn)動過程中電纜轉(zhuǎn)繞裝置運行狀態(tài)良好，無運行不暢、軌道偏離等異常現(xiàn)象，且正、反向最大轉(zhuǎn)動角度均滿足雷達指標要求。

5 結束語

針對某大型雷達方位轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)前期調(diào)試過程中出現(xiàn)的電纜轉(zhuǎn)繞裝置故障，提出了改進方案設計，并進行了相關的性能試驗以及現(xiàn)場試驗驗證。試驗結果表明，改進的電纜轉(zhuǎn)繞裝置運行狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)動角度及電纜載流能力均滿足雷達技術指標要求，證明此改進方案合理可行，可為今后電纜轉(zhuǎn)繞裝置在其他類似產(chǎn)品的結構設計及推廣應用提供有益的參考依據(jù)。