岳振興

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

一種新型鎖緊裝置在高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中的應(yīng)用*

岳振興

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

介紹了一種新型鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)影響該裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。該裝置借助壓簧的恢復(fù)力保持鎖緊狀態(tài)穩(wěn)定，借助雙扭簧的恢復(fù)力矩保持解鎖狀態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該鎖緊裝置自鎖性能穩(wěn)定可靠，最后給出了一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。該鎖緊裝置可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)，有效提高雷達(dá)的自動(dòng)架設(shè)和撤收性能，是提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能的重要手段。

自動(dòng)鎖緊裝置；自動(dòng)架撤；高機(jī)動(dòng)；雷達(dá)

引 言

在現(xiàn)代高技術(shù)條件下，特別是局部戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)機(jī)動(dòng)性提出了高要求，高機(jī)動(dòng)性是提高地面雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)[1]，而雷達(dá)是否能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成可靠架設(shè)和撤收則是提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)性的重要手段[2]。對(duì)于依靠機(jī)構(gòu)進(jìn)行架設(shè)和撤收的雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)到位的機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行快速可靠地鎖固是雷達(dá)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一[3]。目前，實(shí)現(xiàn)上述鎖固功能的常用方法多為通過(guò)電機(jī)或液壓油缸驅(qū)動(dòng)插銷(xiāo)插入或拔出銷(xiāo)孔的插銷(xiāo)方式，這種方法：(1)鎖固時(shí)插銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔需要精確對(duì)齊，完成鎖固一般需要獨(dú)立的動(dòng)作控制環(huán)節(jié)，占用系統(tǒng)架撤時(shí)間，降低了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能；(2)盡管可以采用圓錐面配合的方式降低插銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔的對(duì)齊精度要求，但是插銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔裝配精度難以保證，常發(fā)生插銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔之間卡滯而鎖緊不到位，導(dǎo)致插銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔之間存在預(yù)應(yīng)力，影響天線的正常架設(shè)和撤收。此外，也有通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件自身具備的自鎖功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)架撤狀態(tài)穩(wěn)定，如文獻(xiàn)[4]采用具有自鎖功能的雙螺旋絲桿機(jī)構(gòu)作為天線的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。本文介紹一種通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)而自動(dòng)解鎖、隨動(dòng)鎖緊的新型鎖緊裝置，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)到位后快速、可靠鎖固和解鎖。

1 工作原理

該鎖緊裝置主要由單向油缸基體、鎖鉤、卡鉤、壓簧、雙扭簧等組成，結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。

機(jī)構(gòu)部件運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)，通過(guò)與機(jī)構(gòu)部件剛性連接的鎖桿，壓迫鎖鉤，克服雙扭簧的恢復(fù)力矩，將鎖緊裝置由解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)化為鎖緊狀態(tài)，在達(dá)到鎖緊狀態(tài)的瞬間，卸壓后的油缸內(nèi)的壓簧在恢復(fù)力作用下使油缸桿迅速縮回，拉動(dòng)卡鉤鎖緊鎖鉤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件鎖固。運(yùn)動(dòng)部件需要解鎖時(shí)，由外部液壓力推動(dòng)油缸桿，克服內(nèi)部壓簧恢復(fù)力而伸出，使卡鉤對(duì)鎖鉤解鎖，此時(shí)運(yùn)動(dòng)部件上的鎖桿可以脫離鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)解鎖。鎖鉤在雙扭簧恢復(fù)力矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)至行程終端，受到銷(xiāo)軸限位而始終保持張開(kāi)狀態(tài)，為下一次鎖緊動(dòng)作準(zhǔn)備。

圖1 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)組成

2 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

鎖緊裝置的功能主要取決于3個(gè)因素：結(jié)構(gòu)自鎖性、壓簧的恢復(fù)力和雙扭簧的扭轉(zhuǎn)力矩。

2.1 結(jié)構(gòu)自鎖條件

2.1.1 鎖緊接觸副的結(jié)構(gòu)

卡鉤與鎖鉤的接觸部位在機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)所處的接觸狀態(tài)是決定鎖緊裝置自鎖性的關(guān)鍵。圖2為鎖緊裝置處于鎖緊狀態(tài)時(shí)，卡鉤與鎖鉤接觸副的狀態(tài)。圖中O為卡鉤轉(zhuǎn)動(dòng)中心，O1為鎖鉤上被鎖柱面中心，r為被鎖柱面半徑，R為以O(shè)為中心與被鎖柱面相切的輪廓半徑，R=OO1+r，A表示鎖鉤的接觸圓柱面，B、C、D分別表示卡鉤上鎖緊鎖鉤(A面)的接觸面的不同結(jié)構(gòu)形式，B為與半徑R的圓弧相切且與OO1垂直的凹槽接觸輪廓，C、D為改進(jìn)接觸力方向的凹槽接觸輪廓，PB、PC、PD分別表示對(duì)應(yīng)B、C、D結(jié)構(gòu)形式的接觸副對(duì)鎖鉤作用力矢量。方案a中O1與O位于同一水平坐標(biāo)位置，方案b中的O位于O1的偏左位置。

圖2 鎖緊狀態(tài)的接觸副簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖2分析，鎖緊裝置可靠鎖緊必須滿(mǎn)足2個(gè)必要條件：

1)卡鉤能夠順利繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使卡槽可靠地卡住鎖鉤柱面。這要求卡鉤與鎖鉤接觸的卡槽接觸面必須位于R圓弧面的外部，否則卡鉤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)卡槽將會(huì)與鎖鉤柱面干涉而不能鎖緊到位。

2)卡槽與鎖鉤柱面接觸副上的受力狀態(tài)具有可靠自鎖性。

鎖緊裝置在鎖緊狀態(tài)下受到圖2中外載荷F1和F2作用，分別對(duì)鎖鉤和卡鉤取分離體進(jìn)行力平衡分析，見(jiàn)圖3。

圖3 分離體力平衡分析

圖中F1′和F1″互為作用力與反作用力，F(xiàn)1′方向與接觸副的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對(duì)應(yīng)圖2中的PB、PC和PD。當(dāng)F1″取-PB方向時(shí)，對(duì)卡鉤O點(diǎn)的扭矩為零，滿(mǎn)足自鎖要求，在壓簧恢復(fù)力F2作用下，卡槽鎖緊柱面的狀態(tài)始終保持穩(wěn)定；當(dāng)F1″取-PC和-PD方向時(shí)，F(xiàn)1″對(duì)卡鉤產(chǎn)生一個(gè)同F(xiàn)2作用一致的轉(zhuǎn)矩，從而加強(qiáng)了鎖緊效果，更有利自鎖。對(duì)于C、D這兩種凹槽接觸輪廓，在自鎖功能得到增強(qiáng)的同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)了不利影響，主要有以下表現(xiàn)：

1)自鎖功能的增強(qiáng)是以產(chǎn)生間隙為代價(jià)的；

2)由于存在鎖緊間隙，鎖鉤在外載荷F1作用下繞其轉(zhuǎn)軸O2轉(zhuǎn)過(guò)微小角度，使鎖鉤柱面A與卡鉤凹槽的C或D輪廓面充分貼緊接觸，在這一狀態(tài)下解鎖鎖緊裝置時(shí)，會(huì)發(fā)生卡鉤凹槽輪廓與鎖鉤柱面干涉，不利于解鎖。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選擇方案a或b中B形式的卡鉤凹槽輪廓。

2.1.2 接觸副的摩擦力和裝配誤差對(duì)自鎖性的影響

鎖緊裝置加工裝配中總不可避免地存在各種誤差，累積誤差可能導(dǎo)致O1位于O的偏左位置，出現(xiàn)圖4所示的受力狀態(tài)。對(duì)卡鉤取分離體進(jìn)行力平衡分析，卡鉤同時(shí)受到F1″、N和F2作用，以繞O點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎祵?duì)O點(diǎn)取力矩：

T=F2L1+N(L2+r)-F1″x

(1)

式中：x為累積誤差的偏置距離；N為接觸副上由于正壓力F1″作用而產(chǎn)生的摩擦力

N=F1″f

(2)

式中，f為鋼-鋼滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖4 裝配誤差原理分析

要保證結(jié)構(gòu)可靠自鎖，必須保證T>0，需滿(mǎn)足：

(3)

當(dāng)不考慮F2作用，僅依靠接觸副上的摩擦力實(shí)現(xiàn)自鎖時(shí)，需滿(mǎn)足：

(4)

將式(2)代入式(4)，化簡(jiǎn)得到：

x

(5)

式(5)表示完全通過(guò)鎖緊接觸副上的摩擦力實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖的裝配誤差要求。

2.2 壓簧恢復(fù)力確定

設(shè)置在基體油缸內(nèi)的壓簧使卡鉤始終具有繞O軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的張力，確保鎖緊裝置能隨動(dòng)鎖緊且保持鎖緊狀態(tài)穩(wěn)定。壓簧的性能參數(shù)主要有2個(gè)：

1)保持鎖緊狀態(tài)穩(wěn)定所需的初始安裝恢復(fù)力F0；

2)保證鎖緊裝置完全解鎖的最大恢復(fù)力Fm。

(1)初始恢復(fù)力F0

壓簧初始恢復(fù)力由式(6)確定：

F0=Kx0

(6)

式中：K為壓簧剛度；x0為壓簧安裝狀態(tài)時(shí)的壓縮量。

為了確?？ㄣ^能夠克服鎖緊裝置中影響卡鉤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的各種阻力，使卡鉤完全鎖緊到位，壓簧初始恢復(fù)力應(yīng)滿(mǎn)足：

(7)

式中：Ni為影響卡鉤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的各種阻力，主要包括：油缸中有桿腔和無(wú)桿腔之間的壓差阻力N1、油缸活塞與油缸筒之間的摩擦阻力N2、油缸桿與基體油缸密封圈之間的摩擦阻力N3、油缸桿與卡鉤配合連接部位的摩擦阻力N4、卡鉤繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力N5。

(2)最大恢復(fù)力Fm

最大恢復(fù)力決定了液壓回路中的最小解鎖壓力，是液壓回路中設(shè)置順序閥門(mén)限值的重要參數(shù)，由式(8)確定：

Fm=F0+KΔ

(8)

式中：Δ為鎖緊裝置完全解鎖時(shí)的油缸桿行程。

2.3 雙扭簧恢復(fù)力矩確定

雙扭簧最小恢復(fù)力矩由式(9)確定：

T0=Kα0

(9)

式中：K為扭簧扭轉(zhuǎn)剛度；α0為扭簧安裝狀態(tài)時(shí)的扭轉(zhuǎn)壓縮角。

為了保證卡鉤解鎖后，雙扭簧能夠保持鎖鉤的解鎖姿態(tài)穩(wěn)定，雙扭簧最小恢復(fù)力矩應(yīng)滿(mǎn)足：

(10)

式中：T1為鎖鉤繞O2軸轉(zhuǎn)動(dòng)的重心力矩；T2為鎖鉤繞O2軸轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服的摩擦力矩。

3 樣機(jī)及應(yīng)用

以地面情報(bào)雷達(dá)中常見(jiàn)的2 t鎖緊載荷為輸入要求，設(shè)計(jì)了一種鎖緊裝置并對(duì)其鎖緊和解鎖性能進(jìn)行了試驗(yàn)。圖5為鎖緊裝置在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行自鎖性能試驗(yàn)，在極限拉力5 t的條件下鎖固狀態(tài)非常穩(wěn)定；在鎖桿觸發(fā)鎖鉤到鎖緊狀態(tài)的瞬間，鎖緊裝置完成鎖固時(shí)間不超過(guò)1 s。

圖5 鎖緊裝置自鎖性能試驗(yàn)

由于該鎖緊裝置解鎖需要液壓驅(qū)動(dòng)，所以非常適合用于依靠液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行架設(shè)和撤收且有順序動(dòng)作要求的機(jī)動(dòng)性雷達(dá)。某型號(hào)雷達(dá)，天線陣面總重10.5 t，系統(tǒng)架設(shè)時(shí)間≤160 s，撤收時(shí)間≤140 s，陣面架撤由4套主機(jī)構(gòu)組成，各主機(jī)構(gòu)動(dòng)作到位后均需要可靠鎖固，各機(jī)構(gòu)架撤動(dòng)作均由液壓驅(qū)動(dòng)的油缸完成且各動(dòng)作有嚴(yán)格的先后順序要求。該裝備在機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，總計(jì)利用了16套鎖緊裝置對(duì)4套主機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可靠鎖固，實(shí)現(xiàn)了整套架撤動(dòng)作在指標(biāo)時(shí)間內(nèi)完成“一鍵式”自動(dòng)架撤。圖6為其中的邊塊陣面展收液壓回路，根據(jù)壓簧最大恢復(fù)力設(shè)定順序閥的門(mén)限壓力大于10 MPa，在液壓油進(jìn)入主執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸前，受到順序閥門(mén)限壓力的限制而提前將鎖緊裝置解鎖，在解鎖完成的瞬間油壓快速升高，然后打開(kāi)順序閥進(jìn)入執(zhí)行油缸而驅(qū)動(dòng)主機(jī)構(gòu)動(dòng)作。該鎖緊裝置隨雷達(dá)轉(zhuǎn)運(yùn)國(guó)內(nèi)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，行程超過(guò)1萬(wàn)公里，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的各種使用工況及環(huán)境條件考驗(yàn)，性能非常可靠。

圖6 邊塊陣面展收液壓回路

4 結(jié)束語(yǔ)

該鎖緊裝置是提高地面雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能的有效手段，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)鎖固動(dòng)作簡(jiǎn)單，隨動(dòng)快，解鎖和鎖緊過(guò)程均不到1 s，能夠適應(yīng)各種液壓驅(qū)動(dòng)的順序鎖固場(chǎng)合，可以極大地縮短雷達(dá)架撤時(shí)間。

2)利用壓簧的恢復(fù)力保持鎖緊狀態(tài)穩(wěn)定，利用雙扭簧的恢復(fù)力矩保持解鎖狀態(tài)穩(wěn)定，具有鎖固可靠和狀態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3)可擴(kuò)展性強(qiáng)，根據(jù)被鎖固部件所受外載荷大小的不同，可以開(kāi)發(fā)出不同承載能力的系列化產(chǎn)品，方便選用。

4)可改良性強(qiáng)，可以將基體改造成電磁驅(qū)動(dòng)或純機(jī)械驅(qū)動(dòng)，從而適應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或手動(dòng)驅(qū)動(dòng)解鎖。

[1] 林有才. 高機(jī)動(dòng)性地面雷達(dá)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論, 2004(6): 35-38.

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岳振興(1976-)，男，高級(jí)工程師，主要從事地面雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)工作。

Applicaiton of a New Auto-lock Mechanism to Fast-mobile Radar

YUE Zhen-xing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

This paper presents the structure and principle of a new lock mechanism and analyzes the key structure parameters affecting the performance of the new lock mechanism. Stability of lock state are maintained by the resilience of compression spring, stability of unlock state are maintained by the resilience moment of double torsion spring. Prototype test demonstrates that the auto-lock performance of the lock mechanism is stable and reliable. Finally, a typical application instance is given. This lock mechanism can be widely used in modern fast-mobile ground radars to effectively enhance the performance of automatic up and down. It is an important method for improving radar maneuverability.

auto-lock mechanism; automatic up and down; fast-mobile; radar

2012-11-26

TH112；TN957.8

A

1008-5300(2013)03-0029-04