高架雷达结构安全性分析与验证*

贺 鹏，洪林峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

高架雷达结构安全性分析与验证*

贺 鹏，洪林峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

高架雷达因天线举升到较高位置而会面临一些安全性问题，文中分析了高架雷达在结构设计中存在的主要风险因素，从结构设计的角度论述了高架雷达的安全性设计内容与思路。以某典型高架雷达为例，主要论述了该雷达的抗风安全性、动平衡及架设安全性设计。雷达设计阶段充分应用了各种先进手段，如整机三维设计及机构分析、升降机构动力学分析等，同时开展了大量安全性试验验证，后续的实际使用表明结构安全性设计取得成功。

结构安全性；抗风；动平衡；架设安全性

引 言

为了提高雷达的阵地适应能力和低空性能，雷达天线往往需要举升到较高的高度以提高其作用距离和范围。高架雷达工作时天线处于一个居高临下的位置，因此来自环境负载的影响较为显著，包括风载荷、冰雪、雷电等，其中作用在天线上的风载荷因高度的增加明显增大，因此抗风设计是高架雷达结构安全性设计的首要任务。此外高架雷达架设过程中往往动作较多，其机构设计较复杂，这些增加了人员和设备出现安全风险的概率。以下以某典型高架雷达为例，阐述高架雷达结构安全性设计的思路和注意事项。

1 高架雷达的抗风安全性设计

某高架雷达工作状态下天线举高17 m，主要由天线阵面、天线座、举升机构、机动平台及电子设备舱等组成，其抗风能力指标要求为：

1)风速≤20 m/s，正常工作；

2)20 m/s<风速≤25 m/s，降高度工作；

3)25 m/s<风速≤35 m/s，雷达停机，倒天线，不破坏。

雷达在架高状态下，天线受风载荷的影响最为显著，计算风载荷的大小是抗风安全性设计的前提。根据天线结构设计理论，风载荷大小与天线形状、天线特征面积A及风速V有关，并按下式进行计算：

(1)

式中：C为风力系数，与天线形状、透空度等相关，与雷诺数Re有关，通常制作模型进行风洞试验，测得风力后可求出风力系数。

1.1 主要构件的理论计算分析

确定风载荷大小后需要对雷达的主要结构件进行刚强度设计计算，上述雷达的主要承力构件包括天线骨架、天线座、举升机构、承载平台及抗倾覆腿等，且从上至下构成一条完整的传力路径。为了较好地模拟雷达的实际工况，针对主要构件建立整机有限元模型，如图1所示。顶部天线重量通过集中质量单元加在升降机构顶部，天线风压产生的风载荷平均加在天线质量单元上，升降机构上的风压直接加在每节升降杆上。

图1 整机有限元模型

计算结果表明，在25 m/s风速条件下(考虑阵风因子及高度修正系数)，最大应力为283 MPa，出现在升降机构与销轴连接处，如图2所示。为了降低此处应力水平，销轴安装处增加外围框和筋板，销轴同时与外围框和升降机构主体结构连接，这样可有效分散升降机构的应力。此外为了满足强度要求，升降机构主要受力部分采用高强度钢，可以满足安全系数不小于2的要求。最大位移为86 mm，满足总体不大于120 mm的偏摆量要求。

图2 系统应力云图

1.2 力学试验及验证

为了最大程度地模拟雷达的实际受力情况，试验时天线车系统整体参与现场实物测试。试验需要解决风载荷的作用问题，本试验采用模拟风载荷的形式，将各部位风载荷平移至天线上并使其对地的风力矩大小不变，叠加的风力之和等效为所有风载荷的作用，将该力施加到天线的安全部位模拟实际风载荷。试验采用常见的应力应变电测法，将应变片贴在主要受力结构件及需要关注的部位。模拟风载荷加载示意图如图3所示，通过施加不同重量的重物模拟不同风速大小对应的风载荷。

图3 模拟风载荷加载方式

试验结果表明，施加25 m/s风载荷(考虑阵风因子及高度修正系数)，整机最大应力为126 MPa，位于销轴所在的外围框区域。测量值与理论计算结果有较大差异，原因是实际设计中采取了上述分散应力的措施，同时分析软件读取的是应力集中点的最大值，导致了计算与试验的误差；此外建模时未考虑升降机构各节的间隙，忽略了内部的一些加强筋等细部结构，也导致了计算偏差的产生。应力实测结果小于许用应力值300 MPa，满足安全使用要求。

1.3 抗倾覆安全设计

风载荷对雷达的作用形成了对雷达有倾覆作用的风力矩Mq，而雷达的自重提供了稳定力矩Mg，雷达的抗倾覆安全性取决于抗倾覆安全系数n：

式中：Fi为各作用点处的风载荷；hi为风载荷作用点到地距离；G为雷达自重；R为抗倾覆半径。

由上式可知，增加稳定力矩，减小倾覆力矩有利于提高抗倾覆安全性，本雷达主要采取以下措施：

1)通过减小天线阵面风载荷来降低倾覆力矩Mq。天线阵面位于最高处，此处风力距作用最为明显，为了减小风载荷，天线阵面采用镂空设计，有效降低风阻系数。

2)通过增大抗倾覆半径来提高稳定力矩Mg。雷达采用大跨距的抗倾覆腿(见3.1节)，同时总体布局时控制整车重心位置到抗倾覆腿的距离在合适范围内。

2 高架雷达动平衡设计

天线在高架的同时高速旋转，这样的工作条件对高架雷达的动平衡设计提出了更高的要求。在调平状态下，动平衡问题通常表现为天线系统偏心导致的动态晃动，动平衡设计的目的是尽量减小动态晃动，使系统安全平稳工作。上述高架雷达应用数字化仿真设计控制天线系统的重心和重量，通过试验测试天线动态晃动量并指导设计改进，最大程度减小动态晃动量，达到动平衡设计的目的。

2.1 天线系统重量及重心控制

天线系统重量的控制是高架雷达的主要设计任务之一，对于动平衡设计也有重要意义。较轻的天线一方面可减小天线系统转动惯量，另一方面可提高整机模态频率。根据图1的整机有限元模型，通过设置天线质量单元大小进行模态分析，结果见表1。

表1 整机固有频率计算表 Hz

天线重量/kg第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶10002.02262.53236.39927.670410.184915001.87742.31606.15887.24269.7398

由表可见，天线较重的天线车系统的各阶模态都小于天线较轻的情况，由此可知，控制天线系统重量有利于提高整机固有频率，进而减小天线转动和风载荷带来的谐振影响。天线系统的重心控制主要依靠阵面合理布局和三维设计手段。进行阵面布局时充分考虑设备的对称和平衡布置，阵面骨架、组件、电源、接收及天线阵面总装等主要设备均采用三维设计，通过三维设计可方便计算出天线系统的重心位置，根据重心位置的偏差合理调整设备布局，同时引导分系统设备进行重量和重心的控制。通过以上措施，雷达天线阵面重心偏离控制在了11 mm左右。

2.2 动平衡测试

动平衡测试主要测量不同天线转速下天线中心所产生的绝对位移，为动平衡设计提供依据。采用空间3点定位法进行测量，如图4所示。

图4 空间3点定位示意图

实际测试时在3个定位点处分别安装位移传感器，在天线中心点处安装定位器，定位器分别与位移传感器的感应线连接。启动控制系统使天线按设定转速转动，用动态信号分析仪记录天线启动至停止过程中3个位移传感器所感应的位移值，计算中心点在工作过程中的绝对位移。

为了试验安全，采用假负载代替天线，重1 560 kg，同时施加偏载86 kg × 195 mm，模拟天线偏心11 mm。天线举升，分别按2、5、8、10、12、15 r/min天线转速开展试验。试验结果表明，中心点位移随着转速的增大而增大，到达额定转速15 r/min时总位移为88 mm(X、Y、Z方向矢量和)，略大于80 mm的晃动量限值要求。将假负载重量降至1 500 kg，重复上述步骤进行试验，转速15 r/min时总位移为76 mm。根据试验结果，天线系统的设计重量控制在1 500 kg，偏心不大于11 mm，可满足动平衡设计要求。

3 高架雷达的架设安全性设计

从运输状态到工作状态，高架雷达一般要经历抗倾覆支臂展开、调平、升降机构竖起与锁定、天线举升的过程。架设过程中由于动作较多，天线举高将带来失稳、干涉、误操作、环境影响等危险因素。在产品设计阶段应充分避免这些危险因素，确保架设安全。

3.1 架设过程的稳定性设计

天线架高17 m，由于重心的升高和风载荷的作用，天线车系统的稳定性面临考验。为了使雷达稳定可靠工作，采用了以下措施：

1)采用4条独特的大跨距X形抗倾覆支臂，该支臂呈X形交叉与平台上平面和两侧面同时焊接，如图5所示。该交叉布置的特点不仅可以满足横向稳定性要求，而且沿平台纵向实际上构成了稳定的互支撑结构，因此相比于其他如蛙腿、H形支腿等具有更好的纵向稳定性。

图5 X形抗倾覆支臂(收拢状态)

2)总体布局时做到重心均衡，关注雷达从运输状态到工作状态的整机重心位置变化情况，避免升降机构翻转轴过于靠近抗倾覆支臂，导致升降机构竖起时整机重心移动而使稳定力矩减小。

3.2 仿真设计

为了在设计阶段最大程度降低安全风险，在样机试制前雷达整机采用三维设计，并针对架设过程开展机构分析和动力学分析。应用Pro/E软件完成雷达整机建模并在该软件中完成机构分析，检查各机构运动情况及动态干涉情况。根据升降机构的结构特点在Matlab中对其举升过程进行仿真分析，在15 m/s风速条件下，升降机构中液压缸的动力学仿真分析结果如图6所示[2]。图中给出了升降机构的速度-时间曲线和压力-时间曲线，由图可知，液压缸压力达到16.8 MPa后压力和速度基本趋于平稳，表明运行安全可靠。

图6 升降机构动力学分析

3.3 安全联锁设计

雷达在架设过程中动作较多，如果这些动作以错误的顺序发生将可能带来安全事故[3]。为了避免这种情况发生，伺服系统设计时加装检测联锁，在各动作的极限位置和关键部位安装检测开关，如倒竖到位、天线升降到位等均实现到位保护。把各检测点的状态送给主控计算机，利用主控计算机实现各种复杂的安全联锁，避免错误动作顺序的发生。如抗倾覆腿未展开到位，下一动作即升降机构竖起将无法实现，而升降机构未竖起并锁定好的情况下，天线不能举升。

4 防雷设计

相比于常规雷达，高架雷达更易遭受雷电的侵害，尤其是直击雷的危害。直击雷是指雷电直接击在建筑物、大地、防雷装置或其他物体上，产生电效应、热效应和机械效应的雷击，从而使被击物受损[4]。防直击雷的措施主要包含以下要素：

1)接闪装置的安装。本例雷达采用避雷针，安装在一根可机动的升降杆上。避雷针的架设高度应满足雷达处于防雷区内的要求，并按滚球法确定。根据雷达的一级防雷要求，按滚球半径30 m计算，避雷针架设高度为21 m。

2)接地装置的布置。需要保护的雷达电子设备必须采取等电位连接与接地保护措施。接地装置的布置与埋设应满足最低接地电阻要求，一般接地电阻值不大于10 Ω。接地装置可以是圆钢、角钢、扁钢、扁铜或铜缆等。图7为一种经典接地方式，其中4根垂直接地棒采用圆钢，水平接地带为扁铜带，将各接地棒连接在一起。

图7 避雷接地示意图

5 结束语

高架雷达因天线“高架”的特点，其安全性设计倍受关注。文中的某高架雷达在研制过程中始终贯彻安全性设计思想，在设计阶段采用数字化设计及仿真分析等先进手段，并开展了大量的安全性验证试验。该雷达在后续数年的雷达转场、架设及工作过程中经受了各种恶劣阵地条件的考验，表明结构安全可靠，其设计思路及注意事项可供同类雷达研制参考。

[1] 朱钟淦, 叶尚辉. 天线结构设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980.

[2] 贺鹏, 陈亚峰. 高架机动雷达总体结构设计与关键技术分析[J]. 现代雷达, 2014, 36(3): 73-76, 82.

[3] 夏勇, 赵德昌, 李建峰. 地面雷达机电系统安全性设计研究[J]. 质量与可靠性, 2008(3): 34-37.

[4] 王强. 民航空管二次雷达站综合防雷[J]. 科技传播, 2012(10): 20-21.

贺 鹏(1977-)，男，高级工程师，主要从事雷达结构总体设计及研究工作。

洪林峰(1975-)，男，高级工程师，主要从事雷达结构总体设计工作。

Structure Safety Analysis and Test of High-raised Radar

HE Peng，HONG Lin-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

High-raised radar will meet some safety problems when its antenna is raised to a high position. This paper analyzes the main risk factors in the structural design of high-raised radar and discusses the contents and thoughts of safety design from the structural design perspective. With a typical high-raised radar as example, this paper discusses the design of wind resistance, dynamic balance and erection safety for this radar. In radar design phase, various advanced methods such as the 3D design and mechanism analysis of the total radar, the dynamics analysis of the high-raise mechanism are applied. A lot of experimental safety verifications are carried out at the same time. Following practical applications show that the structure safety design is successful.

structure safety; wind resistance; dynamic balance; erection safety

2016-01-11

TN957.8

A

1008-5300(2016)02-0024-04