天線測試轉臺傳動系統優化設計

毛俊東，王宏杰

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

天線測試轉臺是雷達等電子裝備天線性能標定與測試的專用設備，其性能直接影響天線設備的技術性能和實際使用效能。天線測試轉臺傳動系統作為天線測試轉臺的控制傳動機構，其傳動精度及其一致性、傳動響應時間、傳動與天線負載的匹配性，以及傳動系統的可靠性能等直接決定了對不同天線載荷的波束性能、方位與仰角覆蓋性能，以及不同極化和工作方式控制條件下的天線動態性能的實時精度。

目前，傳統的天線測試轉臺傳動系統一般采用同步帶傳動的機構形式。但是，該形式對測試轉臺承載能力的限制較大，不利于在保證測試精度前提下拓展被測天線重量和轉動載荷等測試范圍。通過采用同步帶輪傳動機構更換為蝸桿減速箱傳動機構，可在保留原轉臺傳動系統中擺線減速箱和末級齒輪傳動以及電機等的基礎上，有效提高測試轉臺的承載能力和保精度、高可靠的天線測試能力。

所述天線測試轉臺傳動系統優化設計技術，可不改變現有天線測試轉臺的使用要求和內部基本結構，僅需進行天線測試轉臺的方位傳動系統、俯仰傳動系統、極化傳動系統等的系統分析和優化設計，實現將同步帶輪傳動更換為蝸桿減速箱傳動，即可完成對天線測試轉臺的升級改進。

1 方位傳動系統的優化設計

1.1 優化要求與改進思路

針對多種被測天線載荷的方位傳動系統在實際測試過程中需要頻繁運動，其轉動角度相對較大導致傳動系統需要相對較大的轉動速度的特點，為保證原有傳動系統的使用要求和安裝尺寸，采用速比為7.5的蝸桿減速箱取代原速比是4的帶輪傳動(如圖1所示）。

由于傳動比的增大會引起傳動系統速度的減小，傳動力矩增大，根據步進電機的頻－矩特性曲線，通過調整步進電機的轉速，以此來保證傳動系統的速度。

圖1 方位傳動系統的組成

1.2 方位傳動系統改進優化計算

綜合方位傳動系統的安裝空間、電機性能參數和傳動性能要求，選用博能生產的R63 系列蝸桿減速箱。該減速箱的兩個接口端均采用短法蘭形式。蝸桿減速箱的傳動比為7.5，效率為0.78，蝸桿減速箱最大允許輸出轉矩為107 Nm。其方位傳動系統的最大負載力矩可達3190 Nm。當步進電機轉速為600 r/min時，根據電機的頻-矩特性曲線此時的輸出轉矩為10.2 Nm，電機的輸出功率為0.64 kW。

系統改進前后速比、效率、最大負載和速度見表1和表2。表1 是傳動系統改進前后速比的變化由計算公式i0=i1×i2×i3得到改進前后的總速比。由表1可知，改進后總速比增大了87.5%。由系統的負載計算公式M輸入=M輸出×i0×η總效率得到改進后傳動系統的最大輸出負載為32329 Nm。表2 是系統改進前后的最大負載對比，其最大負載能力增大了61.8%。由系統的速度計算公式v=v輸出/i總得到改進后的轉臺速度為0.133 r/min。由表2 可知，改進后系統的速度減小了46.8%。

表1 方位傳動系統改進前后各級速比

表2 方位傳動系統改進前后性能參數

由于方位傳動系統的轉動速度直接影響測試轉臺的測試效率，在改進過程中不允許該傳動系統速度下降太多。根據以上計算，改進后系統的速度降低了46.8%，這對測試效率影響較大。

為了保證測試效率，把步進電機的輸入轉速由600 r/min 調整到800 r/min，此時轉臺的輸出轉速為0.178 r/min，比改進前減小了25.1%，能夠滿足使用要求。電機轉速為800 r/min時，根據電機的頻-矩特性曲線此時的輸出轉矩為8 Nm，電機的輸出功率為0.67 kW，此時傳動系統最大輸出扭矩為25356 Nm，比改進前提高了26.8%，滿足了該傳動系統性能要求。

1.3 方位傳動系統結構改進優化實現

根據方位傳動系統現有結構特點，改進的重點是蝸桿減速箱與傳動系統中的擺線減速箱(如圖1中件8所示）的聯接?？紤]了原住友減速箱和蝸桿減速箱的結構特點，二者通過過渡法蘭(如圖2中件2所示）實現剛性聯接。由于空間位置限制，蝸桿減速箱和電機的安裝位置必須精確計算并且通過三維數字模型檢驗其空間尺寸。改進后的結構如圖2所示。

圖2 改進后的方位傳動系統

2 俯仰傳動系統的優化設計

2.1 優化要求和改進思路

由于在測試過程中俯仰傳動系統運動不頻繁，而且相對轉動幅度較小，對俯仰傳動系統的速度要求不高。但是，該傳動系統在測試過程中運動到特定的測試角度后必須保持其位置，這就要求該傳動系統具有自鎖功能。針對以上特點，采用速比為30 且帶自鎖的蝸桿減速箱取代原速比為4的帶輪傳動(如圖3所示）。

圖3 俯仰傳動系統的組成

改進后的俯仰傳動系統實現了系統的剛性聯接，承載能力和自鎖能力得到了大幅提高，同時其速度也能滿足測試要求。

2.2 俯仰傳動系統改進優化計算

綜合俯仰傳動系統安裝空間、電機性能參數和傳動性能要求，選用博能生產的R63 系列蝸桿減速箱。蝸桿減速箱的傳動比為30，效率為0.70，允許最大輸出轉矩為127 Nm。該傳動系統采用與方位傳動系統相同的電機，電機的輸出轉速為600 r/min。

系統改進前后速比、效率、最大負載和速度見表3和表4。由表3 可知，改進后速比增大了650%;其最大負載為437000 Nm，增大了528%;速度減小了74.2%。

改進后俯仰傳動系統的速度雖然降低了74.2%，但本轉臺使用頻率相對較低且轉動角度較小，對測試效率影響較小，能夠滿足測試使用要求。

表3 俯仰傳動系統改進前后速比

表4 俯仰傳動系統改進前后性能參數

2.3 俯仰傳動系統結構改進優化實現

根據俯仰傳動系統現有結構特點，該傳動系統的改造與方位傳動系統類似。由于空間位置的限制，該系統改造重點是合理布置傳動系統中的蝸桿減速箱和電機，使其不與原轉臺系統發生干涉。通過三維數字模型的驗證，最終確定改進后的結構如圖4所示。

圖4 改進后的俯仰傳動系統

3 極化傳動系統的優化設計

3.1 優化要求與改進思路

極化傳動系統與方位傳動系統的結構和連接安裝方式基本類似。綜合極化傳動系統結構、測試過程中運動不頻繁、工作中要求轉動角度較小、對轉動速度要求不高及需要自鎖的特點，該傳動系統的改造采用速比為30 帶自鎖功能的蝸桿減速箱替換速比為4的帶輪傳動。

3.2 極化轉臺傳動系統的計算

該傳動系統使用的步進電機輸出轉速為600 r/min。改造前后系統性能變化如表5和表6所示。表5 是傳動系統改進前后速比的變化，速比增大了650%;改進后傳動系統的最大負載為93709 Nm，增大了547%;系統的速度減小了74.2%。

表5 極化傳動系統改進前后各級速比

表6 極化傳動系統改進前后性能參數

本傳動系統使用頻率相對較低，轉動角度較小。速度減小對測試效率影響較小，改造后系統速度能夠滿足測試需求。

4 結束語

通過對轉臺的傳動系統的優化設計，實現了剛性聯接，提高了轉臺的承載能力，同時也使轉臺的安全性和可維護性得到增強。俯仰、極化傳動系統在工作中需要自鎖，經過本次改進這兩個傳動系統實現了剛性聯接，電機斷電時的自鎖力矩和蝸桿減速機的自鎖力之和為傳動系統的自鎖力，其自鎖性能得到了提高，安全性得到了增加，可有效拓展天線測試轉臺的應用性能。

［1］張潤逵，戚仁欣，張樹雄.雷達結構與工藝(上冊）［M］.北京:電子工業出版社，2007.4.

［2］申余才，楊錫和.含曲柄連桿機構的俯仰傳動裝置［J］.雷達與對抗，2007(1）.

［3］北京有色冶金設計研究總院編.機械設計手冊(第3 卷）［M］.北京:化學工業出版社，1993.12.