雷達(dá)旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)*

劉文科，常 健，趙克俊

(中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

雷達(dá)是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中的重要電子設(shè)備[1]?，F(xiàn)代雷達(dá)逐漸向大陣面、大數(shù)據(jù)方向發(fā)展，因而對傳輸功率、傳輸介質(zhì)及傳輸速率均提出了更高要求。雷達(dá)旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)地面固定設(shè)備到陣面轉(zhuǎn)動設(shè)備之間，光、電、液等多種介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)可靠傳輸。

關(guān)于雷達(dá)光、電、液等介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)傳輸技術(shù),很多學(xué)者已做了相關(guān)研究。李超等人[2]對某雷達(dá)功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析；張琳[3]研究了雷達(dá)中頻信號匯流環(huán)的技術(shù)指標(biāo)特性，提出了對應(yīng)的解決方法；馬伯淵等人[4-5]分別對大直徑的信號和多功能匯流環(huán)進(jìn)行了研究；何翠平等人[6-7]研究了雷達(dá)信號的光傳輸技術(shù)；王良英等人[8-9]設(shè)計(jì)了雷達(dá)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。但是上述研究，對功率匯流環(huán)、信號匯流環(huán)、光滑環(huán)以及液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，主要采用單獨(dú)定制設(shè)計(jì)，存在研制周期長、效率低、通用性差等問題，難以滿足現(xiàn)階段產(chǎn)品批量大、時(shí)間緊需求。

針對以上問題，本文提出旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合典型實(shí)例，對雷達(dá)旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 模塊化設(shè)計(jì)概述

本文所述的模塊化設(shè)計(jì)是指通用性模塊的組合設(shè)計(jì)[10]。

旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)主要由光鉸鏈、信號匯流環(huán)、功率匯流環(huán)及液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等組成，分別完成設(shè)備間的光信號、電信號、電源以及冷卻液的旋轉(zhuǎn)傳輸功能，其工作原理如圖1所示。

由圖1可知：系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)就是先將光鉸鏈、功率匯流環(huán)、信號匯流環(huán)及液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等作為模塊，按照結(jié)構(gòu)尺寸或技術(shù)指標(biāo)分別開發(fā)；然后根據(jù)不同型號雷達(dá)的實(shí)際需求和空間要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并對功能模塊進(jìn)行選型設(shè)計(jì)；最終通過組裝，形為完整的系統(tǒng)。

2 模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

采用模塊化設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于系統(tǒng)的各組成部分均為通用化模塊，可根據(jù)雷達(dá)產(chǎn)品的不同要求進(jìn)行模塊選型，可顯著縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期；

(2)可減少很多零部件的重復(fù)性設(shè)計(jì)，也可避免設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的規(guī)格不統(tǒng)一、易出錯(cuò)等問題；

(3)系統(tǒng)使用過程中，當(dāng)其中的某一功能模塊發(fā)生故障時(shí)，僅需要將該故障模塊進(jìn)行拆卸維修，而不必對系統(tǒng)整體拆卸。

3 旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該雷達(dá)總體技術(shù)要求，雷達(dá)工作過程中需實(shí)現(xiàn)地面固定設(shè)備到陣面方位轉(zhuǎn)動設(shè)備之間電源、信號、光、冷卻液等多種介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)可靠傳輸。

3.1 主要技術(shù)要求

(1)電源功率傳輸。電源傳輸功率600 kW；電源工作電壓500 V/DC；工作電流≤75 A；絕緣電阻≥500 MΩ。

(2)信號傳輸。信號工作電壓24 V/DC；工作電流≤1 A；信號通道數(shù)48。

(3)光傳輸。光傳輸模式為單模；光通道數(shù)為1；波長為850 nm～1 650 nm；插入損耗≤2.0 dB。

(4)冷卻液傳輸。冷卻劑類型為JSFDG-60(乙二醇水溶液)；流量≤75 m3/h；靜態(tài)耐壓≥2.0 MPa，動態(tài)耐壓為1 MPa；工作壽命≥30 000 h(泄漏量不超過20 ml/h)。

3.2 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 功率匯流環(huán)

功率匯流環(huán)用于固定設(shè)備到轉(zhuǎn)動設(shè)備之間功率電源的旋轉(zhuǎn)傳輸，主要由軸、導(dǎo)電環(huán)、電刷組合、外殼、底座及導(dǎo)線等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 功率匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，該功率匯流環(huán)電接觸摩擦副采用電刷-導(dǎo)電環(huán)滑動摩擦形式，其環(huán)芯設(shè)計(jì)成特殊的開放式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電環(huán)之間以絕緣柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣環(huán)，使電刷落粉量的增加不會引起匯流環(huán)絕緣性能的下降。電刷設(shè)計(jì)成刷組形式，每組電刷由2～4個(gè)電刷組成，均勻分布安裝在匯流環(huán)外殼上，與導(dǎo)電環(huán)接觸。

根據(jù)技術(shù)要求，該雷達(dá)總傳輸功率約為600 kW，電壓為500 V/DC，按16個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，則匯流環(huán)每一電源通道需傳輸?shù)碾娏鳛?5 A。

每一電源通道選用一組電刷，包含4個(gè)同等規(guī)格電刷，電刷規(guī)格為22 mm×15 mm×6 mm(長×寬×高)，與導(dǎo)電環(huán)接觸面積可按此近似取值。通道的載流量計(jì)算公式為：

I=N×S×J

(1)

式中：I—匯流環(huán)通道載流量；S—電接觸副接觸面積；J—電刷電流密度，A/mm2；N—電刷數(shù)量。

此處，S=90 mm2；J取值為0.3；N取值為4。則該功率匯流環(huán)單一通道的載流量為108 A>75 A。由此可見，計(jì)算結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

3.2.2 信號匯流環(huán)

信號匯流環(huán)用于固定設(shè)備到轉(zhuǎn)動設(shè)備之間中低頻信號的旋轉(zhuǎn)傳輸，主要由軸、導(dǎo)電環(huán)、絕緣環(huán)、刷絲組合、軸承、外殼、底座及導(dǎo)線等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 信號匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，信號匯流環(huán)依靠金屬刷絲和導(dǎo)電環(huán)之間的電接觸摩擦來實(shí)現(xiàn)電信號的旋轉(zhuǎn)傳輸。刷絲選用耐磨性能好的金基合金絲材料，導(dǎo)電環(huán)選用具有較強(qiáng)耐腐蝕能力的鋁青銅材料，并在接觸表面鍍涂貴金屬合金，以提高導(dǎo)電性和耐磨性要求。

3.2.3 光鉸鏈

光鉸鏈用于光纜連接中光纖信號的旋轉(zhuǎn)傳輸。

本研究選用FK1000單模單通道無水峰光鉸鏈，示意圖如圖4所示。

圖4 光鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖

該光鉸鏈的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 光鉸鏈主要性能參數(shù)

3.2.4 液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為雷達(dá)陣面電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)提供冷卻液，主要由進(jìn)口、出口、回進(jìn)口、回出口、軸承、油封、密封圈等組成，示意圖如圖5所示。

圖5 液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5中，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包含轉(zhuǎn)動和固定部分，出口和回進(jìn)口都在轉(zhuǎn)動部分上；進(jìn)口和回出口都在固定部分上。轉(zhuǎn)動部分兩通道采用上、下疊加的軸向排布式結(jié)構(gòu)，固定部分兩通道之間的間隙用來走線。為減小旋轉(zhuǎn)過程中的徑向偏擺，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的上、下兩端采用雙軸承對稱分布。

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主體材料選用316 L不銹鋼，同時(shí)焊接部位均采用氬弧焊。液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)管道的流量計(jì)算公式為：

Q=S×V

(2)

式中：Q—流量,m3/s；S—管道面積,m2；V—流速,m/s。

已知該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)液口的管徑為Ф120 mm，出液口管徑為Ф120 mm，流速為2 m/s，計(jì)算可得S=11.31×10-3m2,流量Q=81.4 m3/h。由于技術(shù)要求為75 m3/h，可見設(shè)計(jì)流量完全能夠滿足要求。

3.3 模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 匯流環(huán)高性能電接觸摩擦副設(shè)計(jì)

功率匯流環(huán)通過電刷和導(dǎo)電環(huán)的滑動電接觸來實(shí)現(xiàn)電源功率的旋轉(zhuǎn)傳輸[11-13]，其主要電氣性能指標(biāo)均反映在電接觸摩擦副上，即導(dǎo)電環(huán)與電刷的材料的選擇上，要求材料電阻率小，同時(shí)兩種材料硬度要匹配、磨損量小，采用高性能電接觸摩擦副，以及特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)芯設(shè)計(jì)；導(dǎo)電環(huán)由貴金屬或銅基金屬合金制造，電刷由石墨基材料或其他貴金屬合金制造；導(dǎo)電環(huán)選用鋁青銅材料，并在表面鍍銀；電刷選用磨損量小的碳纖維銀石墨材料(JF390-1)，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 JF390-1主要技術(shù)性能指標(biāo)

3.3.2 大電流模擬加載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證功率匯流環(huán)的電流承載能力，本研究對跑合完成的功率匯流環(huán)進(jìn)行大電流模擬加載試驗(yàn)[14]。該模擬加載試驗(yàn)設(shè)備最大加載電流5 000 A；功率匯流環(huán)的工作電流為75 A，按照其1.3倍約98 A的加載電流進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，功率匯流環(huán)各電源通道工作狀態(tài)正常，未發(fā)生打火、冒煙等異常現(xiàn)象。

3.3.3 大流量液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械密封設(shè)計(jì)

由于該雷達(dá)的傳輸功率大、熱耗高，如何保證在大流量液體旋轉(zhuǎn)傳輸過程中無泄漏是液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本研究在動密封位置采用機(jī)械密封[15]，密封摩擦副材料為石墨和碳化硅材料；彈性元件采用哈氏合金，輔助密封圈及其他靜密封圈材料采用硅橡膠材料。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使用過程中無明顯漏液等問題。

3.4 模塊組裝

本研究將4個(gè)模塊通過部分過渡連接件進(jìn)行組裝集成，最終成為一套完整的旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文將該旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)裝入雷達(dá)轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，并對其工作過程中的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均滿足雷達(dá)總體要求，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)工作過程中地面固定設(shè)備到陣面轉(zhuǎn)動設(shè)備之間電源、信號、光、冷卻液等多介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)傳輸。

3.5 成效分析

目前，功率匯流環(huán)目前已研發(fā)了8通道、12通道、16通道、20通道、24通道以及30通道等多種規(guī)格；信號匯流環(huán)已研發(fā)了12通道、24通道、36通道和48通道等多種規(guī)格；光鉸鏈研發(fā)出單模單通道、單模多通道和多模多通道等形式；液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)目前已研發(fā)了單通道、雙通道和四通道等結(jié)構(gòu)形式，管徑包括φ20、φ25、φ32、φ51、φ70以及φ80等多種規(guī)格?；谀K化設(shè)計(jì)所研發(fā)的旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于多型號雷達(dá)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

本文提出了模塊化設(shè)計(jì)方法，分析了雷達(dá)旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合某雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)例，詳細(xì)論述了旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)及采用的關(guān)鍵技術(shù)，并對基于模塊化設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)進(jìn)行了指標(biāo)測試。

研究結(jié)果表明，該旋轉(zhuǎn)傳輸組合系統(tǒng)各項(xiàng)性能均滿足雷達(dá)對于電源、信號、光、冷卻液等多種介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)傳輸要求。