用于雷達大功率轉動傳輸的電纜轉繞裝置

劉文科，鄭傳榮，趙克俊，鄧書山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

A Turn-around Device for Large Power Transmission During the Radar Rotation

LIU Wenke, ZHENG Chuanrong, ZHAO Kejun, DENG Shushan

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

用于雷達大功率轉動傳輸的電纜轉繞裝置

劉文科，鄭傳榮，趙克俊，鄧書山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

A Turn-around Device for Large Power Transmission During the Radar Rotation

LIU Wenke, ZHENG Chuanrong, ZHAO Kejun, DENG Shushan

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

摘要：介紹電纜轉繞裝置的功能和結構組成；分析電纜轉繞裝置的特點：與匯流環相比，電纜轉繞裝置結構簡單、重量較輕、安裝方便，同時具有低維護性和良好的環境適應性；針對某大型雷達產品進行了電纜轉繞裝置結構設計；通過電纜載流試驗證明了采用電纜轉繞裝置實現大功率轉動傳輸的可行性。

關鍵詞：轉繞裝置；拖鏈；電纜；載流試驗

中圖分類號：TN911. 7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0050-03

收稿日期：2015-04-17

基金項目：國防技術基礎計劃資助項目(Z312012B001)

作者簡介：杜勇(1986-)，男，安徽合肥人，工程師，博士，主要從事雷達機電傳動結構設計。 劉文科(1986-)，男，河南安陽人，工程師，博士，主要研究方向為特種機電技術。

Abstract：The function and structure of the cable turn-around device are introduced. The features of the cable turn-round device are analyzed. Compared with the slip ring, the cable turn-round device has a simpler structure, is more lightweight, is easier to install and maintain, and has better adaptability to the environment. A cable turn-round device was designed for a large radar product. The feasibility of the power transmission was demonstrated though the current load tests by using the cable turn-round device.

Key words：turn-around device;towline;cable;current load test

0引言

雷達是現代軍事戰爭中的重要電子設備，其任務是探測、發現和跟蹤敵方目標。隨著雷達技術體制的不斷更新和發展，現代雷達逐漸開始采用相位掃描代替傳統的機械掃描工作方式，但是很多雷達其實仍會有一定角度的機械方位轉動要求，即雷達地面設備與天線陣面設備之間仍然需要在一定角度范圍內有相對轉動。而以往雷達工作過程中，地面轉臺設備與天線陣面設備之間電源和信號的轉動傳輸主要靠匯流環來實現[1-3]。

由于現代雷達逐漸向大陣面、大數據發展，因而對雷達傳輸功率的要求越來越高，某些大型雷達功率可達到兆瓦級。同時，出于轉臺內空間限制和制造成本因素的考慮，采用傳統的匯流環進行傳輸已經不太適合。

針對這種情況，提出采用一種新型的電纜轉繞裝置，闡述了其工作原理、結構組成及特點，并舉出產品設計實例，對于今后類似的雷達產品設計具有一定的參考意義。

1電纜轉繞裝置功能與組成

作為旋轉組合傳輸裝置的一種新型結構形式，電纜轉繞裝置主要由拖鏈、電纜、軸承內軸、外筒及其他附件所組成。其中，電纜放置在拖鏈內，拖鏈兩端則分別固定在內軸和外筒上，內軸和外筒一個可固定，一個可轉動，在工作過程中帶動拖鏈以一定軌跡移動，從而可實現在雷達固定設備與轉動設備之間的電源和信號等的轉動傳輸功能要求，其功能如圖1所示。

圖1　電纜轉繞裝置結構及功能示意圖

拖鏈是電纜轉繞裝置的重要部分，作為電纜移動應用的標準部件，目前已在生產設備、機器人和加工機器等諸多場合得到廣泛應用[4]。拖鏈的作用主要是導引和保護電纜。一根拖鏈由眾多的單元鏈節連接而成，各單元鏈節之間可在一定角度內相對轉動。單元鏈節由鏈板、支撐板和連接件等組成。目前拖鏈的材質主要有工程塑料和不銹鋼材料2種。相比較而言，工程塑料拖鏈質量較輕，經濟成本低，且便于裝配穿線以及后期調整維修。拖鏈的尺寸規格多種多樣，可根據電纜轉繞裝置的實際需求進行選擇。

2電纜轉繞裝置特征分析

與傳統的匯流環結構形式相比，電纜轉繞裝置具有一些較顯著的優點：

a.結構簡單，重量較輕，制造成本相對較低。

b.可實現相對較大的功率傳輸，后期增加電纜、光纜等簡單方便。

c.對電纜無嚴格要求，柔韌性較好的電纜即可，可多根排列；針對實際所需要的電纜外徑、數量、彎曲半徑等參數選用不同尺寸規格的拖鏈[5]。

d.電纜安裝方便靈活，維修更換簡單。拖鏈鏈節采用標準模塊化設計，鏈節結構一體化，使用一根螺絲刀即可實現對其安裝和拆卸。

e.良好的環境適應性和較低的維護性。

但是，電纜轉繞裝置也有其自身的一些局限性，例如由于受空間限制，對電纜彎曲半徑有一定要求，而且只能在一定角度范圍轉動或移動，無法實現整周連續轉動傳輸，因此電纜轉繞裝置主要適用于對結構不太緊湊、僅需在一定角度范圍轉動的場合。

3電纜轉繞裝置結構設計

3.1　技術要求

某大型相控陣雷達需傳輸的電源功率較大，達到4 MW，同時還有部分光信號和控制信號的傳輸。因此，電纜總數量較多，可達120多根。天線轉臺內空間尺寸為4 m(直徑)×2 m(高度)。雷達在工作過程中，天線陣面不需要整周連續旋轉，僅在-190°～ +190°的角度范圍內實現方位轉動。

3.2　結構設計

考慮雷達的大功率、大尺寸及一定角度范圍轉動的技術要求，采用電纜轉繞裝置的結構形式較為合適。電纜轉繞裝置主要由拖鏈、電纜、外筒、內軸、軸承等零部件組成。根據電纜數量和尺寸大致確定拖鏈寬度和高度，雷達天線座旋轉行程和外筒、內軸尺寸則決定了拖鏈彎曲半徑、工作位置和電纜長度等相關參數。整個電纜轉繞裝置的結構尺寸由此可最終確定。電纜轉繞裝置在-190°、0°和+190°典型工作位置如圖2所示。

圖2　電纜轉繞裝置工作位置

拖鏈內電纜的空間排布也是雷達電纜轉繞裝置的設計重點，涉及到動力學和傳熱學等多個方面。一般遵循的原則是根據電纜直徑和重量進行排布，直徑大、重量重的盡量排在下部，直徑小、重量輕的排在上部。保證機構在轉動時重心較穩，不會出現晃動、側翻等現象。另外，由于電源電纜數量多，發熱量較大，在排布時可增加分隔片，使電纜之間保持一定的間距，這樣既有利于及時散熱，提高電纜系統的使用壽命，又避免了線纜之間相互纏繞可能造成的電纜損壞[6]。該產品中，一組電纜轉繞裝置包括2根拖鏈。單根拖鏈內電纜截面排布示意如圖3所示。

圖3　拖鏈內電纜排布位置

3.3　電纜載流試驗

3.3.1　試驗條件

為了掌握電纜在工作電流條件下的溫升情況，對電纜轉繞裝置中的所有電纜進行電流加載試驗[7-8]。試驗在電流加載試驗系統上進行。試驗加載的電流為250 A。采用熱電偶分別對電纜溫度進行測試。選取了包括外部環境在內的7個采集點位置進行測試，如圖4所示。測試記錄時間間隔為10 min。

圖4　電流加載試驗溫升測試

3.3.2　試驗結果與分析

電纜的溫度變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，當加載時間為從0～50 min時，電纜溫度急劇上升；隨著時間的增加，電纜溫升幅度逐漸減小；當加載時間到達100 min左右，電纜溫度變化不明顯，溫升已趨于穩定。這是因為：剛開始時，電纜自身的發熱量較大而向外界的傳導熱量很小，故溫升較快；而隨著時間的增加，電纜自身的發熱量盡管也大于向外界的傳導熱量，但差距逐漸減小；最后，電纜自身的發熱量與向外界的傳導熱量基本達到平衡，因而溫升也趨于穩定。

圖5　電纜溫度變化曲線

測試結果表明：拖鏈外電纜比拖鏈中電纜溫度低，這是因為電纜在拖鏈外，散熱條件更好；同理在拖鏈中，電纜線束中的溫度與單根電纜的溫度也不相同，線束中的溫度更高，且電纜排布越密集的地方溫度越高；此外，電纜芯線溫度則明顯比電纜表面溫度要高，當加載250 A電流時，120 min溫度穩定后的電纜芯線溫度為58.2 ℃，其溫升為32.0 ℃，此條件能夠滿足雷達環境使用要求，同時對周圍環境也基本無影響。

4結束語

電纜轉繞裝置可完成在雷達地面設備與天線陣面設備轉動部分的大功率電源和光信號、控制信號等的轉動傳輸功能要求。與匯流環相比，電纜轉繞裝置具有結構簡單、重量較輕、安裝方便、低維護性和環境適應性好等特點。設計及試驗結果表明，采用電纜轉繞裝置來實現雷達的大功率轉動傳輸是切實可行的。

參考文獻：

[1]吳鳳高. 天線座結構設計[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1986.

[2]張武. 匯流環接觸問題分析[J]. 火控雷達技術，2009，38(3):78-82.

[3]李坤芝. 導電滑環技術研究[J]. 艦船科學技術，1994(5):56-58.

[4]李斌貴. 國外拖鏈供電技術簡介[J]. 建筑機械，2005(4):89-91.

[5]于麗萍，徐增強，郭強. 海洋平臺電纜移動裝置設計[J]. 裝備制造技術，2012(11):138-140.

[6]鄧書山，趙克俊，康成彬，等.某雷達電纜轉繞裝置設計及溫度測試分析[J]. 科技資訊，2014(16):123-124.

[7]范玉軍，張書鴻，何光華. 電力電纜載流量試驗的溫度測量方法研究[J]. 電力設備，2007，8(9):12-15.

[8]鄭雁翎，王寧，李洪杰，等. 電力電纜載流量計算的研究與發展[J]. 電線電纜，2010(2)：5-9.