劉文科，鄭傳榮，趙克俊，鄧書山

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

A Turn-around Device for Large Power Transmission During the Radar Rotation

LIU Wenke, ZHENG Chuanrong, ZHAO Kejun, DENG Shushan

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

用于雷達(dá)大功率轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸?shù)碾娎|轉(zhuǎn)繞裝置

劉文科，鄭傳榮，趙克俊，鄧書山

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

A Turn-around Device for Large Power Transmission During the Radar Rotation

LIU Wenke, ZHENG Chuanrong, ZHAO Kejun, DENG Shushan

(No.38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

摘要：介紹電纜轉(zhuǎn)繞裝置的功能和結(jié)構(gòu)組成；分析電纜轉(zhuǎn)繞裝置的特點(diǎn)：與匯流環(huán)相比，電纜轉(zhuǎn)繞裝置結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕、安裝方便，同時(shí)具有低維護(hù)性和良好的環(huán)境適應(yīng)性；針對(duì)某大型雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行了電纜轉(zhuǎn)繞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過電纜載流試驗(yàn)證明了采用電纜轉(zhuǎn)繞裝置實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)繞裝置；拖鏈；電纜；載流試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN911. 7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0050-03

收稿日期：2015-04-17

基金項(xiàng)目：國防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z312012B001)

作者簡介：杜勇(1986-)，男，安徽合肥人，工程師，博士，主要從事雷達(dá)機(jī)電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 劉文科(1986-)，男，河南安陽人，工程師，博士，主要研究方向?yàn)樘胤N機(jī)電技術(shù)。

Abstract：The function and structure of the cable turn-around device are introduced. The features of the cable turn-round device are analyzed. Compared with the slip ring, the cable turn-round device has a simpler structure, is more lightweight, is easier to install and maintain, and has better adaptability to the environment. A cable turn-round device was designed for a large radar product. The feasibility of the power transmission was demonstrated though the current load tests by using the cable turn-round device.

Key words：turn-around device;towline;cable;current load test

0引言

雷達(dá)是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要電子設(shè)備，其任務(wù)是探測(cè)、發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方目標(biāo)。隨著雷達(dá)技術(shù)體制的不斷更新和發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)逐漸開始采用相位掃描代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械掃描工作方式，但是很多雷達(dá)其實(shí)仍會(huì)有一定角度的機(jī)械方位轉(zhuǎn)動(dòng)要求，即雷達(dá)地面設(shè)備與天線陣面設(shè)備之間仍然需要在一定角度范圍內(nèi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。而以往雷達(dá)工作過程中，地面轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備與天線陣面設(shè)備之間電源和信號(hào)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸主要靠匯流環(huán)來實(shí)現(xiàn)[1-3]。

由于現(xiàn)代雷達(dá)逐漸向大陣面、大數(shù)據(jù)發(fā)展，因而對(duì)雷達(dá)傳輸功率的要求越來越高，某些大型雷達(dá)功率可達(dá)到兆瓦級(jí)。同時(shí)，出于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)空間限制和制造成本因素的考慮，采用傳統(tǒng)的匯流環(huán)進(jìn)行傳輸已經(jīng)不太適合。

針對(duì)這種情況，提出采用一種新型的電纜轉(zhuǎn)繞裝置，闡述了其工作原理、結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)，并舉出產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)于今后類似的雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1電纜轉(zhuǎn)繞裝置功能與組成

作為旋轉(zhuǎn)組合傳輸裝置的一種新型結(jié)構(gòu)形式，電纜轉(zhuǎn)繞裝置主要由拖鏈、電纜、軸承內(nèi)軸、外筒及其他附件所組成。其中，電纜放置在拖鏈內(nèi)，拖鏈兩端則分別固定在內(nèi)軸和外筒上，內(nèi)軸和外筒一個(gè)可固定，一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)，在工作過程中帶動(dòng)拖鏈以一定軌跡移動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)固定設(shè)備與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備之間的電源和信號(hào)等的轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸功能要求，其功能如圖1所示。

圖1　電纜轉(zhuǎn)繞裝置結(jié)構(gòu)及功能示意圖

拖鏈?zhǔn)请娎|轉(zhuǎn)繞裝置的重要部分，作為電纜移動(dòng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)部件，目前已在生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器人和加工機(jī)器等諸多場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[4]。拖鏈的作用主要是導(dǎo)引和保護(hù)電纜。一根拖鏈由眾多的單元鏈節(jié)連接而成，各單元鏈節(jié)之間可在一定角度內(nèi)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。單元鏈節(jié)由鏈板、支撐板和連接件等組成。目前拖鏈的材質(zhì)主要有工程塑料和不銹鋼材料2種。相比較而言，工程塑料拖鏈質(zhì)量較輕，經(jīng)濟(jì)成本低，且便于裝配穿線以及后期調(diào)整維修。拖鏈的尺寸規(guī)格多種多樣，可根據(jù)電纜轉(zhuǎn)繞裝置的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

2電纜轉(zhuǎn)繞裝置特征分析

與傳統(tǒng)的匯流環(huán)結(jié)構(gòu)形式相比，電纜轉(zhuǎn)繞裝置具有一些較顯著的優(yōu)點(diǎn)：

a.結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，制造成本相對(duì)較低。

b.可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大的功率傳輸，后期增加電纜、光纜等簡單方便。

c.對(duì)電纜無嚴(yán)格要求，柔韌性較好的電纜即可，可多根排列；針對(duì)實(shí)際所需要的電纜外徑、數(shù)量、彎曲半徑等參數(shù)選用不同尺寸規(guī)格的拖鏈[5]。

d.電纜安裝方便靈活，維修更換簡單。拖鏈鏈節(jié)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，鏈節(jié)結(jié)構(gòu)一體化，使用一根螺絲刀即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其安裝和拆卸。

e.良好的環(huán)境適應(yīng)性和較低的維護(hù)性。

但是，電纜轉(zhuǎn)繞裝置也有其自身的一些局限性，例如由于受空間限制，對(duì)電纜彎曲半徑有一定要求，而且只能在一定角度范圍轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)整周連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸，因此電纜轉(zhuǎn)繞裝置主要適用于對(duì)結(jié)構(gòu)不太緊湊、僅需在一定角度范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合。

3電纜轉(zhuǎn)繞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　技術(shù)要求

某大型相控陣?yán)走_(dá)需傳輸?shù)碾娫垂β瘦^大，達(dá)到4 MW，同時(shí)還有部分光信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸。因此，電纜總數(shù)量較多，可達(dá)120多根。天線轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)空間尺寸為4 m(直徑)×2 m(高度)。雷達(dá)在工作過程中，天線陣面不需要整周連續(xù)旋轉(zhuǎn)，僅在-190°～ +190°的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)方位轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮雷達(dá)的大功率、大尺寸及一定角度范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的技術(shù)要求，采用電纜轉(zhuǎn)繞裝置的結(jié)構(gòu)形式較為合適。電纜轉(zhuǎn)繞裝置主要由拖鏈、電纜、外筒、內(nèi)軸、軸承等零部件組成。根據(jù)電纜數(shù)量和尺寸大致確定拖鏈寬度和高度，雷達(dá)天線座旋轉(zhuǎn)行程和外筒、內(nèi)軸尺寸則決定了拖鏈彎曲半徑、工作位置和電纜長度等相關(guān)參數(shù)。整個(gè)電纜轉(zhuǎn)繞裝置的結(jié)構(gòu)尺寸由此可最終確定。電纜轉(zhuǎn)繞裝置在-190°、0°和+190°典型工作位置如圖2所示。

圖2　電纜轉(zhuǎn)繞裝置工作位置

拖鏈內(nèi)電纜的空間排布也是雷達(dá)電纜轉(zhuǎn)繞裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，涉及到動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)等多個(gè)方面。一般遵循的原則是根據(jù)電纜直徑和重量進(jìn)行排布，直徑大、重量重的盡量排在下部，直徑小、重量輕的排在上部。保證機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)重心較穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)、側(cè)翻等現(xiàn)象。另外，由于電源電纜數(shù)量多，發(fā)熱量較大，在排布時(shí)可增加分隔片，使電纜之間保持一定的間距，這樣既有利于及時(shí)散熱，提高電纜系統(tǒng)的使用壽命，又避免了線纜之間相互纏繞可能造成的電纜損壞[6]。該產(chǎn)品中，一組電纜轉(zhuǎn)繞裝置包括2根拖鏈。單根拖鏈內(nèi)電纜截面排布示意如圖3所示。

圖3　拖鏈內(nèi)電纜排布位置

3.3　電纜載流試驗(yàn)

3.3.1　試驗(yàn)條件

為了掌握電纜在工作電流條件下的溫升情況，對(duì)電纜轉(zhuǎn)繞裝置中的所有電纜進(jìn)行電流加載試驗(yàn)[7-8]。試驗(yàn)在電流加載試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。試驗(yàn)加載的電流為250 A。采用熱電偶分別對(duì)電纜溫度進(jìn)行測(cè)試。選取了包括外部環(huán)境在內(nèi)的7個(gè)采集點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。測(cè)試記錄時(shí)間間隔為10 min。

圖4　電流加載試驗(yàn)溫升測(cè)試

3.3.2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

電纜的溫度變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)加載時(shí)間為從0～50 min時(shí)，電纜溫度急劇上升；隨著時(shí)間的增加，電纜溫升幅度逐漸減小；當(dāng)加載時(shí)間到達(dá)100 min左右，電纜溫度變化不明顯，溫升已趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋簞傞_始時(shí)，電纜自身的發(fā)熱量較大而向外界的傳導(dǎo)熱量很小，故溫升較快；而隨著時(shí)間的增加，電纜自身的發(fā)熱量盡管也大于向外界的傳導(dǎo)熱量，但差距逐漸減?。蛔詈?，電纜自身的發(fā)熱量與向外界的傳導(dǎo)熱量基本達(dá)到平衡，因而溫升也趨于穩(wěn)定。

圖5　電纜溫度變化曲線

測(cè)試結(jié)果表明：拖鏈外電纜比拖鏈中電纜溫度低，這是因?yàn)殡娎|在拖鏈外，散熱條件更好；同理在拖鏈中，電纜線束中的溫度與單根電纜的溫度也不相同，線束中的溫度更高，且電纜排布越密集的地方溫度越高；此外，電纜芯線溫度則明顯比電纜表面溫度要高，當(dāng)加載250 A電流時(shí)，120 min溫度穩(wěn)定后的電纜芯線溫度為58.2 ℃，其溫升為32.0 ℃，此條件能夠滿足雷達(dá)環(huán)境使用要求，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境也基本無影響。

4結(jié)束語

電纜轉(zhuǎn)繞裝置可完成在雷達(dá)地面設(shè)備與天線陣面設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部分的大功率電源和光信號(hào)、控制信號(hào)等的轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸功能要求。與匯流環(huán)相比，電纜轉(zhuǎn)繞裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕、安裝方便、低維護(hù)性和環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果表明，采用電纜轉(zhuǎn)繞裝置來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的大功率轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸是切實(shí)可行的。

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