便攜式雷達三腳架系統結構設計

方益奇 ， 鄭國威 ， 崔 航 ， 唐春榮

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

便攜式雷達是輕量化雷達的一種，其能滿足隨作戰者對作戰環境的快速轉移，具備較強的機動性。雷達對三腳架的重量和體積要求較高，不僅要求其具有一定的承載能力，以滿足便攜式裝備的架設需求，同時還要求具有足夠的強剛度，以抵抗相應的風荷等惡劣環境。三腳架系統是便攜式雷達的載體，應能滿足雷達快速架設和撤收、方便轉運、架設受場地約束小等要求。因此，作為便攜式設備，三腳架應具備重量輕、剛性好、便于操作、人機工程好等優點，要能夠滿足在野外作戰與工作的需求[1-3]。

1 三腳架系統的結構組成

三腳架系統由三腳架、俯仰云臺、方位云臺、調平底座組成，如圖1所示。

圖1 三腳架系統

三腳架系統自帶手動俯仰和方位云臺。俯仰云臺采用機械摩擦力矩鎖緊，俯仰范圍為-10°~+35°，方位云臺的調整范圍為360°周圈。云臺和調平底座的材料為2A12（T4）狀態，具備良好的力學性能，各零件作AL/Et.A(s).Cl(BK)表面處理。安裝電動的伺服轉臺時，需使用調平底座。伺服工作時其對安裝基準有較高的要求，所以需同時安裝調平底座，用于滿足伺服轉臺工作時的水平架設需求。

如圖2所示，調平碗口與調平圓球之間涂7007潤滑脂，以確保兩者之間可以自由轉動，調平支撐為Tr16×2-7H/7e的梯形絲杠，其具備理論自鎖能力。

圖2 調平底座

通用快鎖機構如圖3所示。其由上、下快裝板組成，與市面上通用的三腳架快裝板結構的接口完全一致，具備互換性。快速鎖緊機構采用機械鎖緊，上快裝板分別安裝在雷達底部、伺服底部，下快裝板分別安裝在俯仰云臺頂部、伺服頂部和三腳架頂部以完成不同工作模式的快速切換。采用通用快鎖機構可使選配安裝伺服時的結構實現。在各連接單體均預留3/8英寸螺紋接口，便于和市面通用三腳架互換使用。

圖3 快鎖機構

俯仰云臺與方位云臺采用機械摩擦力鎖緊，簡單可靠，滿足重量輕的要求。方位云臺和俯仰云臺的相對轉動件兩者之間的間隙設計非常重要，縫隙太大，無法將上轉臺固定在合適角度，縫隙太小，則上轉臺與固定座間的摩擦力太大，轉動過于困難。采用M12螺母摩擦力鎖緊，鎖緊力矩大。鎖緊手柄末端設計有六方預緊扳手槽，需要時可同時采用標準內六方扳手進行預緊。如圖4所示。

圖4 俯仰云臺

俯仰云臺由軸端擋圈、鎖緊軸、內俯仰座、橡膠圈、鎖緊手柄、六方扳手槽、外俯仰座等組成。俯仰云臺設計有兩個軸，一個是俯仰轉軸，一個是鎖緊軸。上轉臺外側左右兩面設計有多個橡膠圈，橡膠圈可增大固定與轉動之間的摩擦阻力。

手動方位云臺如圖5所示，其由上轉臺、下轉臺、方位鎖緊軸等組成。手動方位轉臺的鎖緊通用靠摩擦力實現，簡單可靠。

圖5 方位云臺

多節伸縮桿的鎖緊也是三腳架設計的關鍵，常見的鎖緊結構形式如圖6所示。伸縮桿的鎖緊原理分為軸向鎖緊和徑向鎖緊兩種，軸向鎖緊如圖6（a）所示，其主要利用螺紋預緊后產生的鎖緊力。市面上千元級別的三腳架均采用此鎖緊形式，該鎖緊結構簡單，價格便宜，但是抽拉限位較差，抽拉旋轉過度時，各伸縮桿容易脫節。

徑向鎖緊原理如圖6（b）所示，徑向鎖緊采用摩擦力徑向方向從外伸縮桿壓緊到內伸縮桿。該結構形式常用于軍品雷達三腳架，優點是鎖緊可靠，內外伸縮桿不會產生脫桿，但是鎖緊機構重量較重，同時外觀具備凸起較多，美觀性稍有不足。

圖6（c）是采用楔形環結構，將螺紋的鎖緊力同時分解到軸向和徑向。兩個方向同時鎖定，具備較高的鎖緊可靠性，同時外表面輪廓連續，不容易刮擦設備，具備較好的使用性。

圖6 伸縮桿鎖緊原理

2 系列化、模塊化的單體

模塊化最大的優點在于利用相同或者近似的原理，可形成系列化的產品，滿足不同型譜設備的使用需求[4]。由于雷達的自重和大小不同，其對相應的方位、俯仰機構以及快裝結構均有不同的要求。

由于方位轉臺、俯仰轉臺、快裝機構分別自下而上采用搭積木的方式堆積在三腳架的頂部球碗上，所以三者的負載應該逐步增加，包括其上裝的所有載荷。

標準化、模塊化、系列化的雷達快裝機構，具備小、中、大三種型號，對應負載分別為10 kg、20 kg和30 kg；標準化、模塊化、系列化的手動俯仰云臺，具備小、中、大三種型號，對應負載分別為15 kg、5 kg和35 kg；標準化、模塊化、系列化的手動方位云臺，也具備小、中、大三種型號，對應負載分別為20 kg、30 kg和40 kg。

3 三腳架的剛強度分析

三腳架是整個雷達的載體，其應具備很高的剛性和強度。與此同時，作為便攜式設備，又要求三腳架的重量盡量輕。所以本研究在滿足設計約束的條件下進行優化設計與分析。當風速為30 m/s，三腳架上的設備能夠正常工作。在給定三腳架承重負載和風力載荷的前提下，進行三腳架的結構穩定性分析，其最大變形為0.189 mm。

進行仿真優化設計過程如下：簡化模型，將各連接體、緊固件等進行剛性連接處理，略去倒角圓環等輪廓；選擇材料及單元屬性定義，定義材料屬性，將其賦給幾何體；加載方式，考慮雷達結構重量及30 m/s風載的影響，含伺服機構的結構，額外考慮伺服機構2 rad/s的轉動角速度給結構帶來的離心力，仿真結果如圖7所示。

圖7 仿真分析

解算到雷達陣面的基準精度[5-6]計算如下：雷達陣面的指向精度直接影響到雷達對被探測目標的測角精度，雷達轉臺方位旋轉或者天線陣面所受的風載荷以及轉臺中心相對三腳架的位置均是隨機變化的，天線平臺的隨機變形量最終會產生轉臺的水平精度誤差，影響天線陣面指向精度[7-8]。當天線陣面處于不同朝向時，在30 m/s的陣面風載下，轉臺安裝面中心點相對撐腿的變形值最大可達0.189 mm，通過計算可量化該變形值對轉臺水平度的影響，三腳架變形對水平度影響的誤差為Δ1：

Δd為三腳架變形值，L為安裝面中心點相對最近撐腿的水平距離，取1.2 m[9-10]。另外，結合三腳架的調平精度誤差為Δ2=0.3角分。

以上可知，雷達安裝的三腳架平臺水平度最大誤差：

4 結論

本研究分析了便攜式雷達三腳架的基本結構組成，并列舉了系列化的各單體，以滿足不同載荷下的安裝需求。通過仿真計算分析，輕量化設計的三腳架滿足雷達在風載和自重載荷下的安裝使用需求。