一种天线交通式天线折叠机构的设计

一种天线交通式天线折叠机构的设计

1天线阵面设计方案为了提高生存能力，地面雷达设备的设备需要汇总和提高其生存能力。为了提高生存能力，需要自动安装和删除可靠的天线。这是其基本要求之一。现代雷达除了满足战场需求快速机动外,同时还需要满足海、陆、空装载以及运输规范的要求等。因此,对于大阵面高举升的机动性雷达采取高可靠、自动化程度高的自动架撤系统是非常必要的,一方面可以有效地减少操作人员的数量和降低作业强度,另一方面能够可靠地缩短作业时间,提高雷达设备的机动性。现代雷达为了获得较远的探测距离,增大雷达的功率,加大了天线阵面,但同时也影响了地面雷达的高机动性。为了提高地面雷达的高机动性,天线阵面的架设和撤收必须采用分块式、折叠式。天线阵面的折叠方式可分为多种形式:齿轮传动式、四连杆式和齿轮齿条传动式等,但按动力源分主要有机电式和电液式。机电折叠机构的控制及传动结构均较为复杂,同时单位驱动载荷的重量较大,在要求架设高度较高、载荷较大时尤其如此。电液式传动系统与机电式传动系统相比,在输出同样功率的条件下,体积和质量可以减小很多,同时承载能力大,可以完成较大重量雷达天线的翻转。并且采用液压传动还可大大简化机械结构,从而减少机械零部件的数目,也便于实现自动控制。本文以某项目雷达天线的折叠设计为例,介绍一种集天线折叠、翻转锁紧、展开锁紧于一体的180°折叠机构,为具有相同结构形式的天线提供一种设计借鉴机构。2天线质量要求上阵面尺寸:B×H=2×7m2;下阵面尺寸:B×H=2×7m2;风载荷系数:Cxmax=1.03;风速:V=30m/s(撤收);天线重量(含背架):G=3t(上下阵面各1.5t);结构要求:折叠机构能完成180°翻转,具有展开、撤收、锁定和解锁功能;具有自定位功能;能满足翻转力矩小于30000N·m的各种分块天线的折叠。3抗弯机构选择3.1导杆机构组成当前雷达的折叠机构存在的形式多样,满足的功能要求也不尽相同。常见的大角度折叠机构形式主要有双导杆机构(即由两组单移动副四杆机构组成)、滑块齿轮机构和四连杆机构,如图1所示。双导杆机构的折叠如图1(a)所示,导杆机构一由上折叠油缸、上天线阵面和连杆组成;导杆机构二由连杆、下折叠油缸和下天线阵面组成。其中连杆在导杆机构一中是作为机架杆存在,在导杆机构二中是作为曲柄存在。上背架的折叠运动是靠导杆机构一和导杆机构二的组合运动来实现。滑块齿轮机构如图1(b)所示,机构组成包括丝杠、螺母、小齿轮和大齿轮等,其中折叠部分天线与大齿轮连接,通过大齿轮的转动带动天线翻转。运动过程是由动力源驱动丝杠旋转,从而带动滑块螺母在丝杠上移动,滑块螺母的移动带动小齿轮在一定角度范围内摆动,从而完成大齿轮的转动即天线的翻转运动。四连杆机构如图1(c)所示,机构组成包括上天线阵面、下天线阵面、曲柄1、连杆以及推动缸等组成,其中下天线阵面为机架,上天线阵面为摇臂。运动过程是推动缸通过曲柄1推动连杆实现摇臂的翻转。虽然以上三种机构实现的是相同的目的,但结构形式却完全不同,特点也都比较鲜明。双导杆机构有如下特点:(1)结构新颖,能承受比较大的载荷;(2)油缸过多,动作同步控制比较复杂。齿轮传动机构有如下特点:(1)重量较大,且重量以及体积大小与负载有关;(2)使用电机驱动,控制稳定。四连杆机构有如下特点:(1)机械零部件较多,旋转副较多,各旋转轴系加工精度不易保障;(2)控制简单,驱动负载大。3.2叠前叠置结构布局特点对叠机构的要求在选择方案之前,先看看平台上的结构布局如图2所示,从图中可以看出整个结构布局具有两大特点:(1)平台上设备较多,两阵面间空间比较局促;(2)天线工作状态举升高,天线重心高。两阵面间空间小制约了折叠机构的设计,同时也严重影响了折叠机构的维护和检修。而天线举升高、重心高,影响了平台的整体抗倾覆性。针对以上结构布局特点设计的折叠机构要达到以下指标要求:(1)折叠机构具有很高的可靠性;(2)折叠机构要具有应急处理措施,防范因折叠机构故障导致机构维修困难;(3)折叠机构应结构简洁、重量轻,降低系统重心高度,增加平台的抗倾覆性。根据以上指标要求,本文在比较了常用的折叠机构,设计了一套180°折叠机构,此折叠机构采用液压摆缸直接驱动上阵面天线的形式,同时增加了一套应急系统。此机构结构简洁、占用空间小、可靠性高、重量轻,满足使用要求,此机构结构图如图3所示。4可维护、可靠本液压系统以传递动力为主,保证足够的动力驱动阵面翻转是其基本要求。另外,还要考虑液压系统的稳定性、可靠性、可维护性、安全性和效率等。其中稳定是指系统工作时的运动平稳性及系统性能的稳定性(如环境温度对油液的影响等因素);可靠是指系统不因意外的原因而无法工作(如油管破裂、无电等情况);可维护是指系统尽可能简单、元件尽可能选标准件,结构上尽可能使维护方便;安全是指不因液压系统的故障导致天线架的倒塌或其他事故(如下降时失控,天线由于重力加速下落);效率是指液压系统的各种能量损失尽可能的小。折叠系统主要包括:锁紧机构、折叠机构、感应检测装置、液压控制系统和自定位装置。4.1结构特点分析折叠机构工作原理如图3所示。当天线需要展开时,折叠机构的撤收锁紧油缸首先把上背架和转盘之间的连接解锁,然后摆缸驱动上背架翻转,直至上阵面与下阵面处于同一平面,此时到位感应开关发出信号,摆缸停止驱动;展开锁紧油缸伸出插销锁紧上下背架。当天线需要撤收时,展开锁紧油缸拔出插销解锁上下背架,摆缸驱动上背架逆时针翻转180°,到位后有感应开关发出信号,撤收锁紧油缸伸出插销,锁紧上背架和转盘。折叠机构在结构设计上具有四大特点,下面作简要介绍。(1)上下背架的自动定位设计。折叠机构多为铰链副连接,且驱动的均为大负载的天线阵面,各传动铰链副的间隙误差积累以及翻转背架的自身刚性变形,会给天线阵面的重复精度带来很大的影响。为此,本折叠机构在设计过程中尽量少使用铰链副,同时在上下背架间采用锥形自定位结构(定位销固定在上背架上,销孔固定在下背架上),提高了重复定位精度。(2)摆缸为液压驱动的齿轮齿条运动,摆缸行程为180°,两端极限位置均有缓冲装置,此摆缸运动平稳可靠,驱动扭矩大,结构如图4所示。此回转缸成本效益高,对于旋转大于90°以上的运动能减少运动连接的复杂形式;且没有伸缩密封表面暴露给磨损和腐蚀物质,能耐恶劣环境影响;压力油远离机械输出侧,活塞密封是唯一承受系统压力的动态密封,防泄漏好;齿轮齿条润滑脂与液压并不接触,寿命长。(3)各锁紧机构液压缸小,便于安装。且收缩压力是伸出压力的5倍,插销拔出的力约为插销插进力的3倍左右,有力地保障了锁紧系统的可靠性工作。(4)整个折叠机构集成了翻转机构、定位机构和锁紧机构,完全可以作为通用化的折叠机构使用,只要和天线阵面背架的法兰接口定义好,完全可以安装各种180°折叠天线,为其他机动性雷达直接借用提供了便利条件。4.2参数的分析和计算4.2.1带噪声计算折叠机构的负载主要包括由重力引起的重力矩、风阻产生的风力矩、惯性力矩以及由轴承滚子和旋转密封圈引起的摩擦力矩。(1)几何相似三角形原理重力矩的大小是随着翻转角度的变化而变化,示意图如图5所示。重力矩与翻转角度的关系根据解析几何相似三角形原理(如图6),可求解重力力臂OD为OD=L⋅cosα+L1⋅sinα,L=1m(1)ΟD=L⋅cosα+L1⋅sinα,L=1m(1)则重力矩为Mg=G⋅OD=G(Lcosα+L1sinα)(2)Μg=G⋅ΟD=G(Lcosα+L1sinα)(2)(2)阵风因子法风阻产生力矩主要包括静态风力矩、动态风力矩和偏心风力矩,因上阵面的折叠是俯仰运动,由风引起力矩主要为偏心风力矩,所以根据图5,求得风力矩如下:风力为Fc=qCxA=qCxBH(3)风力矩为Mf=Fc⋅e=Fc⋅L1⋅cosα(4)风力为Fc=qCxA=qCxBΗ(3)风力矩为Μf=Fc⋅e=Fc⋅L1⋅cosα(4)式中,q为动压头,q=12ρ(kV)2‚kq=12ρ(kV)2‚k为阵风因子,k=1.44;Cx为风阻系数,Cx=1.4。(3)载转动惯量之积惯性力矩是驱动机构加速或减速时的角加速度和负载转动惯量之积,如式(5)所示。MI=I⋅ε(5)ΜΙ=Ι⋅ε(5)因折叠机构在运动过程中速度较慢,启动加速度很小,所以惯性力矩忽略不计。(4)dm的p7f摩擦力矩主要包括密封摩擦和轴承磙子摩擦,密封摩擦为皮碗密封,采用的是旋转油封,摩擦力矩计算公式为Mf=πd2F2(6)Μf=πd2F2(6)式中,F为轴圆周方向上单位长度的摩擦力(N/m);d为轴径(m)。一般由旋转密封指标或计算公式,轴承磙子摩擦一般由下式计算:Mf=12μ⋅dm⋅P(7)Μf=12μ⋅dm⋅Ρ(7)式中,Mf为摩擦力矩(N·m);μ为轴承或回转支承摩擦系数,钢球取0.01,磙子取0.02;dm为回转直径(m);P为当量动负荷(N)。经计算摩擦力矩较小,可以忽略不计。所以总负载力矩为M负载=Mg+Mf=G(Lcosα+L1sinα)+q⋅Cx⋅B⋅H⋅L1⋅cosα(8)Μ负载=Μg+Μf=G(Lcosα+L1sinα)+q⋅Cx⋅B⋅Η⋅L1⋅cosα(8)经计算负载力矩最大为M负载max=(G⋅L+q⋅Cx⋅B⋅H⋅L1)2+(G⋅L1)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√≈29750N⋅m(9)Μ负载max=(G⋅L+q⋅Cx⋅B⋅Η⋅L1)2+(G⋅L1)2≈29750Ν⋅m(9)根据计算可以知上阵面翻转的最大力矩29750N·m,选择两个扭矩为17000N·m的单摆缸(此时压力为20MPa)驱动上阵面翻转。4.2.2双缸时水泵流量单条HTR150油缸的全行程所需流量为3.1L/min,双缸时泵站流量为6.2L/min。此流量需选择排量为5mL/r的泵,即在电机转速为1440r/min时,泵的流量为7.2L/min。4.2.3电机功率的选择按以上选用的流量及最大工作压力计算功率如下:P×Q600÷0.9=210×7.2600÷0.9=2.8kW(10)Ρ×Q600÷0.9=210×7.2600÷0.9=2.8kW(10)选择泵站电机功率为3kW。4.3功能设计4.3.1实现锁定定位功能并定位功能(1)摆缸的锁定机构折叠机构的锁定主要有两方面的考虑,一是当机构展开工作时,二是当机构处于运输状态时。当机构展开时,上下背架单纯靠液压摆缸实现其位置不变,保证其定位精度是很困难的,主要原因一是液压泄漏会导致上背架的不到位,二是无锁紧装置时上背架相当于很长的悬臂架,转轴处微小的角度变化反映到背架上端刚性变形量就很大,为此须在两背架根部加锁定机构,如图7所示。同理当机构处于运输状态时,为防止运输过程的颠簸引起上背架的晃动,用锁紧机构把上背架和转盘锁定,限制其轴向摆动,原理同上。(2)保证重复精度由于负载较重每次翻转由于其刚性变形以及旋转副的间隙误差引起的阵面精度重复误差很大,单纯的依靠锁定机构不足以保证其重复精度的提高,为此需要有定位措施保证每次翻转位置的一致性,然后再进行锁定。定位机构示意图如图8所示,锥形定位销安装与上背架,定位孔支架安装与下背架,定位销随上背架一起绕旋转轴旋转,当旋转到位,孔和销自动定位,然后锁紧机构锁定上下背架,从而保证了折叠机构的重复定位精度。4.3.2控制阀的组成液压系统由液压泵组、液压缸组、翻转控制阀组和锁紧控制阀组等几部分组成。其中控制元件回路选择以6通径系列电磁阀、液压锁及双单向节流阀叠加使用。(1)压力调节阀控制口液压系统的工作压力由溢流阀控制,本系统采用的是先导溢流阀控制压力,主溢流阀压力设定在20～25MPa,控制口有2个先导溢流阀,设定压力分别为3MPa和16MPa,其中3MPa压力在插入插销时使用,其他场合则使用16MPa压力。溢流阀主要起压力控制及安全保护作用,其设定压力系统的工作压力,顺时针旋转手柄,设定压力上升,反之设定压力下降。(2)油缸合理同步精度本系统的油缸为同步动作,系统安装有同步马达来保证油缸的动作同步性,在油缸支承部件的刚性良好时,系统同步精度可高达2%。油缸通过2个调速阀来控制油缸的往返运动速度。(3)防止缸支撑物业滑空本系统的所有油缸均安装有防爆平衡一体阀,可防止由于管路的突然损坏导致油缸支撑物跌落。当油缸在中位停止时,一体阀以其良好的密封性能防止因系统内泄及突然断电造成的油缸活塞下滑,避免了油缸支撑物的跌落。当油缸支撑物运动方向与重力相同时,平衡