舰载搜索雷达天线座结构设计探讨

、　鼹决方案　工艺／工装／簟一／诠哳／柚舅／维话，改叠目翟墨盔盈　２．２载荷分析计算　根据具体的结构型式，充分考虑精度要求、可维护性能等　根据天线座所选取的结构型式，建立受力分析的数　各方面的因素综合而定。　学模型，根据抗风能力、摇摆角度及周期、天线转速、天线　２．　天线罩　尺寸等指标要求，对各负载轴所需转矩和功率进行计算，　对抗风能力要求高的天线座来说，加合适的天线罩　分别计算出各负载轴的峰值力矩、峰值功率以及额定力　也是一种合理的选择。有罩的情况下，天线座工作环境良　矩、额定功率等。　好，无风的干扰，雷达可全天侯工作，尤其在高海情、大风　舰载搜索雷达天线座的方位力矩一般由风力矩、惯　浪条件下，可以保持高的动态精度。而且随着高强度复合　性力矩、摩擦力矩等组成，其中风力矩要考虑静态风力矩　材料技术的日益进步，抗风能力强、大尺寸天线罩的重量　和动态风力矩　；纵、横摇力矩一般由风力矩、惯性力矩、　能控制得很好。但天线罩的迎风面积较大，而且其所需的　舰艇摇摆引起的附加惯性力矩、质心偏离摇摆轴引起的　安装基座较大，限制了雷达的适装性。无罩的情况下，由　不平衡力矩、摩擦力矩等组成”］。　于要满足抗风能力的需要，对天线座的结构设计提出了　风载荷计算时，风力系数和风力矩系数一般都是根　更高的要求。　据天线风洞试验的结果得到的　］。要根据天线座具体的工　３详细设计　作情况选取合适的风力系数和风力矩系数，比如安装在　根据各负载轴所需峰值力矩、峰值功率以及额定力　旋转体上的稳定平台的纵、横摇风力系数和风力矩系数　矩、额定功率，根据驱动系统的实际工况，选择合适的电　就不能完全按照天线风洞试验的数据对应选取。　机，确定总传动比，对传动机构进行设计；进行必要的强　计算风速的选取要根据雷达的具体使用情况而定，　度、刚度计算等。　要考虑舰艇本身的速度，结合其要满足的海况综合考虑。　注意各部分重心的位置，尽量减小各负载轴的不平　通用型雷达天线座要满足相关标准的要求，要兼顾多种　衡力矩；体积要尽量小，质量分布尽量集中，最大限度地　舰型的使用要求。　减小各负载轴的转动惯量。充分验证各负载轴运转时各　２３动力传动方式　部分的运动范围，避免发生运动干涉等问题。　目前稳定平台有高速电机驱动减速器及滚珠丝杠　合理选择方位转轴相对天线中心的位置。适当的方位　副、高速电机驱动行星减速器及末级齿轮副等多种传动　转轴位置，可使方位风力矩系数峰值减小，并使方位风力　方式。由于滚珠丝杠副具有传动平稳、精度高、结构紧凑、　矩在整个方位角范围内比较均匀　；同时，还要考虑把天线　承载高、重量轻等特点，而且其设计、制造技术相当成熟，　系统的重心控制在一定的范围之内，合理设计天线系统的　工业化生产程度高，所以对于力矩和功率均较高的大型　结构型式，尽量减小天线系统对方位转轴的转动惯量。　天线座的稳定平台，采用高速电机驱动减速器及滚珠丝　３．　电机的选择　杠副的传动方式可以减小负载轴所受的扭矩，可以减轻　选择电机时，电机的额定功率要大于负载额定功率，　系统的重量，而且可以显著降低传动系统的成本。　电机额定力矩折算到负载轴的力矩要大于负载轴所需的　方位有高速电机驱动行星减速器、三环减速器等传　额定力矩　；电机的峰值功率要远大于负载峰值功率，电　动方式。以前方位均采用高速电机驱动减速机构的传动　机峰值力矩折算到负载轴的力矩要远大于负载轴所需的　方式。随着力矩电机技术的日益发展，目前有一些中、小　峰值力矩。　力矩天线座采用低速力矩电机同轴直接驱动，该结构型　．２传动机构的设计　式无齿轮传动链，无机械回差，可提高系统的可靠性，而　（１）总传动比的确定　且噪声小，精度高，转速扰动小，起动快，力矩波动小，运　总传动比的确定要综合考虑结构尺寸、重量、精度、　转平稳。　电机惯量与负载惯量匹配等各种因素。　不同性能雷达的天线转速各不相同，天线转速越高，　要注意，总传动比的数值不能超过电机的额定转速　风力矩越大，方位轴所需功率越大。若方位采用力矩电机　与负载峰值转速之比，否则会使负载轴得不到所需的峰　与输出轴同轴直接驱动的结构型式，大功率、大力矩电机　值转速　］。另外确定总传动比时，可能会发现需要对电机　的结构尺寸和重量将不可避免地增加。若采用高速电机　进行重新选择。总传动比的确定和电机的选择是相辅相　驱动齿轮传动机构的方式，随着输入转速的提高，机械噪　成的，必须统筹考虑。　声相应增大；若将输入转速控制在一定的范围之内，则所　（２）传动机构的详细设计　需电机的输出力矩大大提高，电机及减速机构的体积和　传动机构既要满足天线座的强度要求，能传递足够　重量也将相应提高。所以，天线转速的提高，加大了天线　的功率和扭矩，保证各负载轴转动的角速度和角加速度，　座的结构设计难度。　还要满足系统的精度要求。结合系统的结构尺寸、重量以　２．４数据传递方式　及各负载轴的惯量等因素，合理分配传动链的级数和各　早期天线座多采用数据链、自整角机等传递角度信　级传动比＿３］。　号的方式，目前不少天线座采用旋转变压器与负载轴同　传动机构需控制齿轮副的齿隙，尤其是末级齿轮副　轴耦合输出数据的方式。究竟采用何种数据传递方式，要　的齿隙。齿隙太大会导致回差大，从而影响系统精度和稳　机械工程师２０１１年第１期《１　２９　解决方案　Ｅ叵　工艺，工禁，鞭鼻，诌嘶，柏蔫，维ＩＩＩ，改造　定性；齿隙太小，会导致温度变化时出现卡死、增大摩擦　计、误差防止设计以及误差允许设计等误差设计的新理　力矩、减小齿面的寿命等问题。对于动力传动装置，可以　念｜４　引入到天线座的结构设计过程中，在设计时对天线座　考虑设计偏心套调整中心距等方式控制齿轮副的齿隙；　进行必要的误差分析，采取必要的误差设计手段将误差　能的目的。　对于数据传动装置，可以考虑设计双片齿轮等方式减小　控制在合理的范围内，达到主动误差设计以提高整机性　齿隙以提高数据传递精度。　充分考虑传动系统的扭转刚度，适当提高扭转刚度　采用误差匹配设计、误差允许设计等方法，根据雷达　以提高传动精度，提高传动链的结构谐振频率，但提高刚　的总体性能，合理确定天线座的总误差，合理分配和控制　度的同时，要注意尽量避免导致惯量增大。　３．３强度、刚度设计　天线座各关键环节的误差，不需要全面地、均等地严格要　求所有零部件，比如控制末级齿轮副齿隙以减小传动误　天线座的强度要满足不破坏的海况要求，考虑最大　差的方法等。　相对风速、最大加速度等环境条件。需校核主要零部件的　强度是否满足要求，安装螺栓以及主要受力紧固件的强　度要引起足够的重视。　天线座的刚度既影响雷达系统的精度，还关系到系　统的固有频率和动态性能，要满足伺服控制系统带宽的　要求［１］。除了考虑传动系统的刚度外，天线系统、各支撑基　座、箱体等主要零部件的刚度要进行校核计算。详细零部　件设计时，可根据需要采取薄壁多肋的结构，在保证足够　强度、刚度的情况下，尽量减轻系统重量，减小惯量，以提　高系统的结构固有频率。　３．４环境适应性、安全性设计　舰载搜索雷达一般都架设在舰船桅杆区，暴露在海　洋气候中，其所处的环境相当恶劣Ｅ　Ｌ］，除了前文提到的要　有足够的强度、刚度以满足抗振动、冲击的能力外，天线　座还要满足高温、低温性能，要有足够的防腐蚀能力和良　好的密封性能等。　设计可靠的关机锁定装置、电气限位装置、机械缓冲　限位装置等多重安全保护装置，考虑整机及大型零部件　的吊装安全性能等，以保证使用、维护安全可靠。　４现代设计方法　数字化样机设计　－由于舰载雷达天线座结构型式比较复杂，对其进行　动力分析很困难，人工计算盲目性较大，以往一般需要先　设计、生产样机，然后进行相关试验，根据试验结果再对　样机进行修改设计，花费大量的时间和成本。目前可利用　ＣＡＤ、ＣＡＥ等软件进行天线座的数字化样机设计与结构　有限元静、动力分析，大大节省设计时间、降低成本。进行　数字化样机设计和分析可比较准确地得到天线座的重　量、重心、惯量等，可对天线座进行运转干涉检查，进行比　较精确的结构强度和刚度分析，进行振动模态分析，对天　线座系统和零部件进行优化设计等。　进行数字化样机设计和分析时，要将虚拟设计与实　物试验相结合，例如轴承、齿轮等非线性零部件的等效处　理，最好参考以往相关设备的试验结果，处理不得当的　话，分析结果会产生比较大的偏差；另外还要把握好有限　元模型中结构单元的合理选择、零部件之间连接螺栓的　模型简化等关键技术。　４．２误差设计　天线座的误差影响雷达的测量误差。将误差匹配设　１　３０｝机械工程师２０１１年第１期　天线座误差产生的主要环节除传动误差外，还要　考虑各负载轴的轴系误差¨Ｊ，包括轴系的旋转误差和　相互位置误差等。影响负载轴的旋转误差的因素有转　轴的制造误差（如径向跳动、端面跳动）、轴系的装配误　差和轴承误差等；影响负载轴的相互位置误差的因素　有方位轴与纵摇轴垂直度、横摇轴与纵摇轴垂直度、横　摇轴与安装基准面平行度等。主要零部件设计时，要选　取合适的精度；选取轴承时，要校核轴承的承载能力，　选用适当精度等级和合适游隙的轴承；详细结构设计　时，除前文提出的要合理提高零部件的刚度外，还要注　意零部件的合理布局，如齿轮安装尽量避免悬臂结构　ｊ，　要尽量靠近轴承安装，旋变或数据箱等测角元件要尽　可能靠近天线等　。　４．３并行设计　天线座的结构设计要充分考虑雷达整机的适装性，　尽量采取模块化、通用化、系列化设计，从而采取并行设　计，缩短研制周期，提高质量，提高生产效率，方便维护　等。比如，纵摇和横摇动力传动链、数据传动链、锁定装　置、电气限位装置、机械缓冲限位装置等均可采取”三化”　设计；方位装置、横摇装置、纵摇装置以及其他模块可采　取并行设计。　５结语　本文是笔者根据实际工作经验对舰载搜索雷达天线　座结构设计过程和方法的粗浅认识，供大家探讨，其中相　关内容也可供其它转台等传动系统结构设计进行参考。　【参考文献】　［１］吴凤高．天线座结构设计’［Ｍ］，西安：西北电讯工程学院出版社，　１９８６．　［２］叶尚辉，李在贵．天线结构设计［Ｍ］．西安：西北电讯工程学院出　版社，１９８６．　［３］王生洪，龚振邦，王世萍．电子设备机械设计［Ｍ］．西安：西安电　子科技大学出版社，１９９４．　［４］施浒立，赵彦．误差设计新理念与方法［ｃ］／／２００７年机械电子学　学术会议论文集．北京：电子工业出版社，２００７．　［５］机械设计手册编委会．机械设计手册（新版）［Ｍ］．北京：机械工　业出版社，２００４．　（编辑明涛）　作者简介：陈君（１９７４－），男，高级工程师，主要从事舰载雷达天线座、　车栽电子设备结构总体、转台等设计工作。　收稿日期：２０１０—１０－２９．