淺析雷達天線驅動組件回轉支承故障原因及應對措施

張煒

摘 要：回轉支承又稱轉盤軸承，是兩個物體之間需做回轉運動，又需同時承受軸向力、徑向力、傾翻力矩的機械所必需的重要傳動部件，被廣泛應用于傳統一二次雷達的驅動單元中。回轉支承作為雷達天線驅動系統唯一的傳動組件，一旦發生故障將直接導致雷達運行中斷影響空中交通管制服務。近年來民航空管雷達回轉支承發生的故障已經引起全國各地雷達設備維護單位的廣泛關注。

關鍵詞：民航；雷達；機械；天線

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0051-02

1 回轉支承故障原因分析

1.1 疲勞剝落損傷

疲勞故障是導致回轉支承失效的原因之一，主要與承力、運行時間（或循環次數）有關[1]。回轉支承的結構如圖1所示。

在回轉支承工作時，滾道和滾動體表面既共同承受載荷又存在相對的滾動，由于交變載荷的作用，首先在表面下一定深度處（最大剪應力處）形成裂紋，繼而擴展到接觸表層發生剝落坑，最后發展到大片剝落，形成小坑。在回轉支承運轉過程中，遇到凹坑就會造成碰撞就會產生沖擊振動，所以疲勞剝落會造成回轉支承運行時的沖擊載荷、振動和噪聲加劇。

1.2 回轉支撐啟動時的米塞斯應力影響

回轉支撐啟動時外圈滾道會受到動態米塞斯應力影響。回轉支承的損壞形式有兩種，一是滾道損壞，二是斷齒，而滾道損壞所占比例居高不下，因此滾道質量是回轉支承質量的核心問題。滾道是否損壞與米塞斯應力的大小密切相關。馮·米塞斯屈服準則的物理意思即，在一定變形條件下，當材料的單位體積形狀改變的彈性形變能達到某一常數時，材料就屈服。結合本案例，即滾道的磨損。回轉支承外滾道米塞斯應力分布如圖2所示。

圖2給出了外滾道上的3個單元上的米塞斯應力隨時間變化的曲線。單元45918（黑色實線）在0-0.025秒內先是急劇上升，最大值到1450MPa，然后驟然下降，其波動十分劇烈。這是由于起始期間突然施加軸向載荷，滾動體與滾動道初始接觸引起滾動體的強烈震動，當載荷和速度穩定和波動就會變小。

1.3 滾動體質量缺陷

回轉驅動通常由蝸桿、回轉支承、殼體、馬達等部件構成。由于其核心部件采用回轉支承。因此可以同時承受軸向力、徑向力、傾翻力矩。2016年，北京首都國際機場民航某雷達天線驅動系統回轉支承故障，技術人員在拆除舊回轉支承的過程中觀察到有大量金屬碎屑出現在天線基座內即殼體內，但回轉支承齒輪結構完好，從碎屑的材料及形狀可以判斷，該碎屑來自回轉支承內部的滾動體即滾球或滾柱。從該回轉支承的設計結構來看，不存在潤滑油無法充分浸入到滾動體的情況，故該型號回轉支承可能存在個別滾動體質量有瑕疵，在持續壓力的滾動過程中出現破損，該破損的碎屑進一步加快了其他滾動體的磨損過程，產生連鎖反應。

1.4 回轉支承安裝不當

在雷達安裝過程中，可能由于多方面原因導致回轉支承的安裝水平度欠佳，導致回轉支承在長期運轉中局部壓力偏大造成滾動道變形，加速滾動體的磨損。

1.5 回轉支承滾動體制造控制不當

當回轉支承中滾動體布局過密時，即安裝間隙過小，因為軸向載荷需要作用在運動轉移過程中的滾動體上，所以會造成滾動體之間的擠壓，使得局部阻力增大，滾動體與滾道之間的滑動摩擦力相應增大，從而使得回轉支承的使用壽命降低。當回轉支承中滾動體布局過疏時，將導致滾動體與滾動道的接觸面內應力增大。對于單排球式回轉支承施加的純軸向載荷Fa，由所有滾動體均等的承擔，因此每個滾動體的載荷為：

Q=

式中：Z為滾動體個數；α為滾動體和滾動道的接觸角。從上式可以看出當滾動體數量減少時，單個滾動體所承擔的載荷將增加。當接觸物體均為鋼時，接觸面內的最大接觸應力可以由下式求得：

式中：Q為載荷；ea=0.2363μ；eb=0.2363v；∑ρ為曲率之和。通過上式可以看出，當滾動體載荷增加時，其接觸面內的最大接觸應力將相應增加。綜上所述，滾動體的分布數量如果未能滿足合理區間即過密或過疏，都將對其使用壽命造成不利影響。

2 回轉支承故障應對措施

（1）在定期維護中加強對天線驅動系統機械部分的檢查力度，建議采用有效的方法評估天線運轉過程中產生的震動及噪音，作為故障預防與判斷的參考。

（2）建議有同型號雷達的地區建立采購同型號回轉支承的有效渠道并訂購備件；建議短期內無法建立購買渠道的地區設法建立備件調撥渠道。

（3）建議計劃新建該型號雷達的地區，在項目前期針對此可能發生的故障與廠家人員充分溝通協商解決方案。

（4）謹慎使用雷達的緊急制動開關，緊急制動動作將使回轉支承滾道所承受的米塞斯應力產生劇烈波動，可能使滾道發生整體或局部變形，從而造成回轉支承的損壞。

（5）在新雷達的建設過程中，采用可靠的手段對天線基座安裝的水平度嚴格把關。

（6）更換潤滑油時確認油品清潔，防止細小顆粒物隨潤滑油進入回轉支承。

3 結語

回轉支承是航管一二次雷達機械部分的核心部件，也是易損部件，他的工作正常與否直接關系到雷達設備運行時的正常率與完好率。本文根據回轉支承的結構形式和運動特征，結合民用航管雷達天線接線傳動結構的調研結果，對回轉支承的典型故障進行了分類與原因分析。最后依據民用航管雷達的應用現狀及實際情況總結了應對回轉支承故障的措施。

參考文獻

[1] 徐子奇，宓為建，沈一飛.大型回轉支承裝置故障的綜合診斷[J].上海海事大學學報，1995（4）：1-5.

[2] 吳正毅.測試技術與測試信號處理[M].北京：清華大學出版社，1991.