（机械工程专业论文）某车载气象雷达结构总体设计.pdf

川仆 ： 声明 小。、h 寸给义是我侄导师的指导卜取得的研究成果，尽我所知，在 仁h 一除殳l h 除j 7 加以标注和致酣的部分外，不包含其他人_ 已经发 表或公们过n 勺研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历1 划| _ j j 洲勺利料。与我同工作的同事对本学位论文做 1 1 的贡献均 l 1 m f 仑爻 ir 作j 叫确的说明。 l 蠹ld b 年ft 月，qf 学位论文使用授权声明 m 京旷r 夫学柯权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 ! 吱i h 处们小。、j ! ：位沦文的全部或部分内容，可以向有关湘、 或机构送 州爱十刈l 仪存、“i i 喇或川冽公布本学位论文的伞部或部分内容。对 j 仙：常浍义，梭保密的有关规定和程序处理。 一i 耋i ：蔓 莎m 易年麒月，啪 摘要 ， x 波段车载型多普勒天气雷达系统主要用于一些地区性实时气象业务和科研的 外场试验、重大工程建设的气象保障和防灾抗灾气象服务。 本文给出了x 波段车载型多普勒天气雷达结构总体设计，针对天气雷达的特点及 技术和环境条件的要求对总体结构的几个主要组成作了介绍。参考和借鉴所内在车载 雷达一p 的结构总体设计的技术和方法；克服了国外某些雷达采取低高度结构而不能全 力位探测的缺点，解决公路、铁路、航空运输问题。并在雷达的总体布局、天线座和 俐伙系统的设汁、雷达车行使稳定性和抗风能力，雷达设备的电子兼容性设计、热设 计和抗振设计、可靠性、维修性和安全性设计、雷达附属设备的比较和选择等方面作 了研究。 天键列：多普勒天气雷达结构总体方舱载车 工程帧士学位论文 莱车载气承雷达结构总体设计 a b s t r a c t 、xb a n dv e h i c l e c a r r i e d d o p p l e rw e a t h e rr a d a r i s m a i n l yu s e di n r e g i o n a l r e a l t i m ew e a t h e rs e r v i c e s ，s i t et e s tf o rs c i e n c ea n dr e s e a r c h ， w c a t h e rr e p o r tf o ri m p o r t a n te n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，a sw e l la sd i s a s t e r p r e v e n t i o na n dr e s u m ew e a t h e rs e r v i c e i nt h i sp a p e r , t h eg e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g no fxb a n dv e h i c l e - c a r r i e d d o p p l c rw e a t h e rr a d a ri sp r e s e n t e d t h em a i ns t r u c t u r ep a r t so ft h i sr a d a r a r ci n t r o d u c e di na c c o r d a n c ew i t ht h ef e a t u r e so fw e a t h e rr a d a ra n dt h e r e q u i r e m e n t sf o rt e c h n i q u e sa n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s i nt h ed e s i g n ，t h e g e n e r a ls t r u c t u r ed c s i g nt e c h n i q u e sa n dm e t h o d su s e db yo u ri n s t i t u t et o d e v e l o pv e h i c l e c a r r i e dr a d a ra r er e f e r r e d ；t h es h o r t a g ef o rs o m ef o r e i g n s t r u c t u r ei so v e r c o m e ；t h er o a d ，r a i l w a ya n da i rt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m sa r e r c s o l v c d 7 l h cg c n e r a lr a d a rl a y o u t ，p e d e s t a la n du p d o w ns u b s y s t e md e s i g n ， r a d a rc a r r i e rr u n n i n gs t a b i l i t ya n da n t i w i n dc a p a b i l i t y , r a d a re q u i p m e n t s e m d e s i g n ，t h e r m a ld e s i g na n da n t i k n o c kd e s i g n ，r e l i a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t y a n ds a i b t yd e s i g n ，r a d a ra t t a c h e de q u i p m e n t sc o m p a r i s o na n ds e l e c t i o na r e a l s os t u d i c d k e yw o r d s ：d o p p l e r , w e a t h e rr a d a r , g e n e r a ls t r u c t u r e ，c a b i n ，c a r r i e r 5 工程碗士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 1 绪论 1 1 气象雷达的作用和地位 随着国民经济的快速发展，人们越来越重视气候的变化，气象的预测显得越来 越t 嘤。7 t 缘事业发展纲要( 1 9 9 1 2 0 2 0 年) 明确指出，大力发展新一代天气雷达， 加速多丹恸人。“旨达软硬件和应用技术的研究，进一步发展，完善中尺度气象监测 网和7e 候鼢测网，并投入气象业务使用，是气象事业发展的需要。 气象雷达是利用雨滴、云粒、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中 的天气现象，主要探测和测量对象包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流， 屁奈、冰雹、冻阿、冻结层、融化层等。脉冲多普勒天气雷达技术先进、功能齐全、 性能优良，不仅能测定降水位置和强度，还能测定降水内部气流的速度和流向。在 多普勒天气雷达上增加双线偏振功能能够获取更多有关降水粒子形状和相关的信 息。 1 2 气象需达的现状和发展趋势 早期的偏振雷达是在常规数字化天气雷达的基础上发展的，随着多普勒天气雷 达技术的成熟，在多普勒天气雷达上增加偏振功能，能获取更多有关降水粒子形状 和相念的信息。近年来，美国、西欧纷纷进行研究，目前也只是建立各种实验系统。 在j 引内更烃没有先例。研制双线偏振多普勒天气雷达是目前双线偏振技术发展的趋 势，是一：十一世纪雷达的发展目标。而目前我所的气象雷达已发展成五大系列。其 t 凄功能简介如下： 。 、 。：j 1 ) c 波段全相参双线偏振多普勒天气雷达 该雷达技术先进、功能齐全、性能优良，不仅能测定降水位置和强度，还能 测定降水内部气流的速度和流向，并且还实现了雷达产品的实时处理和实时显示， 成为斩代7 t 缘探测的有力工具。 2 ) x 波段全相参双线偏振脉冲多普勒天气雷达 该雷达广泛用于气象、航空、军事、海洋、水文、油田、林区、盐场等部门对 灾害性天气的监测预警，指挥人工影响天气的作业，分析云、降水物理机制等诸多 方 衙一恐妇前心内推出的新型天气雷达。 工轻硕士学伯论文 某车载气象雷达结构总体设计 ：；) i ，波段眦廓线雷达( 风廓线仪) 风廓线仪是世界气象组织推荐业务应用的一种地基遥感装备，具有晴空探测能 力的多普勒雷达，可实时探测大气的三维风场。我国己规划在中尺度天气监测预报 服务基地组建肛l 廓线仪网。我所研制的风廓线仪采用全相参、全固态相控阵技术， 脉冲多普锄技术。技术先进、性能稳定，在国内处于领先地位。 4 ) s 波段全相参多普勒天气雷达 ， s 波段全相参脉冲多普勒天气雷达可以广泛应用于气象的各种探测和研究任 务。口存定量测雨的同时，可以探测和监视4 0 0 公里范围内的强对流危险天气，探 洲2 0 0 公弘的大气肛l 场信息；可探濒, t j n 暴雨发生前的风场结构及演变特性，为尽早 发现 一尺度天气系统和灾害性天气( 如雷暴、暴雨、风切变、下击暴流、龙卷、锋 i f i i 、湍流、冰雹等) 提供了可靠的依据，并具有晴空探测能力。它具有更高的精度 和探测灵敏度，可以广泛应用于国家、民航及部队各大型气象探测系统。 5 ) p 波段低对流层风廓线雷达 。 p 波段低对流层风廓线雷达是一部垂直指向。有晴空探测能力的多普勒雷达， 可实时探测大气的三维风场。它通过天顶、东、南、西、北五波束位置不同高度的 散射信弓积累和复杂的数据处理、可得不同时刻的风廓线数据。 l 州所拍：研制新一代的天气雷达中，以“新一代天气雷达系统功能规格需求书” 为依抛，实现通川化、系列化、模块化设计要求。充分吸收我所在军用雷达和多普 仂犬气霭达 蛙计、研制中成熟的成功经验，同时吸取s 波段a b 型、c 波段天气雷 达先进的b j t 技术，注重产品的使用性能。同时与资深的国内气象专家的密切合作， 设雷边砹汁j 我翻气象业务的实际情况相结合，符合国家稚网的气象雷达的气象 软f l ：4 ；j ：准。运用了许多近十年来发展的电子技术和数字技术，其主要特点是： 1 ) 功率主振放大式固态发射机2 ) 高纯频谱信号系统。 3 ) 大动态数字接收机 4 ) 高性能低付瓣天线系统。 5 ) 商速信号处理和数据处理技术6 ) 多功能系统控制和处理软件。 7 ) 偏振微波技术。8 ) 标定和机内自检( b i t ) 技术。 脉冲多普勒天气雷达技术先进、功能齐全、性能优良，不仅能测定降水位置和 强度还能测定降水内部气流的速度和流向。国外气象探测和研究已越来越普遍地 使用多烀物气象雷达，成为新一代气象探测的有力工具，势必取代过去的普通脉冲 7 工程帧士学位论文 。 某车载气象雷达结构总体设计 雷达。， 1 3 论义课逝 背景 本涂史依托空司气象局x 波段机动式全相参脉冲多普勒天气雷达研制任务，重 点研究x 波段车载型多普勒天气雷达的结构总体设计。 x 波段车载型多普勒天气雷达系统主要用于一些地区性实时气象业务和科研的 外场试验、霞大工程建设的气象保障和防灾抗灾气象服务。 r 为提高我军武器装备现代化水平，加强空军机场及机场附近恶劣天气的预报， 空川气象局于某年某月下发了+ 下达x 波段机动式全相参脉冲多普勒天气雷达研制 任务和武器装备研制合同名称：x 波段多普勒天气雷达。空军装备研究院 气象所菜年某月根据上述文件拟制了x 波段机动式多普勒天气雷达主要战术技术 要求。装备对象为空军机场气象台。， 。 我所分别在2 0 0 2 、2 0 0 3 年度为某海军实验基地和河海大学研发了同类产品， 衫 紧厂定的工程经验。但在结构设计上，如总体布局、天线座倒伏等方面进一步 改进，以满足用户需求。 一 4 。 1 4 硷文结构 本文在第一章介绍了气象雷达的作用和地位，和气象雷达的现状与发展趋势， 课题的背最、论文的结构。第二章雷达的设计要求重点论述雷达的设计要求、主要 的结构指标、雷达设计小型化的总体思路和理论根据。第三章从雷达载车的选用和 教装、设备车厢的布局、雷达的主要结构分系统天线座分系统、天线分系统、倒伏 机构、机柜设计等进行详细设计。第四章从雷达的避雷设计、安全性设计、屏蔽措 施、r 功稠r 系统、自动定位系统，雷达系统运输、油机电站的选用、雷达的架设、 架设场地的选择和标定等方面迸一步完成雷达结构辅助系统的设计。第五章应用户 和家的竖求，对天线座放置位置、车厢和方舱装载型式、空调型式种类等不同方 案进行比较，以最终选择较好的方案。第六章从抗倾覆的分析和计算、方位驱动功 率的汁算、倒伏机构的计算、电机功率的计算、接触疲劳强度的计算等进行分析和 计算，从而对系统的安全性给出了理论计算依据。第七章给出雷达方案设计的结论， 同时对该雷达的性能和国内外雷达列表对比。 8 工程帧士掌位论文 莱车载气象雷达结构总体设计 2 雷达的没计要求 2 1 雷达的使命和任务 雷达利用云、降水对电磁波的后向散射和晴空大气对电磁波的衍射作用探测大 气l ，的火z c 现象。监测机场周围高度2 4 k m 以下，3 0 0 k m 范围内天气目标的位嚣、强 度，1 5 0 k m 范围内天气目标的位置、强度平均多普勒速度和速度谱宽等多个参数以 及下击暴流、中尺度气旋、阵风锋等航空危险天气。 x 波段车载型多普勒天气雷达系统的特点：全天候工作是天气雷达的一大特点。 越怒在人气恶劣的情况下，越需要获得真实可靠的气象数据。其次是雷达连续运行 时i h j 相对较长，要适应野外全天候的工作。但是，相对于测量雷达，其轴系精度和传 动楷度要求较低。 ” ， 。? x 波段车载型多普勒天气雷达结构总体主要由天馈伺系统、雷达信号系统和载 擎系统等二部分组成。在研制过程中要解决以下问题。 1 ) 需达的总体布局、天线座及倒伏机构的设计 2 ) 雷达乍行使稳定性和抗风能力 3 ) 雷达设备的电子兼容性设计、热设计、避雷设计和抗振设计 4 ) - 叮靠性、维修性和安全性设计 2 。2 主监战术、技术指标( 结构有关) 1 ) 霄达体制 企相参脉冲多普勒体制 2 ) 频率 x 波段( 9 3 7 0 2 0 m h z ) ： ) 灭馈线 灭线i f i 馈抛物面 ， 口径 l - 8 m 馈线水平极化 4 ) 风负荷 i 弘稳风速2 0 m s ( 无冰) 或1 4 m s ( 有冰，冰厚l c m ) 能工作 9 兰曼塑主竺塑堡塞墨主矍皇墨曼堕箜塑璺箜堡盐 平稳风速3 5 m s ( 无冰) 或2 0 m s ( 有冰，冰厚2 c m ) 不受破坏 5 ) 天线工作范围 方位0 。3 6 0 。 仰角一1 。+ 9 0 。 天线一：作角速度 方位0 2 4 。s 俯仰o 1 2 。s 天线工作角加速度 力。化1 5 。s 2 俯仰 1 5 。s 2 6 ) 天线位置定位精度( 均方根误差) 方位0 2 。 仰角0 2 。 天线位置指示精度 方位0 1 。 仰角0 1 0 方位转台的水平度0 1 。 疗能辄闭i 俯仰轴垂直度0 1 0 7 ) ”r 靠性及维修性( 雷达不含载车) 平均无故障工作时间m t b f 4 5 0 h 平均修复时删 m t t r 0 5 h 8 ) 环境条件。 i l m ：温度 鹱：存温度 相对湿度 室外一4 0 + 5 0 室内0 c + 4 0 c 室外一4 0 + 6 0 室外9 5 9 8 ( + 3 0 时) 室内9 0 9 6 ( + 3 0 时) 海拔高度3 0 0 0 。 9 ) 肝机时阍 工程倾士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 i 机时州不大于1 2 m i n 】0 ) 机动性 雷达装载方式 + 车载东风e q 2 1 0 2 g 底盘 雷达运输方式 铁路、公路、空运、海运 公路运输行驶速度 “ 。 三级公路平均速度3 0 k m h 柏油路、混凝土路平均速度为4 0 k m h 架拆时问( 4 人) 架设时问3 0 分钟拆收时间1 5 分钟 通过能力 最商车速9 0 k m h j 最入转弯半径不大于1 8 8 m 最人涉水深度l i i i 最火制动距离不大于8 m 最大爬坡度6 0 ( 无拖挂) 1 】) 其它 其它蠼求按( ；j b 7 4 a 一9 8 军用地面雷达通用规范和b t 1 2 6 4 8 9 0 天气雷 达通j 1 】技术条件执行。 2 3 设计的总体思路 般来晚，地而雷达结构都比较庞大，而且以往地面雷达设计中雷达重量、体积 等i 翻数螈1 i 多，现代战争对雷达的实战机动性要求越来越高，因此雷达设计迫切需 要注重小型化r ，。 4 “ 对车载雷达小型化设计来说，系统设计至关重要，是决定雷达结构方案成败的关 键，系统设计应从系统整体出发，分析论证，抓住小型化设计的关键问题进行统筹思 考，综合考虑小型化、单元划分、空间布局、重量重心、热设计、电磁兼容、振动冲 击、刚强度、精巧结构设计、集成化设计、人机工程、可靠性、维修性、工艺材料、 三化和三防能力等因素。从设计中避免小型化易出现的碰撞干涉、偏心、散热差、电 磁干扰大、操作维修不方便等问题。 工程 聩士学位论文莱车载气象雷达结构总体设计 ， 图2 1 雷达设计总体思路 高素质的人才是提高雷达小型化设计整体水平的根本。设计师的专业知识，工作 经验，设订思想是否周密，主次是否分明，全局的通盘了解程度，工艺过程的掌握， 可靠性、环境保护等方面的设计意识都是必须的。 计算机的运用和发展是实现雷达小型化的有效手段，随着计算机的发展， c a i ) c a m c a e 的广泛应用，利用计算机可进行三维设计，装配，干涉检查，质量重心 计算，静动力分析，机构分析，热分析，公差分析，优化设计，改变了传统的设计方 法和设计工具，并且基于计算机进行协同设计，实施并行工程，并行进行系统安排， 结构设计，分析计算，工艺计划，原先在雷达制造后才能发现的问题，在设计过程就 能发现，司提高产品的设计质量，缩短产品研制周期。 系统改计，高索质的人爿，先进的设计方法和设计手段是提高雷达小型化设计水 平的三个重要方面，缺一不可，具体设计中必须将其有机的结合起来，如图2 1 所示， 从总体思路上统筹考虑解决小型化与刚强度的矛盾，小型化与通风散热的矛盾，小型 化与电磁兼容的矛盾，小型化与可靠性、维修性的矛盾。 汁先心根掘t ：前达的战技指标性能，拟制系统结构组成及其框图，进行单元划分， 先是运输单元，必须考虑两个方面：一是控带0 运输单元数、二是运输单元数的最大重 量、尺寸、重心位置、运输能力，这与运输方式及通过性有关。天线分快，方便运输 和架设a 电子设备方舱应有多种运输能力的接口，如升降机构接口，机动轮方舱接口， 吊运、铲运接1 ，p l s ( 托盘化整装整卸) 装载体制，电子设备划分要充分利用每个 单元的空问、立体布局、松紧程度基本一致。 1 2 工狂能士学位玲文莱车载气象雷达结构总体设计 需达灭线的运输与架设在结构设计中占非常重要的地位，因为这个问题的合理解 决，可以使雷达的战术性能大大的改善，因此力求天线架设方便、时间短，运输轻便、 结构设计人员应尽最大努力减少雷达的体积与重量，架撤应采用快速连接装置，尽量 不丌】专门的起重机械等，设计过程中，一定要把运输和架设问题全面细致地统筹考虑 合理解决。雷达车设计还应尽量做到不加配重，满足三心合一的要求，即天线的转动 中心、重心、最佳风力矩中心基本一致，最佳风力矩中心可通过做风洞实验来确定。 在结构上有了初步构思后，用计算机进行三维设计，并进行预装配，真实感强，修改 方使，便j j 窄m 布罱，可进行多种方案的比较，进行重量、重心、转动惯量、应力的 汁镎，为避免碰掩，合理利用空间，全面检查干涉和配合协调情况，可检查运输、架 撤、f 作三个过程的干涉情况，如干涉指出干涉点位蜀，干涉的体积尺寸，不干涉给 出最小| 1 日j 隙点位置及最小间隙。发现干涉及时修改，简单方便。在结构尺寸受限制的 条件下，如人工设计要做到运输、架撤、工作三个过程都不干涉就比较困难，而用计 算机却i 分方便，对天线的快速度折叠、天线的翻转等机构在三维造型、装配后，进 行机卡勾的运动分析，满足所需的运动轨迹要求，使运动过程达到最佳。n 1 1 一 车厢、机柜外形设计与布置，电缆走线，灯光照明用计算机进行方案仿真比较， 做出效粜网，找 h 最佳方案。 。 没i i 砷j 肼思维i 维化，设计师在进行布局时平面尺寸考虑的较多，常忽略第三方 们尺寸，这是设计不紧凑或碰撞干涉的主要原因。 白：雷达总体设计中，维修性要具有可达性( 视觉可达、实体可达，操作空间可达) ， 统筹安排，布局避免交叉作用( 机电液不相互影响) 维修一个零部件，不要先拆许多。 拆装方便( 直线) ，有检查观察窗口，测试点，加润滑油方便。采用标准化、模块化、 防差错设计。识别标志清楚、位置合理，检测诊断方法应准确、快速、简便，维修还 需婴考虑人机的安全性。：，* 。 一咔f 磁兼容( 电磁屏蔽和接地设计) 要求具有良好的抗干扰能力，提高设备对电磁 环境的适应性，包括躁声源抑制，消除躁声的耦合通道和抑制接收系统的躁声等。电 磁兼容是。j 代电子产品设计的重要课题，电磁屏蔽是抑制辐射干扰的有效手段。车载 雷达i i j 。j ：体积较小空f h j 紧密，易出现较大的电磁干扰。而回路布线，如印制板，交 叉伽足减少干扰的重要措施之一。设备布局控制干扰源和被干扰元件的距离及方向， 干扰场的场强随着与干扰场源的距离的增大而减少。为了通风散热，安装指示表头、 i 工程坝士擘位论文莱车载气象雷达结构总体设计 观察窗等，必须丌设孔洞，通风孔的设计原则是尽可能地减少导磁的截面积和不增加 导磁| ! i i 路的长度。另外对大孔洞加金属网罩，金属网可以兼顾通风、观察、屏蔽。可 以川会膳做通j x l 管道，也可减少孔洞引起的泄漏。电子设备中连接线缆对电磁兼容影 响很人，咔l 源m 缆和信号电缆分开走，关键线路加电缆屏蔽套。良好的接地很重要， 屏蔽体与地1 j 的阻抗越小，屏蔽效果就越好，屏蔽不接地，电场干扰反而比不屏蔽更 严重。1 州。”。 ， 。 通风散热是每个雷达系统都应考虑的问题，由于雷达车载小型化后，排列紧密， 通风散热情况不好，因此系统设计时更注意热设计、热分析。热设计主要考虑机柜、 舱等的通风散热情况。通用机柜按冷却的方式分为：自然通风冷却、强迫风冷、液冷、 空谢冷却。川“、 “ 为减少重量缩小体积，实现雷达的小型化，必须对结构如天线、天线座等避行静 动力分析，同时进行优化设计。通过分析计算及优化对结构尺寸的调整变换，在保证 姒发、剐度。糙度的条件下，使结构尺寸更合理。 ： 严酷的气候条件会引起电子设备中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、霉烂，性 能显著一f 降等各方面的破坏。根据设备所处的环境，影响因素的种类、作用强度的大 小浆确定相应的防护措施。腐蚀的原因大致有三类：外界恶劣环境的作用，由于设计 捌边方而的原w 使设备本身存在问题，使用过程中出现的问题。尤其在沿海地区，天 线腐蚀f “重，更要考虑材料的选用，结构形式、镀涂保护。设计不能只从小型化、 轻型化考虑，不考虑腐蚀的影响，壁厚太薄，应综合考虑，选择适当的材料和壁厚。 为减少振动冲击，提高电子设备的可靠性，机柜、显控台加装减震缓冲系统，印 制板剽| j 所震加嘲措施，并提高电子元妻件在振动条件下的自身可靠性，机械结构采 取趼松措施。采用新材料新工艺、大量采用模块化、集成化的设计实现雷达设计的小 型化。” l l 工耪嗡士学位论文巢车裁气象雷达结构总体设计 3 总体结构方案设计 3 1 引言 在本章将研究x 波段机动式多普勒天气雷达系统的组成，包括设备的名称、外 形、及啦 ；：。通过计算机效果图来研究雷达的总体布局，分别从雷达载车的选用和 改装、设备牟i _ l i 的枷局、雷达的主要结构分系统天线座分系统、天线分系统、倒伏 机构、机柜等设计对雷达系统作详细研究。 3 2 雷达的组成 x 波段机动式多普勒天气雷达系统主要由车厢外设备含天线、天线座、馈线系 统、倒伏机构等；车厢内设备含发射、接收、信号数据处理、伺服系统、自动定位 定向系统、配电箱等和载车系统包括e 0 2 1 0 2 g j 二类底盘、手动调平机构、过渡平板、 1 i 厢、倒伏机构接口法兰、空调、发电机组等三部分组成。雷达系统的组成见表3 1 。 表3 1 雷达系统组成 外形尺寸( 宽深高)重量数量 序号 名称备注 ( 舢) ( k g ) ( 只) l 天线 口径1 8 m1 81 2 馈线 3 0l 3 天线座 5 0 01 4 倒伏机构 1 5 01 5 发射机6 0 0 8 0 0 1 4 0 02 5 0 1 6 接收机 5 4 0 x 4 1 2 2 6 61 51 7 信号处理机 5 4 0 x 4 1 2 1 7 81 01 n 数损处用! 机 5 4 0 x 4 1 2 x1 7 81 0l 9 伺服 5 4 0 x 4 1 2 3 5 62 01 1 0 终端 5 4 0 4 1 2 1 7 81 01 一 i l 稳压配电4 2 0 3 8 0 x 2 2 22 01 l2 油机7 1 5 5 2 0 x 5 8 01 2 01 工程硕士学位论文莱车载气象雷达结构总体设计 室内1 0 0 0 x 2 0 0 3 1 0 1 3 空调2 5 7 0 1 室外8 6 0 3 7 8 x 5 2 8 1 4 机柜 6 0 0 8 0 0 1 4 0 02 0 03 3 3 布局与安装 雷达信号系统安装在一电子设备工作车厢内，车厢外挂空调室外机组。天馈系 统通过倒伏机构接口法兰和载车固定。所有雷达设备形成一辆运输单车，整车满足 铁路、公路、空运、海运运输要求，能在3 0 分钟的时间内由运输状态转入工作状态。 雷达系统工作状态、运输状态见附图3 1 、附图3 2 。 图3 1 雷达系统工作状态图 工程硕士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 图3 2 雷达系统运输状态图 效果图分别见图3 3 、图3 4 、图3 5 、图3 6 、图3 7 、图3 8 。 图3 3雷达系统工作状态图( 一) 1 7 工程琐士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 图3 4 雷达系统工作状态图( 二) 图3 ，5 雷达系统运输状态图( 一) 1 8 工栏6 贞士学位论文莱车载气象雷达结构总体设计 图3 6 雷达系统运输状态图( 二) 图3 7 雷达系统车厢布局图 工程硕士学位论文莱车载气氛雷达结构总体设计 3 4 雷达载车选用及改装 图3 8 雷达系统机柜装放图 3 4 1 载乍的选用 设备重约3 t ，需底盘承载面较长，且考虑到海拔3 0 0 0 m - i - 作，载车选用东风汽 车公司生产的e q 2 1 0 2 g j 中型军用越野车底盘改装。该车采用东风康明斯6 b t 5 9 型 蓖列六缸增压柴油发动机，具有良好的越野性能和低温起动性能，装配p t c 电热陶 瓷冷越动装嚣可在零下4 0 度顺利起动，满足低温环境工作要求。 该车采用平头带卧二门驾驶室，外形美观大方，越野性能好，价格适中性价 比好。 主要性能指标如下： 。 车型 质量参数 性能参数 e q 210 2 g j 越野汽车二类底盘。 驱动型式6 6 单胎轮轴 整车质量6 0 0 0 k g 越野装载质量3 5 0 0 k g 最小离地间隙( 装载3 5 0 0 k g 时) 3 0 5 m m 最高车速( 满载无拖挂) 9 0 k m h 工程硕士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 最小转弯半径丰1 8 8 m 。 最大爬坡度( 无拖挂) 6 0 尺寸参数最大涉水深度1 0 0 0 n m 越障高度7 0 0 姗 越壕宽度7 0 0 r a m 续驶行程7 0 0 k i n 离去角3 4 。 一 总长7 6 3 5 r m 总宽2 4 7 0 m , n 总高( 满载驾驶室车顶) 2 7 4 0 m m 驾驶室至车架尾部长度5 5 0 0 m m 底盘高度1 0 5 0 m 3 4 2 载车的改装 为满足实际使用和车厢的安装要求，必须对底盘进行定程度的改装。车辆经 过改装后应基本保持原有的越野性能和机动性能。 主要改装内容为加装副车架： 车厢不能直接安装在底盘车的主车架上，必须在底盘车主车架上安装副车架， 副车架上安装平台。由于原车底盘不能直接安装长度为5 0 0 0 衄的车厢，原车底盘需 加长4 5 0 m m 。运输底盘大梁上平面离地高度约1 0 5 0 r 衄，雷达车副车架与主车架之间 加垫2 0 m m 硬橡胶，控制整车总高为3 1 5 0 叫，宽度为2 3 0 0 m 时，即可达到铁路运输 和i l - 7 6 飞机运载不超限。 安装雷达系统设备后，雷达车的预估总质量为2 9 0 0k g ，小于e 0 2 1 0 2 g 的越野载 。重量，因此整个系统的机动性满足g j b1 3 8 0 9 2 的要求。 ， 。 i 底盘经改装后，底盘加车厢整车外形尺寸为8 0 0 0 哪2 4 7 0m m x3 1 5 0 伽，其 接近角为3 5 。，离去角为2 6 4 。符合g j b 2 9 4 8 9 7 运输装载尺寸及质量限制，基本 保持e q 2 1 0 2 g 越野车越野性能和机动性能“。m 1 t 2 1 工挂顿士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 3 5 设备车厢 。，雷达信号系统装载采用车厢结构，车厢与载车做成一体，采用有梁大板方舱的 大板结构，具有良好的隔热、隔音、屏蔽性能，降低了运输高度。 车厢分两个室，静部为天馈系统安装室，后部为工作室。天馈系统安装室用于安 装天线座系统和发电机组，天线座安装于天馈系统安装室后部，左侧后部安装油机， 在右侧壁设置有一个雷达维修门，顶部盖板为活动盖板，朝前移动后，天线可举升 进入1 ：作状念，在天馈系统安装室后壁( 隔栅壁) 左右侧机柜对应位簧设置有两个 维修在维修门上部设置有信号、电源、馈线和进风接口。 1 ：作室位于车厢后部，内部前部安装有三个机柜，在对f - j 倾, j 壁设簧有一个操纵 台，操纵台前部设置有一个工作椅。 箱体、门、通道尺寸( 长宽高) ：， 车厢整体外型结构尺寸为：5 0 0 0 m m x 2 3 0 0 m m 2 0 0 0 m m 工作室外部结构尺寸为：2 6 5 0 m m 2 3 0 0 r a m 2 0 0 0 m 工作室内部结构尺寸为：2 5 3 5 m m x 2 1 8 0 m m x1 8 2 0 m m 。j 二作门通过尺寸：1 7 0 0 m m 8 2 0 m m 信达维修门通过尺寸：1 6 0 0 m m x7 0 0 m m 机柜维修门通过尺寸：1 4 0 0 m m 4 2 0 m m 、 油机操作门通过尺寸：6 8 0 r m x 5 2 0 m m 为了保证室内空气的新鲜、对流，在厢体上设置两个换气扇，一个进风一个出 风。住车厢内安装有空调及取暖器，满足车厢内的温度和湿度环境要求。 3 6 雷达设备的主要结构分系统 3 6 1 天线分系统 。 天线 j 径为1 8 m ，旋转抛物面，天线结构形式为主面为1 5 m m 厚的防锈铝合金 板整体擀制成形，背架辐射梁片为角铝结构，环梁也为角铝结构，前馈喇叭由三根 椭圆截倾的撵腿与背架联接。为了降低天线的副瓣，馈电波导采用半高波导馈电方 式，便天线的口径遮挡更小，从而有利于进一步降低天线的副瓣电平。 天线总重约3 5 k g ( 含馈源) 。 。 工程张士学位论文 某车载气象雷达结构总体设计 3 6 2 天线癍系统“” 陔雷达天线座是抛物面天线的支承和传动装置，是一个二维转台。口径1 8 米的抛物面反射体天线就安装在这个转台上。天线的俯仰和方位转动由转台来实 现，既要承受载荷，又要达到一定轴系精度( 转台的轴系精度直接影响雷达测角 精度) ，而且，转台是伺服系统的一个负载环节，转台的惯量、刚度、摩擦以及 传动系统的平稳性等直接影响伺服性能。首先考虑的是一个合理的力学系统，只 有载衍以合理传力途径传递，才能使结构重量轻，变形减小，从而减小由变形引 起的随机误差，同时要考虑是否可能达到的加工精度，调整环节。 ， 天线座结构方案见图3 9 1 、2 所示，属俯仰一方位型转台式天线座，其主要组成 部分为：方位和俯仰支承结构、动力传动装置、数据传动装置和安全保护装置。天 线的方位，俯仰转动由永磁无刷直流电机构成的伺服系统来实现。 3 。6 2 1 办位和俯仰支承结构。 。 ， 方位和俯仰支承结构主要由底座、转盘、俯仰箱体、左右支臂等组成。 天线座的方位支承为转盘式结构。而转盘式结构轴向尺寸紧凑，刚性好，抗倾 覆能力强，便于汇流环、方位铰链的装拆及维护。 厅化底庖为整个天线座的基础，承受较大载荷，并要求具有较高刚性，同时还应 有足够的尺寸稳定性，为此需要合理设计。底座为直径5 5 0 m m ，高6 2 8 m m 圆筒形 结构，内壁设计三层和若干辐射筋，提高其抗弯，抗扭刚度。底座上层安装轴承，中层 安装减速器和同步轮系，在底座内下端直径为2 6 0 r n m 处有2 个用于支承汇流环托 絮的支脚n 流所：洲茜座下面向上装入。为方便接插电缆和维修调整，底座开窗孔， 饼4 1 。p q 删加凸缘，以加强此局部的结构刚度，并便于安装盖板。 。、 转台底部中心部位装有方位主轴。方位大齿轮联结于转盘底部，这样布置大齿 轮即可以减小扭转变形，又可以减小弯曲变形( 大齿轮靠近方位轴承) 。 j ： 为满足天线运动范围的需要，俯仰支撑部分设计成支臂形式，俯仰轴采用心轴结 构形式，将俯仰铰链安排在俯仰箱内。左右支臂为钢板焊接成型，与左右轴承的外 圈一起转动，通过天线托架带动天线作俯仰运动。左右轴承的内圈，左右轴与俯仰 箱不转动，右端俯仰轴上装有波导铰链支架，内孔走波导和电缆。俯仰箱和转台，两 学之1 日j 通过法兰用螺钉联接，并用销钉定位。整个结构由焊接性能良好的1 6 1 n 钢板 焊接成形。俯仰箱体内内走波导及电缆等。方位和俯仰轴承的精度直接影响天线座 工程硕士学位论文莱车载气象雷达结构总体设计 的轴系精度，为此，如何选择轴承是该天线座设计的关键之一 。 方位轴承：从伺服性能、结构和承载能力等综合因素考虑，方位选用交叉圆柱滚 子轴承，它能同时承受较大的径向力、轴向力、倾覆力矩，从而使结构紧凑，轴向尺 寸小，其承载能力可满足使用要求。 4 俯仰轴承：俯仰轴承直接影响俯仰轴的旋转精度，即影响俯仰轴的水平，从而影响 俯仰轴和方位轴的垂直度因此右支臂采用一对e 2 2 1 6 圆柱滚子轴承；左支臂采用一 对e 7 2 1 6 圆锥滚子轴承。 ” 图3 9 1 天线座结构方案 工程硕士学位论文莱车载气象霄达结构总体设计 图3 9 2 天线座结构方案 3 6 2 2 动力传动装置+ 该雷达天线座的传动链由电机、减速器、末级大齿轮组成。传动原理图见图 3 1 0 、3 1 l 。 方位一套传动系统布置于方位底座内部，为有利于安装维修，电机、减速器安 装于底座窗口处，输出小齿轮与固定于转盘上直径由4 3 4 m m 的方位大齿圈啮合。从而 驱动转台作方位回转。t ， 俯仰一套传动系统安装于俯仰箱体内，一个直径4 8 8 皿n 的俯仰大齿轮固定在 俯仰支臂上，减速器输出小齿轮与大齿轮啮合从而驱动天线作俯仰运动，使俯仰轴 免受扭矩，改善了俯仰轴的受力状况。 工程硕士学位论文 某车载气象雷达结构总体设计 传动比分配以减小系统惯量，提高传动链精度和结构紧凑合理为原则方位总 速比3 0 7 ，俯仰总速比6 0 0 。 图3 1 0 方位传动原理图 图3 1 1 俯仰传动原理图 3 6 2 3 传动精度分析 。 影响传动误差的主要因素是传动链中传动零部件的加工制造和装配误差，因此 提高齿轮的加工精度和装配精度，可使传动误差降低。减速器选德国n e u g a r t 精密 行星减速器p l s l 4 2 ，是军用型减速机，精度极高，回差小于3 分。大齿轮7 级，传 动误差计算值：方位、俯仰均小于5 分，传动回差计算值：方位、俯仰均小于5 分。 3 6 2 4 数据传动系统 方位、俯仰设计有数据传动系统。方位数据传动系统为：方位主轴直套一模数 工程1 咦士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 l ，齿数1 2 0 的数据齿轮与另一模数1 ，齿数1 2 0 的数据齿轮啮合，通过弹性联轴节 连接剑单极旋转变压器上，从而实现l ：l 数据传动：俯仰数据传动系统为：俯仰 大齿轮与一个模数4 ，齿数2 0 的小齿轮啮合，再通过数据减速箱、弹性联轴节连接 剑- 诈极旋转变艉器1 - ，从而实现1 ：1 数据传动。 3 6 2 曲_ 夭线惩安全保护装簧 为保证设备、人员工作安全，天线座上设缓冲和锁定装置。 天线俯仰最大运动范围：- l 。+ 9 0 。，为了保护和避免天线和转台发生碰撞， 在俯仰两个极限位置各设置一个机械缓冲装置，即在天线托架上设两冲块，缓冲器 固定于俯仰箱体侧面上，缓冲范围：1 。4 。( 下限) ：9 0 。+ 9 3 。( 上限) 。 仰角位置锁定器：为了天线的安装运输和必要时天线需锁定在0 。、6 0 。和9 0 。位 罱l ，在俯仰箱体三处角度位置留有加工面，以便安装锁定座块，而在左支臂上固 定。f 控活塞插销锁定器，拨动手柄，可使活塞销进入或退出俯仰箱体上的锁定座 块的孔内，从而实现天线仰角在0 。、6 0 。和9 0 。位置的锁定要求。 方位位簧锁定器：方位位置锁定安装与仰角同样的手控活塞插销锁定器，锁定 器涮定铂：底座l 二，转盘上安装锁定座块。按要求安装锁定器销的位置，从而实现天 线谯厅位位锶的锁定要求。 机械上的安全保护均与伺服联锁。 3 6 2 6 分析计算 。厶右支臂、俯仰箱体、转盘和底座是天线座的重要结构件，要求具有足够刚、 强鹰，嗣时应尽量减轻重量，以减轻倒伏机构的载荷，因此对结构进行了精心设计 和优化，确保重量最轻。， 天线座轴系精度估算，| ， 方何牟0 | 列夫地的垂直度 轴】i = 端跳为o 0 6 ，则该项引起的误差为： o 0 6 2 0 6 x 1 0 5 l = 2 6 ( 秒) l 方位轴承跑道面直径4 5 5 转艋与轴承安装上平面的平行度为0 0 6 ，则该项引起的误差为： o 0 6 2 0 6 x 1 0 l = 2 6 ( 秒) ? 一 轴承与天线座安装平面的平行度为o 0 6 ，则该项引起的误差为： 工程硕士学位论文莱车载气象雷达结构总体设计 0 0 6 x 2 0 6 1 0 5 l = 2 6 ( 秒) 装配凋整为0 0 6 ，该项引起的误差为：0 0 6 x 2 0 6 1 0 5 l = 2 6 ( 秒) 方位转台水平度为：瓯= t 活五万了夏f 了孬= 5 2 ( 秒) 。 俯仰轴对方位轴的垂直度。、 轴承内固径向跳动为o 0 6 ，该项引起的误差为： 0 0 6 2 2 0 6x 1 0 5 l = 4 0 ( 秒) ， f ， 俯仰支承的跨距6 1 6 + 。 轴承径向辅助游隙o 0 6 ，该项引起的误差为： 0 0 6 2 0 6 x 1 0 5 ( 0 6 1 6 x 2 ) = 1 0 ( 秒) 。 7， 俯仰箱炳轴头中心不等高o 0 6 ，该项引起的误差为： 0 0 6 2 0 6 1 0 5 0 6 1 6 = 2 0 ( 秒) 转舷与俯仰箱接触平面度o 0 6 ，该项引起的误差为：， 0 0 6 2 0 6 1 0 0 6 1 6 = 2 0 ( 秒) 装眦洲褴为0 0 6 ，则陔项引起的误差为： 0 0 6 2 0 6 x 1 05 0 6 1 6 = 2 0 ( 秒) 俯仰轴与方位轴的不垂童度 6 ，= q4 0 2 + 1 0 2 + 2 0 2 + 2 0 2 + 2 0 2 = 5 4 ( 秒) 满足轴系精度要求。 3 6 3 倒伏机构 车载式雷达工作时要有一定的高度，运输时为满足运输条件，又必须降低天线 系统的高度，因此应选择合适的升降形式“。 经计算，天线： 作状态需在运输状态升高1 5 0 0 m m ，而运输状态时天线座俯仰转 动i | 1 心离过渡平板上平面仅为1 4 0 0 m m ，且天线座高度约为1 0 0 0 m m 。在本方案中采用。t 火线倒伏机构实现了天线运输状态下的超高问题。m 1一， 工 帧士学位论文某车载气象雷达结构总体设计 倒伏机构主要由丝丰下机构、蜗轮蜗杆机构和电机组成。j 倒伏机构采用梯形丝杆机构，丝杆机构由电机通过蜗轮蜗杆机构传动， 丝秆螺母与蜗轮做成一体。丝杆采用4 5 # 钢，螺母采用青铜。?。 该机构由1 1 0 0 w 电机带动一级蜗轮蜗杆，蜗轮通过螺母带动梯形丝杆转动，实 现天线系统的倒竖。 靶 3 6 4 机柜 ： ，- “ 巾i 予设备下作车厢机柜有发射机柜、综合机柜、备份机柜组成。 车厢布局见附图3 7 。 ， 。 发射儿柜放有速调管、调制分机、高压分机、控保分机。 综合机桁放有配电分机、接收、激励、信号数据处理、数据处理显示器、伺服 分机等。 一 备份机柜放有备份分机、终端工控机、打印机、稳压源、u p s 等。 在综合机柜和备份机柜里有数据处理和终端二个工控机，为了机柜外观的风格 和汕漆的+ 致性，其它分机都采用同一型号工控机空机壳。 机柜的减振采用橡胶减振器，关键器件如速调管、监视器等采用二级减振。 i - | = 于气象雷达的特殊性，经常在恶劣的气候环境下工作，所以在机柜设计时应 注意以一f t l 点。 ；o机桓采用上排下送的通风形式。通风机选用轴流风机。 i ，)符帆枷的热量直接排入车厢内，由车厢空调通风系统排出车厢外。 c )各分机插件、元器件应根据自身的环境条件选用散热方式。 ，d )对个别大功率器件要加散热器或采用单独风道散热。 e ) 计算机应选用军用加固，以适应环境条件要求。 * ，。 。 i f )机柜应充分考虑在越野运输条件下的冲击振动影响，机柜选择合理的减震 器。 ， 考虑到车厢内净尺寸较小以及机柜后电缆插头较多，