大陣面天線液壓折疊技術(shù)研究與實現(xiàn)

孟國軍，倪仁品，陳建平

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

0 引 言

該文研制的某平面相控陣?yán)走_(dá)天線的口徑達(dá)6.4 m×4.2 m，分上、下 2 個陣面[1]，上、下陣面從高度方向均分，分割后的上、下陣面尺寸為6.4 m×2.1 m。下陣面通過4個鉸接點固定于天線座的轉(zhuǎn)盤上，上陣面通過2個鉸接點與下陣面相連接，運輸時整個陣面在俯仰機構(gòu)的作用立直，然后上陣面向后折疊180°與固定于下陣面的支撐架相連接，實現(xiàn)了雷達(dá)天線工作狀態(tài)與運輸狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，使整個雷達(dá)有較高的機動性、快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力[2]。經(jīng)過充分的分析論證，采用液壓及伺服控制技術(shù)，解決了該天線自動展開/折疊和鎖定難題，完成了天線的自動展開和折疊，實現(xiàn)了公路、鐵路運輸?shù)募嫒輀3]，并經(jīng)受住了實際惡劣環(huán)境的長期考驗。圖1為該雷達(dá)運輸、架設(shè)/撤收中間狀態(tài)和工作狀態(tài)示意圖。

1 系統(tǒng)指標(biāo)

天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)指標(biāo)如下：

（1）天線陣面口徑：寬×高=6.4m×4.2m；

（2）天線陣面面精度：均方根值σ≤0.7mm；

（3）展開/折疊時間：3～5min；

（4）天線質(zhì)量：6t；

（5）運輸方式：公路、鐵路；

（6）抗風(fēng)能力：8級風(fēng)正常工作，12級風(fēng)不破壞。

2 天線展開/折疊系統(tǒng)設(shè)計[4]

根據(jù)天線結(jié)構(gòu)指標(biāo)必須將天線分為上下2個陣面，運輸時使2個陣面背向折疊成“∏”字型垂直立于機動輪拖車上，才能滿足整車運輸?shù)囊蟆９ぷ鲿r將上陣面翻轉(zhuǎn)180°與下陣面拼接成一個完整天線陣面，然后再傾斜整個天線陣面使天線陣面與水平面夾角83°到天線工作角度，如圖1所示。

2.1 翻轉(zhuǎn)方案選擇

天線的分割是為了滿足運輸要求，而天線的最終目的是用來發(fā)射和接收電磁波。因此不論天線如何分割，天線自動拼裝的實質(zhì)就是實現(xiàn)天線各個分塊之間的定位和重復(fù)定位精度，并鎖固，從而確保天線的面精度。如果把天線架設(shè)過程進(jìn)行分解，天線展開由天線上陣面合攏、定位、鎖固；天線陣面運動到預(yù)定的仰角；天線分解進(jìn)入運輸狀態(tài)、鎖固等動作組成。

如此大口徑大質(zhì)量天線的分塊處理，無法采用以前成熟的機電式展開/折疊方案來解決，因為驅(qū)動能力嚴(yán)重不足。同時又因空間有限，不允許重新設(shè)計新的機電式展開/折疊系統(tǒng)來解決此問題。

鑒于以上特點，經(jīng)過計算、比較和分析論證，天線展開/折疊方案采用液壓控制技術(shù)。對于展開/折疊來說，液壓控制技術(shù)有其明顯的優(yōu)點：

（1）驅(qū)動力矩大，承載能力強；

（2）執(zhí)行機構(gòu)體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；

（3）傳動平穩(wěn)，負(fù)載平衡能力好；

（4）速度可以可無級調(diào)整；

（5）容易實現(xiàn)手動應(yīng)急操作及過載保護(hù)。

2.2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

在確定了驅(qū)動機構(gòu)采用液壓控制技術(shù)之后，那么采用何種器件作為驅(qū)動元件成為必須解決的首要問題。經(jīng)過調(diào)研和論證最后采用了液壓回轉(zhuǎn)缸來驅(qū)動。液壓回轉(zhuǎn)缸具有以下特點：（1）正反向扭矩一致；（2）結(jié)構(gòu)緊湊簡單；（3）用于回轉(zhuǎn)運動無需外部連接；（4）具有良好的負(fù)載平衡能力；（5）具有較大的扭矩輸出（壓強21 MPa時，輸出扭矩34 000 N·m）；（6）到位無沖擊；（7）無外漏。

對于6.5m寬天線口徑，采用單支撐點進(jìn)行翻轉(zhuǎn)傳動和鎖定不易于保證上陣面的剛度，故采用雙機構(gòu)驅(qū)動翻轉(zhuǎn)天線上陣面。但是單獨一套具有足夠的能力和強度在各種惡劣氣候條件下支撐天線停在任意角度。當(dāng)某一個驅(qū)動機構(gòu)突然失效，系統(tǒng)具有足夠的安全性確保天線不損壞。

液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理如圖1所示。天線下陣面用鉸接方式固定于轉(zhuǎn)盤上，而上陣面則在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下圍繞一個固定的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)天線的展開/折疊。系統(tǒng)采用雙套驅(qū)動機構(gòu)可以使天線在展開/折疊的時候受力均勻，并且可以在一個驅(qū)動系統(tǒng)傳動出故障時確保天線上陣面不致跌落。

2.3 液壓控制系統(tǒng)

天線展開/折疊液壓控制系統(tǒng)[5]原理圖如圖2所示。為保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，采用電機驅(qū)動油泵作液壓系統(tǒng)的動力源，在液壓控制系統(tǒng)中采用了換向閥、調(diào)速閥、單向閥、溢流閥、平衡閥、防爆閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓回轉(zhuǎn)缸輸出軸的正反轉(zhuǎn)，從而控制天線上陣面的展開與折疊；調(diào)速閥用于調(diào)整油缸運動速度；單向閥用于防止系統(tǒng)長期不工作時油缸和管路中液壓油的回流；溢流閥用于控制整個系統(tǒng)的壓力；平衡閥用于保證平衡重力和風(fēng)載，防止油缸超速下行，保證油缸運動平穩(wěn)可靠；防爆閥用于防止當(dāng)系統(tǒng)管路突然失效時天線上陣面不發(fā)生跌落失效；壓力表用于檢測管路油壓。

圖2 液壓控制系統(tǒng)原理圖

2.4 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)[6]最關(guān)鍵的要求是雙驅(qū)動機構(gòu)的同步問題，天線定位精度和重復(fù)定位精度的問題實際上已轉(zhuǎn)化為機械問題。驅(qū)動控制系統(tǒng)只要解決好油缸同步，以PLC為中心的控制系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖3所示。PLC含有I/Q開關(guān)量模塊、AI/AQ模擬量模塊。圖3中各個單元功能如下：

（1）折疊機構(gòu)。通過換向閥的切換和平衡閥的共同作用使折疊機構(gòu)同步正反轉(zhuǎn)，共同實現(xiàn)天線上陣面的展開和收攏。

（2）控制器。液壓控制系統(tǒng)換向閥的驅(qū)動裝置?？刂菩盘杹碓从赑LC控制器[7]。

（3）PLC控制器。系統(tǒng)的核心控制單元，所有控制指令都是從這里發(fā)出去的，各種反饋信號也都回到這里，使各個物理量的控制構(gòu)成多個相對獨立的閉環(huán)系統(tǒng)。

（4）接近開關(guān)。用于檢測天線和定位機構(gòu)所處物理狀態(tài)。

對于兩折疊機構(gòu)同步，它就是油缸輸出軸轉(zhuǎn)速的同步問題。在該系統(tǒng)中采用平衡閥來實現(xiàn)雙折疊機構(gòu)的實時同步。天線上陣面的設(shè)備布局是左右嚴(yán)格對稱，折疊機構(gòu)的布局也是左右嚴(yán)格對稱，這就基本保證了兩折疊機構(gòu)的負(fù)載是基本相等的，因而在此條件下采用平衡閥來保證兩油缸的實時同步是可行的。當(dāng)兩折疊機構(gòu)出現(xiàn)不同步時，因天線上陣面的剛性會使兩油缸的負(fù)載發(fā)生明顯變化，此時平衡閥發(fā)生作用，使負(fù)載小的油缸進(jìn)油量大于負(fù)載大油缸，從而使兩油缸負(fù)載基本平衡，輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一致。經(jīng)過多次天線展開/折疊試驗，對于負(fù)載對稱的該天線系統(tǒng)采用平衡閥來實現(xiàn)雙油缸同步是成功可靠的。

2.5 定位與鎖定

天線上陣面的定位，在上下陣面的結(jié)合部位安裝如圖4所示的4對定位銷，并與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)配對使用，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、定位和鎖定三位一體[8]。由圖4可知，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)與定位銷已限定了天線上陣面的X、Y、Z、X旋轉(zhuǎn)和Y旋轉(zhuǎn)5個自由度，只留下了Z軸順時針旋轉(zhuǎn)這一個自由度。只要再限制Z軸順時針旋轉(zhuǎn)這個自由度即可實現(xiàn)重復(fù)定位。在上陣面接近預(yù)定位置時精確設(shè)定翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的輸出行程，使上陣面與下陣面通過定位銷結(jié)合后定位端面保持預(yù)定的正壓力并鎖定傳動軸。這個正壓力可以使傳動齒輪消隙實現(xiàn)具有風(fēng)負(fù)載條件下的定位鎖定剛度，同時也約束了Z軸順時針旋轉(zhuǎn)自由度，從而保證就保證了整個天線陣面的重復(fù)面精度。

圖3 天線伺服控制系統(tǒng)的控制框圖

圖4 上陣面的重復(fù)定位原理示意圖

天線上陣面的鎖定，對于該天線上陣面到位不再需要另加鎖定機構(gòu)，直接由天線上陣面的自重和回轉(zhuǎn)液壓缸自身的特性就可以實現(xiàn)有效可靠的鎖定。天線系統(tǒng)的實物照片如圖5和圖6所示。

3 安全性、可靠性設(shè)計

該天線的安全性集中表現(xiàn)在天線展開/折疊系統(tǒng)上。對于如此大型天線的展開/折疊，安全性的問題尤為突出[9]。為此采取了如下措施：

（1）采用雙驅(qū)動機構(gòu)。當(dāng)一個驅(qū)動機構(gòu)出現(xiàn)損壞，另外一個驅(qū)動機構(gòu)可以把天線停在任意位置，并且允許把損壞的驅(qū)動機構(gòu)完全拆除。

（2）設(shè)置防爆閥保護(hù)。在油缸的2個油口全都裝了防爆閥，所以系統(tǒng)在天線處任意位置出現(xiàn)破壞性失效時，天線都會鎖定在相應(yīng)的位置，不會產(chǎn)生跌落現(xiàn)象。

（3）設(shè)置溢流閥保護(hù)。液壓控制系統(tǒng)壓力超過額定值時系統(tǒng)自動停止，不會損壞天線。

（4）采用疊加閥。閥集成設(shè)計，減少連接管路，減少管路連接故障。

（5）采取軟件互鎖。在控制軟件中設(shè)置互鎖，保證只有在正常的狀態(tài)下才可以進(jìn)行相關(guān)的下一步操作，不可跨步操作，從而可以防止誤操作以保護(hù)天線安全。

4 系統(tǒng)解決的關(guān)鍵技術(shù)

該液壓展開/折疊系統(tǒng)解決了以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）天線上陣面的自動展開與收攏。采用液壓回轉(zhuǎn)缸作驅(qū)動元件來實現(xiàn)天線上陣面展開與收攏，系統(tǒng)簡單，動作可靠穩(wěn)定，機構(gòu)精巧。

（2）天線上陣面的自動定位和重復(fù)定位。采用4組定位銷與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)共同來實現(xiàn)天線上陣面的自動定位與重復(fù)定位，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)典、可靠，重復(fù)精度高。

（3）天線上陣面的自動鎖定。通過對天線上陣面受力分析及液壓回轉(zhuǎn)缸特性的了解，天線上陣面的自動鎖定不需額外的鎖定機構(gòu)，整個系統(tǒng)簡單又可靠。

（4）天線骨架與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)一體化設(shè)計。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，把翻轉(zhuǎn)機構(gòu)有機地融合于天線骨架內(nèi)，既實現(xiàn)規(guī)定載荷下的天線的剛、強度[10]，又實現(xiàn)了天線的展開/折疊的功能。

圖5 天線展開狀態(tài)

圖6 天線折疊狀態(tài)

（5）驅(qū)動、控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。采用經(jīng)典的控制系統(tǒng)和可靠成熟的元器件，保證了控制系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的安全性，具有高可靠、抗干擾能力強、能運行于惡劣環(huán)境和強大的功能指令集等特點；

（6）系統(tǒng)適用性、可維性、可靠性和安全性設(shè)計。

5 結(jié)束語

經(jīng)過大量的實踐，液壓式大面天線自動展開/折疊系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：天線自動展開、折疊，雙機同步，驅(qū)動機構(gòu)過載自動保護(hù)，驅(qū)動機構(gòu)掉電時防天線跌落保護(hù)，天線自動鎖定、解鎖等功能。該系統(tǒng)成功地把執(zhí)行機構(gòu)和鎖定機構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計，具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、無級調(diào)速、雙機同步、系統(tǒng)掉電后可長期鎖定等特點；具有加工、維修簡單，環(huán)境適應(yīng)能力好、成本低等優(yōu)點。該系統(tǒng)成功實現(xiàn)公路、鐵路運輸，成功地做了大量的可靠性試驗并已交付部隊使用，證明該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求、安全可靠。

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