某機(jī)動(dòng)雷達(dá)高架舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

江 偉,席廣輝,宋為民,王 林,張安邦

(安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽六安237010)

0 引言

某雷達(dá)為高機(jī)動(dòng)多功能、多用途防空反導(dǎo)雷達(dá)，可陸用也可岸基對(duì)海使用。為了提高雷達(dá)的陣地適應(yīng)能力，避免低空障礙物和各種地雜波對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾，同時(shí)在岸基對(duì)海工作時(shí)，提高低空性能，增加探測(cè)距離，需把天線頭從運(yùn)輸狀態(tài)快速舉升至天線相位中心離地面18 m高的工作狀態(tài)，并達(dá)到規(guī)定的精度指標(biāo)。

1 幾種雷達(dá)典型舉升方式

機(jī)動(dòng)雷達(dá)高架技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于各種不同型號(hào)和功能的雷達(dá)產(chǎn)品中。對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)動(dòng)雷達(dá)高架的舉升形式調(diào)研統(tǒng)計(jì)，有幾種典型的方案:折疊式液壓舉升系統(tǒng)、圓筒電動(dòng)伸縮式升降系統(tǒng)和桁架伸縮式液壓舉升系統(tǒng)。

1.1 折疊式液壓舉升系統(tǒng)

采用液壓缸作為動(dòng)力執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂完成折疊式舉升，整個(gè)舉升系統(tǒng)安裝在標(biāo)準(zhǔn)的方艙頂部。瑞典的薩伯公司研制的“Giraffe(長(zhǎng)頸鹿)”系列機(jī)動(dòng)式雷達(dá)[1]，如圖1所示，采用折疊式液壓舉升系統(tǒng)可將雷達(dá)天線升高至13 m，可抵抗40 m/s的風(fēng)載荷不破壞，整車(chē)架設(shè)/撤收時(shí)間為10 min/2人，撤收后滿足公路、鐵路、海運(yùn)以及空運(yùn)。國(guó)內(nèi)也有類似的舉高雷達(dá)，如圖2所示，也采用折疊式液壓舉升系統(tǒng)，可將天線舉升至8.5 m，整車(chē)架設(shè)/撤收時(shí)間為30 min/4人。

圖1 Giraffe AMB雷達(dá)

圖2 國(guó)內(nèi)某舉高雷達(dá)

1.2 圓筒電動(dòng)伸縮式升降系統(tǒng)

采用多節(jié)電動(dòng)升降桿結(jié)構(gòu)形式，主體為一組套疊鋼管，每節(jié)鋼管下端設(shè)置絲杠螺母，由電機(jī)、減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使鋼管上下運(yùn)動(dòng)。升降結(jié)構(gòu)節(jié)與節(jié)之間有鎖緊機(jī)構(gòu)，上升時(shí)自動(dòng)鎖緊，下降時(shí)自動(dòng)解鎖。意大利塞雷斯公司生產(chǎn)的機(jī)動(dòng)高架雷達(dá)ARGOS-45[2]，如圖3所示，采用這種舉升方式可將天線舉升到12 m，整車(chē)架設(shè)/撤收時(shí)間為20 min/3人。

1.3 桁架伸縮式液壓舉升系統(tǒng)

桁架伸縮式液壓舉升系統(tǒng)主體由多節(jié)桁架套疊，各節(jié)桁架配置鋼絲繩和輪組，通過(guò)卷筒卷纜鋼絲繩實(shí)現(xiàn)桁架舉升，桁架的倒豎由液壓伸縮缸實(shí)現(xiàn)。德國(guó)40GTM型機(jī)動(dòng)通信雷達(dá)，如圖4所示，采用GEROH系列桁架式升降塔最高可以將天線舉升40 m，整車(chē)架設(shè)/撤收時(shí)間為25 min/2人。

圖3 ARGOS-45雷達(dá)

圖4 40GTM型機(jī)動(dòng)通信雷達(dá)

1.4 典型方案比較

由表1可知，幾種典型方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，為滿足某雷達(dá)設(shè)計(jì)要求需設(shè)計(jì)一種新的機(jī)構(gòu)形式。

表1 幾種方案的比較

2 某雷達(dá)主要設(shè)計(jì)要求

天線尺寸為2.2 m×1.0 m，天線頭重量(包括轉(zhuǎn)臺(tái))為800 kg，風(fēng)速要求:風(fēng)速≤25 m/s，天線轉(zhuǎn)速為12 r/min;風(fēng)速≤30 m/s，天線轉(zhuǎn)速為6 r/min;風(fēng)速≤35 m/s，停機(jī)不損壞;天線工作時(shí)，天線中心偏離量小于20 mm;舉升時(shí)間為2 min。要求舉升系統(tǒng)與天線、天線座、電子設(shè)備、操作室、液冷設(shè)備、發(fā)電設(shè)備等高度集裝于一輛載車(chē)上，運(yùn)輸方式要求滿足公路、鐵路、空運(yùn)的運(yùn)輸要求，整車(chē)架設(shè)/撤收時(shí)間為15 min/2人。

3 舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中提出了一種基于平面機(jī)構(gòu)原理的折疊式多連桿液壓舉升裝置，安裝在7 m非標(biāo)準(zhǔn)方艙頂部，而操作室、電子設(shè)備、液冷設(shè)備、發(fā)電設(shè)備等分布在艙內(nèi)的三個(gè)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)天線舉升到距地面18 m，其中舉升系統(tǒng)需舉高13.5 m，撤收后滿足國(guó)軍標(biāo)的運(yùn)輸要求，如圖5～7所示。

3.1 系統(tǒng)組成與工作原理

如圖5～9所示，該舉升系統(tǒng)為機(jī)電液一體化系統(tǒng)，由支座與機(jī)械限位裝置、3組雙液壓缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、下舉升連桿、輔助連桿、上舉升連桿以及升降平臺(tái)等組成，其中舉升鎖緊裝置由帶機(jī)械鎖緊的驅(qū)動(dòng)液壓缸與液壓鎖緊回路雙重保護(hù)組成。采用液壓回路驅(qū)動(dòng)控制雙液壓缸同步運(yùn)動(dòng)和兩組雙液壓缸聯(lián)動(dòng)工作，各液壓缸通過(guò)鉸支點(diǎn)與舉升連桿連接，天線頭由舉升連桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平姿態(tài)升降，到位后由雙重自動(dòng)鎖緊裝置完成鎖緊。

由圖8機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可知，機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=9，低副P(pán)5=12，高副P(pán)4=0，機(jī)構(gòu)自由度為

機(jī)構(gòu)自由度數(shù)與主動(dòng)件(3個(gè)液壓缸)數(shù)相等，符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理[3]。

3.2 載荷分析

舉升系統(tǒng)承載主要由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和舉升連桿兩部分完成，其中液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)承載對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與元件選型起著決定性作用，舉升連桿受力只需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以考慮。液壓系統(tǒng)承受的載荷主要包括天線頭的重量、多連桿機(jī)構(gòu)自重、風(fēng)載荷等。系統(tǒng)舉升過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)油缸1和2分別在初始位置時(shí)負(fù)載最大，驅(qū)動(dòng)油缸3在舉升到位后負(fù)載最大。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)

圖6 系統(tǒng)工作狀態(tài)

圖7 艙內(nèi)設(shè)備布局示意圖

圖8 舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖9 液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

設(shè)計(jì)風(fēng)速取V=35 m/s，風(fēng)力系數(shù)C F=1.12，風(fēng)力矩系數(shù)C M=1.3，陣風(fēng)因子K=1.15，空氣密度ρ=0.125 kg·s2/m4，天線陣面面積A=2.2 m2，則天線陣面風(fēng)阻力F與風(fēng)阻力矩M分別為[4-5]

經(jīng)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)油缸1最大載荷:F N1max=78 527 N;驅(qū)動(dòng)油缸2最大載荷:F N2max=122 618 N;驅(qū)動(dòng)油缸3最大載荷:F N3max=115 623 N。

3.3 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算

1)油缸參數(shù)計(jì)算

根據(jù)各油缸載荷情況，綜合考慮重量、液壓元件的性能、可靠性、安全性、外形匹配的美觀性及成本等因素，選擇液壓油的最高工作壓力為p=10 MPa。

計(jì)算油缸缸徑D:

式中，F(xiàn)max為液壓缸的外負(fù)載;p為液壓油的工作壓力。

計(jì)算得油缸最大直徑，查手冊(cè)[6]取D1=100 mm，D2=125 mm，D3=125 mm。

計(jì)算活塞桿直徑d:

計(jì)算得相應(yīng)活塞桿直徑，查手冊(cè)[6]取d1=80 mm，d2=90 mm，d3=90 mm。

驗(yàn)算油缸最大工作壓力p m:

式中，p b為液壓缸出口背壓，取1.5 MPa;A1為油缸無(wú)桿腔有效工作面積，A1=πD2/4 m2;A2為油缸有桿腔有效工作面積，A2=π(D2-d2)/4 m2。

計(jì)算得p m1=10 MPa，p m2=10 MPa，p m3=9.42 MPa。

計(jì)算油缸流量q:

式中，A為油缸活塞的有效面積(cm2);v為油缸活塞的速度(m/min)，v1=0.963 m/min，v2=0.979 m/min，v3=0.459 m/min;ηv為油缸的容積效率，取1。

計(jì)算得各單驅(qū)動(dòng)油缸流量為q1=7.56 L/min，q2=12.01 L/min，q3=5.63 L/min。

所 以，1，2，3 型 雙 驅(qū) 動(dòng) 油 缸 流 量 分 別 為15.12 L/min，24.02 L/min，11.26 L/min。

2)油泵參數(shù)計(jì)算

計(jì)算油泵最大工作壓力p p:

式中，p m為液壓缸的工作壓力;Δp為從液壓泵出口到液壓缸入口之間的總壓力損失，取1.5 MPa。

計(jì)算油泵的最大供油量q p:

式中，K為系統(tǒng)泄漏影響系數(shù)，取1.2。

3.4 有限元分析計(jì)算

1)舉升臂受力分析

舉升臂均采用4 mm瑞典高強(qiáng)度鋼板折彎焊成的封閉矩形結(jié)構(gòu)，上舉升連桿截面尺寸為380 mm×250 mm，下舉升連桿的截面尺寸為270mm×250mm，有限元建模時(shí)，采用殼單元。計(jì)算時(shí)天線頭采用集中質(zhì)量等效，液壓缸采用桿單元。固定下舉升連桿底部轉(zhuǎn)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)油缸3下鉸接點(diǎn)，分別計(jì)算三種工況:在天線頭及上下舉升連桿表面的-X、+Y、-Y三個(gè)方向施加風(fēng)載荷。圖10為應(yīng)力最大工況-X方向舉升臂應(yīng)力分布云圖，受力最大部位在下舉升連桿底部轉(zhuǎn)動(dòng)部位，最大應(yīng)力σmax=217.83 MPa＜σ700，安全系數(shù)為3.2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 舉升臂的應(yīng)力分布云圖

2)工作狀態(tài)舉升臂剛度校核

固定下舉升連桿底部轉(zhuǎn)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)油缸3下鉸接點(diǎn)，35 m/s風(fēng)載(即水平風(fēng)力2 445 N，扭矩6 243.5 Nm)，設(shè)備重量800 kg情況下，算得舉升機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)下X方向天線中心處的變形如圖11所示，最大變形量為10.37 mm，考慮各轉(zhuǎn)軸的配合間隙引起的天線中心處變形，總變形小于20 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 舉升臂整體結(jié)構(gòu)變形云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型雷達(dá)的具體要求，設(shè)計(jì)了一種折疊式多連桿液壓舉升裝置，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了舉升裝置及電子設(shè)備高度集成于一輛載車(chē)，滿足舉升高度且運(yùn)輸不超限。相比其他類似機(jī)構(gòu)具有舉升高度高，剛強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，操作方便等特點(diǎn)。

[1]HOLM J，HULTGREN T.Distributed Hydraulic System in Radar Systems-A Study of the Possibilities for Distributed Hydraulics in Giraffe AMB[D].Sweden:Chalmers University of Technology，2011.

[2]Bannister D J.Radar In-Fill for Greater Wash Area Feasibility Study-Final Report，ED02698[R].UK:COWRIE Ltd，2007:20-21.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理(第7版)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]葉尚輝，李在貴.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安:西北電信工程學(xué)院出版社，1986.

[5]房景仕，程輝明.大角度折疊機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(5):480-485.FANG Jing-shi，CHEN Hui-ming.Design of Big Angle Folding Mechanism[J].Radar Science and Technology，2010，8(5):480-485.(in Chinese)

[6]張嵐，弓海霞，劉宇輝.新編實(shí)用液壓技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社，2008.