劉 斌，牟長軍，張玉石，張浙東

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

某新型散射計抱閘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計*

劉 斌，牟長軍，張玉石，張浙東

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

針對某散射計工作環(huán)境的特點，通過風(fēng)載荷計算、制動器選型、強(qiáng)度校核以及工藝設(shè)計給出的新型抱閘裝置，可實現(xiàn)雙向無級旋轉(zhuǎn)鎖定功能，減輕了系統(tǒng)的重量，增加了系統(tǒng)的靈活性，便于安裝與運輸。同時利用Solidworks軟件的Simulation模塊對關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析，分析和實驗結(jié)果表明，新型抱閘裝置穩(wěn)定可靠，可以滿足以吊裝方式工作的測試系統(tǒng)的需要，對同類設(shè)計具有一定的參考價值。

散射計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抱閘裝置

引 言

雷達(dá)的目標(biāo)檢測、識別與跟蹤不可避免地受到地面背景散射回波的影響，尤其對于機(jī)載、星載下視雷達(dá)，地面背景散射回波作為一種干擾噪聲源嚴(yán)重制約雷達(dá)性能的發(fā)揮。另一方面，對不同季節(jié)、不同類型地物散射回波的測量可直接應(yīng)用于農(nóng)作物遙感。因此，地面背景散射回波的測量與研究具有重要的意義。用于測試地面背景擴(kuò)展性面目標(biāo)散射特性的專用設(shè)備通常稱為散射計，一般雷達(dá)經(jīng)改裝和校準(zhǔn)也可作為散射計。由于地物種類繁多，所需測試的地形較復(fù)雜，測試環(huán)境又通常在野外，這就需要散射計具備機(jī)動靈活和便攜的特點。另外，為滿足一定的工作方位和俯仰角度范圍及測試遠(yuǎn)場距離的要求，散射計的承載平臺需具備一定的高度。美國林肯實驗室采用架設(shè)臨時塔臺的方式，利用多波段散射計曾開展多年的地物散射特性測試[1]；Ulaby等人采用改裝后的卡車平臺進(jìn)行地物散射特性測試[2]；溫芳茹等人[3]組建了我國首個利用吊車平臺的散射計。而基于吊車平臺的散射計及其抱閘設(shè)計未見相關(guān)報道。本文基于吊車平臺，設(shè)計了一種新型抱閘裝置，在保證測試系統(tǒng)精度和安全性的前提下，大大減輕了設(shè)備的重量。

為保證風(fēng)載條件下測試系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性，輔助鎖緊結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計是一個關(guān)鍵因素。本文的新型抱閘裝置選用電磁制動器作為制動單元，以雙向十字交叉軸作為連接平臺。該結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在保證天線俯仰角度范圍的同時，通過可靠的鎖緊設(shè)計，確保了系統(tǒng)測試對安裝平臺的精度要求。設(shè)計中采用Pro/E軟件的Top-down設(shè)計方法，提高了設(shè)計準(zhǔn)確性，使產(chǎn)品的研發(fā)效率大大提高[4]。

1 抱閘裝置性能特性

根據(jù)散射計工作環(huán)境的特點，為保證系統(tǒng)的測量精度及可靠性，要求抱閘裝置迎風(fēng)面轉(zhuǎn)動范圍- 90°～+90°，承載能力≥180kg，方位和俯仰控制角度精度≤0.5°，并在4級風(fēng)以下能正常工作，陣風(fēng)6級不毀壞，同時小雨條件下可正常工作。

2 系統(tǒng)組成和功能

微波散射特性測試系統(tǒng)主要由抱閘裝置、儀器柜以及天伺分系統(tǒng)組成。抱閘裝置用于測試設(shè)備的可靠連接，儀器柜用于儀器的有效保護(hù)以及相關(guān)設(shè)備的集成，天伺分系統(tǒng)包括天線、天線座架、伺服控制單元、伺服驅(qū)動單元及攝像機(jī)等，用于控制天線的俯仰、方位轉(zhuǎn)動，回傳角度信息。

微波散射特性測試系統(tǒng)的主要工作方式為吊車吊裝工作，通用連接段采用夾具式設(shè)計，可通過螺栓直接安裝固定在吊車的副臂上。抱閘裝置通過螺栓與儀器柜相連，儀器柜與天線座架連接，天線座架的通用接口可連接不同形式的天線。使用時，從上至下，分段安裝，2～3個人即可完成整套系統(tǒng)的組裝。系統(tǒng)吊裝整體效果如圖1所示。

圖1 平板形式天線整體效果圖

3 抱閘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為盡可能縮短整系統(tǒng)的組合長度，減少總體吊裝高度，保證系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性，抱閘采用等高的十字交叉軸分別制動的形式，使抱閘在充分滿足雙軸向吊裝轉(zhuǎn)角自由度的前提下具有最緊湊的連接高度。抱閘裝置由十字交叉軸、長軸方向制動器、短軸方向制動器、軸承、端蓋、制動器電源盒及相關(guān)連接結(jié)構(gòu)件組成，如圖2所示，其內(nèi)部效果見圖3。抱閘裝置的外形尺寸為383 mm × 349 mm × 502 mm(長×寬×高)。

圖2 抱閘裝置整體效果圖

圖3 抱閘裝置內(nèi)部效果圖

雙向十字交叉旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠滿足兩個方向的無級旋轉(zhuǎn)定位要求，結(jié)構(gòu)自身的旋轉(zhuǎn)力臂小，可以最大限度地滿足使用時的力矩要求。雙向十字軸每根軸上分別安裝有兩個彈簧加壓制動器，制動器為常閉鎖緊結(jié)構(gòu)，通電解除鎖緊，實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)；定位時斷電鎖緊，可實現(xiàn)無級分度鎖緊。

3.1 風(fēng)載荷核算

根據(jù)抱閘裝置吊裝的儀器柜及天伺分系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的展開作業(yè)方式，確定抱閘裝置的長軸方向為承受風(fēng)載荷最大的方向，使用制動力矩稍大的制動器，短軸方向制動器制動力矩稍小，根據(jù)十字軸兩軸所受力矩的計算結(jié)果進(jìn)行制動器選型。

3.1.1 長軸方向風(fēng)載荷計算

(1)天線風(fēng)載荷計算

選取系統(tǒng)配備的8套天線中面積最大的L波段天線計算天線風(fēng)載荷，天線尺寸為1 200 mm × 600 mm × 200 mm (長 × 寬 × 高)，天線最大迎風(fēng)面積為1 200 mm × 600 mm。風(fēng)力計算公式：

F=CDAq

(1)

式中：CD為阻力系數(shù)；A為天線面積，m2；q為動壓常數(shù)，q=V2/16，V為風(fēng)速。工作條件：4級風(fēng)正常工作，陣風(fēng)6級不破壞，工作高度15 m，查表[5]可知10 m高處4級最大風(fēng)速V1=7.9 m/s。此外陣風(fēng)和高度對風(fēng)速也有影響，可根據(jù)式(2)、(3)和(4)進(jìn)行計算。

陣風(fēng)系數(shù)：

γ=2.739V1-0.268 6

(2)

計算可得γ=1.6。設(shè)計風(fēng)速：

(3)

將γ=1.6代入式(3)計算可得VC=1.2V1。高度系數(shù)：

(4)

式中：z表示高度；r=1/4～1/11，視周圍地形而定，開闊地帶選取r=1/4。將z=15代入式(4)計算可得Vz=1.1V1。經(jīng)過陣風(fēng)系數(shù)及高度系數(shù)修正后V=1.2 × 1.1 × V1=10.4m/s。

根據(jù)天線尺寸，查表[5]可知CD=1.2(矩形平板天線)，將以上數(shù)值代入式(1)計算可得F長1=CDAq=5.84kg。

如圖4所示，天線幾何中心至制動器旋轉(zhuǎn)軸距離L1為1 300mm，由此可得天線風(fēng)載荷對于制動器轉(zhuǎn)軸的扭矩T長1=F長1× L1=75N·m。

圖4 雙向轉(zhuǎn)動力臂圖

(2)儀器柜風(fēng)載荷計算

選取與天線平行的機(jī)柜正面計算風(fēng)載荷，正面尺寸為580 mm × 430 mm，根據(jù)天線尺寸，查表[5]可知CD=1.1，將以上數(shù)值代入式(1)計算可得F長2=CDAq=1.9 kg。

儀器柜幾何中心至制動器旋轉(zhuǎn)軸距離L2為430 mm，由此可得儀器柜正面風(fēng)載荷對于制動器轉(zhuǎn)軸的扭矩T長2=F長2×L2=8.1 N·m。

(3)天線重力對制動器轉(zhuǎn)軸的扭矩

由于天線未進(jìn)行配重設(shè)計，因此天線中心與系統(tǒng)鉛錘軸不在一條直線上，偏移距離350 mm，天線重量15 kg，因此天線重力對制動器轉(zhuǎn)軸的扭矩T重= 52.5 N·m。

3.1.2 短軸方向風(fēng)載荷計算

(1)儀器柜風(fēng)載荷計算

選取與天線垂直的儀器柜側(cè)面計算風(fēng)載荷，根據(jù)側(cè)面外形尺寸，查表[5]可知CD=1.15，將以上數(shù)值代入式(1)計算可得F短1=CDAq=2.8 kg。

儀器柜幾何中心至制動器旋轉(zhuǎn)軸距離L1為430 mm，由此可得儀器柜側(cè)面風(fēng)載荷對于制動器轉(zhuǎn)軸的扭矩T短1=F短1×L1=12 N·m。

(2)天線風(fēng)載荷計算

選取L波段天線尺寸計算風(fēng)載荷，在短軸方向天線迎風(fēng)面積很小，有效面積估算為1 200 mm × 100 mm，為長軸方向的1/6，因此，短軸方向天線風(fēng)載T短2=13 N·m。

3.2 制動器選型設(shè)計

通過調(diào)研，在相同制動扭矩的指標(biāo)下，德國INTORQ公司(原Lenze公司)的彈簧加壓制動器(見圖5)相比其他國際、國內(nèi)相同產(chǎn)品具有體積小、重量輕的優(yōu)點，更加適合本系統(tǒng)對重量和體積的要求，且工作方式為斷電制動，通電解鎖，符合本系統(tǒng)對制動器工作方式的要求。

圖5 彈簧加壓制動器

(1)長軸方向制動器選型

風(fēng)載荷及天線重力偏心扭矩對長軸方向制動器制動扭矩T1=T長1+T長2+T重=135.6 N·m，為了保證制動器可靠制動，制動器扭矩必須大于135.6 N·m。查INTORQ公司制動器選型目錄可選型號為BFK458-16N,該制動器的標(biāo)準(zhǔn)制動扭矩為125 N·m，選用2個該型制動器安裝在長軸上，所提供的扭矩為250 N·m，計算可得安全系數(shù)為1.8。

(2)短軸方向制動器選型

天線在短軸方向為對稱結(jié)構(gòu)，天線重力對短軸不產(chǎn)生扭矩，因此風(fēng)載荷對短軸方向制動器制動扭矩T2=T短1+T短2=25 N·m，為了保證制動器可靠制動，制動器扭矩必須大于25 N·m，查INTORQ公司制動器選型目錄可選型號為BFK458-10N,該制動器的標(biāo)準(zhǔn)制動扭矩為23 N·m，在短軸上安裝2個該型制動器，所提供的扭矩為46 N·m，計算可得安全系數(shù)為1.8。

3.3 強(qiáng)度校核

本系統(tǒng)工作狀態(tài)下，抱閘裝置中結(jié)構(gòu)件主要受力為靜力。預(yù)設(shè)吊裝重量為200 kg，風(fēng)載荷按長軸方向制動器制動扭矩135.6 N·m計，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件運用Solidworks軟件的Simulation模塊進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(1)十字交叉軸強(qiáng)度校核

十字軸材料為50 mm厚45號鋼，通過機(jī)加工切削成型。計算結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 十字軸靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果

圖7 十字軸靜態(tài)變形結(jié)果

經(jīng)核算，應(yīng)力及變形均很小，滿足設(shè)計要求。

(2)長軸制動器座立板強(qiáng)度校核

長軸制動器座立板材料選用6 mm厚Q235A鋼板，通過機(jī)加工切削成型。將天線風(fēng)載荷產(chǎn)生的扭矩及系統(tǒng)重力等效至立板上，計算結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 長軸制動器座立板應(yīng)力結(jié)果

圖9 長軸制動器座立板變形結(jié)果

經(jīng)核算，應(yīng)力及變形均很小，滿足設(shè)計要求。

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 減重設(shè)計

制動器座連接板選用比重較小的鋁合金板材，將制動器座底板與儀器柜直接用螺栓連接，這樣既可以保證抱閘裝置整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，又可以有效地減輕重量。另一方面通過對結(jié)構(gòu)件增加減輕孔可以進(jìn)一步減輕重量。不承受主要載荷的端蓋、軸承蓋均選用鋁合金材料，具體估算重量見表1。

表1 抱閘裝置重量估算表

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在抱閘裝置底部設(shè)計快速安裝接口與儀器柜頂部連接，采用T型螺栓與U型卡槽形式，經(jīng)實驗驗證，便捷可靠。設(shè)計制動器電源盒，將4個制動器的控制線經(jīng)過制動器電源盒轉(zhuǎn)接后，通過電纜與儀器柜連接，減少了與儀器柜連接電纜的數(shù)量和長度，方便了系統(tǒng)的電氣連接。制動器電源盒采用O形圈密封設(shè)計，連接器選用防水型航空插座，可以滿足野外使用條件。

4.3 結(jié)構(gòu)工藝性

設(shè)計中充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性及工藝性，在保證功能和精度要求的前提下，采用成熟、易于加工的結(jié)構(gòu)形式。

為了保證十字軸每個方向上的兩個制動器座上安裝孔的加工精度，設(shè)計機(jī)加工鋼板作為連接平臺。將兩個制動器座固定于平板上，對有形位公差的孔、槽進(jìn)行一體加工，加工完成后再通過上、下連接板將制動器座與十字軸裝配。在保證連接強(qiáng)度的前提下，上、下連接板采用5 mm厚7075鋁合金板材，這樣既保證了精度，又大大減輕了抱閘裝置的總重量。

4.4 三防設(shè)計

為提高設(shè)備的三防性能，以提高其可靠性，采用材料防護(hù)、工藝防護(hù)、結(jié)構(gòu)防護(hù)(防塵)等措施，具體如下：

1)合理選材，如十字交叉軸選用合金鋼，在結(jié)合部位避免電化偶作用，外部緊固件小于M12的采用不銹鋼，大于M12的采用電鍍鋅或鋅鎳合金；

2)設(shè)計有防水設(shè)施或密封措施；

3)所有焊縫部位進(jìn)行焊渣和氧化皮的清除；

4)鋼結(jié)構(gòu)件噴涂前做鍍覆處理，噴涂中間漆和三防面漆；

5)鋁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行氧化，涂鋅黃底漆再涂三防面漆；

6)對焊點、電路板等噴涂三防漆；

7)線纜接口采用航空接頭。

5 結(jié)束語

針對某散射計工作環(huán)境的特點，文章主要闡述了抱閘裝置的設(shè)計思路、計算校核及仿真。分析和實驗結(jié)果表明，新型抱閘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、簡單、緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在保證天線俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍的同時，通過可靠鎖緊設(shè)計，為測試系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的平臺，可以滿足以吊裝方式工作的測試系統(tǒng)的需要。

[1] BILLINGSLEY J B. Low Angle Radar Land Clutter: Measurements and Empirical Models[M]. William Andrew Publishing, 2002.

[2] ULABY F T, WHITT M W, SARABANDI K. AVNA-based polarimetric scatterometers[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1990, 32(5): 6-17.

[3] 溫芳茹, 尹志盈, 孫芳, 等. 多波段散射計系統(tǒng)性能的實驗研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 1996(4): 51-66.

[4] 鮑成艷. Top-down方法在功放組件結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(3): 44-47.

[5] 吳鳳高. 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社, 1975: 43-63.

劉 斌(1979-)，男，在讀工程碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

牟長軍(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

張玉石(1978-)，男，在讀博士，高級工程師，主要從事散射計設(shè)計與雜波測試工作。

張浙東(1976-)，男，工程碩士，高級工程師，主要從事散射計設(shè)計與雜波測試工作。

Stucture Design of a New Internal Contracting Brake Assembly of Microwave Scatterometer

LIU Bing，MOU Chang-jun，ZHANG Yu-shi，ZHANG Zhe-dong

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation，Qingdao266107,China)

According to the working environment quality of scatterometer, a new internal contracting brake assembly, which functions two-direction continous revolution lock, is given by wind load calculation, detent selection, intensity check and process design. The system has less weight, improved flexibility and can be assembled and transported conveniently. Finite element analysis are carried out for the key parts by the simulation module of solidworks software. Analysis and experiment results show that the new internal contracting brake assembly is stable and reliable, and can satisfy the requirements of the testing system working in hoisting way. This paper has reference value for similar design.

scatterometer; structure design; internal contracting brake assembly

2012-12-28

TH702

A

1008-5300(2013)02-0044-05