一种大型阵列天线转台的结构设计

2020-09-29王志波郭向峰

河北省科学院学报 2020年3期

王志波，郭向峰，赵望

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

天线转台用于实现对大型阵列天线进行连续的方位角和俯仰角调整。而相应的抛物面天线转台结构一般采用单丝杠双支耳驱动，且两支耳的间距无法满足支撑大型阵列天线的要求。作者设计了双丝杠驱动的转台结构，并利用有限元分析技术，对转台结构进行仿真，以保证转台结构满足大型阵列天线的使用要求。

文中介绍了大型阵列天线转台采用方位-俯仰(A-E)[1]结构形式来实现大型阵列天线的方位转动和俯仰转动。为保证阵列天线的指向精度，转台采用跨距较大的双丝杠双支耳的支撑形式。最后，利用MSC Patran和Nastran 分析软件，对转台结构进行整体建模，校核其刚度和强度，以保证转台结构的合理性。

1 转台结构设计

大型阵列天线转台主要由方位机构、俯仰机构、过渡圆筒、方位和俯仰驱动装置、方位和俯仰同步装置、安全保护装置、平台等组成。主要的结构性能指标有：

(1)采用方位-俯仰结构形式，方位采用双电机行星齿轮驱动机构，俯仰采用双丝杠驱动机构。

(2)转动范围：方位：-180°～+180°，俯仰：35°～90°。

(3)驱动角速度：方位角速度≥0.8°/s；俯仰角速度≥0.16°/s。

1.1 方位机构结构设计

图1 方位机构

方位机构主要四部分组成，包括方位底座、大型转盘轴承、方位转台和方位驱动机构。方位底座和方位底座均为钢板焊接加筋腔体结构。底座与下方与钢制圆筒基座通过螺栓联接。大型转盘轴承可以克服阵列天线对转台产生的较大倾覆力矩。方位机构中方位同步装置，实时反馈转台的方位角度，并可限制转台的运动范围。方位机构设计避雷装置和导电环，避雷装置安装在方位转台上，导电环安装在方位底座。避雷线从天线引下，连接到避雷装置，通过避雷装置与导电环的接触，将雷电引至大地。这样解决了避雷线对信号线的干扰问题。方位机构见图1所示。

1.2 俯仰机构设计

俯仰机构由俯仰横梁、双丝杠支撑座、俯仰圆筒和俯仰支耳等部分组成。俯仰圆筒及俯仰横梁等均采用优质碳素结构钢板焊接成腔体结构。俯仰横梁两侧的俯仰支耳与承载物相连，俯仰支耳采用铸造成型。驱动装置支撑座为钢板焊接件，通过螺栓固定在转盘上。俯仰支耳处设计有俯仰同步装置，实施反馈转台俯仰角度。

1.3 方位驱动机构设计

方位驱动机构是用来驱动天线指向卫星，转台座驱动装置分为方位驱动装置和俯仰驱动装置两部分。输入端留有手动驱动轴，可提供人工驱动功能，以便于调整和维修。

图2 方位驱动装置

方位驱动机构主要由两台电机和行星减速器组成。两台电机通过伺服控制，转台正反向转动时，实现消隙，提高转台的指向精度。方位驱动机构如图2所示。

电机的驱动力矩需要抵抗风载荷产生的扭矩Mr，则电机的驱动力矩：MP=Mr/ia/ηA/k。

式中：i：电机轴到方位轴的速比；ηA:驱动机构效率；k：安全系数。

1.4 俯仰驱动机构设计

图3 俯仰驱动装置

为了降低承载物变形，保证承载物表面的受力均匀，俯仰驱动机构采用双丝杠驱动形式，由驱动电机、锥齿轮传动箱、传动轴、末级丝杠传动箱组成。而双驱动装置存在步调不一致的问题。故俯仰驱动机构采用单电机驱动，通过单电机驱动两组传动链，及通过刚性连接实现步调一直。锥齿轮箱解决了电机与丝杠件的轴传递，实现双丝杠较大跨距。锥齿轮传动箱内部齿轮为螺旋齿轮，具有传动平稳、重合度大，提高了齿轮的承载能力，有效地降低了噪音。末级丝杠传动箱为蜗轮蜗杆结构，具有机械自锁能力，转台可以在任意位置上安全制动。丝杠为滚珠丝杠，较普通梯形丝杠降低了磨损，大大提高了传动效率，俯仰驱动如图3所示。

俯仰驱动电机功率核算：

转台俯仰负载力矩为MZ，力臂为LZ，丝杠推力为Fa，力臂为La，则Fa=MZ×LZ/La。

丝杠输出转矩Ta=Fa×P/2/3.14/η

式中：P：滚珠丝杠导程；η：滚珠丝杠驱动效率，一般取0.9。

电机输出力矩M=Ta/i1/i2/i3/ηE。

式中：i1：蜗杆传动比，单头取40；i2：行星减速器减速比；i3：锥齿轮减速比；ηE为蜗杆、行星和锥齿轮的总效率。

根据电机的输出力矩，乘以安全系数，来选择核实的电机。