某一軸高速轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

陳美芳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某一軸高速轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

陳美芳

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中介紹了一種新型轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，它沒有復(fù)雜的傳動鏈，采用減速電機直接驅(qū)動天線。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺型式相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、傳遞效率高等優(yōu)點。同時，該型轉(zhuǎn)臺可適用于高轉(zhuǎn)速場合，輸出轉(zhuǎn)速可達60 r/min。文中詳細介紹了轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特點，重點介紹了減速電機、同步機構(gòu)和密封方式的設(shè)計等?？蔀楦咿D(zhuǎn)速要求的轉(zhuǎn)臺和國內(nèi)的機場監(jiān)視技術(shù)提供寶貴的理論和實踐基礎(chǔ)。

高轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)臺；直接驅(qū)動；機場監(jiān)視技術(shù)

引 言

轉(zhuǎn)臺是支撐天線探測目標(biāo)的裝置,它通過天線控制系統(tǒng)使天線能夠按照預(yù)定的規(guī)律運動或者跟隨目標(biāo)運動,準(zhǔn)確地指向目標(biāo),并且通過它精確地測出目標(biāo)的方向。早期的雷達、通訊設(shè)備性能要求比較低，轉(zhuǎn)臺的設(shè)計比較簡單，不難滿足電性能要求。但隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，雷達、通訊設(shè)備廣泛用在天文、氣象、航空、航天等領(lǐng)域，對轉(zhuǎn)臺的設(shè)計提出了更高的要求[1]。

轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的。按轉(zhuǎn)軸的數(shù)目可分為一軸轉(zhuǎn)臺、二軸轉(zhuǎn)臺、三軸轉(zhuǎn)臺、四軸轉(zhuǎn)臺和固定不動的轉(zhuǎn)臺[1]，文中討論的轉(zhuǎn)臺為一軸的結(jié)構(gòu)型式。傳統(tǒng)的單軸天線座通常由驅(qū)動電機、減速機、末級齒輪、大齒輪等組成，組成較復(fù)雜、集成度低，較難滿足高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)動定位精度要求的雷達性能要求。

本文介紹的單軸轉(zhuǎn)臺采取減速機輸出直接驅(qū)動天線的方式，與傳統(tǒng)的帶復(fù)雜傳動鏈的型式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、傳遞效率高等優(yōu)點，在國內(nèi)屬首創(chuàng)。它適用于高轉(zhuǎn)速場合，最高輸出轉(zhuǎn)速可以達到60 r/min。同時，它也可為以后高轉(zhuǎn)速要求的轉(zhuǎn)臺設(shè)計奠定理論和實踐基礎(chǔ)，基于其結(jié)構(gòu)特點，它的應(yīng)用前景十分廣闊。

1 結(jié)構(gòu)特點

由減速電機“直驅(qū)”的結(jié)構(gòu)型式一改傳統(tǒng)的型式，更具優(yōu)勢。該轉(zhuǎn)臺主要由減速電機、天線支架、配重、同步機構(gòu)、鉸鏈和方位底座等組成，如圖1所示。減速機和電機直聯(lián)，簡稱減速電機。減速電機空心軸輸出，一端驅(qū)動天線支架旋轉(zhuǎn)，一端帶動鉸鏈旋轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用雙同步機構(gòu)設(shè)計，安裝于方位底座內(nèi)，其雙片齒輪與安裝在輸出軸上的方位齒輪嚙合，按1∶1檢測天線的旋轉(zhuǎn)角度。減速電機則由法蘭安裝在底座上，波導(dǎo)從減速機的空心軸內(nèi)穿過。為了減小偏心，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過力學(xué)仿真分析，對轉(zhuǎn)臺進行了配重設(shè)計，安裝于減速機的另一側(cè)。

圖1 轉(zhuǎn)臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 減速電機的特殊設(shè)計

減速電機起承上啟下的作用，其設(shè)計是整個機構(gòu)的關(guān)鍵所在。為了提高系統(tǒng)的可靠性，該減速箱在普通的減速箱體上進行了一系列特殊設(shè)計，如圖2所示。

圖2 減速電機

首先，齒輪減速箱采用浸油潤滑，并配備油溫和油位遠程監(jiān)控設(shè)備，對潤滑油的溫度和液面進行檢測。當(dāng)潤滑油溫度高于設(shè)定值或者油液低于最低液面時，自動報警，這樣既延長了維修周期，又提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

同時，箱體還配備了儲油罐，這樣可以提高油位，使減速箱里所有運轉(zhuǎn)的零部件都在油位以下，上端軸承和旋轉(zhuǎn)油封均可以得到充分潤滑，還能減少油沫的產(chǎn)生。

2.2 同步機構(gòu)的設(shè)計

同步結(jié)構(gòu)用于檢測天線旋轉(zhuǎn)角度信號。為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用雙同步機構(gòu)，如圖3所示。

圖3 同步機構(gòu)的安裝示意圖

2套同步機構(gòu)固定安裝在方位底座上,其內(nèi)的雙片齒輪和安裝在方位軸上的方位齒輪按1∶1嚙合。

如圖4所示，同步機構(gòu)由雙片齒輪、同步軸、聯(lián)軸器、編碼器等組成。雙片齒輪與同步軸聯(lián)結(jié)，通過聯(lián)軸器與編碼器的旋轉(zhuǎn)軸相連。所以編碼器可以同步檢測雙片齒輪的轉(zhuǎn)動，進而檢測天線的旋轉(zhuǎn)。

圖4 同步機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 密封方式的設(shè)計

為了達到高轉(zhuǎn)速的指標(biāo)要求，同時適應(yīng)高低溫、暴雨、冰雹等各種惡劣的氣候環(huán)境，轉(zhuǎn)臺采用全密封設(shè)計，一方面防止雨水直接進入，另一方面也可防止灰塵或蟲類進入，影響內(nèi)部設(shè)備的正常使用[2]。主要密封部位有以下3處：

1) 減速箱的密封。為防止漏油現(xiàn)象的產(chǎn)生，也為了防止灰塵的進入，減速箱上下端都采取迷宮和旋轉(zhuǎn)油封的雙重密封方式，如圖5所示。

圖5 減速箱密封方式

2) 底座維修窗口處的密封。方位底座在圓周方向開了4個維修窗口，窗口與蓋板之間不僅采用O型密封圈，也選用松不脫螺栓固定，如圖6所示。這樣既可以得到很好的密封效果，又便于維修操作。

圖6 維修窗口處的密封

3) 電纜出口處的密封。在以往的轉(zhuǎn)臺設(shè)計中，轉(zhuǎn)臺內(nèi)部電纜出口處的密封是密封防護的難點，出口處一般采用開放式結(jié)構(gòu)或者做灌膠處理。文中轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的電纜通過安裝在方位底座上的轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接，其密封方式也做了詳盡的考慮。

轉(zhuǎn)接板安裝在底座的維修窗口上，與底座的結(jié)合面同樣采用了上述的O型密封圈和松不脫螺栓的設(shè)計，為了便于線纜連接頭的拔插，轉(zhuǎn)接板設(shè)計成階梯狀。同時，轉(zhuǎn)接板外緣還安裝有防雨罩，轉(zhuǎn)接板與防護罩之間還加裝了一層橡膠密封墊，這樣的設(shè)計更有利于防止雨水的直接淋濺和潮氣的進入，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)接板密封

2.4 剛強度優(yōu)化設(shè)計

面對高指標(biāo)要求和惡劣的工作環(huán)境(天線重約300 kg，轉(zhuǎn)速要求60 r/min，24 h不停機工作，工作風(fēng)速45 m/s，生存風(fēng)速66 m/s)，轉(zhuǎn)臺的剛強度也是設(shè)計的關(guān)鍵。

天線支架采用鋼板拼焊箱體式結(jié)構(gòu)，方位底座采用鑄鋼型式，在保證剛強度的基礎(chǔ)上，盡量減重。通過優(yōu)化設(shè)計，轉(zhuǎn)臺在45 m/s風(fēng)速下的分析結(jié)果如圖8和圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果，轉(zhuǎn)臺最大位移量為0.05 mm，最大應(yīng)力為2.64 MPa，滿足使用要求。

圖8 轉(zhuǎn)臺位移等值線云圖(最大值0.05 mm)

圖9 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力等值線云圖(最大值2.64 MPa)

3 應(yīng)用前景

經(jīng)過調(diào)研后發(fā)現(xiàn),國外的機場場面監(jiān)視雷達技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始了應(yīng)用試驗，如今已得到了廣泛應(yīng)用。而國內(nèi)的機場場面監(jiān)視雷達技術(shù)卻是空白，各大民航機場均從國外引進。本文介紹的高速轉(zhuǎn)臺能夠滿足機場場面監(jiān)視雷達技術(shù)所要求的輸出轉(zhuǎn)速60 r/min的使用要求和性能指標(biāo)，若推入市場，就能夠打破國外對機場場面監(jiān)視雷達技術(shù)的壟斷，提升我國綜合競爭實力和機場場面的運行效率。

4 結(jié)束語

本文研究的單軸轉(zhuǎn)臺采用減速電機輸出直接帶動天線旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)較簡單，不僅能滿足使用要求，減少中間的傳動環(huán)節(jié)，顯著提高傳遞效率和反應(yīng)速度，還可以應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速輸出的場合，輸出轉(zhuǎn)速可達到30 r/min或60 r/min。按照總體指標(biāo)要求，目前已完成轉(zhuǎn)臺的前期研發(fā)工作，后期將進行一系列實驗驗證工作。研制完成后，將很快應(yīng)用于機場場面監(jiān)視。

[1] 吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[2] 張臘梅. 扁平化天線座設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2012,28(1): 41-43,50.

[3] 張睿, 孔金鳳. 機場場面監(jiān)視技術(shù)的比較及發(fā)展[J]. 中國西部科技, 2010,9(1): 34-35,52.

[4] 徐灝. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京:北京工業(yè)出版社, 1991.

陳美芳(1981-)，女，工程師，主要從事雷達系統(tǒng)機械傳動方面的研制工作。

Structure Design of a High-speed Turntable with Single Axial

CHEN Mei-fang

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The structure of a new type of turntable is described in this paper, which, without complex drive chain, adopts gear motor mode to drive antenna directly. Compared with the traditional turntable, it possesses the advantages of simple structure and high transmission efficiency. Meanwhile, this type of turntable, whose output speed can reach 60 r/min, is suitable for high-speed application. The structural characteristics of the turntable, the design of gear motor, synchronization mechanism and seals are introduced in detail. It can provide valuable theoretical and practical basis for high-speed turntable and the domestic airport surface surveillance technology.

high rotation speed; turntable; direct drive; surface surveillance technology

2014-07-09

國家科技支撐計劃項目(2011BAH24B05)

TN820.8

A

1008-5300(2014)05-0022-03