一種新型雷達(dá)架高機(jī)構(gòu)研究

中圖分類號(hào)：TN957.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

低空補(bǔ)盲雷達(dá)[作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分，主要負(fù)責(zé)熱點(diǎn)地區(qū)低空隱身巡航導(dǎo)彈和低空突防作戰(zhàn)飛機(jī)應(yīng)急機(jī)動(dòng)低空警戒引導(dǎo)任務(wù)，兼顧“低慢小”目標(biāo)預(yù)警探測(cè)任務(wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，對(duì)低空補(bǔ)盲雷達(dá)提出了更高的要求：天線舉得越來越高且穩(wěn)，機(jī)動(dòng)性越來越快。雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能決定其能否在戰(zhàn)場(chǎng)上生存，而機(jī)動(dòng)性能的高低主要取決于雷達(dá)的工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間和雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)的環(huán)境適應(yīng)性[2-4] C

筆者經(jīng)過2年的研究，成功研制出一種新型的天線架高機(jī)構(gòu)，使某波段低空補(bǔ)盲雷達(dá)天線成功舉高到25m ，同時(shí)能夠適應(yīng)不同的自然地理環(huán)境，在陣地架設(shè)及收裝時(shí)全部自動(dòng)化，使該雷達(dá)具有很高的機(jī)動(dòng)性能和良好的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

1系統(tǒng)指標(biāo)

系統(tǒng)指標(biāo)要求如下。

（1）工作溫度： -40%～+50% ;

（2）天線口徑：寬 × 高 ；天線重量：1.5t ；天線轉(zhuǎn)速： 12r/m 。

（3）舉高高度： ?25m ；架高機(jī)構(gòu)頂部變 形： ?20mm ;架高機(jī)構(gòu)頂部扭轉(zhuǎn)角： ?0.12^° 。

（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間：工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間≤10min。

（5）抗風(fēng)能力：8級(jí)風(fēng)速以下正常工作，12級(jí)風(fēng)速不破壞。

（6）運(yùn)輸方式：公路、鐵路和水路

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2. 1 系統(tǒng)方案

在不借助于外力的情況下，無法采用成熟經(jīng)典的折疊機(jī)構(gòu)[5-6來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)。因此，筆者提出了一種全新的“ 90^° 俯仰 +180^° 翻轉(zhuǎn) + 垂直伸縮技術(shù)”來實(shí)現(xiàn)天線的舉高與收攏。如圖1所示，系統(tǒng)由運(yùn)輸載車、調(diào)平系統(tǒng)、抗風(fēng)系統(tǒng)和架高機(jī)構(gòu)組成。其中，調(diào)平系統(tǒng)由6條調(diào)平腿和1套液壓系統(tǒng)組成：抗風(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)由2個(gè)抗風(fēng)支臂、2根抗風(fēng)支臂展收缸、2個(gè)抗風(fēng)支臂插銷、2條抗風(fēng)腿和1套液壓系統(tǒng)組成；架高機(jī)構(gòu)由1個(gè)支撐底座、1個(gè)一節(jié)臂、1個(gè)二節(jié)臂、1個(gè)三節(jié)臂、2組背撐（上、下背撐）、2組背撐折臂機(jī)構(gòu)、2根輔助拉桿和1套液壓系統(tǒng)組成。

調(diào)平系統(tǒng)中的6條調(diào)平腿直接固接在運(yùn)輸載車的兩側(cè)。架高機(jī)構(gòu)的支撐底座固定在運(yùn)輸載車的大梁上表面。抗風(fēng)支臂通過鉸接固定在支撐底座前端兩側(cè)，采用2個(gè)液壓缸進(jìn)行展開或收攏，抗風(fēng)腿固定在抗風(fēng)支臂前端。第一節(jié)臂鉸接在支撐底座前端中部，采用兩根液壓缸實(shí)現(xiàn) 90^° 俯仰。第二節(jié)臂與第一節(jié)臂頂端鉸接，采用2根液壓缸實(shí)現(xiàn) 180^° 折疊，展開到位時(shí)再采用2個(gè)具有消隙功能的插銷缸把其鎖定在第一節(jié)臂上，使第二節(jié)臂與第一節(jié)臂形成剛性連接。第三節(jié)臂嵌套在第二節(jié)臂內(nèi)部，通過1根液壓缸實(shí)現(xiàn)行程 3m 的伸縮，第三節(jié)伸出到位時(shí)設(shè)有定位消隙措施，使第三節(jié)臂與第二節(jié)臂形成剛性連接。為保證架高機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性和剛性，在第一節(jié)臂設(shè)有2組背撐、2組背撐折臂機(jī)構(gòu)和兩組輔助拉桿。第一節(jié)臂在2組背撐、背撐折臂機(jī)構(gòu)和輔助拉桿的作用下形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)架高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛性和抗扭特性。

圖1架高機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)

為實(shí)現(xiàn)整機(jī)的公路、鐵路和水路等運(yùn)輸方式不超尺寸限制，架高機(jī)構(gòu)經(jīng)過1次縮回和2次折疊后收至水平狀態(tài)，平躺于運(yùn)輸載車的大梁上面，如圖2所示。

圖2架高機(jī)構(gòu)運(yùn)輸狀態(tài)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

要在1個(gè)運(yùn)輸單元上實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量1.5t的雷達(dá)天線（ 1.5m 寬 ×2.1m 高）的快速舉高 25m 并保證運(yùn)輸不超限，本研究采用了一種新型的架高機(jī)構(gòu)。此架高機(jī)構(gòu)必須重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）機(jī)構(gòu)舉高。

雷達(dá)天線舉高達(dá) 25m ，而收攏到高度僅 2m ，需要采用“ 90^° 一次俯仰 +180^° 二次折疊 +3m 三次套筒式伸縮聯(lián)合架高機(jī)構(gòu)”。

（2）機(jī)構(gòu)鎖定。

為保證架高機(jī)構(gòu)展開后正常工作，舉高第一節(jié)臂仰起、第二節(jié)臂展開和第三節(jié)臂伸出到位后須自動(dòng)定位和自動(dòng)鎖定。

（3）同步控制。

為保證架高機(jī)構(gòu)俯仰、折疊和伸縮動(dòng)作正常可靠，須舉升機(jī)構(gòu)俯仰、折疊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)同步。

（4）穩(wěn)定性、抗扭和剛性。

為保證舉高后雷達(dá)天線正常可靠工作，需要架高機(jī)構(gòu)展開到工作狀態(tài)時(shí)具有良好穩(wěn)定性、抗扭特性和剛性。

上述關(guān)鍵技術(shù)各有側(cè)重點(diǎn)，彼此又相互聯(lián)系，解決以上關(guān)鍵技術(shù)即可保證天線架高機(jī)構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)。

2. 2. 1 機(jī)構(gòu)舉高

為便于實(shí)現(xiàn)天線舉高 25m ，筆者將天線架高機(jī)構(gòu)分成第一節(jié)臂、第二節(jié)臂和第三節(jié)臂3個(gè)部分。

（1）第一節(jié)臂是整個(gè)架高機(jī)構(gòu)的支撐和基礎(chǔ)，上連接第二節(jié)臂，下與支撐底座鉸接，是整個(gè)天線架高機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)舉高與收攏的關(guān)鍵部分。第一節(jié)臂為封閉箱型結(jié)構(gòu)，具有剛性高和抗扭特性好的特點(diǎn)，采用2根液壓缸實(shí)現(xiàn)其 90^° 俯仰。

（2）第二節(jié)臂是整個(gè)架高機(jī)構(gòu)的中間連接部分，上連接第三節(jié)臂，下與第一節(jié)臂鉸接。第二節(jié)臂也為封閉箱型結(jié)構(gòu)，采用“2根液壓缸 +4 根連桿”實(shí)現(xiàn)其180^° 折疊。

（3）第三節(jié)臂是整個(gè)架高機(jī)構(gòu)的最上端部分，上連接天線座，下與第二節(jié)臂采用滑動(dòng)連接。第三節(jié)臂也為圓筒型結(jié)構(gòu)，采用1根帶加緊器的液壓缸實(shí)現(xiàn)3m 的舉高和收回。

2.2.2 機(jī)構(gòu)鎖定

天線架高機(jī)構(gòu)的俯仰、折疊和伸縮均采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)。對(duì)天線架高機(jī)構(gòu)展開到位后進(jìn)行可靠有效的鎖定，可以保證天線工作狀態(tài)的機(jī)械特性不變，也能讓液壓缸避免長時(shí)間處于受力狀態(tài)[7]

（1）第一節(jié)仰起到位鎖定。對(duì)于第一節(jié)臂，采用2組背撐來實(shí)現(xiàn)其仰起到位的可靠鎖定。當(dāng)?shù)谝还?jié)臂在2根俯仰缸的作用下仰起到位，兩組背撐（上、下背撐）和背撐折臂機(jī)構(gòu)都隨動(dòng)拉直，2組背撐中的上、下背撐3個(gè)鉸接點(diǎn)處于一條直線上。此時(shí)，只要鎖定上下背撐的中間鉸接點(diǎn)不動(dòng)即可使上下背撐形成一根類似剛性的撐桿。對(duì)此，在支撐底座與上下背撐中間關(guān)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)計(jì)了2組背撐折臂機(jī)構(gòu)，每組背撐折臂機(jī)構(gòu)上設(shè)1根帶加緊器的液壓缸。當(dāng)此液壓缸鎖定之后背撐折臂機(jī)構(gòu)就變成1根不可拉壓的撐桿，與下背撐形成一個(gè)穩(wěn)定三角形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上下背撐中間鉸接點(diǎn)的鎖定，使上下背撐、第一節(jié)臂和支撐底座形成一個(gè)穩(wěn)定三角形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)第一節(jié)臂的可靠鎖定。

（2）第二節(jié)臂展開到位鎖定。第二節(jié)臂通過2個(gè)鉸接點(diǎn)與第一節(jié)臂連接，通過“3根液壓缸 +2 組連桿”實(shí)現(xiàn) 180^° 展開。第二節(jié)臂展開到位時(shí)通過2根液壓插銷把其壓在第一節(jié)頂部，通過“2個(gè)液壓插銷 +2 個(gè)鉸接點(diǎn)\"實(shí)現(xiàn)第二節(jié)臂的可靠鎖定。

（3）第三節(jié)臂伸出到位鎖定。第三節(jié)臂通過滑動(dòng)副與第二節(jié)臂連接，通過一根帶夾緊器的液壓缸實(shí)現(xiàn) 3m 伸縮。第三節(jié)臂伸出到位時(shí)通過液壓缸上夾緊器抱住液壓缸活塞桿實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿的鎖定，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三節(jié)臂的鎖定，再通過定位防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)第三節(jié)臂的抗扭和剛性。

2.2.3 同步控制

因?yàn)椴捎秒p液壓缸驅(qū)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)雙缸不同步的問題，同時(shí)一個(gè)液壓缸出故障時(shí)另一個(gè)液壓缸對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來破壞問題，所以系統(tǒng)需要可靠同步控制。本研究設(shè)計(jì)一套自我保護(hù)功能完善的控制系統(tǒng)，對(duì)于兩液壓缸的同步，實(shí)際就是兩液壓缸活塞桿伸出或收回速度的同步問題，即兩液壓缸的進(jìn)出液壓油容積相等問題。在油路控制系統(tǒng)中加入了高精度容積式的液壓同步馬達(dá)，利用同步馬達(dá)來分別同時(shí)控制對(duì)應(yīng)的液壓缸，同步精度能達(dá)到 2% ，完全滿足系統(tǒng)要求。同時(shí)，高精度容積式的液壓同步馬達(dá)有很好的負(fù)載不平衡性。

2.2.4穩(wěn)定性、抗扭和剛性

因?yàn)榧芨邫C(jī)構(gòu)須將天線舉高達(dá)到 25m ，在不大于8級(jí)風(fēng)速環(huán)境能正常可靠工作，架高狀態(tài)時(shí)頂部變形量不大于 20mm 、扭轉(zhuǎn)角不大于0.1°，所以架高機(jī)構(gòu)必須采取可靠可行的措施來保證這些關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)架高機(jī)構(gòu)足夠的穩(wěn)定性，筆者在架高機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸載車上布局了6條調(diào)平腿，其中2條調(diào)平腿布置在運(yùn)輸載車最前端，2條調(diào)平腿布置在運(yùn)輸載車最后端，前后調(diào)平腿跨距達(dá) 11m ，實(shí)現(xiàn)整機(jī)縱向抗風(fēng)穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)整機(jī)橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性，筆者在架高機(jī)構(gòu)支撐底座前端兩側(cè)設(shè)計(jì)了2個(gè)抗風(fēng)支臂。2個(gè)抗風(fēng)支臂的展開角度為 120^° ，使展開跨距達(dá) 14m ，在每個(gè)抗風(fēng)支臂上安裝一條抗風(fēng)腿，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性。2個(gè)抗風(fēng)腿與后2個(gè)調(diào)平腿形成穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)抗風(fēng)穩(wěn)定性。

架高機(jī)構(gòu)第一節(jié)臂、第二節(jié)臂采用箱型結(jié)構(gòu)，第三節(jié)臂采用圓形結(jié)構(gòu)；第一節(jié)臂展開到位后有2組背撐和2組輔助拉桿形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，第二節(jié)臂展開到位設(shè)有2個(gè)液壓插銷鎖可靠鎖定，第三節(jié)臂伸出到位有液壓鎖和消隙結(jié)構(gòu)。架高機(jī)構(gòu)采用背撐、液壓插銷鎖和液壓鎖保證了很好的抗扭性和剛性。

2.3液壓控制系統(tǒng)

架高機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)8原理如圖3所示。

圖3液壓系統(tǒng)控制原理

為保證架高機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。伺服電機(jī)可以根據(jù)天線架高機(jī)構(gòu)仰起或俯下、折疊或展開、伸出或縮回進(jìn)行有效調(diào)速，保證天線架高機(jī)構(gòu)在整個(gè)動(dòng)作過程中既無沖擊又無顫抖。在液壓系統(tǒng)中采用了換向閥、流量調(diào)節(jié)閥、單向閥、溢流閥、同步馬達(dá)、防爆閥、液壓鎖、夾緊器、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回，從而控制天線陣面的仰起與俯下、伸出與收回。流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。單向閥用于防止系統(tǒng)長期不工作時(shí)液壓缸和管路中液壓油的回流。溢流閥用于控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。同步馬達(dá)用于保證平衡重力和風(fēng)載，保證兩驅(qū)動(dòng)液壓缸同步運(yùn)行，保證液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。防爆閥用于防正當(dāng)系統(tǒng)管路突然失效時(shí)天線上陣面發(fā)生跌落失效。夾緊器用于抱住液壓缸活塞桿，保證液壓缸活塞桿長時(shí)間不下掉、不回縮。壓力表用于檢測(cè)管路油壓。

2.4伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)采用控制器9作為控制中心。控制器含有輸入輸出（Input/Output， ）開關(guān)量模塊、模擬量輸入輸出（Analog Input/Output，AI/AQ）模擬量模塊。伺服控制系統(tǒng)采用了全數(shù)字式交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，其與控制器接口兼容。伺服控制系統(tǒng)中天線仰起、天線俯下、天線伸出、天線收攏、插銷鎖定和插銷解鎖6個(gè)指令作為自動(dòng)架設(shè)控制系統(tǒng)的操作按鍵。伺服控制系統(tǒng)一旦接收到某個(gè)動(dòng)作指令，在判斷條件滿足的情況下立即執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，只要有一個(gè)條件不滿足，伺服控制系統(tǒng)均不執(zhí)行任何動(dòng)作。伺服控制系統(tǒng)時(shí)刻接收各動(dòng)作到位傳感器傳回的信息，一旦收到某個(gè)傳感器傳回的信息，其將立即對(duì)相關(guān)動(dòng)作發(fā)出停止指令。

3 剛度仿真

為判斷天線架高機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的剛度是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，筆者對(duì)天線架高機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析。筆者在對(duì)架高機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析時(shí)，負(fù)載為自重和風(fēng)載荷，約束位置是6條調(diào)平腿和2條輔助腿與地面接觸處，天線支耳以及相關(guān)連接件為solid單元（實(shí)體單元），其余部分為shell單元（殼單元）。仿真分析結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，天線架高機(jī)構(gòu)的最大變形為 19mm 。經(jīng)筆者換算，天頂部扭轉(zhuǎn)變形為 0.1^° 。仿真分析結(jié)果表明天線架高機(jī)構(gòu)具有良好的剛度，滿足指標(biāo)要求。

圖4架高機(jī)構(gòu)變形云圖

4穩(wěn)定性仿真

為判斷天線架高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足指標(biāo)要求，筆者對(duì)天線架高機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析。穩(wěn)定性分析是分析6條調(diào)平腿和2條輔助腿在12級(jí)風(fēng)速下支反力。分析結(jié)果中如果有某條腿的支反力為負(fù)，表示此腿離地，表明天線架高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。分析結(jié)果如圖5所示。天線架高機(jī)構(gòu)8個(gè)腿的支反力均為正，其中最大支反力為 1.444E+05N ，最小支反力為 1.088E+04N ，無腿離地。天線架高機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生傾覆。

圖5調(diào)平/抗風(fēng)腿支反力

5結(jié)語

本研究所涉及的架高機(jī)構(gòu)是一種全新的在高度方向既可折疊又伸縮的結(jié)構(gòu)形式。此架高機(jī)構(gòu)可以成功實(shí)現(xiàn)小口徑低空補(bǔ)盲雷達(dá)天線快速架高與收裝。經(jīng)仿真分析，此架高機(jī)構(gòu)具有架高高度高、剛性高、抗扭特性高、抗風(fēng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本研究通過突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠快速架設(shè)，撤收時(shí)間短，提高低空補(bǔ)盲雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)能力，提升低空補(bǔ)盲雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，具有極大的軍事意義。

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（編輯 王永超）

Research on a new type of radar elevating mechanism

MENG Guojun （The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230O31，China）

Abstract：To achieve the lifting of low altitude blinding radar antennas while ensuring compatibility with highway， railway，and waterway transportation modes and enablingrapid deployment andretraction，this study focuses on the detailed design of thenew lifting mechanism of the Radar.The research advances electro-mechanical-hydraulic control technology and servo control technology，utilizing hydraulic cylinders as the driving actuators for antenna pitching and telescoping.A locking mechanism composed of follow-up support armsand electric pins is employed to secure the elevating mechanism during operation.Programmable logic controlers are implemented to automate the processes of pitching，telescoping，and locking.Simulation results indicate that the lfting mechanism features simple operation， reliable locking，high rigidity，excellnt repeatability，and strong mobility，demonstrating broad application prospects. Key words： lifting mechanism; electro-mechanical-hydraulic technology; rigidity； stability

作者簡介：孟國軍（1972—），男，研究員，碩士；研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體。