某艦載伺服轉臺動力學仿真分析

黃 興，蔡 瀟，閆秀峰

(1.海軍駐上海地區電子設備代表室，上海 201800;2.中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

伺服轉臺是雷達系統中極其重要的組成部分，它是支撐天饋系統、伺服驅動裝置、機電參數轉換單元的主體基座，是承受靜載、動載(振動、沖擊等)的關鍵基礎構件。轉臺的設計和制造對雷達系統的精度、可靠性、加工周期和成本影響都很大。未來隨著通信技術和雷達性能的不斷發展，小型化、響應快、精度高、環境適應性強將是今后轉臺的主要發展趨勢。本文所述轉臺為某艦載設備。其工作環境惡劣，機械性能以及密封性要求都較高。設計時主要從整體結構布局、關鍵結構件材料、工藝處理、裝配等方面入手，同時采用有限元分析方法，對轉臺的剛度、強度進行有限元仿真分析，這樣既縮短了轉臺設計周期，也大大提高了轉臺的經濟性。

1 結構設計

1.1 轉臺使用要求

該伺服轉臺首先要實現方位和俯仰二維的指向、掃描功能，同時需滿足艦載環境條件。 在工作狀態，轉臺方位可實現360°連續掃描，俯仰在-20°～+15°范圍內連續扇掃。其中方位轉動最大角速度為90°/s，俯仰轉動最大角速度為20°/s，方位、俯仰轉動角加速度均為70°/s2。抗風能力：≤35 m/s，正常工作；≤45 m/s，不損壞。

1.2 轉臺結構形式

根據該轉臺的安裝空間采用了立軸式結構。該種型式可充分利用軸向尺寸以彌補徑向尺寸的不足，且結構緊湊，維修方便。

轉臺分為方位、俯仰兩部分。方位的傳動形式為標準直齒輪二級傳動。方位傳動立軸通過一對圓柱滾子軸承分別與底座和上蓋連接，傳動軸靠近底座一端安裝有方位測角裝置和匯流環，另一端與俯仰支架相連。

由于俯仰轉速較低，且傳動精度要求不高，因此俯仰的傳動形式采用平面連桿機構，該機構形狀簡單，加工方便，同時能承受較大的沖擊力[1]，主要由底板、俯仰支架、俯仰平板、橫軸等組成，通過俯仰驅動系統實現運動。轉臺的結構示意如圖1所示。

圖1 轉臺結構示意圖

1.3 轉臺結構特性

針對轉臺的指標要求及使用條件，在結構設計和工藝方法選擇上，側重保證轉臺以下結構特性，并針對此類特性，采取相應措施。轉臺的結構特性如下：

(1) 轉臺整體機械性能好

在設計時，根據指標要求，針對轉臺中的重要結構件，如方位底座、俯仰支架、底板等均采取整體融模鑄造的工藝模式。相比拼焊的結構方式，該種工藝技術剛度更好，變形小。方位傳動齒輪副的齒面均進行高頻淬火處理，硬度為HRC47～52。同時齒邊研磨，降低傳動時的振動和噪聲。俯仰部分結構設計成封閉框架型式，以便提高系統整體剛度。

(2) 方位、俯仰傳動鏈路誤差小

從設計、加工和裝配3個環節進行誤差控制。

在設計過程，對轉臺上重要零部件的配合尺寸、形位公差、表面粗糙度都做了詳細要求：如齒輪孔的直徑、鍵槽的寬度等公差需控制在0.003 mm之內；齒輪、齒坯兩端面平行度需控制在0.01 mm；在加工過程，對有關聯尺寸的零部件均需設定同一加工基準；在裝配過程，統一安裝基準。

(3) 防腐蝕能力強

由于轉臺在海上工作時要受到鹽霧、霉菌、海浪的影響，因此其防水、防潮、防腐的能力要高。在設計時，所有旋轉軸輸出端均采用旋轉軸封與端面密封相結合的密封方式；對于受海浪沖擊部位，采用迷宮或者二重、三重防護的措施；對于容易積水的密閉空間，增開落水孔和導流槽；防護蓋板邊緣處均設置包圍臺階，設置迷宮防護； 同時，暴露在外的元器件均選用IP65以上的防水等級。

2 仿真分析

對轉臺的仿真分析主要從2個維度展開：剛度和強度。

針對轉臺剛度，主要采用模態仿真分析法，找出系統的最低固有頻率和相應振型。通過分析頻率數值和振型模式，找出影響轉臺剛度的薄弱環節。針對轉臺強度，主要選取艦載時最大沖擊加速度進行加載分析，求出最大應力點。

在將轉臺的物理模型轉化為有限元模型時，要對轉臺中的特殊構件做相應的等效處理。方位、俯仰驅動系統的等效主要依據轉動慣量動能等效和剛度勢能等效的原則[2]，對于電機中的定子和轉子、軸承的內圈和外圈，均可依此原則進行等效。通過上述等效處理，可對轉臺裝配體進行建模、網格劃分等操作[3]。該有限元模型共含有節點21 000個，實體單元8 500個，殼單元1 300個，桿單元120個，連接單元1 175個。模型如圖2所示。

圖2 轉臺有限元模型

2.1 模態及振型分析仿真

由于轉臺為立軸式，且重心位置位于安裝面的上部，因此，保證轉臺俯仰的剛度尤為重要，模態分析的對象為俯仰的結構形式。為便于找出剛度中的薄弱環節，采取逐級模態分析法，先分析俯仰底板，再分析俯仰整體平面機構。

由于是艦載設備，且該轉臺安裝于低頻區，因此模態分析只考察前4階頻率。

2.1.1 底板模態及振型

一階模態頻率點114 Hz，振型為底板上下擺動；二階模態頻率點259 Hz，振型為底板左右擺動。其振型示意如圖3所示。

三階模態頻率點306 Hz，底板前后扭擺；四階模態頻率點409 Hz，底板整體上下擺動。其振型如圖4所示。

圖3 一階、二階模態振型示意圖

圖4 三階、四階模態振型示意圖

2.1.2 平面連桿機構模態及振型

平面連桿機構模態振型示意圖如圖5和圖6所示。一階模態頻率點114 Hz，振型為底板上下擺動；二階模態頻率點257 Hz，振型為底板左右擺動；三階模態頻率點296 Hz，振型為平面連桿機構前后扭擺；四階模態頻率點406 Hz，振型為橫軸扭擺。

仿真分析結論：不管是對單個零件還是結構整體進行分析，前幾階頻率激起部位均為俯仰支架的底板，說明底板剛度較差，在系統整體可能引起結構局部諧振； 系統整體低階頻率較高，這是由于該天線座尺寸較小，結構緊湊，對低階頻率不敏感，因此作為艦載設備，由于其固有頻率與激勵頻率是幾倍頻的關系，因此系統剛度能滿足要求。

3 沖擊仿真

根據艦載沖擊條件，結合轉臺安裝部位，對轉臺進行30g的沖擊加載，加載后應力云圖如圖7所示。

圖5 連桿機構一階、二階模態振型示意圖

圖6 連桿機構三階、四階模態振型示意圖

圖7 沖擊應力云圖

由仿真分析結果可知：最大應力位于圖中A處，即為底板與小支架的連接處，大小為70.7 MPa≤鑄鋁的屈服應力(150 Mpa)，在沖擊作用下，俯仰支架底板開孔兩側有相對擺動的趨勢，且布置驅動系統一側其擺動幅度較大；小支架與底板連接處剛度、強度均單薄，且連接面較小再加之底板的片狀結構使得整體框架剛度和穩定性較差。為此，做如下改進措施：

(1) 底板變為框架結構，在側面設計加強筋；

(2) 小支架底座加大，增加固定孔。

4 結束語

用有限元的方法對系統進行動、靜力學分析是目前求解力學問題的主要方法，本文結合實際工作，對某艦載伺服轉臺進行了結構動力學分析，求解了其模態和振型，并模擬了在30g的沖擊加速度作用下俯仰部分的受力情況，并針對仿真結果，對結構形式進行了優化改進。目前，該轉臺已隨項目進行了較長時間的海上試驗，運行狀況良好。