便攜式雷達(dá)三腳架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方益奇 ， 鄭國(guó)威 ， 崔 航 ， 唐春榮

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

便攜式雷達(dá)是輕量化雷達(dá)的一種，其能滿(mǎn)足隨作戰(zhàn)者對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的快速轉(zhuǎn)移，具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性。雷達(dá)對(duì)三腳架的重量和體積要求較高，不僅要求其具有一定的承載能力，以滿(mǎn)足便攜式裝備的架設(shè)需求，同時(shí)還要求具有足夠的強(qiáng)剛度，以抵抗相應(yīng)的風(fēng)荷等惡劣環(huán)境。三腳架系統(tǒng)是便攜式雷達(dá)的載體，應(yīng)能滿(mǎn)足雷達(dá)快速架設(shè)和撤收、方便轉(zhuǎn)運(yùn)、架設(shè)受場(chǎng)地約束小等要求。因此，作為便攜式設(shè)備，三腳架應(yīng)具備重量輕、剛性好、便于操作、人機(jī)工程好等優(yōu)點(diǎn)，要能夠滿(mǎn)足在野外作戰(zhàn)與工作的需求[1-3]。

1 三腳架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

三腳架系統(tǒng)由三腳架、俯仰云臺(tái)、方位云臺(tái)、調(diào)平底座組成，如圖1所示。

圖1 三腳架系統(tǒng)

三腳架系統(tǒng)自帶手動(dòng)俯仰和方位云臺(tái)。俯仰云臺(tái)采用機(jī)械摩擦力矩鎖緊，俯仰范圍為-10°~+35°，方位云臺(tái)的調(diào)整范圍為360°周圈。云臺(tái)和調(diào)平底座的材料為2A12（T4）狀態(tài)，具備良好的力學(xué)性能，各零件作AL/Et.A(s).Cl(BK)表面處理。安裝電動(dòng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，需使用調(diào)平底座。伺服工作時(shí)其對(duì)安裝基準(zhǔn)有較高的要求，所以需同時(shí)安裝調(diào)平底座，用于滿(mǎn)足伺服轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)的水平架設(shè)需求。

如圖2所示，調(diào)平碗口與調(diào)平圓球之間涂7007潤(rùn)滑脂，以確保兩者之間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)平支撐為T(mén)r16×2-7H/7e的梯形絲杠，其具備理論自鎖能力。

圖2 調(diào)平底座

通用快鎖機(jī)構(gòu)如圖3所示。其由上、下快裝板組成，與市面上通用的三腳架快裝板結(jié)構(gòu)的接口完全一致，具備互換性?？焖冁i緊機(jī)構(gòu)采用機(jī)械鎖緊，上快裝板分別安裝在雷達(dá)底部、伺服底部，下快裝板分別安裝在俯仰云臺(tái)頂部、伺服頂部和三腳架頂部以完成不同工作模式的快速切換。采用通用快鎖機(jī)構(gòu)可使選配安裝伺服時(shí)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在各連接單體均預(yù)留3/8英寸螺紋接口，便于和市面通用三腳架互換使用。

圖3 快鎖機(jī)構(gòu)

俯仰云臺(tái)與方位云臺(tái)采用機(jī)械摩擦力鎖緊，簡(jiǎn)單可靠，滿(mǎn)足重量輕的要求。方位云臺(tái)和俯仰云臺(tái)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件兩者之間的間隙設(shè)計(jì)非常重要，縫隙太大，無(wú)法將上轉(zhuǎn)臺(tái)固定在合適角度，縫隙太小，則上轉(zhuǎn)臺(tái)與固定座間的摩擦力太大，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)于困難。采用M12螺母摩擦力鎖緊，鎖緊力矩大。鎖緊手柄末端設(shè)計(jì)有六方預(yù)緊扳手槽，需要時(shí)可同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六方扳手進(jìn)行預(yù)緊。如圖4所示。

圖4 俯仰云臺(tái)

俯仰云臺(tái)由軸端擋圈、鎖緊軸、內(nèi)俯仰座、橡膠圈、鎖緊手柄、六方扳手槽、外俯仰座等組成。俯仰云臺(tái)設(shè)計(jì)有兩個(gè)軸，一個(gè)是俯仰轉(zhuǎn)軸，一個(gè)是鎖緊軸。上轉(zhuǎn)臺(tái)外側(cè)左右兩面設(shè)計(jì)有多個(gè)橡膠圈，橡膠圈可增大固定與轉(zhuǎn)動(dòng)之間的摩擦阻力。

手動(dòng)方位云臺(tái)如圖5所示，其由上轉(zhuǎn)臺(tái)、下轉(zhuǎn)臺(tái)、方位鎖緊軸等組成。手動(dòng)方位轉(zhuǎn)臺(tái)的鎖緊通用靠摩擦力實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單可靠。

圖5 方位云臺(tái)

多節(jié)伸縮桿的鎖緊也是三腳架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，常見(jiàn)的鎖緊結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。伸縮桿的鎖緊原理分為軸向鎖緊和徑向鎖緊兩種，軸向鎖緊如圖6（a）所示，其主要利用螺紋預(yù)緊后產(chǎn)生的鎖緊力。市面上千元級(jí)別的三腳架均采用此鎖緊形式，該鎖緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是抽拉限位較差，抽拉旋轉(zhuǎn)過(guò)度時(shí)，各伸縮桿容易脫節(jié)。

徑向鎖緊原理如圖6（b）所示，徑向鎖緊采用摩擦力徑向方向從外伸縮桿壓緊到內(nèi)伸縮桿。該結(jié)構(gòu)形式常用于軍品雷達(dá)三腳架，優(yōu)點(diǎn)是鎖緊可靠，內(nèi)外伸縮桿不會(huì)產(chǎn)生脫桿，但是鎖緊機(jī)構(gòu)重量較重，同時(shí)外觀具備凸起較多，美觀性稍有不足。

圖6（c）是采用楔形環(huán)結(jié)構(gòu)，將螺紋的鎖緊力同時(shí)分解到軸向和徑向。兩個(gè)方向同時(shí)鎖定，具備較高的鎖緊可靠性，同時(shí)外表面輪廓連續(xù)，不容易刮擦設(shè)備，具備較好的使用性。

圖6 伸縮桿鎖緊原理

2 系列化、模塊化的單體

模塊化最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用相同或者近似的原理，可形成系列化的產(chǎn)品，滿(mǎn)足不同型譜設(shè)備的使用需求[4]。由于雷達(dá)的自重和大小不同，其對(duì)相應(yīng)的方位、俯仰機(jī)構(gòu)以及快裝結(jié)構(gòu)均有不同的要求。

由于方位轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)、快裝機(jī)構(gòu)分別自下而上采用搭積木的方式堆積在三腳架的頂部球碗上，所以三者的負(fù)載應(yīng)該逐步增加，包括其上裝的所有載荷。

標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的雷達(dá)快裝機(jī)構(gòu)，具備小、中、大三種型號(hào)，對(duì)應(yīng)負(fù)載分別為10 kg、20 kg和30 kg；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的手動(dòng)俯仰云臺(tái)，具備小、中、大三種型號(hào)，對(duì)應(yīng)負(fù)載分別為15 kg、5 kg和35 kg；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的手動(dòng)方位云臺(tái)，也具備小、中、大三種型號(hào)，對(duì)應(yīng)負(fù)載分別為20 kg、30 kg和40 kg。

3 三腳架的剛強(qiáng)度分析

三腳架是整個(gè)雷達(dá)的載體，其應(yīng)具備很高的剛性和強(qiáng)度。與此同時(shí)，作為便攜式設(shè)備，又要求三腳架的重量盡量輕。所以本研究在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)約束的條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。當(dāng)風(fēng)速為30 m/s，三腳架上的設(shè)備能夠正常工作。在給定三腳架承重負(fù)載和風(fēng)力載荷的前提下，進(jìn)行三腳架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，其最大變形為0.189 mm。

進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程如下：簡(jiǎn)化模型，將各連接體、緊固件等進(jìn)行剛性連接處理，略去倒角圓環(huán)等輪廓；選擇材料及單元屬性定義，定義材料屬性，將其賦給幾何體；加載方式，考慮雷達(dá)結(jié)構(gòu)重量及30 m/s風(fēng)載的影響，含伺服機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，額外考慮伺服機(jī)構(gòu)2 rad/s的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的離心力，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真分析

解算到雷達(dá)陣面的基準(zhǔn)精度[5-6]計(jì)算如下：雷達(dá)陣面的指向精度直接影響到雷達(dá)對(duì)被探測(cè)目標(biāo)的測(cè)角精度，雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)方位旋轉(zhuǎn)或者天線陣面所受的風(fēng)載荷以及轉(zhuǎn)臺(tái)中心相對(duì)三腳架的位置均是隨機(jī)變化的，天線平臺(tái)的隨機(jī)變形量最終會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)的水平精度誤差，影響天線陣面指向精度[7-8]。當(dāng)天線陣面處于不同朝向時(shí)，在30 m/s的陣面風(fēng)載下，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面中心點(diǎn)相對(duì)撐腿的變形值最大可達(dá)0.189 mm，通過(guò)計(jì)算可量化該變形值對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)水平度的影響，三腳架變形對(duì)水平度影響的誤差為Δ1：

Δd為三腳架變形值，L為安裝面中心點(diǎn)相對(duì)最近撐腿的水平距離，取1.2 m[9-10]。另外，結(jié)合三腳架的調(diào)平精度誤差為Δ2=0.3角分。

以上可知，雷達(dá)安裝的三腳架平臺(tái)水平度最大誤差：

4 結(jié)論

本研究分析了便攜式雷達(dá)三腳架的基本結(jié)構(gòu)組成，并列舉了系列化的各單體，以滿(mǎn)足不同載荷下的安裝需求。通過(guò)仿真計(jì)算分析，輕量化設(shè)計(jì)的三腳架滿(mǎn)足雷達(dá)在風(fēng)載和自重載荷下的安裝使用需求。