某新型散射计抱闸装置结构设计*

刘 斌，牟长军，张玉石，张浙东

(中国电波传播研究所， 山东 青岛 266107)

某新型散射计抱闸装置结构设计*

刘 斌，牟长军，张玉石，张浙东

(中国电波传播研究所， 山东 青岛 266107)

针对某散射计工作环境的特点，通过风载荷计算、制动器选型、强度校核以及工艺设计给出的新型抱闸装置，可实现双向无级旋转锁定功能，减轻了系统的重量，增加了系统的灵活性，便于安装与运输。同时利用Solidworks软件的Simulation模块对关键零件进行了有限元分析，分析和实验结果表明，新型抱闸装置稳定可靠，可以满足以吊装方式工作的测试系统的需要，对同类设计具有一定的参考价值。

散射计；结构设计；抱闸装置

引 言

雷达的目标检测、识别与跟踪不可避免地受到地面背景散射回波的影响，尤其对于机载、星载下视雷达，地面背景散射回波作为一种干扰噪声源严重制约雷达性能的发挥。另一方面，对不同季节、不同类型地物散射回波的测量可直接应用于农作物遥感。因此，地面背景散射回波的测量与研究具有重要的意义。用于测试地面背景扩展性面目标散射特性的专用设备通常称为散射计，一般雷达经改装和校准也可作为散射计。由于地物种类繁多，所需测试的地形较复杂，测试环境又通常在野外，这就需要散射计具备机动灵活和便携的特点。另外，为满足一定的工作方位和俯仰角度范围及测试远场距离的要求，散射计的承载平台需具备一定的高度。美国林肯实验室采用架设临时塔台的方式，利用多波段散射计曾开展多年的地物散射特性测试[1]；Ulaby等人采用改装后的卡车平台进行地物散射特性测试[2]；温芳茹等人[3]组建了我国首个利用吊车平台的散射计。而基于吊车平台的散射计及其抱闸设计未见相关报道。本文基于吊车平台，设计了一种新型抱闸装置，在保证测试系统精度和安全性的前提下，大大减轻了设备的重量。

为保证风载条件下测试系统的精度及稳定性，辅助锁紧结构的可靠性设计是一个关键因素。本文的新型抱闸装置选用电磁制动器作为制动单元，以双向十字交叉轴作为连接平台。该结构简单、紧凑，在保证天线俯仰角度范围的同时，通过可靠的锁紧设计，确保了系统测试对安装平台的精度要求。设计中采用Pro/E软件的Top-down设计方法，提高了设计准确性，使产品的研发效率大大提高[4]。

1 抱闸装置性能特性

根据散射计工作环境的特点，为保证系统的测量精度及可靠性，要求抱闸装置迎风面转动范围- 90°～+90°，承载能力≥180kg，方位和俯仰控制角度精度≤0.5°，并在4级风以下能正常工作，阵风6级不毁坏，同时小雨条件下可正常工作。

2 系统组成和功能

微波散射特性测试系统主要由抱闸装置、仪器柜以及天伺分系统组成。抱闸装置用于测试设备的可靠连接，仪器柜用于仪器的有效保护以及相关设备的集成，天伺分系统包括天线、天线座架、伺服控制单元、伺服驱动单元及摄像机等，用于控制天线的俯仰、方位转动，回传角度信息。

微波散射特性测试系统的主要工作方式为吊车吊装工作，通用连接段采用夹具式设计，可通过螺栓直接安装固定在吊车的副臂上。抱闸装置通过螺栓与仪器柜相连，仪器柜与天线座架连接，天线座架的通用接口可连接不同形式的天线。使用时，从上至下，分段安装，2～3个人即可完成整套系统的组装。系统吊装整体效果如图1所示。

图1 平板形式天线整体效果图

3 抱闸装置结构设计

为尽可能缩短整系统的组合长度，减少总体吊装高度，保证系统的作业稳定性，抱闸采用等高的十字交叉轴分别制动的形式，使抱闸在充分满足双轴向吊装转角自由度的前提下具有最紧凑的连接高度。抱闸装置由十字交叉轴、长轴方向制动器、短轴方向制动器、轴承、端盖、制动器电源盒及相关连接结构件组成，如图2所示，其内部效果见图3。抱闸装置的外形尺寸为383 mm × 349 mm × 502 mm(长×宽×高)。

图2 抱闸装置整体效果图

图3 抱闸装置内部效果图

双向十字交叉旋转结构，能够满足两个方向的无级旋转定位要求，结构自身的旋转力臂小，可以最大限度地满足使用时的力矩要求。双向十字轴每根轴上分别安装有两个弹簧加压制动器，制动器为常闭锁紧结构，通电解除锁紧，实现自由旋转；定位时断电锁紧，可实现无级分度锁紧。

3.1 风载荷核算

根据抱闸装置吊装的仪器柜及天伺分系统机构的展开作业方式，确定抱闸装置的长轴方向为承受风载荷最大的方向，使用制动力矩稍大的制动器，短轴方向制动器制动力矩稍小，根据十字轴两轴所受力矩的计算结果进行制动器选型。

3.1.1 长轴方向风载荷计算

(1)天线风载荷计算

选取系统配备的8套天线中面积最大的L波段天线计算天线风载荷，天线尺寸为1 200 mm × 600 mm × 200 mm (长 × 宽 × 高)，天线最大迎风面积为1 200 mm × 600 mm。风力计算公式：

F=CDAq

(1)

式中：CD为阻力系数；A为天线面积，m2；q为动压常数，q=V2/16，V为风速。工作条件：4级风正常工作，阵风6级不破坏，工作高度15 m，查表[5]可知10 m高处4级最大风速V1=7.9 m/s。此外阵风和高度对风速也有影响，可根据式(2)、(3)和(4)进行计算。

阵风系数：

γ=2.739V1-0.268 6

(2)

计算可得γ=1.6。设计风速：

(3)

将γ=1.6代入式(3)计算可得VC=1.2V1。高度系数：

(4)

式中：z表示高度；r=1/4～1/11，视周围地形而定，开阔地带选取r=1/4。将z=15代入式(4)计算可得Vz=1.1V1。经过阵风系数及高度系数修正后V=1.2 × 1.1 × V1=10.4m/s。

根据天线尺寸，查表[5]可知CD=1.2(矩形平板天线)，将以上数值代入式(1)计算可得F长1=CDAq=5.84kg。

如图4所示，天线几何中心至制动器旋转轴距离L1为1 300mm，由此可得天线风载荷对于制动器转轴的扭矩T长1=F长1× L1=75N·m。

图4 双向转动力臂图

(2)仪器柜风载荷计算

选取与天线平行的机柜正面计算风载荷，正面尺寸为580 mm × 430 mm，根据天线尺寸，查表[5]可知CD=1.1，将以上数值代入式(1)计算可得F长2=CDAq=1.9 kg。

仪器柜几何中心至制动器旋转轴距离L2为430 mm，由此可得仪器柜正面风载荷对于制动器转轴的扭矩T长2=F长2×L2=8.1 N·m。

(3)天线重力对制动器转轴的扭矩

由于天线未进行配重设计，因此天线中心与系统铅锤轴不在一条直线上，偏移距离350 mm，天线重量15 kg，因此天线重力对制动器转轴的扭矩T重= 52.5 N·m。

3.1.2 短轴方向风载荷计算

(1)仪器柜风载荷计算

选取与天线垂直的仪器柜侧面计算风载荷，根据侧面外形尺寸，查表[5]可知CD=1.15，将以上数值代入式(1)计算可得F短1=CDAq=2.8 kg。

仪器柜几何中心至制动器旋转轴距离L1为430 mm，由此可得仪器柜侧面风载荷对于制动器转轴的扭矩T短1=F短1×L1=12 N·m。

(2)天线风载荷计算

选取L波段天线尺寸计算风载荷，在短轴方向天线迎风面积很小，有效面积估算为1 200 mm × 100 mm，为长轴方向的1/6，因此，短轴方向天线风载T短2=13 N·m。

3.2 制动器选型设计

通过调研，在相同制动扭矩的指标下，德国INTORQ公司(原Lenze公司)的弹簧加压制动器(见图5)相比其他国际、国内相同产品具有体积小、重量轻的优点，更加适合本系统对重量和体积的要求，且工作方式为断电制动，通电解锁，符合本系统对制动器工作方式的要求。

图5 弹簧加压制动器

(1)长轴方向制动器选型

风载荷及天线重力偏心扭矩对长轴方向制动器制动扭矩T1=T长1+T长2+T重=135.6 N·m，为了保证制动器可靠制动，制动器扭矩必须大于135.6 N·m。查INTORQ公司制动器选型目录可选型号为BFK458-16N,该制动器的标准制动扭矩为125 N·m，选用2个该型制动器安装在长轴上，所提供的扭矩为250 N·m，计算可得安全系数为1.8。

(2)短轴方向制动器选型

天线在短轴方向为对称结构，天线重力对短轴不产生扭矩，因此风载荷对短轴方向制动器制动扭矩T2=T短1+T短2=25 N·m，为了保证制动器可靠制动，制动器扭矩必须大于25 N·m，查INTORQ公司制动器选型目录可选型号为BFK458-10N,该制动器的标准制动扭矩为23 N·m，在短轴上安装2个该型制动器，所提供的扭矩为46 N·m，计算可得安全系数为1.8。

3.3 强度校核

本系统工作状态下，抱闸装置中结构件主要受力为静力。预设吊装重量为200 kg，风载荷按长轴方向制动器制动扭矩135.6 N·m计，对关键结构件运用Solidworks软件的Simulation模块进行强度校核。

(1)十字交叉轴强度校核

十字轴材料为50 mm厚45号钢，通过机加工切削成型。计算结果见图6和图7。

图6 十字轴静态应力结果

图7 十字轴静态变形结果

经核算，应力及变形均很小，满足设计要求。

(2)长轴制动器座立板强度校核

长轴制动器座立板材料选用6 mm厚Q235A钢板，通过机加工切削成型。将天线风载荷产生的扭矩及系统重力等效至立板上，计算结果见图8和图9。

图8 长轴制动器座立板应力结果

图9 长轴制动器座立板变形结果

经核算，应力及变形均很小，满足设计要求。

4 优化设计

4.1 减重设计

制动器座连接板选用比重较小的铝合金板材，将制动器座底板与仪器柜直接用螺栓连接，这样既可以保证抱闸装置整体结构的刚度和强度，又可以有效地减轻重量。另一方面通过对结构件增加减轻孔可以进一步减轻重量。不承受主要载荷的端盖、轴承盖均选用铝合金材料，具体估算重量见表1。

表1 抱闸装置重量估算表

4.2 结构优化设计

在抱闸装置底部设计快速安装接口与仪器柜顶部连接，采用T型螺栓与U型卡槽形式，经实验验证，便捷可靠。设计制动器电源盒，将4个制动器的控制线经过制动器电源盒转接后，通过电缆与仪器柜连接，减少了与仪器柜连接电缆的数量和长度，方便了系统的电气连接。制动器电源盒采用O形圈密封设计，连接器选用防水型航空插座，可以满足野外使用条件。

4.3 结构工艺性

设计中充分考虑结构的合理性及工艺性，在保证功能和精度要求的前提下，采用成熟、易于加工的结构形式。

为了保证十字轴每个方向上的两个制动器座上安装孔的加工精度，设计机加工钢板作为连接平台。将两个制动器座固定于平板上，对有形位公差的孔、槽进行一体加工，加工完成后再通过上、下连接板将制动器座与十字轴装配。在保证连接强度的前提下，上、下连接板采用5 mm厚7075铝合金板材，这样既保证了精度，又大大减轻了抱闸装置的总重量。

4.4 三防设计

为提高设备的三防性能，以提高其可靠性，采用材料防护、工艺防护、结构防护(防尘)等措施，具体如下：

1)合理选材，如十字交叉轴选用合金钢，在结合部位避免电化偶作用，外部紧固件小于M12的采用不锈钢，大于M12的采用电镀锌或锌镍合金；

2)设计有防水设施或密封措施；

3)所有焊缝部位进行焊渣和氧化皮的清除；

4)钢结构件喷涂前做镀覆处理，喷涂中间漆和三防面漆；

5)铝结构件进行氧化，涂锌黄底漆再涂三防面漆；

6)对焊点、电路板等喷涂三防漆；

7)线缆接口采用航空接头。

5 结束语

针对某散射计工作环境的特点，文章主要阐述了抱闸装置的设计思路、计算校核及仿真。分析和实验结果表明，新型抱闸装置结构设计新颖、简单、紧凑，环境适应性强，在保证天线俯仰旋转角度范围的同时，通过可靠锁紧设计，为测试系统提供了稳定可靠的平台，可以满足以吊装方式工作的测试系统的需要。

[1] BILLINGSLEY J B. Low Angle Radar Land Clutter: Measurements and Empirical Models[M]. William Andrew Publishing, 2002.

[2] ULABY F T, WHITT M W, SARABANDI K. AVNA-based polarimetric scatterometers[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1990, 32(5): 6-17.

[3] 温芳茹, 尹志盈, 孙芳, 等. 多波段散射计系统性能的实验研究[J]. 现代雷达, 1996(4): 51-66.

[4] 鲍成艳. Top-down方法在功放组件结构设计中的应用[J]. 电子机械工程, 2012, 28(3): 44-47.

[5] 吴凤高. 天线结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社, 1975: 43-63.

刘 斌(1979-)，男，在读工程硕士，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

牟长军(1980-)，男，硕士，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

张玉石(1978-)，男，在读博士，高级工程师，主要从事散射计设计与杂波测试工作。

张浙东(1976-)，男，工程硕士，高级工程师，主要从事散射计设计与杂波测试工作。

Stucture Design of a New Internal Contracting Brake Assembly of Microwave Scatterometer

LIU Bing，MOU Chang-jun，ZHANG Yu-shi，ZHANG Zhe-dong

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation，Qingdao266107,China)

According to the working environment quality of scatterometer, a new internal contracting brake assembly, which functions two-direction continous revolution lock, is given by wind load calculation, detent selection, intensity check and process design. The system has less weight, improved flexibility and can be assembled and transported conveniently. Finite element analysis are carried out for the key parts by the simulation module of solidworks software. Analysis and experiment results show that the new internal contracting brake assembly is stable and reliable, and can satisfy the requirements of the testing system working in hoisting way. This paper has reference value for similar design.

scatterometer; structure design; internal contracting brake assembly

2012-12-28

TH702

A

1008-5300(2013)02-0044-05