空管雷达高速天线座关键技术研究

( 1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

随着我国航空运输业的快速发展，飞机数量和机场地面保障车辆迅速增多，如何在有限的空间、多变的天气条件下管理好机场场面的交通运输以及空运的地勤保障服务，已成为各国机场当局必须认真考虑的问题。机场场面监视雷达就是为了解决上述问题而诞生的，它可以使机场塔台管制员对飞机的监视不再受到视线的限制，在大雾、暴雨、黑夜等能见度受限的条件下也能够对机场状况进行有效、精确监视，对在机场场面活动的航空器和地勤车辆进行有序的管理。而机场场面监视雷达天线与以往的空管一次雷达天线及空管二次雷达天线不同，需要对10 km范围内机场内的航空器和地勤车辆进行快速扫描和数据更新，因此该雷达天线转速为60 r/min，远高于空管一次雷达天线及空管二次雷达天线转速为6～15 r/min，由此就需要研制一种能够不停机连续可靠运行的高速天线座，以满足机场场面监视雷达天线高转速需求。

天线座是空管雷达系统组成中的关重件，承担着驱动天线、旋转关节、编码器等设备按照一定指标要求旋转扫描的重要任务，在一部空管雷达系统组成中通常只有一套天线座，一旦发生故障特别是致命故障，将导致整个雷达系统停止工作，天线座的设计和制造，对雷达整机设备的精度、可靠性、成本和加工周期影响很大，整机的性能指标在很大程度上取决于天线及天线座的结构设计和工艺制造水平[1]，为此根据以往空管一次雷达天线座及空管二次雷达天线座的设计经验，对机场场面监视雷达天线座的特殊需求及关键技术进行了深入研究，研制出能够满足机场场面监视雷达需求且具有双机冗余备份、运行可靠、结构简洁轻巧、可远程监测运行状态等特点的空管雷达高速天线座，该空管雷达高速天线座还可应用于水域监视雷达等其它需要高转速雷达天线技术领域。

1 关键技术研究

1.1 结构总体设计

根据需要满足的指标要求分析，空管雷达高速天线座的关键技术难点是要满足高转速(60 r/min)、连续不停机高可靠运行、长寿命使用等指标要求，以往设计的空管一次雷达天线通常为口径13 m×7 m或5.5 m×3.4 mm的大中型曲面天线，风阻系数较大，通常为1.4左右，所需驱动力矩较大，转速较低，其天线座的传动链为：电机→一级联轴器→减速机→二级联轴器→离合器→小齿轮→回转支承大齿轮→天线，总传动速比通常为87.5，结构外形尺寸较大，在传动链末端虽然可以获得较大的传动力矩，但在传动链末端获得的转速也较低，通常为6～15 r/min，这种结构形式不能满足机场场面监视雷达天线的60 r/min高转速需求。

机场场面监视雷达天线的外形特点是又扁又长，横截面形状为椭圆流线型，风阻系数较小(风洞试验实测最大值为0.54)，天线旋转所需驱动力矩较小，采取电机与减速机直连驱动天线旋转，省去中间齿轮传动机构，总体结构简洁，总传动速比为25.24，天线转速可以达到60 r/min。

由于空管雷达高速天线座转速较高，易发生天线高速旋转谐振、传动零部件高速摩擦磨损、旋转油封高速旋转磨损等不利现象，所以动平衡设计、传动润滑与密封设计是空管雷达高速天线座的关键技术，采取了传动零部件浸油润滑设计、非接触式旋转动密封设计、动平衡设计、减震设计、双电机冗余备份设计、双编码器冗余备份设计等一系列措施，以保证实现空管雷达高速天线座的连续不停机高可靠运行、长寿命使用等关键指标要求。

空管雷达高速天线座上安装有油位检测仪、油温检测仪、自动温控加热器，可以实时远程监测天线座内润滑油位、油温状况，当油温低于设定值时，自动加热并控制油温，进一步保障天线座高可靠运行工作。

空管雷达高速天线座主要由电机、减速机、底座、天线支架、油位检测仪、油温检测仪、自动温控加热器、安全插销、安全开关、水平仪、电子倾角传感器、注油口、放油开关、旋转铰链、编码器、联轴器、轴承、调平螺钉等零部件组成，其外形结构见图1所示。

图1 空管雷达高速天线座

1.2 动平衡设计

空管雷达高速天线座主要用于承载并驱动机场场面监视雷达天线高速旋转，由于机场场面监视雷达天线的扁长外形特点，在高速旋转时，易发生谐振现象。采取了以下措施消除高速天线座旋转谐振现象：

a.增强机场场面监视雷达天线自身刚度及减小天线风阻系数。通过采用轻质高刚度复合材料箱体、X形复合材料支架、复合材料波导喇叭、椭圆流线型天线外形等一系列设计，增强天线自身刚度、减轻天线自身重量、减小天线风阻系数，防止其高速旋转时发生震颤现象，机场场面监视雷达天线与天线座装配图见图2所示。

b.天线质心与天线座旋转中心合一设计。转子动平衡是指消除转子动不平衡所做的工作。转子经过静平衡后，质心调整至旋转中心线上。这种转子旋转时，很可能在通过旋转中心线的平面上，出现一个力偶[2]，利用计算机辅助设计精准确定天线质心位置，并在天线与天线座装配设计中使天线质心与与天线座旋转中心合一，尽量减小质心高度，使动不平衡力偶臂尽量小，减小动不平衡力偶，在制造装配中严格检验、控制、标示，确保设计制造的准确性，防止其高速旋转时发生偏心现象。

c.采用对称结构中心旋转设计。高速天线座整体结构采用对称布局及中心旋转设计，高速天线座以减速机输出轴为对称旋转中心轴，天线质心、旋转波导、旋转铰链等均布置在对称旋转中心轴位置，双电机、双编码器等均以旋转轴为中心对称布局，由此达到动平衡设计目的。

d.采用阻尼减振设计。阻尼减振器与振动体相连接，直接增加系统的阻尼，把动能变为热能起减振作用[2]。在电机减速机底板与底座之间设计安装6个阻尼减振器，对天线高速旋转所产生的振动进行有效阻尼减振，从而增加动平衡效果。

e.采用调平设计。如果空管雷达高速天线座在实际架设安装过程中，没有达到预定的水平度要求，使质心偏离、旋转轴倾斜，那么再好的设计及制造装配成果都将被打折，所以在天线座底座上设计有4个调平螺钉，在天线座水平基准面上安装有水平仪及电子倾角传感器，以确保空管雷达高速天线座在实际架设安装过程中达到预定的水平度要求，电子倾角传感器用于天线座运行中远程实时监测其水平状态。

图2 机场场面监视雷达天线与天线座装配图

1.3 传动润滑与密封设计

机场场面监视雷达一旦开机工作，为了能够实时监视机场交通状态及保障交通管制安全，空管雷达高速天线座必须能够连续无故障运行20 000 h以上，而高速天线座中传动零部件始终处于良好润滑工作状态是使其能够连续无故障长期运行的重要保障，因此做好高速天线座传动润滑与密封设计就显得尤为重要。

高速天线座采用电机直连减速机传动，减速机为蜗轮蜗杆传动方式，采用浸油润滑，需要润滑的零部件主要是减速机中蜗轮蜗杆、轴承等传动零部件，润滑设计的优劣将对这些易损寿命件的使用寿命、运转噪音、运转平稳性、运行阻力等性能产生直接影响，良好的润滑设计就是要在天线座传动链的蜗轮蜗杆啮合摩擦部位、轴承内部摩擦部位等摩擦副处形成有效、持久的润滑膜，以期达到减小摩擦阻力、减小机械磨损、降低振动冲击和噪音、加速散热、防止锈蚀等目的。

减速机内部需要润滑的传动零部件主要是蜗轮蜗杆之间的啮合部位之间的润滑、滚动轴承内部滚子与滚道之间的润滑，其润滑类型属于弹性流体动压润滑，润滑油膜厚度为0.5～1 μm，由摩擦表面的相对运动所产生的动压效应形成流体润滑油膜。

天线座中传动链的润滑方式通常有润滑脂润滑、循环喷油润滑、浸油润滑等，润滑脂润滑方式是将适量的润滑脂涂抹在齿轮啮合等部位以形成润滑作用，润滑脂润滑的优点是方法简便、不易漏油[3]；其缺点是：散热性差[3]、黏附在润滑脂中磨削杂物磨损机件、润滑脂易高温挥发，因此该润滑方式不适用于长期连续运转的天线座。在早期的天线座中采用的是循环喷油润滑方式，该润滑系统由润滑泵站、过滤器、高压阀、油管等组成，润滑泵站安装在天线座下方，通过进油管分别通入减速机内部齿轮啮合部位进行喷油润滑，再通过回油管通入润滑泵站循环润滑，该润滑方式存在以下缺点：在极寒地区，进油管路易积存油垢导致堵塞。由于天线座结构限制，难以观察、检测天线座内部齿轮啮合部位是否有喷油润滑。因此，选择了浸油润滑方式，即将蜗轮蜗杆、轴承等传动零部件均浸润在润滑油中油浴润滑，该润滑方式可靠，散热性好，但必须做好密封性设计及油位油温实时监测设计。

空管雷达高速天线座中的电机通过离合器与减速机的蜗杆输入轴连接，电机为水平安装方式，减速机的空心输出轴与蜗轮连接，与蜗杆输入轴直角交叉上下垂直输出，空心输出轴上面与天线连接并带动其以60 r/min转速旋转，空心输出轴下面与旋转铰链、编码器连接并带动其以60 r/min转速旋转，由于减速机内有一定量的润滑油浸润蜗轮蜗杆等传动零部件，如果空心输出轴与减速机输出轴孔之间仍然采用传统的旋转油封动密封形式，则输出轴与与减速机输出轴孔之间的配合精度要求很高，零件形位公差精度、表面粗糙度及表面硬度要求都很高，但即使如此设计，仍然无法避免旋转动摩擦的存在及橡胶老化失效现象，难以彻底避免天线座长期连续高速运行后的润滑油渗漏现象。为此，采用了以下密封设计，杜绝空管雷达高速天线座渗漏油现象。

a.采用非接触式动密封设计。高速天线座减速机内部润滑油位只需到蜗轮蜗杆中心位置即可满足润滑要求，因此，在蜗轮下面加工1圈凹槽，让减速机油池围桶上端插入凹槽内，围桶高度超过蜗轮蜗杆中心位置即油池内油位高度，当减速机内蜗轮蜗杆啮合传动润滑时，润滑油始终不会漫过油池围桶上端溢出渗漏，而高速旋转的蜗轮凹槽、空心输出轴与固定不动的减速机油池围桶始终有一定间隙，由此实现了非接触式动密封的目的，避免了接触式动密封所带来的磨损及橡胶老化等问题。

b.采用自动减压平衡设计。在密封浸油腔体上采用减压阀，当密封浸油腔体内因油温升高而导致气压升高，从而导致油压增大时，可以通过腔体内部升高的气压自动顶开减压阀门，减小密封浸油腔体内气压及油压，防止因腔体内高油压而导致旋转密封部位润滑油渗漏。

c.采用远程实时监测油位油温设计。空管雷达高速天线座一旦开机运行，必须能够全年无故障连续运行，通常每年只允许停机1～2 d维护一次，因此天线座应具有智能化检测报警技术[4]，为此在高速天线座减速机中安装了油位传感器、油温传感器，工作人员可以在机房内通过终端显示器随时监测天线座传动系统运行状态，以达到远程监测设计及准确判断故障部位目的[4]，防止发生润滑不良及渗漏油现象。

目前设计的空管雷达高速天线座已小批量应用在某机场场面监视雷达，经过使用验证，以上的传动润滑与密封设计符合使用要求，传动平稳噪音低，无渗漏油现象。

2 计算分析

空管雷达高速天线座主要用于驱动机场场面监视雷达天线按照指定转速匀速旋转，其驱动系统承受的载荷主要为风载荷，摩擦阻力和惯性载荷。

风载荷主要为方位静态风力矩和附加动态风力矩，根据天线特征面积为1.5 m2、天线特征长度为7.5 m、天线转动半径为3.75 m、风速、天线转速为60 r/min、方位风力矩系数依据参考文献[5]、水平风阻力系数依据参考文献[5]、阵风因子依据参考文献[5]、大气密度等参数，并考虑天线在旋转过程中，其所承受的方位风力矩大小是交变的，因此计算得知在不同风速下天线旋转一周所受的风载荷均方根值见表1。

表1 不同风速下的天线风载荷均方根值

摩擦阻力主要体现为天线座内部的轴承在受到天线载荷时所产生的摩擦力矩，其数值取决于轴承承受的正压力为3 500 N、轴承直径为0.1 m、摩擦系数等参数，计算结果为2.1 N·m。

天线座驱动系统承受的惯性载荷主要来自所驱动天线的惯性力矩，其计算值取决于天线转动惯量、电机转动惯量、齿轮传动系统转动惯量、总传动比取25.24、天线转速、加速时间等参数，计算得知惯性力矩为76.58 N·m。

根据以上计算得到的天线座承受的方位风力矩、惯性力矩、摩擦力矩、天线转速60 r/min及减速机传动效率取0.85，可以计算得出不同风速下天线正常工作需要的最大输入功率，计算结果见表2。

表2 不同风速下的需求功率

根据上表所示，在风速为44 m/s时，系统需求功率最大，达到8.3 kW；因此选定额定功率为5.5 kW的电机，风速<25 m/s时采用单机驱动，风速>30 m/s后采用双机驱动，可满足使用需求。

选择电机功率时还需要考虑使用环境的影响，图3～4分别是某电机功率随环境温度、海拔高度的变化系数图表。

图3 某电机环境温度变化系数图表

图4 某电机海拔高度变化系数图表

依据使用环境，海拔高度超过3 000 m或者环境温度超过50 ℃时，电机输出功率需乘以系数修正0.86，为满足驱动要求，此时选择额定功率为5.5 kW的电机，则双机输出最大功率5.5×2×0.86=9.46 kW，满足要求。

通过以上分析，在环境温度-40～50 ℃、海拔高度≤3 000 m的地区使用时，选取2套额定功率为5.5 kW的2套电机作为天线座的动力；环境温度>50 ℃或者海拔3 000～5 500 m的地区选取两套额定功率为5.5 kW的电机作为天线座的动力。

3 结束语

机场场面监视雷达属于空管雷达系列中的一种，根据机场场面监视雷达对于天线座的高速旋转、长期连续运行等特殊使用要求，对高速天线座的总体结构设计、动平衡设计、传动润滑与密封设计、传动分析计算等关键技术进行了详细论述，设计了一种具有动平衡性能、非接触动密封润滑性能、可远程监测油位油温、可连续长期可靠运行、具有双机冗余备份的空管雷达高速天线座，目前，该高速天线座已小批量应用于某机场场面监视雷达，该高速天线座也可推广应用在水域监视雷达等领域。

[1] 张润逵，戚仁欣，张树雄. 雷达结构与工艺(上册)[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2] 张义民，孙志礼，宋桂秋. 机械设计手册——现代设计理论与方法[M]. 5版.北京:机械工业出版社，2011.

[3] 秦大同，谢里阳. 现代机械设计手册——润滑与密封设计技术[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[4] 段颖辉.航管雷达天线座结构设计[J]. 电子机械工程，2010，26(5)：24-27.

[5] 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.