弹簧平衡装置在天馈伺服系统中的应用

黄琼琼

（桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林541001）

弹簧平衡装置在天馈伺服系统中的应用

黄琼琼

（桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林541001）

天馈伺服系统广泛应用于通信、雷达导航和电子对抗等领域，能在环境条件极为恶劣的野外工作，由于其工作的特点，对负载的平衡也提出了越来越高的要求，文章以海用摇摆台为例，阐述了弹簧平衡装置在其上的具体应用，为天馈伺服系统的设计提供了新的设计理念。

弹簧平衡装置；天馈系统；负载配重

1 引言

天馈伺服系统在辐射和接收电磁波的无线电设备中应用非常广泛，主要用于通信、雷达、电子对抗、天文、气象、航海、航空和国防等相关领域。随着近代科学技术的飞速发展，特别是车载、舰载和机载雷达装备的需要，对雷达天馈伺服系统提出了越来越高的要求。它不仅要满足电性能指标的要求，而且还要满足机械性能指标的要求，同时对天馈伺服系统的体积和重量也提出了越来越高的要求。目前国内的各种伺服平台均采用配重块对负载进行平衡，但这种平衡方式存在平衡范围窄、调整困难以及造成伺服平台重量增大等缺点，同时由于增加了转动部分的重量，因此造成负载转动惯量，驱动系统，以及整个天馈伺服系统的结构和重量也随着急剧增大。例如对于驱动 120kg负载的天馈伺服系统，其总重量大约在2000～3000kg不等，而随着负载的不断增加，配重块的安装越发困难，由于负载的重心通常距转轴较远，为达到平衡，配重块的重量通常为负载重量的2～4倍。鉴于此，有必要采用一种新的负载平衡的方式对负载进行平衡。下面以海用摇摆台为例，阐述了弹簧平衡装置在其上的具体应用。

2 摇摆台的结构型式

摇摆台是用于舰船上的稳定平台，摇摆台的负载通常为各种类型的天线，是一种典型的天馈伺服系统。采用弹簧平衡装置，可为摇摆台提供一种为多运动载体进行单自由度摇摆、双自由度复合摇摆下的自动平衡。同时采用多级组合弹簧平衡方式对大负载在转角范围内的任意角度的重力矩，惯性力矩进行平衡，其平衡负载范围大，操作简单，使用维护方便，体积小，重量轻。由于转动部分的重量比采用配重平衡方式的大大减轻，因此负载力矩小，极大地减轻了摇摆台的整机重量和体积，具有很高的性价比。同样对于驱动120kg负载的天馈伺服系统，摇摆台的总重量仅有500kg。摇摆台结构如图1所示。

图1　摇摆台结构示意图

3 弹簧平衡原理

用于摇摆台的弹簧平衡装置，它包括一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置，其中一级弹簧平衡装置用于平衡内环的负载，二级弹簧平衡装置用于平衡外环的负载。一级和二级弹簧平衡装置均采用组合弹簧的形式，平衡范围大、调整简单、工作可靠，通过调整弹簧的压缩量，可实现负载在转角范围内任意角度下弹簧力矩与重力矩相等，而一级和二级弹簧平衡装置的总重量只有40kg，一级弹簧平衡装置结构如图2所示，二级弹簧平衡装置结构如图3所示。

图2　一级弹簧平衡结构示意图

图3　二级弹簧平衡结构示意图

一级弹簧平衡装置和二级弹簧平衡装置原理相同，均包括连接杆、弹簧筒、可调节螺套、万向球铰链、锁紧螺套、内弹簧和外弹簧。内、外弹簧套在连接杆上，连接杆伸出弹簧筒的一端通过可调节螺套与万向球铰链连接，万向球铰链通过传动轴与曲柄连接；而连接杆的另一端，安装锁紧螺套，通过调整锁紧螺套，可以调整内、外弹簧的压缩量，从而可对不同负载进行任意转角范围内的平衡。

4 弹簧平衡装置的设计

4.1一级弹簧平衡装置的设计

设负载重量W=125kg，负载重心距离内环轴心为540mm，内环平衡角度为20°。

根据结构空间位置，设OA=160mm，OB=341mm ，选定OB与X轴夹角为36°。一级弹簧平衡装置的平衡简图如图4所示。

图4　一级弹簧平衡装置的平衡简图

由图4可确定弹簧的预压缩量：S0= OB-OA = 181mm

当负载转到25°时，弹簧的最大压缩量为 Smax = A1B，根据余弦定律，

根据力矩平衡原理，确定弹簧刚度k：

由此可计算弹簧的最大工作载荷为：Pmax=k·Smax= 258kg。

由于弹簧刚度大，为了减小弹簧平衡装置的空间尺寸，采用双层组合弹簧，弹簧刚度为：k = k1+k2。

4.2二级弹簧平衡装置的设计

设负载重量W=330kg，负载重心距离外环轴心为200mm，外环平衡角度为23°。

根据结构空间位置，设OA=150mm，OB=320mm ，选定OB与Z轴夹角为46°。二级弹簧平衡装置的平衡简图如图5所示。

图5　二级弹簧平衡装置的平衡简图

由图5可确定弹簧的预压缩量：S0=OB-OA=170mm

当负载转到23°时，弹簧的最大压缩量为 Smax=A1B，根据余弦定律，

根据力矩平衡原理，确定弹簧刚度k：

由此可计算弹簧的最大工作载荷为：Pmax=k·Smax= 264kg。

由于弹簧刚度大，为了减小弹簧平衡装置的空间尺寸，采用双层组合弹簧，弹簧刚度为：k=k1+k2。

5 结语

本文以海用摇摆台为例，阐述了弹簧平衡装置在其上的具体应用，说明了弹簧平衡的原理、方法和具体应用。采用组合弹簧的形式，可使平衡范围更大、调整简单、工作可靠，通过调整弹簧的压缩量，可实现负载在转角范围内任意角度下弹簧力矩与重力矩相等。同时一级和二级弹簧平衡装置的总重量只有 40kg，摇摆台的总重量仅有 500kg。而在同等条件下，采用配重块进行平衡的摇摆台重量约2000kg，其优势可见一斑。

目前已将这种理论运用于实际产品中，以其工作性能可靠、调整快捷而得到了用户的好评。通过产品应用又进一步证实了理论分析的正确性。理论和实践表明，将弹簧平衡装置用于天馈伺服系统中的负载平衡，是一种新的设计途径。

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The application of spring balancing device in antenna servo system

Antenna servo system which can work under extremely harsh field conditions is now widely applied in communication、navigation and EW（electronic warfare），etc. There’re increasing demands on load balance because of its work characteristics. This article, taking a sea balance platform for example,elaborates on the specific application of its spring balancing device, providing a new idea in design of antenna servo system.

Spring balancing device;antenna servo system;balance weight

TN95

A

1008-1151(2015)04-0069-02

2015-03-10

黄琼琼（1963-），女，重庆人，桂林长海发展有限责任公司高级工程师，主任设计师，研究生，从事天气雷达、海用雷达和电子对抗领域相关产品的结构总师工作。