大型雷达天线座静压轴承设计

李 可，袁海平

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型雷达天线座静压轴承设计

李 可，袁海平

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

为了提高液体静压轴承的刚度和精度，文中以某大型相控阵雷达天线座静压轴承设计为例，介绍了液体静压轴承的结构特点和关键参数设计。径向止推轴承采用油垫与底座整体铸造、加工的结构形式，简单紧凑，而轴向支撑采用双层油垫的结构形式和结构优化设计，使轴承刚度和抗倾覆能力大大提高，同时天线座轴系精度提高至5″以内，很好地满足了大型雷达系统对天线座的性能指标要求。

天线座；静压轴承；节流器；轴系精度

引 言

液体静压轴承因其具有回转精度高、承载能力强、转速范围宽、抗振性能好等优点[1]，被国内外广泛应用于精密跟踪雷达的方位旋转支承，天线座轴系精度一般在10″左右。但随着雷达口径的不断增大及对天线座轴系精度要求的不断提高，轴系精度要求在5″以内，这就对静压轴承提出了更高的要求：刚度更大、抗倾覆能力更强、精度更高。

1 静压轴承设计

静压轴承的设计工作主要是对静压轴承各组成部分的结构设计及性能参数的确定，包括轴瓦、节流器设计，供油压力、流量的计算，以及对静压轴承的刚度和精度的校核。本文对某大型相控阵雷达天线座中的静压轴承设计进行了详细的论证分析。

如图1所示，相控阵雷达的天线尺寸为7 800 mm × 7 800 mm，方位转台所受最大轴向力为45 000 kg，最大径向力为2 460 kg，最大倾覆力矩为14 500 kg·m，天线座方位轴对大地的垂直度不大于5″。

图1 相控阵雷达及静压轴承效果图

1.1 系统组成和工作原理

静压轴承系统主要由轴瓦、转台、节流器和供油系统等组成，如图2所示。供油系统输出供油压力为Ps

的高压油，分别通过与各油室串联的节流器进入各个油室，油压由Ps降为Pr(油室压力)，当Pr较小时，转台与轴瓦面紧贴，Pr将继续上升，直至浮起转台。

图2 静压轴承工作原理图

1.2 结构和布局

静压轴承的详细结构如图3所示，主要组成部分有上底座、转台、下底座、节流器、上油垫、径向油垫、下油垫、进出油管等。

图3 静压轴承结构图

该静压轴承由轴向止推轴承和径向止推轴承2部分组成。轴向止推轴承采用双层油垫的结构形式，其刚度和承载能力大大提高。图4和图5分别为在相同载荷作用下，单层油垫与双层油垫静压轴承变形图。可以看出，在静压轴承滚道附近，与单层油垫静压轴承的变形量相比，双层油垫静压轴承的变形量减小了40%～60%。径向止推轴承采用油垫与底座整体铸造、加工的结构形式，简单紧凑。

图4 单层油垫静压轴承变形图

图5 双层油垫静压轴承变形图

1.3 关键参数设计

(1)轴瓦的外形尺寸及分布直径

取轴瓦数i=12，上油垫轴瓦的有效承载面积A1=155 cm2，分布直径d1= 1 820 mm；下油垫轴瓦的有效承载面积A2=402.4 cm2，分布直径d2= 2 000 mm；径向油垫轴瓦的有效承载面积A3=377.2 cm2，分布直径d3= 1 700 mm，均采用矩形几何形状，如图6所示。

图6 轴瓦面几何尺寸图

(2)节流器设计

毛细管节流器制造简单,性能可靠，在雷达方位转台静压轴承中使用广泛。为保证液压油在毛细管内的流动状态为层流，毛细管节流器直径dc和长度lc必须满足3个条件[1]：

1) 雷诺数Re≤ 2 000 (对于圆截面毛细管)；

2)lc/dc>20；

3)lc>lo,lo=0.065dc·Re

(1)

式中，lo为毛细管恒速层流起始段长度。

为防止节流器堵塞， 要求dc≥0.55mm，取dc=0.88 mm，lc=55 mm。为简化油源，径向静压轴承与轴向静压轴承共用一套供油系统。为减少规格，毛细管尺寸和油膜厚度取值也一致，油膜厚h=0.06 mm。

(3) 供油压力及流量设计

对雷达天线座来说，静压轴承刚度S是一项重要的性能指标：

(2)

图7 毛细管节流性能参数曲线图

油室压力：

(3)

Pr由外载荷计算确定，供油压力Ps=Pr/β，通过β的取值，计算出油室压力Pr=21 kg/cm2，取β=0.5，则供油系统压力Ps= 42 kg/cm2。

(4) 流量计算

选用46#液压油，矩形轴瓦面流量Q为

(4)

式中，μ为液压油运动粘度。计算出静压轴承的总流量Q总为上油垫、下油垫和径向油垫总流量之和，Q总= 57 700 cm3/min。

2 刚度及精度校核

轴向静压轴承的刚度为

(5)

式中，W为静压轴承竖向承载。

根据设计要求,方位转台水平倾角不大于5″，考虑到影响水平倾角的因素除了倾覆力矩之外，还有加工装配、水平调整等其它误差[2]，所以最大倾覆力矩引起的倾角应小于3″，各轴瓦上油膜厚度的变化量如图8所示。

图8 油膜厚度变化量简图

(6)

根据式(6)可计算出下油垫各油室压力Pr。由公式(3)可计算出下油垫每个轴瓦的支承反力Wr，上油垫各轴瓦的支承反力Wt，最后计算出静压轴承竖向承载W=47 340 kg。天线座转台倾斜3″时,产生的倾覆力矩M=20 850 kg·m。同理可计算出径向油垫所能承受的总的径向力W′=27 000 kg。

实际的最大轴向力为45000kg，最大径向力为2 460 kg，最大倾覆力矩为14 500 kg·m，均在静压轴承承载能力范围内，且在最大载荷下，天线座方位转台的倾角小于3″，因而也满足天线座方位轴对大地的垂直度不大于5″的精度指标要求。

3 结束语

该液体静压轴承针对大型雷达的特点，通过轴向轴承采用双层油垫，径向轴承采用油垫与底座整体铸造、加工的结构形式，其结构简单紧凑，刚度和承载能力大大提高，应用于大型雷达系统中，能够很好地满足雷达系统的性能和精度指标要求，并具有很好的通用性。

[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] 袁海平．雷达方位转台静压轴承支承的计算机辅助设计[J]．电子机械工程, 2000, 16 (4):31-32．

[3] ZHOU M, WALTER H, ANDERSON M, et al . Effect of chamfer angle on wear of PCBN cutting tool[J]. Machine Tools and Manufacture，2004,43(3)：301-305.

[4] 章宏甲,黄谊．液压传动与控制[M]．北京：机械工业出版社, 2001．

李 可(1980-)，男，工程师，主要从事雷达天线座结构设计工作。

袁海平(1965-)，男，高级工程师，主要从事雷达天线座结构设计工作。

Design of Hydrostatic Bearing for Large Radar Antenna Pedestal

LI Ke，YUAN Hai-ping

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

In order to improve the rigidity and precision of the hydrostatic bearing, this paper introduces the structural characteristics and key design parameters of liquid hydrostatic bearing for a large phased-array radar antenna pedestal. The radial bearing adopts the simple and compact structure with oil-pad and pedestal manufactured together, while the axial support adopts the structure with double-layer oil-pad and structure optimization design is carried out. As a result, the rigidity and overturning stability of the hydrostatic bearing have been greatly improved and the axis train precision of the antenna pedestal has also been improved (within 5″), which satisfies the performance and precision requirement of large phased-array radar system.

antenna pedestal; hydrostatic bearing; restrictor; axis train precision

2013-05-30

TN820.8

A

1008-5300(2013)04-0040-03