一种高架机动雷达天线升降杆结构设计

黄 克，孙怀花，乔 雷

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

0 引 言

高架机动雷达是随现代战争的需求应运而生的一种新型雷达。它一方面具有较好的机动性，能够实现天线的快速升降、天线的自动折叠等功能，同时能迅速地转移阵地；另一方面它具有高架的特点，举升机构把天线举升到一定高度，并且能在一定的风载作用下可靠地工作。[1]

天线升降杆是一种为升降天线而设计的举升机构。天线升降杆按驱动方式通常分为手动方式、气动方式和电动方式[2]。手动驱动天线升降杆一般采用钢丝绳、滑轮传动。早期升降杆的设计通常将钢丝绳、滑轮等机构外置，影响产品的美观。本文采用内置式设计，天线升降杆用滑轮和钢丝绳来提升各级杆。产品轻便快捷，稳定可靠，操作方便，符合产品的使用要求。

1 设计原理

天线升降杆的外形如图1所示。

图1 天线升降杆的外形图

升降杆的结构简图如图2所示。本文设计的升降杆内含5根方形套管，套管1为固定套管，里面的套管2、套管3、套管4、套管5分别由钢丝绳承拉着，分别是主动钢丝绳和从动钢丝绳。主动钢丝绳的一端固定在固定套管1的a处，另一端从套管2的下滑轮1、2上绕过，再上升绕到固定套管1的上滑轮3，并通过滑轮4导出升降杆固定在手摇机构上。从动钢丝绳的两端分别固定在固定套管1的底部b、c处，中间绕过套管2的上滑轮5、8和套管3的下滑轮6、7，把套管3托起，依此类推。

图2 天线升降杆的结构简图

当摇动手摇机构时，主动钢丝绳被从升降杆内拉出，驱动套管2相对于底座和套管1向上运动，套管2上的上拉定滑轮随套管2向上运动。由于绕过上拉定滑轮的上拉绳一端连接在套管1上，另一端连接在套管3上；因此上拉绳就拉动套管3向上运动，并且套管3相对于套管2的位移等于套管2相对于套管1的位移。当套管3相对于套管2向上运动，套管3上的上拉定滑轮随套管3向上运动。由于绕过上拉定滑轮的上拉绳一端连接在套管2上，另一端连接在套管4上；因此上拉绳就拉动套管4向上运动。同理，套管5的结构及运动方式依此类推。下降过程反之。

当升降杆内套着多根套管时，里面套管的升降原理同套管3一样，其Δcn=L/2。

由上面公式可以看出，当主动钢丝绳向外拉出L时，所有升降杆同时升起，且每根套管相对外面的套管提升高度为L/2，升降杆总的提升高度为(n-1)L/2。

设计天线升降杆时，每根钢丝绳的受力载荷是重要的参数。下面计算一下主动钢丝绳承受的力F1。

根据能量守衡定律，当摩擦力忽略不计时力所作的功等于势能：

F1·L=G2·L/2+G3·2·L/2+G4·3·L/2+

…+Gn·(n-1)·L/2

得

F1=[G2+2G3+3G4+…+(n-1)Gn]/2

(1)

其中，Gn为从外向里第n根套管的质量，其中最里面的套管的质量包括雷达天线负载的质量。

由上面的计算可知，最外面的主动钢丝绳受力跟升降杆套管的根数和质量有关，根数越多，里层杆的质量越大，钢丝绳所承受的力也就越大。

2 结构设计

2.1 升降杆的内置式设计

由于该升降杆要求雷达天线升起后钢丝绳不裸露在外，因此在设计时，在套管与套管之间要合理安排钢丝绳的缠绕方式。

(1) 升降杆的管材截面采用正方形截面。这是因为套管内壁要安装滑轮，需要大的安装平面，若选用圆管，其内壁不方便安装滑轮。相同壁厚和截面积的套管，方形比圆形的抗弯截面系数大。

(2) 升降杆的钢丝绳与套管之间的缠绕形式如图2所示。主动钢丝绳的安装平面在套管2的中间平面内，从动钢丝绳的安装平面在套管3的中间平面内，且与主动钢丝绳安装平面垂直。这种形式可以避免两根钢丝绳在同一平面内相互交叉碰撞。

(3) 滑轮的安装形式应尽量减小摩擦力。前面的受力分析忽略了摩擦力，但钢丝绳在滑轮上滚动时摩擦力是实际存在的，摩擦力的大小影响能否提起各套管以及钢丝绳规格的选择。因此，在设计时滑轮内安装滚动轴承，以减小摩擦力。

2.2 手摇机构的设计

手摇机构采用行星齿轮结构设计[3]，其结构简图如图4所示。

齿轮b为固定齿轮，齿轮a为输入轴，转臂H为输出轴，钢丝绳卷筒与转臂H固定在一起，其传动比计算[4]如下：

设Za=18，Zb=72，Zc=27，则

升降过程如下：

(1) 升降杆上升：转动手摇把，转臂H以5倍速比输出，带动卷筒转动缠绕钢丝绳，上升停止后靠棘轮、棘爪锁住；

(2) 升降杆下降：按下棘爪，升降杆在重力作用下自动下降，下降速度的快慢可手动调整。

2.3 钢丝绳选型计算

本文设计的6 m升降杆的闭合高度为1.8 m，展开高度为6 m。要求升降杆能够垂直承载200 kg，设计选择合适规格的钢丝绳。

设计套管选用方形铝型材，节数为5，套管壁厚为6 mm。各节套管截面尺寸(mm)如下：套管5：138.5×138.5；套管4：162×162；套管3：189×189；套管2：230×230；套管1：275×275。

由此可推算出套管的质量由外向里分别为

G1=10 kg，G2=9.1 kg，G3=7.9 kg，

G4=6.3 kg，G5=5.1 kg

设垂直承载G=200 kg，代入公式(1)，得到最外面的钢丝绳受力为

F1=[G2+2G3+3G4+4(G5+G)]/2=432.1 kg

若考虑摩擦力和其他因素，取安全系数为4，则钢丝绳实际受力为4F1，即1 728.4 kg。查设计手册，选取直径Ф7.14钢丝绳，其最小破断拉力不小于2 774 kg，满足设计要求。对该产品的直径Ф7.14钢丝绳物资样品进行破断拉力试验，如图5所示，当拉力加载到3 300 kg时，钢丝绳断裂。试验结果表明，其最小破断拉力大于2 774 kg，符合产品使用要求。

图5 钢丝绳破断拉力试验工装

3 结束语

本文针对一种高架机动雷达天线升降杆的结构设计进行了理论分析与设计计算。该升降杆的特点是提升速度快，操作方便灵活。由于采用钢丝绳内置，故升降杆结构紧凑，外形美观。