大陣面天線液壓折疊技術研究與實現

孟國軍，倪仁品，陳建平

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

0 引 言

該文研制的某平面相控陣雷達天線的口徑達6.4 m×4.2 m，分上、下 2 個陣面[1]，上、下陣面從高度方向均分，分割后的上、下陣面尺寸為6.4 m×2.1 m。下陣面通過4個鉸接點固定于天線座的轉盤上，上陣面通過2個鉸接點與下陣面相連接，運輸時整個陣面在俯仰機構的作用立直，然后上陣面向后折疊180°與固定于下陣面的支撐架相連接，實現了雷達天線工作狀態與運輸狀態的快速轉換，使整個雷達有較高的機動性、快速反應能力和戰場生存能力[2]。經過充分的分析論證，采用液壓及伺服控制技術，解決了該天線自動展開/折疊和鎖定難題，完成了天線的自動展開和折疊，實現了公路、鐵路運輸的兼容[3]，并經受住了實際惡劣環境的長期考驗。圖1為該雷達運輸、架設/撤收中間狀態和工作狀態示意圖。

1 系統指標

天線系統的結構指標如下：

（1）天線陣面口徑：寬×高=6.4m×4.2m；

（2）天線陣面面精度：均方根值σ≤0.7mm；

（3）展開/折疊時間：3～5min；

（4）天線質量：6t；

（5）運輸方式：公路、鐵路；

（6）抗風能力：8級風正常工作，12級風不破壞。

2 天線展開/折疊系統設計[4]

根據天線結構指標必須將天線分為上下2個陣面，運輸時使2個陣面背向折疊成“∏”字型垂直立于機動輪拖車上，才能滿足整車運輸的要求。工作時將上陣面翻轉180°與下陣面拼接成一個完整天線陣面，然后再傾斜整個天線陣面使天線陣面與水平面夾角83°到天線工作角度，如圖1所示。

2.1 翻轉方案選擇

天線的分割是為了滿足運輸要求，而天線的最終目的是用來發射和接收電磁波。因此不論天線如何分割，天線自動拼裝的實質就是實現天線各個分塊之間的定位和重復定位精度，并鎖固，從而確保天線的面精度。如果把天線架設過程進行分解，天線展開由天線上陣面合攏、定位、鎖固；天線陣面運動到預定的仰角；天線分解進入運輸狀態、鎖固等動作組成。

如此大口徑大質量天線的分塊處理，無法采用以前成熟的機電式展開/折疊方案來解決，因為驅動能力嚴重不足。同時又因空間有限，不允許重新設計新的機電式展開/折疊系統來解決此問題。

鑒于以上特點，經過計算、比較和分析論證，天線展開/折疊方案采用液壓控制技術。對于展開/折疊來說，液壓控制技術有其明顯的優點：

（1）驅動力矩大，承載能力強；

（2）執行機構體積小，質量輕，結構緊湊；

（3）傳動平穩，負載平衡能力好；

（4）速度可以可無級調整；

（5）容易實現手動應急操作及過載保護。

2.2 翻轉機構設計

在確定了驅動機構采用液壓控制技術之后，那么采用何種器件作為驅動元件成為必須解決的首要問題。經過調研和論證最后采用了液壓回轉缸來驅動。液壓回轉缸具有以下特點：（1）正反向扭矩一致；（2）結構緊湊簡單；（3）用于回轉運動無需外部連接；（4）具有良好的負載平衡能力；（5）具有較大的扭矩輸出（壓強21 MPa時，輸出扭矩34 000 N·m）；（6）到位無沖擊；（7）無外漏。

對于6.5m寬天線口徑，采用單支撐點進行翻轉傳動和鎖定不易于保證上陣面的剛度，故采用雙機構驅動翻轉天線上陣面。但是單獨一套具有足夠的能力和強度在各種惡劣氣候條件下支撐天線停在任意角度。當某一個驅動機構突然失效，系統具有足夠的安全性確保天線不損壞。

液壓控制系統構成和工作原理如圖1所示。天線下陣面用鉸接方式固定于轉盤上，而上陣面則在驅動機構的帶動下圍繞一個固定的轉軸旋轉，實現天線的展開/折疊。系統采用雙套驅動機構可以使天線在展開/折疊的時候受力均勻，并且可以在一個驅動系統傳動出故障時確保天線上陣面不致跌落。

2.3 液壓控制系統

天線展開/折疊液壓控制系統[5]原理圖如圖2所示。為保證系統功能的實現，采用電機驅動油泵作液壓系統的動力源，在液壓控制系統中采用了換向閥、調速閥、單向閥、溢流閥、平衡閥、防爆閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓回轉缸輸出軸的正反轉，從而控制天線上陣面的展開與折疊；調速閥用于調整油缸運動速度；單向閥用于防止系統長期不工作時油缸和管路中液壓油的回流；溢流閥用于控制整個系統的壓力；平衡閥用于保證平衡重力和風載，防止油缸超速下行，保證油缸運動平穩可靠；防爆閥用于防止當系統管路突然失效時天線上陣面不發生跌落失效；壓力表用于檢測管路油壓。

圖2 液壓控制系統原理圖

2.4 伺服控制系統

伺服控制系統[6]最關鍵的要求是雙驅動機構的同步問題，天線定位精度和重復定位精度的問題實際上已轉化為機械問題。驅動控制系統只要解決好油缸同步，以PLC為中心的控制系統構成原理如圖3所示。PLC含有I/Q開關量模塊、AI/AQ模擬量模塊。圖3中各個單元功能如下：

（1）折疊機構。通過換向閥的切換和平衡閥的共同作用使折疊機構同步正反轉，共同實現天線上陣面的展開和收攏。

（2）控制器。液壓控制系統換向閥的驅動裝置。控制信號來源于PLC控制器[7]。

（3）PLC控制器。系統的核心控制單元，所有控制指令都是從這里發出去的，各種反饋信號也都回到這里，使各個物理量的控制構成多個相對獨立的閉環系統。

（4）接近開關。用于檢測天線和定位機構所處物理狀態。

對于兩折疊機構同步，它就是油缸輸出軸轉速的同步問題。在該系統中采用平衡閥來實現雙折疊機構的實時同步。天線上陣面的設備布局是左右嚴格對稱，折疊機構的布局也是左右嚴格對稱，這就基本保證了兩折疊機構的負載是基本相等的，因而在此條件下采用平衡閥來保證兩油缸的實時同步是可行的。當兩折疊機構出現不同步時，因天線上陣面的剛性會使兩油缸的負載發生明顯變化，此時平衡閥發生作用，使負載小的油缸進油量大于負載大油缸，從而使兩油缸負載基本平衡，輸出軸轉速達到一致。經過多次天線展開/折疊試驗，對于負載對稱的該天線系統采用平衡閥來實現雙油缸同步是成功可靠的。

2.5 定位與鎖定

天線上陣面的定位，在上下陣面的結合部位安裝如圖4所示的4對定位銷，并與翻轉機構配對使用，實現翻轉、定位和鎖定三位一體[8]。由圖4可知，翻轉機構與定位銷已限定了天線上陣面的X、Y、Z、X旋轉和Y旋轉5個自由度，只留下了Z軸順時針旋轉這一個自由度。只要再限制Z軸順時針旋轉這個自由度即可實現重復定位。在上陣面接近預定位置時精確設定翻轉機構的輸出行程，使上陣面與下陣面通過定位銷結合后定位端面保持預定的正壓力并鎖定傳動軸。這個正壓力可以使傳動齒輪消隙實現具有風負載條件下的定位鎖定剛度，同時也約束了Z軸順時針旋轉自由度，從而保證就保證了整個天線陣面的重復面精度。

圖3 天線伺服控制系統的控制框圖

圖4 上陣面的重復定位原理示意圖

天線上陣面的鎖定，對于該天線上陣面到位不再需要另加鎖定機構，直接由天線上陣面的自重和回轉液壓缸自身的特性就可以實現有效可靠的鎖定。天線系統的實物照片如圖5和圖6所示。

3 安全性、可靠性設計

該天線的安全性集中表現在天線展開/折疊系統上。對于如此大型天線的展開/折疊，安全性的問題尤為突出[9]。為此采取了如下措施：

（1）采用雙驅動機構。當一個驅動機構出現損壞，另外一個驅動機構可以把天線停在任意位置，并且允許把損壞的驅動機構完全拆除。

（2）設置防爆閥保護。在油缸的2個油口全都裝了防爆閥，所以系統在天線處任意位置出現破壞性失效時，天線都會鎖定在相應的位置，不會產生跌落現象。

（3）設置溢流閥保護。液壓控制系統壓力超過額定值時系統自動停止，不會損壞天線。

（4）采用疊加閥。閥集成設計，減少連接管路，減少管路連接故障。

（5）采取軟件互鎖。在控制軟件中設置互鎖，保證只有在正常的狀態下才可以進行相關的下一步操作，不可跨步操作，從而可以防止誤操作以保護天線安全。

4 系統解決的關鍵技術

該液壓展開/折疊系統解決了以下關鍵技術：

（1）天線上陣面的自動展開與收攏。采用液壓回轉缸作驅動元件來實現天線上陣面展開與收攏，系統簡單，動作可靠穩定，機構精巧。

（2）天線上陣面的自動定位和重復定位。采用4組定位銷與翻轉機構共同來實現天線上陣面的自動定位與重復定位，結構簡單、經典、可靠，重復精度高。

（3）天線上陣面的自動鎖定。通過對天線上陣面受力分析及液壓回轉缸特性的了解，天線上陣面的自動鎖定不需額外的鎖定機構，整個系統簡單又可靠。

（4）天線骨架與翻轉機構一體化設計。經過優化設計，把翻轉機構有機地融合于天線骨架內，既實現規定載荷下的天線的剛、強度[10]，又實現了天線的展開/折疊的功能。

圖5 天線展開狀態

圖6 天線折疊狀態

（5）驅動、控制系統的軟硬件設計。采用經典的控制系統和可靠成熟的元器件，保證了控制系統的可靠性和系統的安全性，具有高可靠、抗干擾能力強、能運行于惡劣環境和強大的功能指令集等特點；

（6）系統適用性、可維性、可靠性和安全性設計。

5 結束語

經過大量的實踐，液壓式大面天線自動展開/折疊系統實現了以下功能：天線自動展開、折疊，雙機同步，驅動機構過載自動保護，驅動機構掉電時防天線跌落保護，天線自動鎖定、解鎖等功能。該系統成功地把執行機構和鎖定機構進行了一體化設計，具有體積小、質量輕、可靠性高、無級調速、雙機同步、系統掉電后可長期鎖定等特點；具有加工、維修簡單，環境適應能力好、成本低等優點。該系統成功實現公路、鐵路運輸，成功地做了大量的可靠性試驗并已交付部隊使用，證明該系統達到設計要求、安全可靠。

[1]陳建平.大陣面天線自動展開／折疊設計與系統實現[J].現代電子，2002，79（2）：46-50.

[2]程輝明，許統融.地面高機動雷達集成化設計技術[J].電子機械工程，2005，21（3）：22-23.

[3]張增太.機動式3D雷達結構總體設計探討[J].電子機械工程，2004，20（5）：11-13.

[4]孟憲源.現代機構手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]張利平.液壓控制系統及設計[M].北京：化學工業出版社，2006.

[6]胡佑德.伺服系統原理與設計[M].北京：北京理工大學出版社，1995.

[7]宋德玉.可編程序控制器原理及應用系統設計技術[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[8]張潤逵.雷達結構和工藝[M].北京：電子工業出版社，2007.

[9]戚仁欣.雷達天線結構設計的安全設計和安全操作[J].現代電子，2004，81（4）：48-51.

[10]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.