旋转关节结构设计探讨

作者：南京电子技术研究所 汤长岭

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 摘 要：从旋转关节的功能要求、基本结构形式、结构方案的选择、调配结构设计、密封结构设计和双路旋转关节等方面对旋转关节的结构设计进行了探讨。 关键词：旋转关节；调配结构；密封结构 1 引言 雷达为了搜索目标、跟踪目标、测量目标的空间位置，其天线必须随时旋转。旋转关节就是完成天线旋转时微波信号传输任务的。根据旋转关节的空间转动作用，可分为俯仰旋转关节、方位旋转关节和横滚旋转关节；根据旋转关节的微波传输通道，可分为单路旋转关节、双路旋转关节和多路旋转关节。从结构角度看，按前者划分的旋转关节只是外形或安装接口有差异，而按后者划分的旋转关节其内部结构则差异很大，双路旋转关节（多路旋转关节）比单路旋转关节结构复杂很多。雷达的使用环境不同，如机载雷达和地面雷达，则对旋转关节结构的要求也不一样。旋转关节的基本性能要求主要有以下几点： （1）在机械上能够灵活转动，可靠性高； （2）在转动过程中不影响馈线和天线之间的微波传输，即在转动时驻波（甚至相位）没有变化或变化值限制在允许的范围内； （3）在工作频段内，电压驻波比小，并满足特定的要求，一般要求S≤1.25或S≤1.10，或者更高； （4）通过的峰值功率和平均功率满足要求； （5）损耗要小，一般小于0.5dB ； （6）如果馈线要充气，则必须有密封结构。 以上这些性能直接对旋转关节结构提出了要求，旋转关节的电讯性能最终是通过结构设计来实现的，因此结构设计至关重要。 2 基本结构形式 旋转关节结构基本上由三部分组成：1）矩形波导至圆波导变换；2）旋转部分；3）圆波导至矩形波导变换。旋转部分是旋转关节结构的关键部分，不仅直接关系到旋转关节在机械上转动是否灵活，而且直接影响到旋转关节转动时的电性能稳定性和机械密封性能。波导变换结构部分对旋转关节电性能影响也是很大的。虽然微波理论已经有了很大的发展，微波CAD软件已经得到广泛应用，但理论计算仍然与实际结果有一定的差距，需设计调配环节进 行调试，而这些微调结构则直接影响到旋转关节性能的提高和稳定，这些微调结构主要在波导变换部分。虽然旋转关节的主要电讯性能由电讯设计决定，但如果有比较好的结构设计，则不仅使得选用较好的电讯方案成为可能，而且也能提供较好的调配结构来提高电讯性能。 3 结构方案选择 旋转关节的结构方案应根据电讯要求和使用环境选择最佳结构形式，尽可能提高旋转关节的电讯性能，保证结构的工艺性、互换性、可靠性，实现结构的小型化、系列化、通用化。结构方案包含的内容很多，仅举例说明。 图1为某机载雷达旋转关节的安装示意图。由于机载雷达的特殊工作环境要求，结构总体所给的旋转关节在天线座上的安装位置只是一个空心十字架，且该空心十字架的上下左右的颈部尺寸很小，十字架的中心只能开很小的窗口。该工程在课题阶段时，旋转关节沿用另一相近型号产品的形式，四个旋转关节，四种不同的结构形式。没有通用性和互换性是显然的，而另一方面，由于该旋转关节采用了半高波导和双折弯头，本身决定了电讯性能较差，在调试过程中稳定性差，可靠性低，因此生产工艺性差，生产合格率低。在波导法兰盘上已经是非标准的情况下，仍然在天线座的相应安装位置上开出了槽（否则旋转关节伸入不到十字架的内部），破坏了天线座的整体性，影响了其强度和刚度。那么如何解决这些问题呢？ 如果全部采用全高波导，不但电讯性能得到提高，而且种类也可以减少，工艺性得到提高，但是旋转关节在十字架的中心部位互相干涉。那么如何避免这种干涉呢？仔细研究方位旋转关节和俯仰旋转关节相互连接部分，可以发现，俯仰关节的臂较长，如果增加一个大S弯，对电讯性能几乎没有影响，但在中心连接部位垂直方向就可以拉开一点距离，干涉问题就有可能解决。经过仔细计算，一方面把双折弯头改成小Ｒ弯头，另一方面在俯仰旋转关节的长臂上增加一个大S弯，两俯仰旋转关节与方位旋转关节连接段中心线错开8毫米，这样干涉问题解决了，原来的十字架也不需改动。 另外就是解决在天线座相应的安装部位开槽问题。仔细研究天线座的空心十字架所给出的安装位置，可以发现，给方位旋转关节的内圆柱较长，而给俯仰旋转关节的则较短，因此将方位旋转关节与俯仰旋转关节相连接的法兰盘转个方向，即将原来在俯仰旋转关节上的弯头改到方位旋转关节上，并且压低法兰盘表面偏离方位旋转关节轴线的距离，即尺寸11，使其轴向投影在天线座的安装圆柱内，这样就避免了为安装方位旋转关节而在天线座的相应位置开槽。经过这些改进，虽然与方位旋转关节相连的俯仰旋转关节的法兰盘其外接圆仍然大于天线座的安装孔，但由于安装孔的长度较短，而俯仰旋转关节的臂较长（主要是指法兰盘距离旋转关节的圆柱安装面），这样在安装时先斜置，待法兰盘完全进入后，再摆正位置安装到位。经过计算演示，证明了其可行性，于是采用了图示方案。 现在经过实践检验，这种结构的旋转关节，不仅保证了工艺性、互换性和可靠性，实现了小型化、系列化和通用化，而且提高了电性能，已经在其他产品中得到了应用（以前的某型号产品也已经改用该结构）。 4 调配结构设计 由于理论计算与实际结果仍然有一定的差距，因此需要设计调配结构在测试时进行调整。有时候在理论计算基本相同的情况下，调配结构的好坏甚至决定了旋转关节的电讯性能能否满足要求。调配结构形式很多，这里只探讨以下几种。 4.1 门钮头调配 在电讯调试时，主要调整门钮头的轴向长度，即门钮头离矩形波导轴线的距离。在结构设计中，一般情况下设计成三件，即门钮头、垫片、同轴内导体，门钮头带外螺纹和定位圆柱面，与之相连的同轴内导体带有内螺纹和定位圆柱孔，垫片则介于两者之间，通过减薄垫片厚度或更换垫片进行调试，这样调试比较方便。调试完毕，在螺纹和其他连接部分涂以导电胶以防松，一般不进行焊接，因为焊接引起的变形导致电讯性能的变化，有可能满足不了要求。 4.2 波导短路器调配 在以往的结构设计中，一般设计成两种形式的短路活塞，一种短路面为平面，一种为圆弧面。通过调整短路活塞伸入波导内部的深度进行电讯测试。电讯调试合格后，首先配打销孔确定短路活塞位置，然后拆下焊接。由于调试时希望短路活塞四周与波导内壁间隙尽可能的小，而焊接时则必须有一定的间隙以利于焊料的流动，因此需要对短路活塞对称修配后才能进行钎焊。由于调试时短路活塞四周与波导内壁存在的配合间隙，焊接时定位误差，焊料的流动以及焊后的变形，导致电讯性能与调试时有差异，有时甚至不合格。因此在结构设计中，采用另外一种新的结构形式，称之为短路波导法兰盘（实际上是一小段短路波导），连接于波导管的端部。由于这种调整，一般长度比较短，因此设计成这种形式。电讯调试时，通过改变法兰盘的厚度，也就是改变法兰盘上波导的深度，从而改变了短路面的距离。由于是轴向连接，不需要焊接，比较方便，也比较可靠。如果有密封要求，也比较容易做到，增加密封圈即可。 5 密封结构 对旋转关节来说，防尘密封比较容易做，而充气密封则比较难实现（充气主要是为了提高耐功率），因而给结构设计带来很大困难，这里主要介绍充气密封。为什么说旋转关节的充气密封比较难实现呢？由于电讯性能的要求，波导内不得有油污，密封摩擦表面只能涂少量耐高低温的润滑脂，因此基本上是干摩擦，而动密封最忌讳的就是干摩擦；旋转关节结构材料基本上选用有色金属，如铝合金或铜合金，机载的则基本上是用铝合金，摩擦性能差，需要另镶耐摩擦材料如钢套或镀涂耐摩擦材料。虽然旋转关节转速比较低，但充气密封却比较难实现。目前在机载雷达旋转关节结构设计中，密封表面主要是镶钢套，密封圈主要用Ｊ型骨架油封，润滑脂主要用航空润滑脂。由于机载雷达的特殊环境，-60℃～80℃的工作温度，要求油封材料和润滑脂有较好的高低温性能，因此，对机载雷达旋转关节的密封问题，曾进行过专门研究。 6 双路旋转关节 为解决某型号机载雷达的多路微波信号传输，我们开展了双路旋转关节的课题研究，图2所示为其中的一种。该结构形式的双路旋转关节，已经在地面联试中得到了应用，其性能和可靠性经过实践检验，达到了设计要求。这种结构形式的双路旋转关节，从外面一路旋转关节的内导体内部传输另一路微波信号，在该波段旋转关节中其结构是相当紧凑的。 7 结束语 从事雷达天馈线结构设计的几年中，我深感结构设计的重要，因此，将几年来从事旋转关节结构设计的一些体会写出来进行探讨，以达到抛砖引玉、提高结构设计水平的目的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/28/2005)