某機載雷達天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

顧立彬

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710068）

天線座是支撐天線和安裝饋線、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及機電參數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的主題基座，是承受靜力、動力及振動等負荷的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件[1]。機載天線座的一般要求為：應(yīng)具有較高的軸系誤差；運動應(yīng)平穩(wěn)可靠及數(shù)據(jù)傳動誤差小；應(yīng)有足夠的驅(qū)動能力及足夠高的第一階機械諧振頻率；應(yīng)具有盡可能輕的摩擦和盡可能小的齒隙；重量應(yīng)足夠輕。

該天線座安裝于某大型空中平臺，用于隔離載體運動帶來的擾動影響，實時調(diào)整天線指向，對準目標，從而為機載平臺與目標間建立連續(xù)、可靠的定向通信鏈路。

1 天線座主要性能及指標

（1）天線最大工作范圍：方位：360°連續(xù)；俯仰：-20°～80°。

（2）最大轉(zhuǎn)動角速度：方位90°/s，俯仰40°/s。

（3）最大角加速度：方位60°/s2，俯仰40°/s2。

（4）溫度要求：儲存為-55～70℃；工作為-55～55℃。

（5）加速度要求：6.75g（g為重力加速度）。

2 天線座總體設(shè)計

根據(jù)機載雷達天線座性能指標要求，采用小型化、輕型化的俯仰-方位型天線座形式，其主要由方位支座、方位滑環(huán)、四點接觸球軸承、杯形件、左右支臂、俯仰軸、關(guān)節(jié)組件以及安全保護裝置等組成。如圖1所示，天線方位支座上安裝有電機控制模塊和驅(qū)動模塊，方位轉(zhuǎn)臺上安裝有雙工器模塊、和差通道接收組件模塊、陀螺等。

方位傳動采用直流力矩電動機直接套軸傳動形式，方位旋變也是直接套軸安裝使用。俯仰傳動采用直流力矩電動機驅(qū)動諧波減速器傳動形式，俯仰旋變直接套軸安裝使用。

圖1 機載天線座結(jié)構(gòu)

2.1 天線座載荷分析

天線座承受的載荷主要有慣性載荷、摩擦載荷和不平衡力矩等。下面對天線座方位傳動和俯仰傳動所承受的主要載荷進行計算，然后用相加和均方根的方法分別計算出方位軸及俯仰軸上所承受的負載力矩。

2.1.1 方位傳動所受載荷分析

（1）方位傳動所受慣性載荷的分析計算。通過理論分析計算，方位轉(zhuǎn)動部分折合到方位軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：J方位≈ 0.29kg·m2。

方位最大角加速度為：εmax=1.047rad/s2。

方位軸上的慣性載荷為：Mj方位=J方位·εmax≈0.3 N·m。

（2）方位傳動所受摩擦載荷的分析計算。方位傳動所受摩擦載荷包括方位軸承的摩擦力矩和匯流環(huán)的摩擦力矩兩部分[2]。方位軸承滾道內(nèi)填充潤滑脂（7015），其摩擦轉(zhuǎn)矩約為0.8N·m；匯流環(huán)的摩擦轉(zhuǎn)矩約為1N·m。故方位部分摩擦載荷為：Mf方位≈1.8N·m。

（3）不平橫力矩分析計算。通過模型設(shè)計和分析得方位轉(zhuǎn)動部分：L偏心距≈24.2mm，m轉(zhuǎn)動≈14.2kg。預(yù)估機載平臺的姿態(tài)角度α約為20°。

不平衡力矩：Ml方位=m轉(zhuǎn)動·g·L偏心距·sinα ≈ 1.2N·m。

綜上所述，方位傳動所受載荷約為：

2.1.2 俯仰傳動所受載荷分析

（1）俯仰軸上所受的慣性載荷。通過理論分析和預(yù)估，俯仰轉(zhuǎn)動部分折合到俯仰軸上的總轉(zhuǎn)動慣量大概為：J俯仰=0.038kg·m2。俯仰最大角加速度：εmax=0.698rad/s2。俯仰軸上慣性載荷：Mj俯仰＝J俯仰·εmax≈0.027N·m

（2）俯仰傳動所受的摩擦載荷。俯仰部分的摩擦力矩包括諧波減速器的摩擦轉(zhuǎn)矩和俯仰關(guān)節(jié)的摩擦力矩，通過理論分析與實際類比，取最大摩擦力矩Mf俯仰≈0.5N·m。

（3）不平橫力矩分析計算。通過模型設(shè)計和分析得俯仰轉(zhuǎn)動部分距俯仰軸：LX偏心距≈37.9mm，m轉(zhuǎn)動≈4.8kg。

不平衡力矩：Ml俯仰= m轉(zhuǎn)動·g·LX偏心距≈ 1.78N·m。

綜上所述，俯仰傳動所受載荷約為：

2.1.3 電機選型

根據(jù)上面分析與計算，選用的電機和減速器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電機相關(guān)參數(shù)

表2 減速器相關(guān)參數(shù)

2.2 軸系誤差分析

方位-俯仰型天線座的軸系誤差主要包括方位軸與俯仰軸的不正交性、水平調(diào)整剩余誤差和電軸與俯仰軸的不垂直性三種，后兩種都可以通過工藝方法進行調(diào)整[3]。本文主要介紹方位軸與俯仰軸的不正交性，其影響因素主要有以下幾個方面：左/右支臂安裝孔中心線距底面尺寸公差引起的不垂直度誤差：俯仰軸承（諧波減速器和俯仰關(guān)節(jié)內(nèi)的軸承）徑向跳動引起的不垂直度誤差；方位軸承軸向跳動引起的不垂直度誤差；方位杯型件兩個安裝面的平行度引起的不垂直度誤差。

不正交誤差計算公式：

式中，δ為高度差；L為跨度。

通過均方根方法綜合以上四種誤差，得出所能達到的不垂直度誤差為：

3 主要結(jié)構(gòu)件的仿真分析

3.1 力學(xué)分析

該天線座的主要受力部件為方位支座、杯形件、左右支臂等，用NX軟件建立了其結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的有限元模型[4]。模型中所有物理量的單位均采用國際單位制（kg、m、s）。本文只對方位支座進行受力分析。

模型中采用3D四面體網(wǎng)絡(luò)對方位支座和杯形件進行網(wǎng)絡(luò)劃分，材料選用鑄造鋁合金ZL101A-T6。

圖2 力學(xué)分析云圖

方位支座在底面施加固定約束，在方位軸承面上施加固定力載荷813.6N，添加重力加速度為9.8m/s2，得到方位支座的應(yīng)變和應(yīng)力，如圖2所示，最大應(yīng)變約為0.032mm，最大應(yīng)力約為10.2MPa，滿足設(shè)計要求。

3.2 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮動態(tài)因素的影響，振動分析愈顯重要。振動要解決的問題主要有兩個：一是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型；二是分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型只與結(jié)構(gòu)的剛度特性和質(zhì)量分布有關(guān)[5]。本文采用NX軟件對機載天線座進行模態(tài)分析，得出其固有頻率和振型，如表3、圖3所示，其符合設(shè)計要求。

表3 機載天線座的模態(tài)分析數(shù)據(jù)

圖3 一階二階陣型圖

4 結(jié)語

本文首先介紹了機載天線座設(shè)計中的一般要求，然后根據(jù)該天線座具體性能指標，進行天線座整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且進行載荷分析和軸系誤差分析。最后對典型結(jié)構(gòu)件進行了力學(xué)分析和天線座模態(tài)分析，其數(shù)值均滿足設(shè)計要求，取得了預(yù)期的設(shè)計效果。