X波段车载型多普勒天气雷达天线座系统设计

发布于：2007/5/25 8:44:39 | 1339 次阅读

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摘要：介绍了X波段车载型多普勒天气雷达天线座系统的组成、性能指标及结构设计特点。
关键词：天气雷达；天线座；倒伏机构

The Antenna Pedestal System Design for X-band Truckborne Doppler Weather Radars

YUAN Hai-ping，SONG Shi-ji

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210013, China)

Abstract：This paper introduces the composition、specification and the structure design features of the antenna pedestal system for X-band truckborne doppler weather radars.
Key words：weather radars ;antenna pedestal;lodging mechanism

0 引言
   X波段车载型多普勒天气雷达主要用于一些地区性实时气象业务和科研的外场试验、重大工程建设的气象保障和防灾抗灾的气象服务，为此设备量小、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。天线座系统由倒伏机构和转台组成。

1 主要性能、技术指标
1.1 天线参数
    抛物面天线，口径2.4米，天馈线重G=75kg。
    风载荷：保，17m/s；不破坏，45m/s。
1.2 工作范围
    方位：0°- 360° (无限制)；
    俯仰： -1°- +90°。
1.3 天线运动参数
    方位角速度A°：36°/s，俯仰角速度E·： 12°/s。
     方位角加速度A：10°/s²，俯仰角加速度E：10°/s²。
1.4 天线座轴系
    方位轴对大地的垂直度：1′；
    俯仰轴对方位轴的垂直度：1′。
1.5 环境条件
    温度：-40℃- +50℃；
    湿度：95%- 98%。
1.6 结构设计应采取三防措施
1.7 可靠性及维修性
    平均无故障工作时间：MTBF>400h；
    平均修复时间表：MTTR<0.5h。
1.8 海拔高度
    海拔高度：≤3000m。

2 天线座系统设计
    载气象雷达抛物面天线口径为Φ2.4m，单车上要安装一个CFA30有梁大板方舱，其长x宽x高=2911mm×2100mm×2100mm,载车选用东风汽车公司生产的EQ1108G6D14底盘改装，地面与载车平板的距离为1250mm，为保证天线能360°旋转工作，避免方舱对电波的遮挡，天线(0°时)处距地面高度为H：
       H > 2100+2400+1250=5750 mm
    在运输过程中天馈伺不拆的情况下，为满足雷达单车公路和铁路运输的要求，需在载车车头与方舱仅为2.7m的空间内，设计使天馈伺降低高度的机构。
2.1 天馈伺系统升降方案的选择
    升降运输方案，一种采用多节液压缸顶升多节抗风外套筒进行垂直升降的方案，另一种方案采用倒伏机构方案，该机构由电机带动蜗轮蜗杆减速，蜗轮通过花键带动滚珠丝杆转动，螺母导向套沿滚珠丝杆直线运动，实现天线系统的倒竖，两种方案的主要性能、功能、可靠性以及制造成本的比较如表1所示。两种方案的工作及运输状态见图1和图2。

    综上所述，单车雷达整体运输要满足公路和铁路运输条件的限制界限，采用天线倒伏运输方案比采用天线升降运输方案各方面都要优越，尤其在制造成本方面和运输可靠性方面更为突出，所以采用倒伏方案设计。
    天线系统从运输状态竖起，需克服力矩M：

其中：G－重力；
      h－重力到转动中心的垂直距离；
      F－风力；
      H－风力到转动中心的垂直距离；
      M′－风力矩。
    为此滚珠丝杆的推力对转动中心的力矩：

             M″=F推力×L
其中：L－滚珠丝杆的推力到转动中心的垂直距离。
    由滚珠丝杆的推力可进行滚珠丝杆及倒伏机构传动系统的设计。
2.2 转台设计
    该雷达转台是抛物面天线的支承和传动装置。转台结构方案见图3所示，属俯仰-方位型转台结构,其主要组成部分为：方位和俯仰支承结构、动力传动装置、数据传动装置和安全保护装置。天线的方位, 俯仰转动由永磁直流电机构成的伺服系统来实现。

2.2.1 方位和俯仰支承结构
    方位和俯仰支承结构主要由底座、转盘、俯仰箱体、左右支臂等组成。
    为使轴向尺寸紧凑，刚性好，抗倾覆能力强，便于汇流环、方位铰链的装拆及维护。转台的方位支承设计为转盘式结构。
    底座内壁设计三层和若干辐射筋,提高其抗弯,抗扭刚度。上层安装轴承，中层安装减速器和同步轮系，下层有2个用于支承汇流环托架的支脚, 汇流环由底座下面向上装入。为方便接插电缆和维修调整, 底座开窗孔，窗孔四周加凸缘, 以加强此局部的结构刚度,并便于安装盖板。
    转台底部中心部位装有方位主轴。方位大齿轮联结于转盘底部,以减少大齿轮的变形。
    为满足天线运动范围的需要, 俯仰支撑部分设计成支臂形式, 俯仰轴采用心轴结构形式，俯仰箱和转盘,两者之间通过法兰用螺钉联接,并用销钉定位。俯仰箱体内内走波导及电缆等。
    转台的左右支臂、俯仰箱体、转盘和底座是支承天线的重要结构件，要求具有足够刚、强度，为提高单车的越野性能，同时也为减轻倒伏机构的负载，应尽量减轻重量，因此对结构进行了精心设计和优化，确保重量最轻。转台结构件全用焊接性能良好的16Mn钢板焊接成形。
2.2.2 动力传动装置
    该雷达转台传动链由电机、减速器、输出小齿轮及末级大齿轮组成。传动原理见图4和图5所示。

    方位一套传动系统布置于方位底座内部, 减速器采用端面止口定位安装于底座上，为有利于安装维修，电机、减速器安装于底座窗口处,输出小齿轮与固定于转盘上的方位大齿圈啮合,从而驱动转台作方位回转。
    俯仰一套传动系统安装于俯仰箱体内, 减速器采用端面止口定位安装于俯仰箱体侧面，俯仰大齿轮固定在俯仰支臂上, 减速器输出小齿轮与大齿轮啮合从而驱动天线作俯仰运动,使俯仰轴免受扭矩,改善了俯仰轴的受力状况。
2.2.3 数据传动系统
    方位、俯仰设计有数据传动系统。方位数据传动系统为方位主轴直套一模数1，齿数120的数据齿轮与另一模数1，齿数120的数据齿轮啮合，通过弹性联轴节连接到单极旋转变压器上，从而实现1：1数据传动；俯仰数据传动系统为俯仰大齿轮与一个模数4，齿数20的小齿轮啮合，再通过数据减速箱、弹性联轴节连接到单极旋转变压器上，从而实现1：1数据传动。
2.2.4 安全保护装置
    为保证设备、人员工作安全，转台上设缓冲和锁定装置。
    天线俯仰运动范围：-1°- +90°，为了保护和避免天线和转台发生碰撞，在俯仰两个极限位置各设置一个机械缓冲装置，缓冲范围：-1°- -4°(下限)；90°- +93°(上限)。
    仰角位置锁定器：可实现天线仰角在0°、30°和90°位置的锁定要求及运输锁定要求。
    方位位置锁定器：可实现天线在方位位置的锁定要求。
    机械上的安全保护均与伺服联锁。

3 方位、俯仰传动链中减速机的选型计算
   由风力矩，惯性力矩及摩擦力矩可计算选定电机，再由电机转速和天线转速确定传动链的速比，即：
    方位：总速比288，电机额定功率750w ，额定转速2000rpm。
    俯仰：总速比600，电机额定功率250w，额定转速1500rpm。
    由于总速比较大，转台规模不大，必须选减速比大且结构小的减速机，为此选标准精密行星减速机。这样可减少设计周期，提高通用性。传动比分配以减小系统惯量,提高传动链和结构紧凑合理为原则。
3.1 方位传动链中减速机的选型计算
    传动链传动比分配：

    选德国NEUGART精密行星减速机，型号为PLE120/115 ，输出扭距T_2n=260(N﹒m)。
3.2 俯仰传动链中减速机的选型计算
    传动链传动比分配：


选德国NEUGART精密行星减速机，型号为 PLE120/115 ，输出扭距 T_2n= 260(N﹒m)。

4 结论
   这种小口径抛物面雷达系统，运输、工作一车装，高度集成，倒伏机构构思新颖、巧妙，布局合理，可满足公路、铁路运输条件，且实现倒竖简便易行，克服了国外某些雷达采取低高度结构而不能全方位探测的缺点。
    转台具有结构紧凑、重量轻和刚性好的特点，系统结构合理，性能良好，已研制成功。

参考文献

［1］吴风高.天线座结构设计.陕西:西安电讯工程学院出版社,1986.
［2］许镇宇.机械零件.四川:高等教育出版社,1981.

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