彈簧平衡裝置在天饋伺服系統中的應用

黃瓊瓊

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林541001）

彈簧平衡裝置在天饋伺服系統中的應用

黃瓊瓊

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林541001）

天饋伺服系統廣泛應用于通信、雷達導航和電子對抗等領域，能在環境條件極為惡劣的野外工作，由于其工作的特點，對負載的平衡也提出了越來越高的要求，文章以海用搖擺臺為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應用，為天饋伺服系統的設計提供了新的設計理念。

彈簧平衡裝置；天饋系統；負載配重

1 引言

天饋伺服系統在輻射和接收電磁波的無線電設備中應用非常廣泛，主要用于通信、雷達、電子對抗、天文、氣象、航海、航空和國防等相關領域。隨著近代科學技術的飛速發展，特別是車載、艦載和機載雷達裝備的需要，對雷達天饋伺服系統提出了越來越高的要求。它不僅要滿足電性能指標的要求，而且還要滿足機械性能指標的要求，同時對天饋伺服系統的體積和重量也提出了越來越高的要求。目前國內的各種伺服平臺均采用配重塊對負載進行平衡，但這種平衡方式存在平衡范圍窄、調整困難以及造成伺服平臺重量增大等缺點，同時由于增加了轉動部分的重量，因此造成負載轉動慣量，驅動系統，以及整個天饋伺服系統的結構和重量也隨著急劇增大。例如對于驅動 120kg負載的天饋伺服系統，其總重量大約在2000～3000kg不等，而隨著負載的不斷增加，配重塊的安裝越發困難，由于負載的重心通常距轉軸較遠，為達到平衡，配重塊的重量通常為負載重量的2～4倍。鑒于此，有必要采用一種新的負載平衡的方式對負載進行平衡。下面以海用搖擺臺為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應用。

2 搖擺臺的結構型式

搖擺臺是用于艦船上的穩定平臺，搖擺臺的負載通常為各種類型的天線，是一種典型的天饋伺服系統。采用彈簧平衡裝置，可為搖擺臺提供一種為多運動載體進行單自由度搖擺、雙自由度復合搖擺下的自動平衡。同時采用多級組合彈簧平衡方式對大負載在轉角范圍內的任意角度的重力矩，慣性力矩進行平衡，其平衡負載范圍大，操作簡單，使用維護方便，體積小，重量輕。由于轉動部分的重量比采用配重平衡方式的大大減輕，因此負載力矩小，極大地減輕了搖擺臺的整機重量和體積，具有很高的性價比。同樣對于驅動120kg負載的天饋伺服系統，搖擺臺的總重量僅有500kg。搖擺臺結構如圖1所示。

圖1　搖擺臺結構示意圖

3 彈簧平衡原理

用于搖擺臺的彈簧平衡裝置，它包括一級彈簧平衡裝置和二級彈簧平衡裝置，其中一級彈簧平衡裝置用于平衡內環的負載，二級彈簧平衡裝置用于平衡外環的負載。一級和二級彈簧平衡裝置均采用組合彈簧的形式，平衡范圍大、調整簡單、工作可靠，通過調整彈簧的壓縮量，可實現負載在轉角范圍內任意角度下彈簧力矩與重力矩相等，而一級和二級彈簧平衡裝置的總重量只有40kg，一級彈簧平衡裝置結構如圖2所示，二級彈簧平衡裝置結構如圖3所示。

圖2　一級彈簧平衡結構示意圖

圖3　二級彈簧平衡結構示意圖

一級彈簧平衡裝置和二級彈簧平衡裝置原理相同，均包括連接桿、彈簧筒、可調節螺套、萬向球鉸鏈、鎖緊螺套、內彈簧和外彈簧。內、外彈簧套在連接桿上，連接桿伸出彈簧筒的一端通過可調節螺套與萬向球鉸鏈連接，萬向球鉸鏈通過傳動軸與曲柄連接；而連接桿的另一端，安裝鎖緊螺套，通過調整鎖緊螺套，可以調整內、外彈簧的壓縮量，從而可對不同負載進行任意轉角范圍內的平衡。

4 彈簧平衡裝置的設計

4.1一級彈簧平衡裝置的設計

設負載重量W=125kg，負載重心距離內環軸心為540mm，內環平衡角度為20°。

根據結構空間位置，設OA=160mm，OB=341mm ，選定OB與X軸夾角為36°。一級彈簧平衡裝置的平衡簡圖如圖4所示。

圖4　一級彈簧平衡裝置的平衡簡圖

由圖4可確定彈簧的預壓縮量：S0= OB-OA = 181mm

當負載轉到25°時，彈簧的最大壓縮量為 Smax = A1B，根據余弦定律，

根據力矩平衡原理，確定彈簧剛度k：

由此可計算彈簧的最大工作載荷為：Pmax=k·Smax= 258kg。

由于彈簧剛度大，為了減小彈簧平衡裝置的空間尺寸，采用雙層組合彈簧，彈簧剛度為：k = k1+k2。

4.2二級彈簧平衡裝置的設計

設負載重量W=330kg，負載重心距離外環軸心為200mm，外環平衡角度為23°。

根據結構空間位置，設OA=150mm，OB=320mm ，選定OB與Z軸夾角為46°。二級彈簧平衡裝置的平衡簡圖如圖5所示。

圖5　二級彈簧平衡裝置的平衡簡圖

由圖5可確定彈簧的預壓縮量：S0=OB-OA=170mm

當負載轉到23°時，彈簧的最大壓縮量為 Smax=A1B，根據余弦定律，

根據力矩平衡原理，確定彈簧剛度k：

由此可計算彈簧的最大工作載荷為：Pmax=k·Smax= 264kg。

由于彈簧剛度大，為了減小彈簧平衡裝置的空間尺寸，采用雙層組合彈簧，彈簧剛度為：k=k1+k2。

5 結語

本文以海用搖擺臺為例，闡述了彈簧平衡裝置在其上的具體應用，說明了彈簧平衡的原理、方法和具體應用。采用組合彈簧的形式，可使平衡范圍更大、調整簡單、工作可靠，通過調整彈簧的壓縮量，可實現負載在轉角范圍內任意角度下彈簧力矩與重力矩相等。同時一級和二級彈簧平衡裝置的總重量只有 40kg，搖擺臺的總重量僅有 500kg。而在同等條件下，采用配重塊進行平衡的搖擺臺重量約2000kg，其優勢可見一斑。

目前已將這種理論運用于實際產品中，以其工作性能可靠、調整快捷而得到了用戶的好評。通過產品應用又進一步證實了理論分析的正確性。理論和實踐表明，將彈簧平衡裝置用于天饋伺服系統中的負載平衡，是一種新的設計途徑。

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The application of spring balancing device in antenna servo system

Antenna servo system which can work under extremely harsh field conditions is now widely applied in communication、navigation and EW（electronic warfare），etc. There’re increasing demands on load balance because of its work characteristics. This article, taking a sea balance platform for example,elaborates on the specific application of its spring balancing device, providing a new idea in design of antenna servo system.

Spring balancing device;antenna servo system;balance weight

TN95

A

1008-1151(2015)04-0069-02

2015-03-10

黃瓊瓊（1963-），女，重慶人，桂林長海發展有限責任公司高級工程師，主任設計師，研究生，從事天氣雷達、海用雷達和電子對抗領域相關產品的結構總師工作。