某大型雷達電纜轉繞裝置改進設計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

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[1]。絕大多數雷達工作過程中，其陣面轉動設備與地面固定設備之間需要實現電源和信號的轉動傳輸，一般通過采用匯流環完成。電纜轉繞裝置作為一種新型的轉動傳輸裝置，與匯流環相比具有結構簡單、拆裝方便、性價比高等優點，可用于某些非連續旋轉的場合[2]。

關于電纜轉繞裝置方面，文獻[3]介紹了拖鏈在國外供電技術上的一些應用。文獻[4]論述了某雷達電纜轉繞裝置的結構設計，并對其中電纜溫度變化進行了測試分析，但是該雷達電纜轉繞裝置主要用于天線陣面的俯仰方向轉動，轉動角度范圍不大(±90°)，實現相對容易；當轉動方向改變或轉動角度范圍變大時，電纜轉繞裝置的設計難度增大。

在此，針對某大型雷達電纜轉繞裝置在方位轉動調試過程中出現的故障進行原因分析，并開展電纜轉繞裝置的改進方案設計，提出相應的改進措施，最后通過相關試驗對改進方案進行實際驗證。

1 故障描述

某大型相控陣雷達要求方位轉動角度為±185°，傳輸功率達到4 MW。由于其并非連續旋轉，且傳輸功率特別高，若采用匯流環來實現陣面轉動設備和地面固定設備之間的電源和信號傳輸[5]，不僅設計制造過程復雜，而且后期維護成本高，因此綜合考慮采用電纜轉繞裝置方案。電纜轉繞裝置結構如圖1所示，其主要由中心筒、外筒、拖鏈、電纜以及內、外轉接板等組成。

圖1 電纜轉繞裝置結構示意

前期在進行電纜轉繞裝置調試時發現，由于存在拖鏈選型和設計安裝等問題，拖鏈在運行過程中出現故障，接頭附近鏈節發生變形，拖鏈內部的電源電纜出現破損，最終影響方位轉動角度的指標要求和系統安全性。具體表現為：前期的電纜轉繞裝置在轉動調試過程中發生故障，金屬拖鏈出現運行困難、軌道偏離現象；拖鏈接頭部位與中心軸之間連接脫離，產生嚴重彎曲變形，如圖2所示。

圖2 拖鏈變形及電纜破損

由于拖鏈產生變形，導致穿入的部分電源電纜表皮發生嚴重破損，存在漏電風險，影響整個雷達系統的安全性；由于電纜轉繞裝置發生故障，導致雷達方位轉臺無法按照技術要求實現相應的方位轉動，從而影響系統的繼續使用。

2 原因分析

針對以上問題故障進行原因分析，總體歸納為以下幾點。

a.原電纜轉繞裝置方案中采用的金屬拖鏈，其自身重量大，而拖鏈底部的滾輪尺寸較小；此外，由于缺乏定期潤滑維護，拖鏈鏈節之間轉動不靈活，導致拖鏈運行不暢。

b.原方案中的拖鏈支撐板用于實現電纜的分隔排布，其材料為金屬鋁板。當電纜轉繞裝置發生故障后，支撐板由于彎曲變形造成電纜表皮破損，存在較大的安全隱患。

c.原方案中拖鏈兩端的接頭與中心軸、外筒連接部位僅有上、下2組緊固連接，連接強度不足。當拖鏈運行時，由于連接部位受剪切力的作用導致接頭與中心軸、外筒脫離并產生變形。

d.由于原電纜轉繞裝置設計時未考慮保形措施，拖鏈在運行時軌跡發生偏離，具體表現為：隨著轉臺的轉動，與中心筒接觸的一段向外拱起，而與外筒接觸的一段向內側偏移，這2部分鏈節最終發生接觸，造成拖鏈運行受阻，發生卡死。

3 方案改進設計

基于上述分析情況，開展電纜轉繞裝置的改進方案設計，主要的改進措施如下。

a.更換拖鏈。采用工程塑料拖鏈，與金屬拖鏈相比，其優點是重量較輕，安裝靈活，非金屬材料的絕緣安全性好，不會因電纜表皮破損導致系統帶電。2種拖鏈實物對比如圖3所示。

圖4 拖鏈截面電纜排布

b.安裝分隔片。由于電纜數量比較多，排布比較密集，因此在拖鏈截面安裝多層分隔片，以保證電纜在拖鏈內部能夠分層均勻排布，如圖4所示。同時，由于分隔片為非金屬材質，絕緣性能好，且不會劃傷電纜，保證了拖鏈在運行過程中的系統安全性。

c.加強緊固連接。鑒于原方案中拖鏈緊固連接強度不足的問題，改進方案中在拖鏈兩端的接頭處各增加1組緊固連接，以保證連接更加牢固可靠。

d.內、外擋環設計。改進方案中，內、外擋環的作用是為了解決拖鏈在運行時的軌道偏離問題，保證拖鏈沿預定軌跡運行。內、外擋環均采用聚四氟乙烯材料，其耐磨性好，與塑料拖鏈接觸摩擦系數小，可有效減少磨損，保證拖鏈正常使用。內、外擋環安裝如圖5所示。

圖5 內、外擋環安裝示意

4 試驗驗證

4.1 方位轉動試驗

搭建試驗平臺，開展電纜轉繞裝置的方位轉動試驗。試驗時，外筒固定，內筒沿中心軸轉動。試驗結果表明：改進后的電纜轉繞裝置轉動過程平穩，轉動狀態良好，拖鏈運行軌跡正常，方位轉動角度能夠滿足技術要求。新電纜轉繞裝置轉動過程中在-185°，0°和+185°方位角度時的位置如圖6所示。

圖6 方位轉動角度位置示意

4.2 電流加載試驗

為了驗證拖鏈內所用的電源電纜的電流承載能力，進行大電流加載試驗[6]，如圖7所示。

圖7 模擬加載試驗設備

模擬加載試驗設備型號為HCT-50KVA/5000A，該模擬加載試驗設備是基于電磁感應原理進行，主要由試驗控制臺、電氣控制柜、開啟式穿心加熱變壓器、感應變壓器、電流互感器等組成。

本次試驗用的電纜為CF310.UL.1500.01電源電纜，其主要性能參數如表1所示。

表1 電源電纜主要性能參數

由于現場電源電纜正常工作時通過的電流在250 A左右，考慮到因電壓波動帶來的影響，加載電流分別選取250 A，300 A和350 A進行試驗。采用鉗形電流表對電源電纜通過的電流進行檢測，如圖8所示。

圖8 電纜通過電流測試

試驗結果表明：測得電源電纜的通過電流與系統的加載電流數值基本一致(±5%內)，電纜無明顯異常發熱現象，證明該電源電纜的電流承載能力滿足設計要求。

4.3 現場性能測試

為了進一步驗證電纜轉繞裝置改進方案的實際效果，將電纜轉繞裝置裝入雷達方位轉臺內部，進行現場性能測試。現場安裝完成的電纜轉繞裝置如圖9所示。

圖9 安裝完成的電纜轉繞裝置

對現場因故障發生破損的電源電纜進行全部更換，待完成所有電源電纜連接后，進行雷達系統通電開機測試。測試結果顯示雷達系統開機正常，所有通電設備無異常故障發生。證明電源電纜連接無問題，且載流能力滿足雷達使用要求。

隨后對雷達方位轉臺進行了多次正、反向轉動試驗，轉動角速度按要求設定為0.2 (°)/s。轉動過程中，對電纜轉繞裝置的運行狀態和轉動角度范圍等進行了測試。測試結果表明：在轉動過程中電纜轉繞裝置運行狀態良好，無運行不暢、軌道偏離等異常現象，且正、反向最大轉動角度均滿足雷達指標要求。

5 結束語

針對某大型雷達方位轉臺系統前期調試過程中出現的電纜轉繞裝置故障，提出了改進方案設計，并進行了相關的性能試驗以及現場試驗驗證。試驗結果表明，改進的電纜轉繞裝置運行狀態良好，轉動角度及電纜載流能力均滿足雷達技術指標要求，證明此改進方案合理可行，可為今后電纜轉繞裝置在其他類似產品的結構設計及推廣應用提供有益的參考依據。