一種高架機動雷達天線升降桿結構設計

黃 克，孫懷花，喬 雷

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

0 引 言

高架機動雷達是隨現代戰爭的需求應運而生的一種新型雷達。它一方面具有較好的機動性，能夠實現天線的快速升降、天線的自動折疊等功能，同時能迅速地轉移陣地；另一方面它具有高架的特點，舉升機構把天線舉升到一定高度，并且能在一定的風載作用下可靠地工作。[1]

天線升降桿是一種為升降天線而設計的舉升機構。天線升降桿按驅動方式通常分為手動方式、氣動方式和電動方式[2]。手動驅動天線升降桿一般采用鋼絲繩、滑輪傳動。早期升降桿的設計通常將鋼絲繩、滑輪等機構外置，影響產品的美觀。本文采用內置式設計，天線升降桿用滑輪和鋼絲繩來提升各級桿。產品輕便快捷，穩定可靠，操作方便，符合產品的使用要求。

1 設計原理

天線升降桿的外形如圖1所示。

圖1 天線升降桿的外形圖

升降桿的結構簡圖如圖2所示。本文設計的升降桿內含5根方形套管，套管1為固定套管，里面的套管2、套管3、套管4、套管5分別由鋼絲繩承拉著，分別是主動鋼絲繩和從動鋼絲繩。主動鋼絲繩的一端固定在固定套管1的a處，另一端從套管2的下滑輪1、2上繞過，再上升繞到固定套管1的上滑輪3，并通過滑輪4導出升降桿固定在手搖機構上。從動鋼絲繩的兩端分別固定在固定套管1的底部b、c處，中間繞過套管2的上滑輪5、8和套管3的下滑輪6、7，把套管3托起，依此類推。

圖2 天線升降桿的結構簡圖

當搖動手搖機構時，主動鋼絲繩被從升降桿內拉出，驅動套管2相對于底座和套管1向上運動，套管2上的上拉定滑輪隨套管2向上運動。由于繞過上拉定滑輪的上拉繩一端連接在套管1上，另一端連接在套管3上；因此上拉繩就拉動套管3向上運動，并且套管3相對于套管2的位移等于套管2相對于套管1的位移。當套管3相對于套管2向上運動，套管3上的上拉定滑輪隨套管3向上運動。由于繞過上拉定滑輪的上拉繩一端連接在套管2上，另一端連接在套管4上；因此上拉繩就拉動套管4向上運動。同理，套管5的結構及運動方式依此類推。下降過程反之。

當升降桿內套著多根套管時，里面套管的升降原理同套管3一樣，其Δcn=L/2。

由上面公式可以看出，當主動鋼絲繩向外拉出L時，所有升降桿同時升起，且每根套管相對外面的套管提升高度為L/2，升降桿總的提升高度為(n-1)L/2。

設計天線升降桿時，每根鋼絲繩的受力載荷是重要的參數。下面計算一下主動鋼絲繩承受的力F1。

根據能量守衡定律，當摩擦力忽略不計時力所作的功等于勢能：

F1·L=G2·L/2+G3·2·L/2+G4·3·L/2+

…+Gn·(n-1)·L/2

得

F1=[G2+2G3+3G4+…+(n-1)Gn]/2

(1)

其中，Gn為從外向里第n根套管的質量，其中最里面的套管的質量包括雷達天線負載的質量。

由上面的計算可知，最外面的主動鋼絲繩受力跟升降桿套管的根數和質量有關，根數越多，里層桿的質量越大，鋼絲繩所承受的力也就越大。

2 結構設計

2.1 升降桿的內置式設計

由于該升降桿要求雷達天線升起后鋼絲繩不裸露在外，因此在設計時，在套管與套管之間要合理安排鋼絲繩的纏繞方式。

(1) 升降桿的管材截面采用正方形截面。這是因為套管內壁要安裝滑輪，需要大的安裝平面，若選用圓管，其內壁不方便安裝滑輪。相同壁厚和截面積的套管，方形比圓形的抗彎截面系數大。

(2) 升降桿的鋼絲繩與套管之間的纏繞形式如圖2所示。主動鋼絲繩的安裝平面在套管2的中間平面內，從動鋼絲繩的安裝平面在套管3的中間平面內，且與主動鋼絲繩安裝平面垂直。這種形式可以避免兩根鋼絲繩在同一平面內相互交叉碰撞。

(3) 滑輪的安裝形式應盡量減小摩擦力。前面的受力分析忽略了摩擦力，但鋼絲繩在滑輪上滾動時摩擦力是實際存在的，摩擦力的大小影響能否提起各套管以及鋼絲繩規格的選擇。因此，在設計時滑輪內安裝滾動軸承，以減小摩擦力。

2.2 手搖機構的設計

手搖機構采用行星齒輪結構設計[3]，其結構簡圖如圖4所示。

齒輪b為固定齒輪，齒輪a為輸入軸，轉臂H為輸出軸，鋼絲繩卷筒與轉臂H固定在一起，其傳動比計算[4]如下：

設Za=18，Zb=72，Zc=27，則

升降過程如下：

(1) 升降桿上升：轉動手搖把，轉臂H以5倍速比輸出，帶動卷筒轉動纏繞鋼絲繩，上升停止后靠棘輪、棘爪鎖住；

(2) 升降桿下降：按下棘爪，升降桿在重力作用下自動下降，下降速度的快慢可手動調整。

2.3 鋼絲繩選型計算

本文設計的6 m升降桿的閉合高度為1.8 m，展開高度為6 m。要求升降桿能夠垂直承載200 kg，設計選擇合適規格的鋼絲繩。

設計套管選用方形鋁型材，節數為5，套管壁厚為6 mm。各節套管截面尺寸(mm)如下：套管5：138.5×138.5；套管4：162×162；套管3：189×189；套管2：230×230；套管1：275×275。

由此可推算出套管的質量由外向里分別為

G1=10 kg，G2=9.1 kg，G3=7.9 kg，

G4=6.3 kg，G5=5.1 kg

設垂直承載G=200 kg，代入公式(1)，得到最外面的鋼絲繩受力為

F1=[G2+2G3+3G4+4(G5+G)]/2=432.1 kg

若考慮摩擦力和其他因素，取安全系數為4，則鋼絲繩實際受力為4F1，即1 728.4 kg。查設計手冊，選取直徑Ф7.14鋼絲繩，其最小破斷拉力不小于2 774 kg，滿足設計要求。對該產品的直徑Ф7.14鋼絲繩物資樣品進行破斷拉力試驗，如圖5所示，當拉力加載到3 300 kg時，鋼絲繩斷裂。試驗結果表明，其最小破斷拉力大于2 774 kg，符合產品使用要求。

圖5 鋼絲繩破斷拉力試驗工裝

3 結束語

本文針對一種高架機動雷達天線升降桿的結構設計進行了理論分析與設計計算。該升降桿的特點是提升速度快，操作方便靈活。由于采用鋼絲繩內置，故升降桿結構緊湊，外形美觀。