УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ АНТЕННЫ КОРАБЕЛЬНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована для стабилизации антенн, установленных на подвижных объектах, преимущественно на судах.
Корабельные устройства, в сравнении с наземными устройствами, характеризуются более агрессивной внешней средой и повышенным уровнем механических нагрузок (вибрационных, ударных и возникающих во время качки). Особенностью таких устройств являются жесткие ограничения габаритных размеров и энергопотребления [1, 2].
Карданная монтировка антенного устройства РЛС с приводом вращения антенны в азимутальной плоскости является распространенным решением для стабилизации судовых антенн [2] и наиболее сложна для зеркальных антенных устройств. Особенностями зеркальной антенны являются ее большие габариты, жесткая конструкция отражателя, жесткая связь облучателя с зеркалом и, как следствие, большая масса. По причине удаленности центра масс от осей поворота антенны или наличия противовеса система обладает значительным моментом инерции, от которого зависит требуемая мощность исполнительного двигателя.
Большое значение на требуемую мощность двигателей оказывает расположение антенного устройства на корабле [3]. Антенные приборы устанавливаются в основном на надстройках или на мачтах корабля. Вследствие указанных особенностей расположения на антенные устройства действуют большие ускорения от составляющих качки корабля.
Перечисленные особенности требуют использования мощных двигателей. Для передачи большой мощности от двигателя на вал поворота антенны требуются зубчатые колеса с большим модулем зубьев. Таким образом, габариты привода стабилизации в первую очередь определяются размерами двигателей и зубчатых передач.
Известно самостабилизирующееся устройство для антенных постов и приборов судовой радиоэлектронной аппаратуры [4]. Устройство состоит из неподвижной станины, платформы и коромысла. Принцип действия устройства основан на гравитационной стабилизации. Центр масс прибора, установленного на подвижную платформу, находится ниже оси качания прибора, что позволяет поддерживать горизонтальное положение подвижной платформы за счет силы тяжести.
Недостатком устройства является отсутствие возможности управления стабилизацией, что приводит к снижению точности стабилизации прибора.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является устройство стабилизации антенн, установленных на подвижных объектах [5].
Устройство содержит неподвижное основание, стабилизированную платформу, карданный подвес, оси которого совпадают с осями стабилизации и связаны одна с неподвижным основанием, а другая - со стабилизированной платформой, а также датчики углов поворота, исполнительные двигатели и исполнительные механизмы. Исполнительные механизмы, оси которых не совпадают с осями стабилизации, шарнирно закреплены одним концом на неподвижном основании, а другим через коромысло - на стабилизированной платформе. В качестве исполнительных механизмов использованы шариковинтовые пары.
Недостатками устройства-прототипа являются высокая инерционность устройства, сложность конструкции исполнительных механизмов (шариковинтовая передача как таковая и необходимость передачи вращения через шарнирное соединение), сложные преобразования углов стабилизации в поступательное движение штока исполнительного механизма.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение высокой точности стабилизации при сокращении энергопотребления и снижении массогабаритных характеристик устройства.
Достижение технического результата обеспечивается путем выполнения исполнительных механизмов для разворота карданного подвеса в виде компактных зубчатых передач Новикова с двумя линиями зацепления, а также введения в конструкцию упругих пружинных элементов, создающих дополнительный момент и снимающих часть нагрузки с двигателей. Это позволяет использовать двигатели меньшей мощности и габаритов и разместить их внутри неподвижного основания и стабилизированной платформы.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве стабилизации антенны корабельной радиолокационной станции, содержащем нижнее неподвижное основание и стабилизированную платформу, между которыми размещен карданный подвес, оси разворота которого связаны с исполнительными двигателями посредством исполнительных механизмов, исполнительные двигатели установлены внутри нижнего неподвижного основания и стабилизированной платформы, а исполнительные механизмы выполнены в виде зубчатых редукторов Новикова по ГОСТ с двумя линиями зацепления, при этом внутри нижнего неподвижного основания и стабилизированной платформы дополнительно размещены упругие пружинные элементы, связанные с карданным подвесом и выполненные в виде пакетов дугообразных полос, расположенных вокруг корпусов исполнительных двигателей.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - кинематическая схема устройства стабилизации,
фиг. 2 - общий вид устройства в разрезе,
фиг. 3 - фиксатор привода.
Согласно фиг. 1, устройство стабилизации антенны корабельной радиолокационной станции содержит нижнее неподвижное основание 1, которое закрепляется на палубе корабля, и стабилизированную платформу 2, на которую устанавливают антенный прибор. Между основанием 1 и платформой 2 размещен карданный подвес 3, оси 4, 5 разворота которого связаны с исполнительными двигателями 6, 7, которые расположены внутри основания 1 и платформы 2, посредством исполнительных механизмов 8, выполненных в виде зубчатых редукторов Новикова по ГОСТ 15023-76 с двумя линиями зацепления, как показано на фиг. 2. Это позволяет существенно уменьшить габариты зубчатой передачи и обеспечить в 1,5-1,7 раза более высокую нагрузочную способность по сравнению с аналогичной по размерам и материалу косозубой эвольвентной передачей [6].
Двигатель 6, отрабатывающий килевую качку, размещен внутри нижнего неподвижного основания 1, а двигатель 7, отрабатывающий бортовую качку, размещен внутри стабилизированной платформы 2 для снижения требуемой мощности, т.к. параметры бортовой качки превышают по интенсивности параметры килевой качки (большие амплитуды и скорости), а размещение двигателя отработки бортовой качки в верхнем основании обеспечит меньшую массу подвижной части прибора, приводимой в движение данным двигателем.
Упругие пружинные элементы 9, связывающие основание 1 и платформу 2 с карданным подвесом 3, представляют собой пружины, выполненные в виде пакета дугообразных полос. Такая конструкция упругих элементов позволяет расположить их вокруг корпусов двигателей 6, 7, не увеличивая габариты, и обеспечить постоянное направление действия усилия пружины. Усилие пружин передается на подвижные части прибора с помощью специальных упоров 10, установленных на крестовине карданного подвеса. Для непрерывного действия пружин в обоих направлениях качки они имеют некоторое предварительное нагружение, обеспечиваемое за счет регулировочной планки 11 на конце пружины, которая также служит для объединения дугообразных полос в пакет. Максимальное усилие пружины выбирается из условия МП<0,5МД i, где МП - максимальный момент создаваемый пружиной, МД - максимальный момент двигателя, рассчитанный для привода без упругих элементов, i - передаточное отношение редуктора, соединяющего вал двигателя с валом поворота подвижной части.
Фиксатор 12 привода обеспечивает неподвижное положение прибора в обесточенном состоянии. Благодаря этому исключаются неконтролируемые перемещения подвижной части обесточенного прибора на качке, снимается нагрузка с механизмов поворота и с ограничителей хода, предотвращается работа электродвигателей в режиме генератора.
Механизм фиксации совмещен с ограничителями 13 хода, а фиксация осуществляется с помощью вилки 14, которая входит в зазор между упором 10 и ограничителями хода. В выключенном состоянии привода стабилизации вилка 14 опущена на упор и предотвращает его движение. В таком положении вилка удерживается с помощью пружины 15.
Для начала работы вилка 14 снимается с упора с помощью электромагнита (не показан), освобождая пространство для движения упора между ограничителями хода. Фиксатор необходим для приведения прибора в рабочее положение: фиксация прибора снимается с упреждением до прохождения нулевого положения. Включение двигателей с упреждением позволяет снизить требуемую мощность.
В выключенном состоянии прибор зафиксирован в нулевом положении. Для начала работы необходимо снять фиксацию подвижной части и передать нагрузку на вал двигателей 6, 7. Когда двигатель принимает на себя нагрузку прибора, ему необходимо преодолеть силу инерции прибора, возникающую при вращении вокруг центра качания корабля. В момент прохождения «0» корпусом корабля, то есть в момент, когда передается нагрузка на двигатель, энергия поворота у прибора будет максимальной, так как скорость в этой точке достигает максимальной величины:
где W - кинетическая энергия вращательного движения, J - момент инерции вращающегося тела, ω - угловая скорость. При пуске двигатель должен совершить работу, равную энергии вращательного движения подвижной части прибора как тела, момент инерции которого рассчитан относительно оси качания корабля, для начала отслеживания вертикального положения двигатель должен сменить направление вращения вала и сообщить энергию вращения, соответствующую равной по величине, но противоположной по величине угловой скорости качки
При работе на упреждение двигатель начинает гасить энергию вращения до достижения нулевого положения, то есть в момент времени, когда энергия вращательного движения не достигла максимума, таким образом, двигателю надо совершить меньшую работу за более длительное время. Это означает, что для запуска прибора потребуется меньшая мощность. Для определения начального времени начала торможения двигателя необходимо решить систему:
к
к max
к
где W - кинетическая энергия вращения прибора при качке относительно оси качания корабля, W - максимальное значение W, Т - период качки корабля. Раскрывая систему (3) получим уравнение:
Для обеспечения работы привода с упреждением в программу управления вводится процедура решения данного уравнения, что позволяет повысить точность стабилизации антенного прибора при качке.
Таким образом, высокая точность стабилизации при сокращении энергетических затрат и уменьшении массогабаритных характеристик устройства достигается за счет использования двигателей меньшей мощности, компактной зубчатой передачи Новикова с двумя линиями зацепления и упругих элементов, которые, аккумулируя энергию качки, позволяют применять двигатели меньшей мощности, а также при отсутствии непосредственной связи с валами крестовины разгружают их.
Снижение мощности двигателя приводит к уменьшению его габаритов, уменьшению потребляемой мощности и мощности, передаваемой зубчатой передачей, в результате чего уменьшаются размеры зубчатых колес. Разгружение валов с помощью упругих элементов позволяет уменьшить диаметр валов крестовины или использовать материал с более низкими механическими свойствами. Уменьшение диаметра валов снизит размеры подшипниковых узлов, что положительно скажется на размерах устройства.
Источники известности
1. Проектирование следящих систем. Физические и методические основы: Учебник для машиностроительных и приборостроительных вузов по курсу «Основы расчета автоматических систем» / Под общ. ред. Н.А. Лакоты. – М.: Машиностроение, 1992. 352 с.
2. Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2002. - 340 с.
3. Абрамович С.Ф., Крючков Ю.С. Динамическая прочность судового оборудования. - Л.: Судостроение, 1967. - 506 с.
4. Патент РФ №2204873 на изобретение, МПК H01Q 1/18, публикация 20.05.2003 г.
5. Патент РФ №2314607 на изобретение, МПК H01Q 1/18, публикация 10.01.2008 г, прототип.
6. Гузенков П.Г. Детали машин: Учебник для вузов. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 1986. - 359 с.
7. Журавлев Л.Д., Фабрикант Е.А. Динамика систем сопровождения на подвижном основании. - Л.: Центральный научно-исследовательский институт «Румб», 1983. - 94 с.