雷達天線自動架機構的液壓同步方法

郭向東

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽 合肥230088)

隨著信息化戰爭的發展需要,雷達的機動性能對雷達的快速反應能力和戰場生存能力有決定性影響[1,2]。大型地面雷達的天線口徑越來越大,為滿足較高的機動性,大口徑天線陣面必然要采用分塊處理和柔性展開/收攏等方式,且日益向多塊、高收納比和高集成重載等方向發展。因此,天線陣面快速可靠的自動展開/折疊架設機構成為影響大型地面雷達機動性的關鍵。

液壓系統有力體積比大、集成度高、控制簡單等特點,已廣泛運用于大中型地面雷達的自動調平和自動架設機構[3,4],撐腿和架設/折疊機構一般成對動作,由此帶來了雙機構同步問題,因此,液壓同步性能直接決定著雷達調平精度、骨架是否發生扭曲變形和運動平順性。

1 雷達液壓同步方法

雷達液壓同步控制系統為位置液壓同步控制系統,無論是油缸還是馬達,實質上是如何保證兩個執行元件的流量相同,并不受負載影響。目前雷達常用的液壓同步方法大體上可分為三類：機械同步、液壓強制同步和電比例伺服閉環同步。

機械同步在液壓系統中沒有同步元器件,是靠天線骨架較好的剛度進行同步。液壓強制同步在液壓系統中有同步元器件,同步元器件可以是分集流閥或同步馬達,也可是兩個相同排量的泵給兩路供油實現兩個回路同步。電比例伺服閉環同步一般由位置傳感器、比例閥和伺服控制器組成,通過采集位置傳感器信號,由伺服系統比例控制器實時控制比例閥輸出流量以實現位置閉環同步控制。

機械同步和液壓強制同步均為開式控制方法,同步性能一般,但成本低、控制簡單、應用較為廣泛；由于加入了監測傳感器,電比例伺服閉環同步的精度較高,但成本較高,控制也較復雜。

2 調平系統同步

雷達液壓自動調平一般采用四點調平的方式,調平采用多點追高的方法,即所有的調平腿都遵循只升不降的原則參與調平。平臺調平的過程為：首先,四條調平腿伸出并進行落地檢測,保證四條撐腿都著地,避免出現支撐腿虛地的情況；其次,根據水平傳感器X 軸和Y 軸的信息尋找最高點,保持最高點不動,按一定的控制算法控制其他最低點向最高點趨近,直到滿足調平精度。

由此可見,雷達液壓自動調平過程中,關鍵在于雙撐腿在承載不均勻的情況下需具有較好的同步性,理論上可采用電比例伺服閉環同步和液壓強制同步。考慮撐腿上不易集成布置位置傳感器和成本較高,目前雷達液壓撐腿同步常采用液壓強制同步方式。其中,分流閥的精度和負載敏感性較差,經過實踐驗證,無法滿足現在重載雷達的液壓調平系統要求,作為分流閥升級換代產品,液壓同步馬達同步精度更精確(液壓同步馬達1～2%,分流閥3～4%),效率更高,可實現3′的調平要求。

圖1 調平系統液壓同步原理圖

如圖1 所示,整個元件有一個共同的進油通道和各自獨立的出油口,分流馬達對流入其進油通道的液壓油起分配作用,分流馬達每片的尺寸相同,則進油口的一路高壓油將被分流馬達等量分流,實現調平撐腿的同步運行,由于幾片分流馬達為一根軸聯動,因此每片馬達的出口流量不受負載影響,同時,每片分流馬達并聯一個溢流閥對每一路進行安全保護。比如調平腿1 和調平腿2 需要同步工作時,其對應的換向閥打開即可實現兩腿的同步動作。

3 剛性骨架同步

如圖2 所示,為典型的分塊平面陣列天線折疊/展開機構,中心框架作為支撐體,左、右邊塊陣面分別鉸接在中心框架上,油缸的一端與中心框架鉸接,另一端與邊塊陣面鉸接,單側邊塊陣面的折疊/展開通過多個油缸同步動作實現0°到90°翻轉,而且兩側邊塊陣面一般要求同時折疊/展開到位,因此這里涉及單側同步和雙側同步兩個液壓同步。

圖2 多塊剛性陣面折疊/展開示意圖

對于單側同步,由于這種陣面骨架多采用高強度鋼焊接成框架結構,剛強度較好,通常采用同步馬達同步或機械同步即可滿足要求。同步馬達的控制方法與調平腿類似,其油缸的同步位置精度能達到2%以內,可以滿足大部分此類型陣面的同步精度要求；對于機械同步方式,由于液壓系統沒有強制同步措施,需保證雙缸的油腔互通,即油腔壓力相等,這也就要求陣面重心在最兩側油缸的中間幾何位置附近,通過骨架本身較高的剛強度實現多個油缸的同步動作。

對于雙側同步,由于兩個陣面相對獨立,無需考慮對陣面剛性和變形的影響,且一般只要求目視效果能夠同時到位即可,因此,同步精度要求不高,根據實際工程經驗,同步精度在4%左右即可。可采用分集流閥或同步馬達的液壓強制同步；或采用限定兩個電比例閥開口,實現兩路等流量輸出的開式控制方式；也可使用同排量的雙泵系統分別給兩個邊塊回路供油。

如圖3 所示,同步馬達同步和機械同步的平衡閥布置方式不同。機械同步由于是一路供油給多個油缸,要求每個缸的壓力相同,油缸腔體間必須是管路直接連接,因此采用多缸共用一個平衡閥的方式,即平衡閥進出口連接多個油缸,這種連接方式的平衡閥調試難度較小。而同步馬達同步,為有效提高系統的平穩性,每個執行元件需單獨布置平衡閥,這種連接方式的平衡閥調試難度較大。

圖3 兩種同步的平衡閥布置示意圖

由以上分析可知,由于同步馬達同步有很好的負載不平衡性,對重心位置要求不高,適用范圍較廣,但調試難度較大。機械同步原理上相對簡單,調試難度小,成本也相對較低,但對陣面重心位置和骨架的剛強度有一定要求。

4 柔性骨架同步

如圖4 所示,為典型的柔性陣列天線結構形式,主要由展開機構/承力桿和驅動油缸等組成,承力桿安裝在展開機構上,由油缸驅動展開機構伸縮,帶動多根承力桿實現大收納比的展開/收攏。柔性陣面結構往往跨距較大,同時承力桿為細長桿,本身的剛性較差,故對同步精度要求較高。根據不同的展開機構結構形式,可采用機械同步或同步馬達同步,但結構上需有同步裝置；如果精度要求高,則可采用電比例伺服閉環控制實現。

圖4 柔性陣面展開示意圖

圖5 電比例多路閥原理圖

如圖5 所示,電比例伺服閉環控制的主回路多采用PSL 負載敏感回路電比例多路閥,每片閥輸出流量可獨立控制且不受負載影響,位置傳感器一般與油缸集成或安裝在展開機構上,由伺服系統比例控制器實時控制兩片閥輸出流量以實現位置閉環同步控制,伺服系統只需要通過開關控制進行油缸運行速度的選擇即可實現需要的動作。

5 結論

本文首先給出了雷達常用的三種同步方法和優缺點,對調平系統、剛性骨架和柔性骨架適用的液壓同步方法進行了詳細闡述。這些同步方法在實際使用中效果良好,可滿足同步要求,為后續類似結構的液壓同步設計提供借鑒,并具有一定的參考意義。