基于Simcenter 3D & 1D對某車載雷達翻倒機構進行設計

周晨龍 李奔亮 劉 軒

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

車載雷達因其機動性靈活性好、戰場生存率比高等優點，已越來越多地應用于我國的作戰裝備中。但多數車載雷達為了滿足工作時的作戰高度要求和運輸狀態的限高要求，往往都會采用一套升降或翻倒機構，使雷達在運輸狀態降下或翻倒，而工作狀態時升起或豎起[5]。

某車載雷達翻倒機構(以下簡稱翻倒機構)是雷達天線座運輸/工作狀態轉換的執行機構，通過翻倒機構動作，實現天線座的翻倒/豎起，以滿足火炮車的工作和運輸要求。本文著重從滿足功能要求、技術指標及可行性等方面進行設計，并基于Simcenter 3D & 1D多學科聯合仿真軟件對相關參數及指標進行驗證。

1 主要功能及技術指標

通過翻倒機構的翻倒/豎起動作，實現雷達天線座在3 min內的0～110°工作狀態和運輸狀態的轉換。

2 翻倒機構的總體設計

翻倒機構整體安裝于火炮托架上，受火炮托架尺寸限制，翻倒機構內部可用于安裝驅動機構的空間有限，同時，為了滿足相關技術指標的要求，本文采用雙液壓缸驅動的傳動形式，實現雷達天線的翻轉。

該翻倒機構主要由托架、翻轉板、液壓傳動系統、速度傳感器及液壓控制系統組成，如圖1所示。其中液壓傳動系統為翻倒機構的動力系統，為翻倒機構在翻到或豎起過程中提供動力；液壓控制系統通過速度閉環控制實現翻轉或豎起過程中速度穩定[4]。

圖1 翻倒機構組成示意圖

翻倒機構工作時，通過操作控制箱控制面板上的控制按鈕，控制系統通過運算，對液壓傳動系統發出相關控制指令，液壓傳動系統根據指令輸出動力推動翻轉板進行0°～110°翻轉或110°～0°的豎起動作；速度傳感器實時反饋速度信號，控制系統通過調節液壓傳動系統實現翻轉板的速度控制。

同時，翻倒機構也可以通過控制箱面板上的控制按鈕實現翻轉板在任意角度翻轉、任意位置停止及到位自動停止等動作。翻轉板處于0°和110°狀態示意圖如圖2所示。

圖2 翻轉板處于110°和0°狀態示意圖

2.1 液壓系統設計[1] [3]

液壓傳動系統為翻倒機構的動力系統，工作時推動翻轉板進行翻倒/豎起，主要由集成型電動泵站、比例多路閥、手動泵、平衡閥、液壓缸、搖桿、單向、濾油器及管路等組成，原理圖如圖3所示，其中集成型電動泵站包括油箱和電動泵；比例多路閥具有電動和手動功能，用于控制系統中液壓缸的伸縮動作；手動泵主要用于手動狀態時給液壓系統提供液壓油。

圖3 液壓系統原理圖

工作時，通過控制系統給液壓系統提供動力油，液壓油通過濾油器和單向閥組進入比例多路閥，比例多路閥在控制系統的控制下實現動力油流速及方向的控制，液壓油通過比例多路閥及平衡閥后推動液壓缸1和液壓缸2的推桿伸出或收縮，從而推動天線座實現翻倒或豎起；當翻倒機構需要手動操作時，通過搖動手動泵給液壓系統提供動力油，然后操作比例多路閥上的手柄可實現液壓缸1和液壓缸2的伸縮運動，從而可實現天線座的翻倒或豎起。

本系統設計時采用兩個一級伸縮液壓缸并聯的連接形式，該形式一方面可使液壓缸實現其自適應受力大小而交替工作，減小液壓缸的受力，降低系統的工作油壓，提高可靠性；另一方面，兩個液壓缸均安裝有平衡閥，降低了因液壓缸失效造成天線座的下墜的風險，提高了系統的安全性。

2.2 設計計算

2.2.1 翻倒機構負載重力矩的計算

翻倒機構的負載為翻轉板和天線座，在工作過程中需要克服二者產生的重力矩，實現翻倒/豎起。翻倒機構的受力簡圖如圖4所示。

圖4 天線座在翻轉過程中的受力簡圖

由圖4可推出，翻轉過程中產生的重力矩為

T0=-M·L·g·cos(θ+63°)

(1)

式(1)中：T0——重力矩，單位N·m；M——天線座及翻轉板總重量；g——重力加速度；L——天線座重心距翻轉板轉軸距離；θ——翻轉角度。

計算出負載的重力矩為

T0=-4790×cos(θ+63°)

(2)

其中負號代表為逆時針方向，正號為順時針方向。

2.2.2 液壓系統主要參數計算

液壓系統設計時，主要考慮系統油壓和系統流量兩個參數，在本方案中油壓決定著液壓缸1和液壓缸2的推力，液壓油的流量決定著液壓缸1和液壓缸2伸縮桿的伸縮速度，從而決定了負載的重量及翻轉時間。

根據托架內腔空間的尺寸，確定出液壓缸結構尺寸如表1所示。

表1 液壓缸的結構尺寸

經理論計算，系統的最高工作壓力為12.49 MPa，翻轉時間為1.5 min時系統的工作流量為Q=0.852 L/min。

3 液壓系統的仿真與分析

隨著近年來工業仿真軟件的不斷發展，多學科聯合仿真越來越多地應用于工業產品的研發設計中，將1D系統仿真與3D虛擬樣機建模結合起來進行機電液一起化是當前航空產品開發的趨勢和迫切需求，其發展和應用方興未艾[6]。本文基于西門子公司的Simcenter 3D和AMESim多學科聯合仿真軟件進行聯合仿真，該軟件可以實現仿真過程中數據的實時交互，即將液壓系統的1D模型與翻倒機構的3D模型的仿真數據進行實時交換，使仿真數據的可信度提高。

3.1 模型的搭建

本文的模型主要包括液壓系統1D模型的搭建和翻倒機構3D模型的搭建，根據液壓系統原理圖，基于AMESim軟件對液壓系統進行1D建模[2]，如圖5所示，對模型中的相關參數按照實際理論設計的數值進行設定，其中，翻轉板的翻轉角速度設定為翻轉板翻轉全行程(0°～110°)用時1.5min時的平均速度。

圖5 液壓傳動系統1D仿真模型

基于Simcenter 3D軟件仿真建模如圖6所示，其中，模型中天線的重量及重心位置與實際天線的保持一致，翻倒機構的相關尺寸及參數與理論設計值保持一致。

圖6 翻倒機構3D仿真模型

3.2 仿真分析

經過仿真分析，得到翻轉和豎起過程中的仿真結果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出翻轉過程中系統壓力小于豎起過程中的系統壓力，而翻轉過程中的系統流量大于豎起過程中的系統流量，翻轉和豎起過程中系統的最大工作壓力約為12 MPa，最大工作流量約為0.8 L/min；兩個液壓缸為交替工作，即液壓缸1工作結束后液壓缸2開始工作；同時，可以看出為滿足翻轉板翻倒或豎起過程中角速度的恒定，控制系統根據角度傳感器數據反饋，控制比例閥的開度大小[4]，使兩個液壓缸在伸縮過程中系統壓力和流量均隨著翻轉角度的變化而變化。

圖7 翻轉過程中的仿真結果

圖8 豎起過程中的仿真結果

結合上文對液壓系統、液壓缸結構尺寸及翻倒機構的結構設計及相關相關計算，仿真分析的數據與理論設計基本吻合，滿足設計要求。

4 結束語

本文對某車載雷達翻倒機構的結構及液壓傳動系統進行了設計計算，同時應用仿真軟件Simcenter3D和AMESim軟件對液壓傳動系統及結構設計的合理性進行了仿真驗證，滿足設計要求；同時，該翻倒機構已經過實際樣機驗證，相關參數均與理論設計及仿真分析吻合，取得了預期的設計效果。