某型雷達天線液壓自動架撤系統設計

摘 要：【目的】設計一套液壓自動架撤系統，該系統能控制運動行程長、體積和自重大的雷達天線陣面實現平穩可靠運行，并具有較高的精度。【方法】首先，針對系統自重大且運行平穩的要求，用液壓系統代替傳統的機電式架撤系統。其次，在控制系統設計上，選用運算速度快、實時性高的控制器和精度高的俯仰編碼器作為核心硬件。再次，在運動過程中，通過多種減速閥的聯合控制來消除液壓系統中二級油缸可能產生的速度突變。最后，對控制算法進行分析設計，通過精確控制液壓閥、電機和傳感器等關鍵部件，實現對液壓系統的精準控制。【結果】通過實物驗證，天線陣面的架撤時間小于5 min、運行定位精度小于0.1°，關鍵指標均達到設計要求?！窘Y論】采用液壓舉升系統，并使用二級雙作用油缸，可保證大負載長行程的天線陣面在工作中能穩定、可靠、高精度地運行。

關鍵詞：天線架撤；液壓系統；二級油缸；速度突變

中圖分類號：TN957.2；TH137.9" "文獻標志碼：A" 文章編號：1003-5168（2024）23-0019-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.004

Design of Hydraulic Automatic Erecting and Dismantling

System for a Radar Antenna

YAO Wei" ZHANG Chao" REN Handing" LIU Yuan

（Anhui National Defense Technology Vocational College， Lu'an 237000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to design a set of hydraulic automatic lifting system， which can control the radar antenna array with long motion stroke， large volume and heavy self-weight to achieve stable and reliable operation， and has high precision. [Methods] First of all， aiming at the heavy load and smooth operation requirements， the hydraulic system is selected to replace the traditional electromechanical system. Secondly， in the design of the control system， the controller with fast computing speed and high real-time performance and the pitch encoder with high accuracy are selected as the core hardware. Thirdly， during the movement of a variety of reduction valves to eliminate the speed mutation of the secondary cylinder in the hydraulic system. Finally， the control algorithm is analyzed and designed through the precise control of the hydraulic valve， motor and sensors and other key components to ensure the accurate control of the hydraulic system. [Findings] Through the physical verification， the time of the antenna movement is less than 5min， and the operation positioning accuracy is less than 0.1 degree， and the key indicators can meet the design requirements. [Conclusions] The hydraulic erecting and dismantling system and two-stage double-action cylinder can ensure the stable， reliable and high accuracy operation of the antenna array with large load and long stroke.

Keywords：antenna erecting and dismantling;hydraulic system; two-stage hydro-cylinder; sudden change in speed

0 引言

隨著雷達技術日趨成熟，雷達天線的外形結構也越來越多。其中，大型化天線是現代雷達技術發展的一個重要趨勢。但體積龐大的天線必然帶來天線重量更大、天線架撤行程更長等弊端，這就對現代雷達架撤系統設計提出了更高要求。目前，實現雷達天線架撤的主要方式兩種，即有機電式和液壓式［1］。與機電驅動和控制系統相比，液壓系統具有結構緊湊、體積小、承載能力大、運行平穩等優點［2］，并與PLC等設備連接簡單、控制方便［3］，在地面高機動雷達中的應用廣泛［4］。本研究針對某型雷達的大型天線陣面，設計出一套可靠性和自動化程度較高的液壓自動架撤系統。該系統能控制自重大、運動行程長的雷達天線陣面實現平穩可靠運行，并具有較高的精度。

1 總體方案

車載機動式雷達的雷達天線陣面體積和自重比較大，天線架撤的行程比較長，且系統要求的定位精度也比較高。針對這些技術要求，綜合考慮機動式雷達的整體需求，自動架撤系統的驅動部分通過液壓系統來實現。為了能精確控制液壓系統的流量和壓力，泵站電機選用高精度的伺服電機。選用運算速度快、實時性高的控制器作為系統的“大腦”，對傳感器反饋回來的數據進行快速準確處理，并將處理后的邏輯結果以指令形式發送出去。選用精度高的絕對值編碼器，將其裝在天線的轉軸處，可實時檢測天線的俯仰角度，并將角度值發送給控制器處理。系統工作過程如下：在上位機或控制面板上輸入天線架撤指令到控制器，控制器實時獲取天線當前的狀態和俯仰角度，通過控制算法輸出控制指令，并驅動液壓系統運行。當天線運行到設定的角度后停止運行，并鎖定當前的俯仰角度。

2 液壓系統原理

雷達天線在工作中要實現架設撤收、運行減速和任意位置鎖定的功能，可根據需求來設計液壓系統。

2.1 架設撤收工作原理

操作者在控制面板按下架設動作按鈕后，液壓泵站電機以設定好的速度運轉，電磁調速閥得電工作，延時后電磁換向閥也會動作，陣面以較低速度舉升到一定小角度后電磁調速閥斷電，陣面高速舉升。當陣面舉升至接近預定角度時，電磁調速閥得電，天線陣面以低速接近預定角度；當編碼器反饋已到達預定角度時，所有電磁閥斷電，陣面停止運動，舉升動作完成。

天線陣面撤收動作時，電磁調速閥工作，延時后電磁換向閥也動作，陣面以較低速度舉升到一定小角度后電磁調速閥斷電，陣面高速撤收。當陣面撤收至接近預定0°時，電磁調速閥動作，天線陣面以低速接近預定角度；當編碼器反饋已到達預定角度時，所有電磁閥斷電，陣面停止運動，撤收動作完成。

2.2 運行減速工作原理

為了提高系統定位精度和運行的平穩性，當陣面架撤開始或快到預定位置時，可通過泵站電機調速和調速閥動作實現天線陣面減速。系統所用泵站電機是高精度伺服電機，通過伺服驅動器能方便調整電機的轉速，從而控制系統流量變化。液壓系統中的調速閥動作后，系統供油量也會發生變化，從而使油缸速度變化，實現調速。調速閥選用HAWE公司生產的SB08型調速閥，其控制流量不受負載影響，可有效實現對速度的控制。

2.3 位置鎖定工作原理

當天線陣面動作時，會停止在任意位置進行工作或檢修，這就要求液壓系統能在任意位置鎖定。液壓系統中安裝有LHK型平衡閥，除了能使系統的架撤運動更平穩外，還能確保升降機構在停止動作時及時關閉油路，將天線陣面“鎖定”在當前位置，不會因重力或其他原因而發生滑移。此外，液壓系統中還增加了防爆閥，防止架撤過程中系統因外界壓力突然升高而導致軟管爆裂，造成嚴重的安全事故。平衡閥和防爆閥的使用為系統上了“雙保險”，提高系統整體安全性。

3 二級油缸速度控制原理

由于天線陣面的運動行程較長，單級油缸已無法滿足系統的架撤要求，所以液壓系統選擇兩只二級雙作用油缸作為系統架撤的執行部件。但二級油缸在運動過程中因油缸的轉變而出現運動速度突變，本研究通過控制突變位置的速度來消除突變的影響。

天線在架設過程中，速度突變點會發生在一級油缸完全伸出，而二級油缸還未伸出時，如圖1所示。

假設油缸與天線的連接點到天線與載車的連接點長度為L，一級油缸完全伸出后油缸的長度為l1，油缸與座車的連接點到天線與座車的連接點距離為S，則此時天線陣面與座車的夾角，即角度編碼器的數值θ可以用余弦定理進行求解，見式（1）。

[cosθ=L2+S2-l122LS]" " " " " " （1）

θ的計算公式見式（2）。

[θ=arccosL2+S2-l122LS]" " " " " （2）

以上式中：長度L和距離S都是由機構設計和安裝確定的，長度l1由油缸的設計計算來確定。

確定突變發生的角度后，在控制過程中，就能在編碼器反饋的角度接近θ時，改變天線架撤運行的速度，并根據一、二級油缸的缸徑比例來確定速度的變化幅度，從而實現平穩過渡。

4 液壓系統參數計算

4.1 油缸設計計算

天線陣面的實際參數如下，液壓系統的總負載設定為2.5 t，一級油缸的缸徑為100 mm、桿徑為80 mm、行程為405 mm、活塞腔容積為3.18 L、桿腔容積為1.14 L，二級缸的缸徑為63 mm、桿徑為45 mm、行程為399 mm、活塞腔容積為1.24 L、桿腔容積為0.6 L。

油缸推力計算公式［5］見式（3）。

[Ft=P×[3.14×（d1/2）2]/10]" " " " " （3）

式中：Ft為油缸最大推力，kg；P為系統的工作壓力，設計時選取8 MPa；d1為油缸缸徑，mm。

將數值代入式（3）得一級油缸推力[Ft1=8 ][×3.14×100/22/10=6 208 kg]。

二級油缸推力[Ft2=8×3.14×63/22/10=]

[2 492 kg]。

油缸拉力計算公式見式（4）。

[Fl=P×3.14×d1/22-d2/22/10]" " （4）

式中：Fl為油缸最大推力，kg；P為系統工作壓力，設計時選取8 MPa；d1為油缸缸徑，mm；d2為油缸桿徑，mm。

將數值代入式（6），得一級缸拉力，[Fl1=8×]

[3.14×100/22-80/22/10=2 261 kg] 。

二級缸拉力為[Fl2=8×3.14×63/22-45/]

[22/10=1 221 kg] 。

綜上所述，油缸工作壓力為8 MPa時產生的推力和拉力均大于系統要求，且工作壓力為8 MPa（低于系統最大壓力12 MPa），滿足使用要求。

系統要求天線架設運行時間小于5 min，根據油缸參數計算系統所需最大流量。流量計算公式見式（5）。

[Q=L/T]" "（5）

式中：Q為系統所需流量，L/min；L為活塞腔總容積，L；T為系統所要求的天線架設運行時間，min。

根據油缸參數表格數值得到活塞腔總容積L = 4.42×2 = 8.84 L。

數值代入公式（5），計算得到Q = 8.84/5 = 1.77 L/min。

根據系統要求及油缸參數，計算得出系統所需最大流量為1.77 L/min。

4.2 電機功率計算及油泵選擇

根據系統要求計算驅動油泵電機功率，驅動油泵電機功率計算公式見式（6）。

[N=qQ60×η] （6）

式中：N為系統功率，kW；Q為系統最大流量，L/min；q為額定工作壓力，MPa；η為系統總效率，取0.85。

計算得到系統最大流量為1.77 L/min，而系統最高壓力設定為12 MPa，將數值代入公式（6），計算得到驅動油泵電機功率N= （1.77×12）/（60×0.85） = 0.41 kW。

考慮系統功率冗余及泄漏，選用的電機功率為0.75 kW、同步轉速為1 400 r/min，油泵選用派克齒輪泵，其排量1.3 mL、流量1.82 L/min、最高壓力16 MPa，大于系統所需流量，壓力滿足使用要求。

4.3 管道設計計算

根據已知壓力、流量計算系統管路直徑，其計算公式見式（7）。

[q=Q×4.22D2]" "（7）

式中：q為管道流速，取5 m/s；Q為系統最大流量，計算為1.77 L/min；D為管子內徑，mm。

將已知數值代入公式（7），計算得到系統的管路直徑D = 2.74 mm。

管道壁厚計算公式見式（8）。

[c=4×p×D2×f]" " " " " " "（8）

式中：c為管道壁厚，mm；p為系統壓力，MPa；D為管子外徑，根據上述計算選取8 mm；f為鋼管抗拉強度，選取510 MPa。

代入數值計算式（8）可得：c=（4×16×8）/（2×510） = 0.5 mm。

根據計算結果及無縫鋼管規格尺寸、通用性，系統油路選用外徑為8 mm、壁厚1 mm的不銹鋼無縫管。

5 結語

本研究針對負載大、運動行程長、控制精度高的天線陣面舉升控制問題，設計出一套基于二級雙作用液壓油缸的液壓自動架撤控制系統，該系統能有效克服傳統機電式舉升控制系統負載小、運動不平穩的缺點，具有很高的實用價值。本研究設計的液壓自動架撤系統在某型雷達天線上進行了實物驗證，各項指標均達到系統設計要求。

參考文獻：

［1］曹鵬舉，李曉峰，許平勇.一種機動雷達天線液壓舉升系統設計［J］.液壓與氣動，2009（5）：51-54.

［2］王虎.某機動式雷達自動架設液壓系統設計［J］.無線互聯科技，2019，16（9）：71-73.

［3］王峰.基于PLC控制的天線液壓自動架設伺服系統設計［J］.電子世界，2018（9）：186-187.

［4］程登元，趙德昌.地面高機動雷達液壓系統研究［J］.電子機械工程，2007（4）：37-40.

［5］張利平.液壓控制系統及設計［M］.北京：化學工業出版社，2006.