空管雷達高速天線座關(guān)鍵技術(shù)研究

( 1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著我國航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，飛機數(shù)量和機場地面保障車輛迅速增多，如何在有限的空間、多變的天氣條件下管理好機場場面的交通運輸以及空運的地勤保障服務(wù)，已成為各國機場當(dāng)局必須認(rèn)真考慮的問題。機場場面監(jiān)視雷達就是為了解決上述問題而誕生的，它可以使機場塔臺管制員對飛機的監(jiān)視不再受到視線的限制，在大霧、暴雨、黑夜等能見度受限的條件下也能夠?qū)C場狀況進行有效、精確監(jiān)視，對在機場場面活動的航空器和地勤車輛進行有序的管理。而機場場面監(jiān)視雷達天線與以往的空管一次雷達天線及空管二次雷達天線不同，需要對10 km范圍內(nèi)機場內(nèi)的航空器和地勤車輛進行快速掃描和數(shù)據(jù)更新，因此該雷達天線轉(zhuǎn)速為60 r/min，遠高于空管一次雷達天線及空管二次雷達天線轉(zhuǎn)速為6～15 r/min，由此就需要研制一種能夠不停機連續(xù)可靠運行的高速天線座，以滿足機場場面監(jiān)視雷達天線高轉(zhuǎn)速需求。

天線座是空管雷達系統(tǒng)組成中的關(guān)重件，承擔(dān)著驅(qū)動天線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、編碼器等設(shè)備按照一定指標(biāo)要求旋轉(zhuǎn)掃描的重要任務(wù)，在一部空管雷達系統(tǒng)組成中通常只有一套天線座，一旦發(fā)生故障特別是致命故障，將導(dǎo)致整個雷達系統(tǒng)停止工作，天線座的設(shè)計和制造，對雷達整機設(shè)備的精度、可靠性、成本和加工周期影響很大，整機的性能指標(biāo)在很大程度上取決于天線及天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制造水平[1]，為此根據(jù)以往空管一次雷達天線座及空管二次雷達天線座的設(shè)計經(jīng)驗，對機場場面監(jiān)視雷達天線座的特殊需求及關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，研制出能夠滿足機場場面監(jiān)視雷達需求且具有雙機冗余備份、運行可靠、結(jié)構(gòu)簡潔輕巧、可遠程監(jiān)測運行狀態(tài)等特點的空管雷達高速天線座，該空管雷達高速天線座還可應(yīng)用于水域監(jiān)視雷達等其它需要高轉(zhuǎn)速雷達天線技術(shù)領(lǐng)域。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

根據(jù)需要滿足的指標(biāo)要求分析，空管雷達高速天線座的關(guān)鍵技術(shù)難點是要滿足高轉(zhuǎn)速(60 r/min)、連續(xù)不停機高可靠運行、長壽命使用等指標(biāo)要求，以往設(shè)計的空管一次雷達天線通常為口徑13 m×7 m或5.5 m×3.4 mm的大中型曲面天線，風(fēng)阻系數(shù)較大，通常為1.4左右，所需驅(qū)動力矩較大，轉(zhuǎn)速較低，其天線座的傳動鏈為：電機→一級聯(lián)軸器→減速機→二級聯(lián)軸器→離合器→小齒輪→回轉(zhuǎn)支承大齒輪→天線，總傳動速比通常為87.5，結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，在傳動鏈末端雖然可以獲得較大的傳動力矩，但在傳動鏈末端獲得的轉(zhuǎn)速也較低，通常為6～15 r/min，這種結(jié)構(gòu)形式不能滿足機場場面監(jiān)視雷達天線的60 r/min高轉(zhuǎn)速需求。

機場場面監(jiān)視雷達天線的外形特點是又扁又長，橫截面形狀為橢圓流線型，風(fēng)阻系數(shù)較小(風(fēng)洞試驗實測最大值為0.54)，天線旋轉(zhuǎn)所需驅(qū)動力矩較小，采取電機與減速機直連驅(qū)動天線旋轉(zhuǎn)，省去中間齒輪傳動機構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)簡潔，總傳動速比為25.24，天線轉(zhuǎn)速可以達到60 r/min。

由于空管雷達高速天線座轉(zhuǎn)速較高，易發(fā)生天線高速旋轉(zhuǎn)諧振、傳動零部件高速摩擦磨損、旋轉(zhuǎn)油封高速旋轉(zhuǎn)磨損等不利現(xiàn)象，所以動平衡設(shè)計、傳動潤滑與密封設(shè)計是空管雷達高速天線座的關(guān)鍵技術(shù)，采取了傳動零部件浸油潤滑設(shè)計、非接觸式旋轉(zhuǎn)動密封設(shè)計、動平衡設(shè)計、減震設(shè)計、雙電機冗余備份設(shè)計、雙編碼器冗余備份設(shè)計等一系列措施，以保證實現(xiàn)空管雷達高速天線座的連續(xù)不停機高可靠運行、長壽命使用等關(guān)鍵指標(biāo)要求。

空管雷達高速天線座上安裝有油位檢測儀、油溫檢測儀、自動溫控加熱器，可以實時遠程監(jiān)測天線座內(nèi)潤滑油位、油溫狀況，當(dāng)油溫低于設(shè)定值時，自動加熱并控制油溫，進一步保障天線座高可靠運行工作。

空管雷達高速天線座主要由電機、減速機、底座、天線支架、油位檢測儀、油溫檢測儀、自動溫控加熱器、安全插銷、安全開關(guān)、水平儀、電子傾角傳感器、注油口、放油開關(guān)、旋轉(zhuǎn)鉸鏈、編碼器、聯(lián)軸器、軸承、調(diào)平螺釘?shù)攘悴考M成，其外形結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 空管雷達高速天線座

1.2 動平衡設(shè)計

空管雷達高速天線座主要用于承載并驅(qū)動機場場面監(jiān)視雷達天線高速旋轉(zhuǎn)，由于機場場面監(jiān)視雷達天線的扁長外形特點，在高速旋轉(zhuǎn)時，易發(fā)生諧振現(xiàn)象。采取了以下措施消除高速天線座旋轉(zhuǎn)諧振現(xiàn)象：

a.增強機場場面監(jiān)視雷達天線自身剛度及減小天線風(fēng)阻系數(shù)。通過采用輕質(zhì)高剛度復(fù)合材料箱體、X形復(fù)合材料支架、復(fù)合材料波導(dǎo)喇叭、橢圓流線型天線外形等一系列設(shè)計，增強天線自身剛度、減輕天線自身重量、減小天線風(fēng)阻系數(shù)，防止其高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生震顫現(xiàn)象，機場場面監(jiān)視雷達天線與天線座裝配圖見圖2所示。

b.天線質(zhì)心與天線座旋轉(zhuǎn)中心合一設(shè)計。轉(zhuǎn)子動平衡是指消除轉(zhuǎn)子動不平衡所做的工作。轉(zhuǎn)子經(jīng)過靜平衡后，質(zhì)心調(diào)整至旋轉(zhuǎn)中心線上。這種轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，很可能在通過旋轉(zhuǎn)中心線的平面上，出現(xiàn)一個力偶[2]，利用計算機輔助設(shè)計精準(zhǔn)確定天線質(zhì)心位置，并在天線與天線座裝配設(shè)計中使天線質(zhì)心與與天線座旋轉(zhuǎn)中心合一，盡量減小質(zhì)心高度，使動不平衡力偶臂盡量小，減小動不平衡力偶，在制造裝配中嚴(yán)格檢驗、控制、標(biāo)示，確保設(shè)計制造的準(zhǔn)確性，防止其高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生偏心現(xiàn)象。

c.采用對稱結(jié)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)設(shè)計。高速天線座整體結(jié)構(gòu)采用對稱布局及中心旋轉(zhuǎn)設(shè)計，高速天線座以減速機輸出軸為對稱旋轉(zhuǎn)中心軸，天線質(zhì)心、旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)、旋轉(zhuǎn)鉸鏈等均布置在對稱旋轉(zhuǎn)中心軸位置，雙電機、雙編碼器等均以旋轉(zhuǎn)軸為中心對稱布局，由此達到動平衡設(shè)計目的。

d.采用阻尼減振設(shè)計。阻尼減振器與振動體相連接，直接增加系統(tǒng)的阻尼，把動能變?yōu)闊崮芷饻p振作用[2]。在電機減速機底板與底座之間設(shè)計安裝6個阻尼減振器，對天線高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動進行有效阻尼減振，從而增加動平衡效果。

e.采用調(diào)平設(shè)計。如果空管雷達高速天線座在實際架設(shè)安裝過程中，沒有達到預(yù)定的水平度要求，使質(zhì)心偏離、旋轉(zhuǎn)軸傾斜，那么再好的設(shè)計及制造裝配成果都將被打折，所以在天線座底座上設(shè)計有4個調(diào)平螺釘，在天線座水平基準(zhǔn)面上安裝有水平儀及電子傾角傳感器，以確保空管雷達高速天線座在實際架設(shè)安裝過程中達到預(yù)定的水平度要求，電子傾角傳感器用于天線座運行中遠程實時監(jiān)測其水平狀態(tài)。

圖2 機場場面監(jiān)視雷達天線與天線座裝配圖

1.3 傳動潤滑與密封設(shè)計

機場場面監(jiān)視雷達一旦開機工作，為了能夠?qū)崟r監(jiān)視機場交通狀態(tài)及保障交通管制安全，空管雷達高速天線座必須能夠連續(xù)無故障運行20 000 h以上，而高速天線座中傳動零部件始終處于良好潤滑工作狀態(tài)是使其能夠連續(xù)無故障長期運行的重要保障，因此做好高速天線座傳動潤滑與密封設(shè)計就顯得尤為重要。

高速天線座采用電機直連減速機傳動，減速機為蝸輪蝸桿傳動方式，采用浸油潤滑，需要潤滑的零部件主要是減速機中蝸輪蝸桿、軸承等傳動零部件，潤滑設(shè)計的優(yōu)劣將對這些易損壽命件的使用壽命、運轉(zhuǎn)噪音、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、運行阻力等性能產(chǎn)生直接影響，良好的潤滑設(shè)計就是要在天線座傳動鏈的蝸輪蝸桿嚙合摩擦部位、軸承內(nèi)部摩擦部位等摩擦副處形成有效、持久的潤滑膜，以期達到減小摩擦阻力、減小機械磨損、降低振動沖擊和噪音、加速散熱、防止銹蝕等目的。

減速機內(nèi)部需要潤滑的傳動零部件主要是蝸輪蝸桿之間的嚙合部位之間的潤滑、滾動軸承內(nèi)部滾子與滾道之間的潤滑，其潤滑類型屬于彈性流體動壓潤滑，潤滑油膜厚度為0.5～1 μm，由摩擦表面的相對運動所產(chǎn)生的動壓效應(yīng)形成流體潤滑油膜。

天線座中傳動鏈的潤滑方式通常有潤滑脂潤滑、循環(huán)噴油潤滑、浸油潤滑等，潤滑脂潤滑方式是將適量的潤滑脂涂抹在齒輪嚙合等部位以形成潤滑作用，潤滑脂潤滑的優(yōu)點是方法簡便、不易漏油[3]；其缺點是：散熱性差[3]、黏附在潤滑脂中磨削雜物磨損機件、潤滑脂易高溫?fù)]發(fā)，因此該潤滑方式不適用于長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的天線座。在早期的天線座中采用的是循環(huán)噴油潤滑方式，該潤滑系統(tǒng)由潤滑泵站、過濾器、高壓閥、油管等組成，潤滑泵站安裝在天線座下方，通過進油管分別通入減速機內(nèi)部齒輪嚙合部位進行噴油潤滑，再通過回油管通入潤滑泵站循環(huán)潤滑，該潤滑方式存在以下缺點：在極寒地區(qū)，進油管路易積存油垢導(dǎo)致堵塞。由于天線座結(jié)構(gòu)限制，難以觀察、檢測天線座內(nèi)部齒輪嚙合部位是否有噴油潤滑。因此，選擇了浸油潤滑方式，即將蝸輪蝸桿、軸承等傳動零部件均浸潤在潤滑油中油浴潤滑，該潤滑方式可靠，散熱性好，但必須做好密封性設(shè)計及油位油溫實時監(jiān)測設(shè)計。

空管雷達高速天線座中的電機通過離合器與減速機的蝸桿輸入軸連接，電機為水平安裝方式，減速機的空心輸出軸與蝸輪連接，與蝸桿輸入軸直角交叉上下垂直輸出，空心輸出軸上面與天線連接并帶動其以60 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，空心輸出軸下面與旋轉(zhuǎn)鉸鏈、編碼器連接并帶動其以60 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由于減速機內(nèi)有一定量的潤滑油浸潤蝸輪蝸桿等傳動零部件，如果空心輸出軸與減速機輸出軸孔之間仍然采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)油封動密封形式，則輸出軸與與減速機輸出軸孔之間的配合精度要求很高，零件形位公差精度、表面粗糙度及表面硬度要求都很高，但即使如此設(shè)計，仍然無法避免旋轉(zhuǎn)動摩擦的存在及橡膠老化失效現(xiàn)象，難以徹底避免天線座長期連續(xù)高速運行后的潤滑油滲漏現(xiàn)象。為此，采用了以下密封設(shè)計，杜絕空管雷達高速天線座滲漏油現(xiàn)象。

a.采用非接觸式動密封設(shè)計。高速天線座減速機內(nèi)部潤滑油位只需到蝸輪蝸桿中心位置即可滿足潤滑要求，因此，在蝸輪下面加工1圈凹槽，讓減速機油池圍桶上端插入凹槽內(nèi)，圍桶高度超過蝸輪蝸桿中心位置即油池內(nèi)油位高度，當(dāng)減速機內(nèi)蝸輪蝸桿嚙合傳動潤滑時，潤滑油始終不會漫過油池圍桶上端溢出滲漏，而高速旋轉(zhuǎn)的蝸輪凹槽、空心輸出軸與固定不動的減速機油池圍桶始終有一定間隙，由此實現(xiàn)了非接觸式動密封的目的，避免了接觸式動密封所帶來的磨損及橡膠老化等問題。

b.采用自動減壓平衡設(shè)計。在密封浸油腔體上采用減壓閥，當(dāng)密封浸油腔體內(nèi)因油溫升高而導(dǎo)致氣壓升高，從而導(dǎo)致油壓增大時，可以通過腔體內(nèi)部升高的氣壓自動頂開減壓閥門，減小密封浸油腔體內(nèi)氣壓及油壓，防止因腔體內(nèi)高油壓而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)密封部位潤滑油滲漏。

c.采用遠程實時監(jiān)測油位油溫設(shè)計。空管雷達高速天線座一旦開機運行，必須能夠全年無故障連續(xù)運行，通常每年只允許停機1～2 d維護一次，因此天線座應(yīng)具有智能化檢測報警技術(shù)[4]，為此在高速天線座減速機中安裝了油位傳感器、油溫傳感器，工作人員可以在機房內(nèi)通過終端顯示器隨時監(jiān)測天線座傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)，以達到遠程監(jiān)測設(shè)計及準(zhǔn)確判斷故障部位目的[4]，防止發(fā)生潤滑不良及滲漏油現(xiàn)象。

目前設(shè)計的空管雷達高速天線座已小批量應(yīng)用在某機場場面監(jiān)視雷達，經(jīng)過使用驗證，以上的傳動潤滑與密封設(shè)計符合使用要求，傳動平穩(wěn)噪音低，無滲漏油現(xiàn)象。

2 計算分析

空管雷達高速天線座主要用于驅(qū)動機場場面監(jiān)視雷達天線按照指定轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)，其驅(qū)動系統(tǒng)承受的載荷主要為風(fēng)載荷，摩擦阻力和慣性載荷。

風(fēng)載荷主要為方位靜態(tài)風(fēng)力矩和附加動態(tài)風(fēng)力矩，根據(jù)天線特征面積為1.5 m2、天線特征長度為7.5 m、天線轉(zhuǎn)動半徑為3.75 m、風(fēng)速、天線轉(zhuǎn)速為60 r/min、方位風(fēng)力矩系數(shù)依據(jù)參考文獻[5]、水平風(fēng)阻力系數(shù)依據(jù)參考文獻[5]、陣風(fēng)因子依據(jù)參考文獻[5]、大氣密度等參數(shù)，并考慮天線在旋轉(zhuǎn)過程中，其所承受的方位風(fēng)力矩大小是交變的，因此計算得知在不同風(fēng)速下天線旋轉(zhuǎn)一周所受的風(fēng)載荷均方根值見表1。

表1 不同風(fēng)速下的天線風(fēng)載荷均方根值

摩擦阻力主要體現(xiàn)為天線座內(nèi)部的軸承在受到天線載荷時所產(chǎn)生的摩擦力矩，其數(shù)值取決于軸承承受的正壓力為3 500 N、軸承直徑為0.1 m、摩擦系數(shù)等參數(shù)，計算結(jié)果為2.1 N·m。

天線座驅(qū)動系統(tǒng)承受的慣性載荷主要來自所驅(qū)動天線的慣性力矩，其計算值取決于天線轉(zhuǎn)動慣量、電機轉(zhuǎn)動慣量、齒輪傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、總傳動比取25.24、天線轉(zhuǎn)速、加速時間等參數(shù)，計算得知慣性力矩為76.58 N·m。

根據(jù)以上計算得到的天線座承受的方位風(fēng)力矩、慣性力矩、摩擦力矩、天線轉(zhuǎn)速60 r/min及減速機傳動效率取0.85，可以計算得出不同風(fēng)速下天線正常工作需要的最大輸入功率，計算結(jié)果見表2。

表2 不同風(fēng)速下的需求功率

根據(jù)上表所示，在風(fēng)速為44 m/s時，系統(tǒng)需求功率最大，達到8.3 kW；因此選定額定功率為5.5 kW的電機，風(fēng)速<25 m/s時采用單機驅(qū)動，風(fēng)速>30 m/s后采用雙機驅(qū)動，可滿足使用需求。

選擇電機功率時還需要考慮使用環(huán)境的影響，圖3～4分別是某電機功率隨環(huán)境溫度、海拔高度的變化系數(shù)圖表。

圖3 某電機環(huán)境溫度變化系數(shù)圖表

圖4 某電機海拔高度變化系數(shù)圖表

依據(jù)使用環(huán)境，海拔高度超過3 000 m或者環(huán)境溫度超過50 ℃時，電機輸出功率需乘以系數(shù)修正0.86，為滿足驅(qū)動要求，此時選擇額定功率為5.5 kW的電機，則雙機輸出最大功率5.5×2×0.86=9.46 kW，滿足要求。

通過以上分析，在環(huán)境溫度-40～50 ℃、海拔高度≤3 000 m的地區(qū)使用時，選取2套額定功率為5.5 kW的2套電機作為天線座的動力；環(huán)境溫度>50 ℃或者海拔3 000～5 500 m的地區(qū)選取兩套額定功率為5.5 kW的電機作為天線座的動力。

3 結(jié)束語

機場場面監(jiān)視雷達屬于空管雷達系列中的一種，根據(jù)機場場面監(jiān)視雷達對于天線座的高速旋轉(zhuǎn)、長期連續(xù)運行等特殊使用要求，對高速天線座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、動平衡設(shè)計、傳動潤滑與密封設(shè)計、傳動分析計算等關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細(xì)論述，設(shè)計了一種具有動平衡性能、非接觸動密封潤滑性能、可遠程監(jiān)測油位油溫、可連續(xù)長期可靠運行、具有雙機冗余備份的空管雷達高速天線座，目前，該高速天線座已小批量應(yīng)用于某機場場面監(jiān)視雷達，該高速天線座也可推廣應(yīng)用在水域監(jiān)視雷達等領(lǐng)域。

[1] 張潤逵，戚仁欣，張樹雄. 雷達結(jié)構(gòu)與工藝(上冊)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 張義民，孫志禮，宋桂秋. 機械設(shè)計手冊——現(xiàn)代設(shè)計理論與方法[M]. 5版.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 秦大同，謝里陽. 現(xiàn)代機械設(shè)計手冊——潤滑與密封設(shè)計技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[4] 段穎輝.航管雷達天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 電子機械工程，2010，26(5)：24-27.

[5] 葉尚輝,李在貴.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.