移动式天气雷达天线座机动性结构设计
移动式天气雷达天线座机动性结构设计
姜毅1，袁海平2
(1．第二炮兵驻南京地区军事代表办事处，江苏南京210039)
(2．南京电子技术研究所，江苏南京210039)
摘要:针对移动天气雷达机动性的要求，详细阐述了天线座机动性结构设计所采取的措施，即天线座结构的减重设计;架设/撤收倒竖机构设计及系统联结紧固的结构设计。对移动式雷达天线座机动性结构设计具有工程指导意义。
关键词:天线座;机动性;倒竖机构
中图分类号:TN957．8;TN820．82文献标识码:A文章编号:1008－5300(2010)06－0024－03
Maneuverability Structure Design
for the Antenna Pedestal of Mobile Weather Radar
JIANG Yi1，YUANG Hai-ping2
(1．Military Delegation Office of Second Artillery Force at Nanjing Region，Nanjing 210039，China)
Abstract:According to maneuverability requirements for mobile weather radar，this paper describes all measuresto maneuverability structure design for the antenna pedestal，in the way to reduces weight of structure for theantenna pedestal，erectin/dismounting mechanism design and structure design of system connection tighten．Itmeet the requirements of fully closed integral transportation and erectin/dismounting and also can provide theengineering guidance to maneuverability structure design for the antenna pedestal of mobile weather radar．
Key words:antenna pedestal;maneuverability;erecting/dismounting mechanism
0引言
新一代移动天气雷达利用多普勒效应对降水粒子测定;同时以其良好的机动性能，在对重大活动、事件地区实时进行气象探测和灾害性天气预警中发挥越来越重要的作用。
移动天气雷达为单车车载运输，要求重量轻、结构紧凑、机动性好，适应野外全天候工作，是该雷达天线座
系统设计的特点。
1性能特性
1．1性能指标
1．1．1天线参数
抛物面天线，口径2．4 m，天馈线重G=85 kg。
1．1．2工作范围
方位:0°～360°(无限制);俯仰:－2°～+90°。
1．1．3天线运动参数
方位角速度:24°/s、俯仰角速度:12°/s;方位、俯仰角加速度:10°/s2。
1．1．4天线座轴系精度
方位轴对大地垂直度:1';俯仰轴对方位轴垂直度:1'。
1．1．5风负荷
平稳风速≤20 m/s(无冰)或14 m/s(冰厚1 cm)能工作。
1．2环境适应性
工作温度:－40℃～+50℃;相对湿度:95%～98%(+30℃);其它:具有防潮、防霉、防盐雾性能;满足野外运输中冲击振动条件。
1．3机动性
采用单车方舱整体运输，运输时天线系统完全撤收于舱内，工作时架设伸出舱外，满足工作要求。撤收/架设快捷方便;天线座系统重量不大于1300 kg。
2系统组成、功能
载车组成。雷达设备由安装于前舱的天线系统和后舱的电子设备组成。天线系统工作状态和运输状态如REF 图1 \h \* MERGEFORMAT 图 1所示，天线座系统由天线座和倒竖机构组成。
图 SEQ 图 \* ARABIC 1天线系统工作和运输状态
天线座系统实现对天线的支承和在伺服系统控制下驱动天线实现方位、俯仰二维运动;同时倒竖机构实现天线系统架设/撤收。
3机动性结构设计
该雷达集成度高，要求机动性好，能快速撤收移动到指定地区，并迅速架设固定展开工作。天线座系统从三个方面采取措施提高机动性。
3．1天线座结构的减重设计
系统重量轻，转场运输的机动性好。天线座重量主要由支承结构(如REF 图2 \h \* MERGEFORMAT 图 2)即转盘、底座、俯仰箱决定，减重设计主要针对此三大件。
图 SEQ 图 \* ARABIC 2天线系统工作和运输状态
3．1．1俯仰箱
对于联结轴的俯仰箱两侧，设计衬套焊于侧板且加辐射筋加强，俯仰箱前后开减重窗口，便于操作。俯仰箱底板只留与转台联接的一圈法兰，中间材料去除。
3．1．2转盘
转盘上端面安装俯仰箱的法兰与下端安装方位大轴承的底板，用钢板卷成的圆筒焊接成形，圆筒开减重孔，结构内设若干辐射筋加强。
3．1．3底座
底座圆筒形结构，内壁设计有环筋和若干辐射筋，提高其抗弯，抗扭刚度。同时，设计有倒竖旋转支耳及用于架设/撤收的联结支腿。以上三大件通过薄刚板加筋加强，由焊接性能良好的16Mn焊接成形。经减重设计后重量:俯仰箱100 kg、转台150 kg、底座180 kg。
3．1．4刚强度计算校核
对俯仰箱、转台、底座分别在工作和运输状态下，进行静力学刚强度计算。
工况:
a．工作状态下，天线和支臂及其附件的重量直接作用于俯仰轴上，总重量为395 kg，风速为35 m/s下的风负载F=115 kg，作用于天线上;
b．运输状态下，天线和支臂及其附件作用于俯仰轴，总重量为395 kg，并对支撑中心产生一力偶作用M=395×L，L为重心距支撑中心的距离，同时油缸处于卸荷状态;有限元计算结果见表1，位移和应力云图如REF 图3 \h \* MERGEFORMAT 图 3、REF 图4 \h \* MERGEFORMAT 图 4、REF 图5 \h \* MERGEFORMAT 图 5所示。
表 SEQ 表 \* ARABIC 1在工作和运输状态下位移、应力计算
图 SEQ 图 \* ARABIC 3俯仰箱位移和应力云图
图 SEQ 图 \* ARABIC 4转台的位移和应力云图
c．天线座在运输中承受冲击载荷状态下的受力计算结果见表2，冲击加速度a=6 g。
图 SEQ 图 \* ARABIC 5底座的位移和应力云图
表 SEQ 表 \* ARABIC 2在冲击载荷下位移、应力计算
通过分析计算，其刚强度满足设计要求。
3．2倒竖机构设计
天线系统的架设/撤收由倒竖机构完成，架设/撤收一次时间不超过3 min。两个位置状态如REF 图1 \h \* MERGEFORMAT 图 1所示。
3．2．1计算
设备重量:天线重量+天线座重量+配重=1100 kg;
风载荷:
风阻力F=1．6·202·π·1．22/16/cos50°=115 kg;
风力矩Mf=0．14·202·π·1．22·2．4/16=38 kg·m;
设备自重重心距回转中心距离:1300 mm。
由设备自重和风载共同作用引起的竖力矩:M=11000·1．3+1150·1．3+380=16175 N·m
油缸的支点力臂:521 mm。当天线倒至水平方向时，倒竖油缸的负载力矩最大。此时:折算到油缸上的负载为F负载=MG/L=1617/0．52=3110 kgf。设计倒竖油缸的供油压力为12 MPa，油缸缸径80 mm，活塞杆直径45 mm，活塞面积A=πD2/4=5026．6 mm。
由此，油缸推力F=12×106×5027×10－6=60324 N=6155 kgf＞F负载，所以设计参满足倒竖要求。
3．2．2结构
倒竖机构由油缸、液压油源及机座组成。液压缸选用一个标准单级工程液压油缸进行倒竖动作，在液压缸内部装有行程限位套，可保证倒竖行程不超过允许范围。液压缸型号为HSGK01－80/45E－3111－960×1100，由图1可知，倒竖油缸工作行程960 mm，最大工作范围为1200 mm～2160 mm。
油缸由组合式油源提供驱动力，油源原理如REF 图6 \h \* MERGEFORMAT 图 6所示。
机座为方框焊接结构，其下法兰用于与载车的安装联结，机座内安装油缸。机座上端设计有天线系统倒竖的回转支耳和用于就位联结的机座支腿。
图 SEQ 图 \* ARABIC 6倒竖机构液压油源原理图
图 SEQ 图 \* ARABIC 7机座结构
3．3架设/撤收就位联结的结构设计
倒竖机构将天线系统架设/撤收到位后，根据结构运动的相对位置，在底座和倒竖机座上设计联结固定支腿，用螺栓实现快速联结紧固。工作状态:用两根撑管其上的上下法兰，分别与底座下支腿和机座支腿联结紧固。
运输状态:底座前支腿与机座支腿联结紧固。
图 SEQ 图 \* ARABIC 8架设/撤收联结结构
4结束语
文中通过对天线座支承结构的减重设计、倒竖机构设计和架设/撤收就位联结结构设计，使天线座系统具有结构紧凑、重量轻和刚强度好的特点。倒竖机构。
图 SEQ 图 \* ARABIC 9加固后的连杆变形
本结构加固设计主要是针对结构的最薄弱环节进行的。目的就是增大刚度，提高固有频率，使支撑结构的固有频率应2倍于试验扫频激励频率(5 Hz～200 Hz)。图10，图11分别是加固后结构CAE模型和前5阶固有频率。
图 SEQ 图 \* ARABIC 10 CAE模型(隐藏真空罩)
图 SEQ 图 \* ARABIC 11前5阶固有频率
根据模态分析的结果，可以看出改进后的支撑结构提高了固有频率，结构刚度有了很大的提高。
由于制冷机及其支撑结构比较复杂，模态分析的结果不可避免存在一定的误差和不确定性，因而还需试验来进行分析与验证。试验结果表明该设计提高了支撑结构的刚度和固有频率，满足试验条件。
4结论
选用合适的纤维复合材料，设计出一种支撑结构，有效的提高了支撑结构的刚强度，应用Pro/E建立支撑结构的三维模型，在有限元分析软件ANSYSWORKBENCH中对支撑结构进行模态分析，介绍了模态分析方法在支撑结构设计中的应用。该结构设计性
能稳定可靠，满足环境使用条件，可以作为其他支撑结构设计的参考。
参考文献:
移动式天气雷达天线座机动性结构设计.doc
