大型相控陣?yán)走_(dá)陣面維修機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

邱坤濱，李 紅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

20世紀(jì)50年代開始，為滿足對(duì)本國(guó)或他國(guó)洲際彈道探測(cè)和防御的需要，地面大型相控陣?yán)走_(dá)作為美蘇導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的骨干裝備得以快速發(fā)展，美蘇兩國(guó)相繼研制了一系列大型戰(zhàn)略相控陣?yán)走_(dá)[1-2]，這些雷達(dá)典型特征是陣面大、天線單元多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陣面口徑通常達(dá)數(shù)十米，且多以固定式建筑物形式存在，大都部署在偏僻的地點(diǎn)[3]，大型配套維修設(shè)備很難快速就位。因此，在陣面設(shè)備安裝和后期維修維護(hù)時(shí)，又經(jīng)常需要人員快速到達(dá)陣面前方任意位置，為方便使用，一般會(huì)在陣面前方布置一套陣面維修機(jī)構(gòu)。

1 總體布局設(shè)計(jì)

陣面維修機(jī)構(gòu)在總體布局上有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式：一種是導(dǎo)軌沿陣面寬度方向，上下布局，稱為橫向式，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其工作原理是在陣面的頂部和底部各設(shè)置有一條橫向?qū)к墸趦蓷l導(dǎo)軌上安裝一個(gè)臂架，臂架可以沿導(dǎo)軌左右橫向移動(dòng)，工作平臺(tái)通過導(dǎo)軌與臂架連接，并可以沿臂架方向縱向上下移動(dòng)，這樣通過縱向和橫向?qū)к壙梢允构ぷ髌脚_(tái)定位于天線陣面口徑范圍內(nèi)的任何一個(gè)工作位置，在收藏狀態(tài)下將臂架置于雷達(dá)陣面的一側(cè)。

圖1 陣面維修機(jī)構(gòu)橫向式布局原理

另一種是導(dǎo)軌沿陣面高度方向，左右布局，稱為縱向式，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其工作原理是在天線陣面的寬度方向兩側(cè)位置各設(shè)一根縱向?qū)к墸ぷ髌脚_(tái)通過左右兩根縱向?qū)к壸錾舷乱苿?dòng)，工作平臺(tái)的長(zhǎng)度接近于整個(gè)雷達(dá)陣面的寬度尺寸，維修人員可以在維修平臺(tái)長(zhǎng)度方向上移動(dòng)，通過這種方式使人員可以到達(dá)覆蓋雷達(dá)陣面口徑的任意維修位置，收藏狀態(tài)下，平臺(tái)一般置于陣面底部。

圖2 陣面維修機(jī)構(gòu)橫向式布局原理

兩種布局方式均能滿足系統(tǒng)功能，但橫向式布局方案有明顯的缺點(diǎn)。

（1）陣面尺寸變大。臂架在收藏狀態(tài)下置于陣面的一側(cè)，為使其不遮擋雷達(dá)信號(hào)，天線陣面在寬度方向上需要預(yù)留一定的空間用以存放桁架，這樣會(huì)增加天線陣面的結(jié)構(gòu)尺寸。

（2）維修安裝設(shè)備不便，效率較低。工作人員在這種平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修或者更換時(shí)，身體會(huì)前出工作艙，而且工作艙的空間有限，對(duì)于較重的設(shè)備，不便于多人同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

（3）安全性不足。如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者工作艙在使用過程中出現(xiàn)了問題，工作人員需要從臂架慢慢下來，不能很快地進(jìn)行撤離，還有可能被困在工作艙內(nèi)。

縱向式布局克服了橫向式布局的諸多缺點(diǎn)，可以允許多名工人（可以多達(dá)12人）同時(shí)上平臺(tái)進(jìn)行操作，效率會(huì)高很多，而且，該布局不會(huì)遮擋雷達(dá)波，外觀上比較美觀，維修性也較好。綜上所述，在工程應(yīng)用中，選用縱向式布局的陣面維修機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例會(huì)比較普遍。

2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

陣面維修機(jī)構(gòu)在確定采用了縱向式布局方案后，工作平臺(tái)如何沿軌道上下運(yùn)行成了關(guān)鍵，即選用何種驅(qū)動(dòng)方案能更好地服務(wù)于工作平臺(tái)。常用的驅(qū)動(dòng)方案有兩種：自行式和牽引式。

2.1 自行式驅(qū)動(dòng)方案

自行式驅(qū)動(dòng)就是讓工作平臺(tái)通過自身動(dòng)力沿導(dǎo)軌上下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)方案是在工作平臺(tái)兩側(cè)各設(shè)有一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力可以采用液壓馬達(dá)或者電機(jī)，馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條副沿左右縱向?qū)к夁M(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，即“雙電機(jī)/馬達(dá)+齒輪齒條副”。

該方案有兩個(gè)問題需要解決：（1）齒輪齒條磨損問題。齒輪在開式傳動(dòng)過程中，磨損比較嚴(yán)重，造成傳動(dòng)的不一致性，需要使用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油脂對(duì)開式齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行潤(rùn)滑，但潤(rùn)滑油脂會(huì)附著塵、屑等外部介質(zhì)[4]，影響使用。（2）維修性問題。在運(yùn)行過程中，如果平臺(tái)出現(xiàn)了問題卡在了中間，對(duì)于這種驅(qū)動(dòng)方式，維修人員不能將其松放到陣面下方進(jìn)行維修，必須要登高到平臺(tái)進(jìn)行。如果此時(shí)有緊急任務(wù)，需要開機(jī)工作，而且維修人員在很短時(shí)間修復(fù)不好的情況下，工作平臺(tái)會(huì)滯留在陣面前方，遮擋波束，耽誤裝備執(zhí)行任務(wù)。

2.2 牽引式驅(qū)動(dòng)方案

牽引式驅(qū)動(dòng)方案是通過卷?yè)P(yáng)機(jī)收放鋼絲繩來牽引工作平臺(tái)沿左右兩根導(dǎo)軌進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。根據(jù)使用電機(jī)的情況，又可以分為單電機(jī)牽引和雙電機(jī)牽引方式。

對(duì)于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可通過一個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)同時(shí)控制左右兩側(cè)收放鋼絲繩的收放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步，圖2即是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)；對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用伺服電機(jī)同步控制來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平穩(wěn)的上下運(yùn)行。

采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于每邊使用2根鋼絲繩（安全備份），使用一個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)來纏繞4根鋼絲繩，空間上很難布置，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積較大。使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在陣面頂部?jī)啥烁鞣胖靡唤M驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間較小，對(duì)雙電機(jī)同步控制方法研究很多，也比較成熟[5]，能夠滿足同步性要求。當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)問題時(shí)，可通過手動(dòng)操作電機(jī)尾部的釋放桿進(jìn)行人工釋放，工作平臺(tái)依靠重力下降到陣面底部合適位置，不會(huì)影響雷達(dá)后續(xù)工作。

因此，選擇“雙電機(jī)牽引式驅(qū)動(dòng)”方案可以更好滿足系統(tǒng)要求。

3 安全性設(shè)計(jì)

安全性是整個(gè)陣面維修機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)方面，在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮各方面影響安全的因素，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）整個(gè)結(jié)構(gòu)要能滿足不同工況下剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，包括平臺(tái)自重載荷、集中載荷（典型載荷：1 t）、冰雪載荷、風(fēng)載以及過載等。

（2）完善的安全保護(hù)措施，對(duì)每一種可能的事故都要有防護(hù)手段，可能的意外及措施如下。

①電機(jī)制動(dòng)器發(fā)生故障，工作平臺(tái)突然下滑，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)有防超速裝置，當(dāng)其速度達(dá)到設(shè)定速度時(shí)，該裝置立即動(dòng)作，將整個(gè)工作平臺(tái)制停，避免發(fā)生快速礅底的危險(xiǎn)。

②在鋼絲繩的使用數(shù)量上，每個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與維修平臺(tái)之間均采用兩根鋼絲繩連接，互為備份，即便是斷了一根，另一鋼絲繩還能工作，達(dá)到安全保護(hù)作用，不會(huì)使維修平臺(tái)滑落下來。

③如果兩根鋼絲繩同時(shí)斷繩，在鋼絲繩斷裂的瞬間，工作平臺(tái)也可以通過防脫棘爪將自身固定在軌道上（沿導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向上每間隔一定的距離設(shè)置一個(gè)踏步，維修機(jī)構(gòu)上的掛鉤通過鋼絲繩觸發(fā)），防止平臺(tái)脫落。

④如果限位開關(guān)失靈，在導(dǎo)軌的底端還設(shè)有緩沖座，即便是發(fā)生礅底也能夠起到一定的緩沖作用，盡可能保護(hù)工作人員的安全。

（3）運(yùn)行、制動(dòng)平穩(wěn)，操作性好，最大限度減少工作人員受傷概率。采用變頻控制技術(shù)，運(yùn)行平穩(wěn)，起制動(dòng)應(yīng)無沖擊，運(yùn)行速度可以隨時(shí)調(diào)整（建議運(yùn)行速度控制在3.5 m/min左右較為合適）。另外，在操作方式上，采用了電箱操作和遙控操作兩種操作方式，操作人員可以原地操作平臺(tái)的運(yùn)行，減少因來回操作造成的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

陣面維修機(jī)構(gòu)有橫向式和縱向式兩種總體布局方式，現(xiàn)有工程和應(yīng)用案例表明，縱向式布局配合雙電機(jī)牽引式驅(qū)動(dòng)方案，更能充分發(fā)揮陣面維修機(jī)構(gòu)的功能，這種配置必然會(huì)成為大型雷達(dá)維修配套方案的首選。另外，陣面維修機(jī)構(gòu)作為建筑升降機(jī)械的一種，屬于特種專業(yè)設(shè)備，安全性設(shè)計(jì)是重中之重。

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