车载装置升降系统的开发设计.doc

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1、 目录1选题背景11.1雷达车的特点21.2 国内外高机动雷达发展状况32 方案论证42.1 主要技术指标42.2 技术可行性42.3 升降天线车的液压系统说明52.4 测试系统的组成及功能62.5 主要技术难点分析82.6 与国内外同类产品技术对比分析82.7 推广应用价值83 过程论述83.1 雷达举升机构的力学分析83.2 缸的设计123.3 缸的连接及材料163.4 塔架的设计233.5 机动式车载雷达稳定性设计分析244 结论总结315 致谢326参考文献331 选题背景 1.1雷达车的特点现代高技术战争对雷达的越野作战与战场生存能力提出了越来越高的要求,以达到战时快速组网及补充战损

2、的目的，高度的机动能力已经成为现代军事雷达的必备素质;因此，对于雷达设计师来说，在考虑整机电性能指标、可靠性、可维性、可保障性、安全性、可操作性、经济性及加工工艺性等因素的同时，还须从结构上对其机动性作出精心构思。总的来说,雷达的高机动性须保证雷达具有这样一种能力，即组成雷达的诸多功能环节能够共同形成一种良好的应变能力，在保证性能可靠的前提下，使其在遭到敌方打击之前，能够方便、迅速地撤收，并且转移到新的阵地上重新进入正常的工作状态，以达到保护自己、克敌制胜的目的;因此，在结构总体上须重点考虑下列问题。运输行驶能力主要包括以下几点：（1）.越野能力:战时雷达整机将面临复杂恶劣的地理环境情况，如土

3、路、泥泞路等，此时仍然要求雷达能够以一定的速度可靠地行驶;雷达载车的性能对整机的运输行驶能力有直接影响，因此，载车的越野能力是选型时首先要考虑的问题，其基型车必须满足军用越野汽车机动性要求的各项规定:一般来说，机动型雷达载车选型的原则是优先选用国产列装的越野载重基型车辆。整机各运 输单元机动、越野能力的主要指标包括各运输单元重量、行驶速度、最大爬坡度、接近角、离去角、涉水深度、越坡沟宽度、最小转弯直等参数。（2）.通过能力:即雷达整机各运输单元外形尺寸在公路、铁路运输时须符合国家有关运轴限界的要求。1) 公路运输:应满足公路运输限界。2) 铁路运输:应满足铁路装载荃本限界.3) 雷达总重不超过

4、小型桥梁的承重能力。（3）.雷达天线升降机构：按传动系统的不同,可分为机电式和液压式。机电式升降机构技术较为成熟,是一种传统的结构形式,但是,机电式升降机构的控制及传动结构均较为复杂,同时单位驱动负载的重量较大,在要求架设高度较高、负载较大时尤其如此。液压式传动系统与机电式传动系统相比,在输出同样功率的条件下,体积和质量可以减小很多,同时承载能力大,可以完成较大重量雷达天线的高架。并且采用液压传动还可大大简化机械结构,从而减少机械零部件的数目,也便于实现自动控制。另外,随着科技的发展,液压元器件的生产工艺逐步实现机械化和自动化, 制造成本在不断下降, 制造精度越来越高,因此液压式传动系统已逐渐

5、在雷达天线升降机构中被采用。中、大型雷达天线的举升机构不同于普通的升降机。普通升降机负载通常较小,中、大型雷达天线的举升机构的负载较大,特别是机构常常需要在较大的风载条件下甚至于需要在天线上覆盖有冰层时工作,在举升高度较高时,风载荷引起的颠覆力矩直接威胁着设备的安全和工作的可靠性,此外风向的不同引起的动力特性在机构的升降过程中又存在较大的差异, 因此中、大型雷达天线的举升机构存在一定的特殊性。塔架式雷达升降天线研究项目正是本着上述的要求而拟定的。1.2 国内外高机动雷达发展状况1.2.1 国外机动雷达的发展方向 冷战时期，由于两大军事集团的长期对峙，西方国家十分重视机动雷达尤其是高激动雷达的发

6、展与研制；大批各种型号的机动雷达装备部队，并且将高机动雷达部署在战略要地，以提高雷达网的弹性和整个防空系统的稳定性。下表是七十年代以来西方各国装备的集中主要的机动雷达。型 号工作波段测 距架设时间用 途技术体制美 国AN/TPS-612.9-3.1GHz140Km3分钟对空搜索两坐标雷达美 国LAADSL波段60 Km 7分钟低空警戒两坐标雷达英 国GainfanenS波段140 Km 1分钟低空警戒两坐标雷达德 国TRMSS波段200 Km 3分钟防空预警三坐标雷达日 本NPN-510S波段135 Km 3分钟防空预警三坐标雷达不难看出，目前世界各国都把防空雷达网建设中如何发展激动作战力量和

7、研制高机动雷达当做一件大事来抓，这是高技术局部战争的必然趋势。独联体国家的70000部防空雷达中大部分是车载式机动雷达，且有相当数量为高机动雷达；英国和法国的雷达站，几乎不采用固定式，而采用可运输单元，一旦需要，激动雷达可在较短时间内转移到新的阵地展开工作； 日本的机动雷达站与固定雷达站之比，近年来由原来的1：14升到1：2.5，而且其雷达天线可折叠运输，雷达具有较好的探测性能、抗干扰性能和自动化入网功能。我国周边的一些国家和地区也十分重视雷达的机动和隐蔽。台湾则大力发展机动雷达，其固定雷达除天线外，其余部分均可进入坑道。军事力量最强的美国，也是重视雷达机动性的国家，他的舰载、机载和卫星侦察雷

8、达可以实现全球范围内的机动，其雷达情报网抗摧毁能力达到了完善的程度。2 方案论证2.1 主要技术指标2.1.1 升降高度10米，负载1.5吨；2.1.2 .具有自动调平功能，且应保证水平5以内；2.1.3 .调平系统抗风（装上顶部作业部件，10级风）摆动小于；2.2 技术可行性2.2.1 .升降塔架式结构雷达天线车总体及液压传动研制的技术方案天线车的总体结构说明升降天线车的升展高度除车桥高度以外净空高10米。下降后高度为3米左右。要求车桥长5米，宽2米，占空间体积约为352=30立方米2.2.2 塔架结构 塔架为三节组合成形，固定座为3米，其中第一节为1.3米，第二节为2.6米，最后一节为3.

9、1米。举升铰安装在第三节的1.8米处，这样可使得塔架上升和下降折置时运行自如。在举升铰的上端设置了链轮机构，使得天线发射箱在运动和升位的过程中始终保持与地面垂直。2.2.3 塔架的举升执行机构塔架的举升执行机构为四级伸缩式油缸。此型油缸的工作原理为活塞直径大的先运动，依次升高。下降时小活塞先运动，依次下降。直径小则运动速度高，反之速度低。整个升降时间约为2.5分钟。为了防止油缸承受侧向力矩，在设计塔架具体构件时还要着重考虑回转和重力矩的平衡。2.2.4 塔架索拉机构升降塔架为横向跨裆结构，由此沿纵向方向由于风动力而产生的弹性侧向偏摆力及颠覆力矩对塔架影响很大。为了确保塔架的相对刚度及稳定性，在

10、车桥底座对称角上设置了四索拉机构，拟产生四均衡的拉力，使得塔架垂直定位。2.2.5 承载支腿 雷达天线要在一个相对与水平垂直的轴上运行，而且在要10级风的环境下仍能正常工作，整个天线车的综合承载力都传递在支腿上。天线车的支腿既要克服重力和颠覆力矩，又要作为水平校正的执行机构，所以在支腿的支臂上设置了展开收合油缸，并在支腿的支点上折纸了比例阀控油缸，使四角支腿在较快时间内完成支撑校平工作。校平完毕如需要，可用人工锁紧机构将其锁紧。2.2.6 辅助支撑机构及其它 当塔架折放和转场运行时，必须防止塔架震动而对油缸的重力冲击，因此在塔架纵向设置了防震托架及辅助支撑机构。2.3升降天线车的液压系统说明

11、升降天线车采用变量泵液压系统，其流量为自适应注油。在供油流量大时，压力相应减小；供油流量小时，压力相应增大。这样既能满足负载的要求，又可减少系统发热。2.3.1 举升伸缩油缸单元与塔架锁紧单元：举升单元由三位四通电液换向阀、单向调速阀、液控单向阀、压力继电器和油缸组成。当油泵打出压力油后，电液换向阀切换到左位，压力油经调速阀、液控单向阀进入油缸，使油缸上升；当油缸上升到终点时，缸内压力上升，此时继电器动作，控制三位四通电磁阀处于右位，四油缸锁紧塔架。若伸缩油缸下降，只有在三位四通电磁阀切换到左位，锁紧油缸反向，即回到终点缸内，压力升高时，压力继电器2动作，控制三位四通电液阀处于右位使得油缸下降

12、，这时塔架重力迫使油缸快速下行，但液控单向阀产生的背压力克服油缸的冲力，而使得油缸缓慢下降。2.3.2 角支腿液压单元支腿的展开和收合驱动是由三位四通电液阀控制油缸实现，支腿的支撑与水平校正驱动是由比例阀控油缸实现。当支腿展开之后，四个比例阀在水平测试仪所给出的讯号控制下调整油缸的行程及高度，使得天线车处于一个相对水平的状态下工作。2.3.3 中支腿与索拉液压单元 中支腿设置意在风力较大和长时间工作时展开使用，故而只设置展开及收合驱动油缸，支点支撑由人工螺旋调节固定。 索拉单元采用的是阀控马达系统，当塔架上升定位后四马达输出均衡的拉力，即可增强抗颠覆的能力和克服弹性扰度。如果塔架索拉机构允许加

13、强，或者其结构形式能克服10级风力时索拉机构可以不用。2.3.4 结构方案和液压传动系统的可行性和可靠性2.3.4.1 .结构件的制造可行性和使用可靠性 塔架的结构可采用单种型材和多中型材焊接回火加工成形。铰接用轴承预应力方法，既可保证塔架相对刚度，又可减少回转的摩擦力。由于采用了锥销油缸锁紧塔架，其整体性可以得到保证。依国内的制造加工、装配水平完全能满足其几何精度要求。整体结构可以说是简明可靠。2.3.4.2 液压传动系统的可行性及可靠性 液压泵采用伤害高压泵厂生产的YCY14-1B型泵，比例阀采用LFDG4V-3.2*系列。比例油缸由设计者提供图纸定专业厂生产，举升油缸可定点加工。液压马达

14、采用浙江镇海液压件厂生产的产品，其他阀类引进德国力士乐公司技术生产的阀件，液压附件选用国内技术优势厂家的产品。2.4 测试系统的组成及功能 2.4.1 测试系统功能方框图如下：2.4.2 水平测试仪 功能：同时测量X、Y两个方向的水平偏差。 型号：SDS10-1 性能：分辨率：0.01mm/m（0.001） 显示范围：01999数字 输出电压：05v 运行环境：-40）+802.4.3 只能远端 根据需要自行开发的单片机系统。 功能：将水平仪的检测信号（X、Y）方向分别进行A/D转换，通过串口与主机通信。 性能：12位A/D转换，采用RS485串口。2.4.4工控机 主机选用研华工控机，并选用

15、需要的板卡。 功能：处理测量数据，控制液压比例执行系统，控制液压传动系统。 主要部件： 2.4.4.1 主机：接受人工指令，按程序工作控制机械和液压传动系统，将智能远端传来的信号进行运算、处理，分解为四个伺服缸的行程。 2.4.4.2 显示器：显示雷达不水平度，显示水平调整量，显示各系统的工作状态，显示故障并报警。 2.4.4.3 用户板：液压系统和机械系统的强电控制。2.4.4.4 D/A板：接受主机的12位数字信号，通过4路模拟输出分别控制4个伺服缸的行程。2.4.5 比例阀及伺服缸 性能：伺服缸最小调整行程小于0.1功能：根据工控机的输出信号，按比例地调整雷达地水平度，按要求设计，由国内

16、厂家加工。2.4.6 反馈 控制液压执行机构的机械行程，将雷达车调节至新的水平位置。2.4.7 水平调整过程初始状态要求：雷达车的支撑点跨度大于4米；雷达车停车时的水平偏差小于10度，以保证雷达车的停车状态在调整系统的调整范围内；在水平仪调整前，其他机械系统应暂停工作，以保证水平仪的测量结果不受机械振动的影响。4个伺服缸与地面的接触点之间的水平偏差小于10mm，稳定工作时，不应有下陷现象。工作过程：2.4.7.1 暂停有振动的机械设备，稳定1020s2.4.7.2 水平仪检测雷达车在两个方向的水平偏差2.4.7.3 智能远端将水平仪的检测信号由模拟量转化为数字量，通过串口送至工控机2.4.7.

17、4 工控机将两个方向的水平偏差分解为4个伺服缸的调整量（数字量）2.4.7.5 D/A板将4个数字量分别转化为控制比例阀的比例电信号2.4.7.6 每个比例阀按电信号控制相应的伺服缸比例地调整支撑点的高低2.4.7.7 重复上述6个步骤，直到水平仪检测到雷达车在两个方向的水平偏差均小于0.01（伺服缸调整0.5mm）2.5主要技术难点分析2.5.1 液压自动调平系统的精度；2.5.2 天线升高架设后的稳定性，抗风能力的保证；2.5.3 液压系统的防泄漏。2.6 与国内外同类产品技术对比分析塔架式升降天线雷达的机动性能指标为国内先进水平,能达到国外同类产品的性能指标。2.7 推广应用价值升降塔架

18、式雷达是本着适应快速，准确，机动的战争要求而设计拟定的，是为了提高我军雷达机动性的装备需求。样机按当前部队使用较广泛的572雷达设计，各种部件及功能充分考虑各种环境的需求，适用地域广。同时本装备易于改装到其他型号雷达上，可移植性强。升降塔架式雷达弥补了国内空白，与购同类进口装备相比可节省经费70。具有较高的军事价值和经济价值。3过程论述3.1 雷达举升机构的力学分析 按总体设计，当风速时，雷达天线以工作；当风速时，雷达天线停止转动，不产生永久性裂变。考虑到阵风系数k=1.5，则天线工作时的最大瞬时风速为，停止转动不产生永久性裂变时的风速为。天线工作时的最大瞬时风力：其中：C=0.6为风阻系数；

19、 S= 为反射体迎风面积 倾覆力矩： 倾覆半径：不产生裂变时的最大瞬时风力：令塔架杆宽度b=0.2m，塔架杆厚度h=0.04m塔架杆重量 塔架杆顶部许用变形：塔架杆横截面示意图（1）塔架杆受力图（2）由图（1）有：惯性矩 惯性矩 3.1.1 刚度校核 令钢丝绳的预紧力为500kg，钢丝绳的刚度系数为K，参考图2的受力分析图，考虑Y方向的变形（因为），则有：则令，则有：钢丝绳的拉力 此时对于Y方向的最大变形，有对于X方向，有：所以钢丝绳的拉力 此时对于X方向的最大变形，有：3.1.2 强度校核 此时，对于Y方向，同理可有： 即 则钢丝绳的拉力 此时对于Y方向的最大变形，有：对于X方向，有：即则钢

20、丝绳的拉力为N=7688kg此时对于X方向的最大变形，有因为天线、箱体的重量主要由油缸承受，故不必对塔架杆进行压杆稳定校核，下面进行应力强度校核。3.1.2.1 正应力校核故合格3.1.2.2 剪应力校核故合格在塔架杆处于折叠位置而刚刚升起的瞬间，塔架杆所受的应力如下：故塔架杆的强度校核合格。3.1.2.3 重量分析 因油缸半径，经过估算，主升油缸的重量为800kg，则主升油缸、天线、箱体、塔架的总重量为：800+1425+1248=3473kg。如果再加上承载支腿、各型油泵及辅助机构的重量，则塔架式雷达升降天线的总重量将大于4吨。为此，必须换用更大型号的拖车，以使其能够满足高机动雷达的重量要

21、求。此外，可以对本型高机动雷达进行结构与材料的优化设计以降低其重量。在结构上，可以将钢丝绳的作用点上移，使其水平分力直接承受风载荷，这样不仅雷达的摇摆幅度更小，而且降低了对于塔架杆的尺寸要求。在材料上，可以选用强度更高的材料以代替目前塔架杆所使用的普通钢材，从而提高其许用应力，降低塔架杆的重量。3.2 缸的设计3.2.1 液压回路：序号元件名称型号数量备注1锁紧缸42水平缸43单向背压阀B25B4144液控单向阀DIFL20H14205三位四通阀34DB8C510 6单向节流阀LDF-L10C1107二位三通阀23D0B8C18调速阀QI631Q=63L/min9压力表Y100210溢流阀YF

22、-L10C21011压力继电器DP1682s0.5s12二位二通阀QI63B113叶片泵YB163214吸油过滤器Y60T23.2.2 缸的尺寸确定由于液压缸需要从离地3m的距离举升雷达到达离地10米的位置，而液压缸座距离地面高度为0.5米，而且液压缸的总体尺寸为2.5米。塔架杆子的第三节总长为3.1米，在杆的1.3米处，液压缸与塔架相连，所以剩余3.1-1.3=1.8米的距离。液压缸需要举升的距离为10-2.5-0.5-1.8=5.2设计液压缸为四级缸，每级行程为1.5米。塔架和雷达总重G3 tons有效作用面积缸径mm查GB/T2348-1993，经过标准化处理后有缸套的厚度mm，而与上下

23、级缸套连接部分的厚度则 则整个液压缸的直径为.3.2.3 缸的强度分析 按总体设计，当风速v1=25m/s时，雷达天线以n=6rpm工作；当风速v2=30m/s时，雷达天线停止转动，不产生永久性裂变。考虑阵风系数K=1.5，则天线工作时的最大瞬时风速为v3=37.5m/s，停止转动不产生永久性裂变时的风速为v4=45m/s。天线工作时的最大瞬时风力：=其中：C=0.6为风阻系数；S=24.8为反射体迎风面积。倾覆力矩：M=16740；倾覆半径：R=4.81m不产生裂变时的最大瞬时风力：（其中向下）以下为受力图和弯矩图：计算抗弯强度公式如下：可见多级缸的顶端为危险截面处把缸的尺寸代入抗弯强度公式

24、得： i3 imax i1 = 64 % ,所以该车载雷达的最大纵向爬坡度为64 %。其次,在60 %的纵向坡道上停车制动时,不会下滑,并且可以重新起步继续行驶爬坡。满足GJB1380 - 92军用越野汽车机动性要求的规定。3.5.2.5.2 该车载雷达车最大纵向滑移坡度i3 小于纵向倾覆坡度i2 ,所以在发生纵向倾覆之前,首先发生纵向滑移现象,从而保证了其纵向行驶的安全性。3.5.2.5.1 行驶横向稳定性3.5.2.5.2 横向侧翻当车载雷达在横向坡道上直线行驶或处于静止状态时,如果横向坡度角超过某一值时,将发生侧翻,如图3 所示：图3 雷达车在横坡上的受力图该车载雷达不发生侧翻的极限坡度

25、角,则由力距平衡得:式中: b 为左右轮中心间距(mm)横向侧滑该车载雷达在横坡上静止时整车横向侧滑的极限角度,根据图3 的受力情况,由力平衡方程得:式中:2 为横向附着系数,取2max = 0. 61 。3.5.2.5.3 在转弯时的侧翻和侧滑3.5.2.5.3.1 侧翻如图4 所示,该车载雷达在水平路面上作等速转弯行驶时,有可能绕A 点向外侧翻,所以必须限制其转弯时的最大行驶速度,由下面公式求得:式中: g 为重力加速度,9. 8m/ s2 ; r 为转弯半径(m) 。图4 中, Fc 为转弯时的离心力; F 为侧向附着力。3.5.2.5.3.2 侧滑该车载雷达在水平路面上作等速转弯行驶时

26、,有可能绕向外侧滑,其转弯时的最大侧滑行驶速度,由下面公式求得:3.5.2.5.4 结论3.5.2.5.4.1 因为i2 i1,因此,该车载雷达在横坡上行驶的极限坡度为42 % ,满足GJB1380 - 92军用越野汽车机动性要求的规定。并且,在平直线横坡上匀速直线行驶或静止时,在发生横向侧翻前,首先发生横向侧滑,从而保证了其在横坡上行驶的安全。3.5.2.5.4.2 因为V2 V1 ,所以在转弯行驶时,在侧翻前首先发生侧滑,从而保证了其在弯道行驶时的稳定性。并且公路在弯道处筑有适当的超高横坡度,这样在干，燥水泥路面以上述最高车速转弯时,是比较安全的。 雷达车整车工作稳定性设计雷达车风载荷计算

27、雷达车展开工作时,通过调平机构将雷达调平。天线升起处于工作状态,雷达车所受的力主要包括自身重力和风载荷。按照总体战技指标要求,雷达车在架高10m 时,具有抗810级风的能力。在图5 位置时,在风载荷下,整车稳定性最差。由风载荷产生的倾覆力矩计算如下:风阻力计算如下:式中: Cd 为阻力系数; A 为面积(m2) ; q 为动压头; q =PV2/ 2 。经计算,天线阵面风阻力、方舱风阻力、运载车底盘风阻力分别为F1 、F2 、F3 。由风阻力产生的最大倾覆力矩计算如下:雷达车自重稳定力矩计算 在10 级风下雷达车工作稳定系数(取稳定系数为2. 5)由此可见,在10 级风情况下,雷达车整车工作稳

28、定。并且,在设计过程中通过增加拉绳固定以加大稳定余度四、结论总结本文具体阐述了一种车载装置升降系统的设计和开发过程。本课题所研制的车载装置升降系统可以实现预期的雷达的举升和下降，通过我设计的四级举升液压缸的伸出和缩回，带动塔架的举升和下降，从而实现雷达的举升和下降。机动性使雷达在现代战争中提高生存能力的有效措施之一，因此机动性指标已经成为现代雷达的一项重要技战术指标。而我现在设计的车载装置升降系统，可以应用成为雷达的车载装置，从而起到对车载雷达的举升，所以本课题有着很广泛的应用范围。设计中最主要的工作就是对液压缸的设计，在设计中我首先是根据设计要求来确定缸的总行程，由于行程达到了5.2米，所以

29、我选用了四级缸作为我的主升液压缸。然后，我对液压缸的受力进行了分析，从而确定了液压缸的总体尺寸和每级缸的尺寸。对于举升塔架，我做了塔架的受力分析，确定了塔架连杆的尺寸确定。我还综合考虑了装载雷达的车子的尺寸，保证雷达车载正常行驶时可以穿越桥梁和隧道。本论文主要完成了以下几个方面的工作:（l）.提出了实现举升的系统方案，设计了双作用四级液压缸的结构，进行了液压缸利得计算和尺寸确定。（2）.设计了塔架的结构，详细的进行了塔架受力分析和风力计算。（3）.简单的介绍了机动式车载雷达稳定性设计分析。本课题只完成了车载装置升降系统设计的一种设计工作，仍有许多种其他机构可以完成相同的工作，如车载剪叉升降系统

30、、立缸式结构等。设计的系统没有最好，只有更好，我会继续努力使系统更加完善。五、致谢本论文的所有研究工作从论文的选题、实现条件到论文的写作等阶段都是在唐晓群导师的悉心指导下完成的。黄开有老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。黄开有老师经常到寝室来悉心指导我的学习，在我设计遇到难题时，是他给了我信心，使我能够顺利地完成毕业设计。在此谨向黄开有老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢我的同班同学们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。也祝愿离开学校的兄弟们开开心心，我们在一起的日子，我会记一辈子的。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我