Пять типов антенн, использующих планетарные редукторы с поворотным приводом.
Он планетарный редуктор поворотного привода Это механизм позиционирования для каждой управляемой антенны диаметром более примерно 1 метра — от радаров наблюдения в аэропортах до спутниковых антенн связи в дальнем космосе. Каждый тип антенн предъявляет разные требования к приводу, но всех их объединяет необходимость угловой точности, выходящей далеко за рамки любого строительного или энергетического применения.
| Тип антенны | Тарелка (м) | Направление (град) | Скорость | Долг |
|---|---|---|---|---|
| Спутниковая наземная станция | 3 – 15 | 0,01 – 0,05 | Очень медленное (отслеживание) | круглосуточно и без выходных |
| Наблюдение за аэропортом | 4 – 10 | 0,1 – 0,3 | 4–15 об/мин (непрерывно) | круглосуточно и без выходных |
| Метеорологический радар | 3 – 8 | 0,1 – 0,5 | 2–6 об/мин | круглосуточно и без выходных |
| Военное отслеживание | 1 – 6 | 0,005 – 0,02 | Переменная (от 0 до 60 град/с) | Прерывистый |
| Радиотелескоп | 10 – 100 | 0,001 – 0,01 | Сидерическая скорость (0,004 град/с) | Ночное наблюдение |
Регулировка крутящего момента — враг: почему в приводах антенн практически отсутствует люфт шестерен?
В приводе поворотного механизма строительного крана допустим люфт в 10–15 угловых минут — он вызывает неопределенность положения крюка на конце стрелы в несколько сантиметров, с которой оператор легко справляется. В радиолокационной антенне люфт напрямую приводит к ошибке наведения, а ошибка наведения означает, что луч антенны не попадает в цель.
Для спутниковой наземной станции, отслеживающей геостационарный спутник на расстоянии 36 000 км: ошибка наведения в 0,1 градуса (6 угловых минут) смещает центр луча на 63 км относительно спутника — далеко за пределы ширины луча спутникового транспондера. Сигнал теряется. Для военного радара управления огнём: ошибка в 0,02 градуса (1,2 угловых минуты) на дальности 50 км смещает точку слежения на 17 метров — этого достаточно, чтобы полностью промахнуться мимо небольшой цели.
Стратегия управления люфтом — двухступенчатая система предотвращения люфта: Наиболее эффективный подход для высокоточных антенн использует два поворотных привода, зацепляющихся с одной и той же зубчатой передачей, каждый из которых нагружен относительно другого торсионной пружиной или гидравлическим цилиндром постоянного давления. Один привод вращает по часовой стрелке, другой — против часовой стрелки. Сила пружины обеспечивает постоянный контакт обеих шестерен с соответствующими боковыми поверхностями зубьев, устраняя мертвую зону, которая наблюдается в системах с одной шестерней при изменении направления вращения. Такая двухшестеренчатая конструкция является стандартной для спутниковых наземных станций и военных радаров слежения и увеличивает стоимость поворотного привода на 60–1001 тонну — надбавка, которая оправдана повышением точности наведения.
Планетарная зубчатая передача. В приводах радиолокационных антенн используются шестерни класса DIN 4-5 с шлифованной поверхностью — на 2-3 класса качества выше, чем у приводов строительной техники — для достижения люфта менее угловой минуты, необходимого для точности наведения.
Радары аэропорта, работающие в непрерывном режиме 24/7 в течение 20 лет.
Азимутальный радиолокатор наблюдения (ASR) вращается непрерывно со скоростью от 12 до 15 об/мин — один полный оборот каждые 4–5 секунд — 24 часа в сутки, 365 дней в году, в течение 15–20 лет между капитальными ремонтами. Это самая сложная задача непрерывного вращения для любого поворотного привода. За 20 лет азимутальный поворотный привод совершает приблизительно от 63 до 158 миллионов оборотов — на порядки больше, чем любой поворотный привод в строительстве или энергетике.
При 15 об/мин каждый зуб планетарной шестерни в трехступенчатом планетарном редукторе с передаточным отношением 600:1 совершает приблизительно 9000 оборотов в минуту на солнечной шестерне. Расчеты ресурса подшипников и зубьев шестерни для этого режима непрерывной высокоскоростной работы принципиально отличаются от расчетов для прерывистой низкоскоростной работы строительных и энергетических поворотных приводов. Ресурс подшипников L10 необходимо рассчитывать, используя спектры нагрузок для непрерывной работы, а не для прерывистой, как это делается в кранах и ветротурбинах.
Проблема смазки при непрерывном вращении: При непрерывной работе со скоростью 15 об/мин температура масла в поворотном приводе стабилизируется на уровне 40–60 градусов Цельсия выше температуры окружающей среды — круглый год. В условиях тропического аэропорта при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия внутренняя температура масла может постоянно достигать 100 градусов Цельсия. Масло должно сохранять вязкость, прочность пленки и стойкость к окислению при этой температуре в течение 4000–8000 часов с интервалом замены масла. Синтетические полиальфаолефиновые (ПАО) масла являются стандартными для приводов радаров с непрерывным вращением — минеральные масла слишком быстро окисляются при таких длительных температурах.
Вверху: Применение в приводах с непрерывным вращением. Внизу: Прецизионная шлифовка зубчатых передач — для приводов радаров требуются шестерни высочайшего качества (DIN 4–5) для обеспечения 20 лет непрерывного вращения.
Электромагнитная совместимость — почему привод радиолокационной антенны должен быть бесшумным с точки зрения электропитания.
Радиолокационная антенна принимает сигналы мощностью до -120 дБм (одна миллиардная миллиардная ватта). Любые электромагнитные помехи, создаваемые двигателем поворотного привода, энкодером или электроникой привода, могут проникать в антенный канал и маскировать целевой сигнал. Система поворотного привода должна соответствовать требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС), которые на порядки строже, чем любые промышленные стандарты для приводов.
Бесщеточные двигатели постоянного тока предпочтительнее щеточных двигателей, поскольку искрение щеток генерирует широкополосные электромагнитные помехи. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) для двигателей переменного тока должны использовать экранированные кабели и фильтрованные выходы, чтобы предотвратить излучение помех от переключения в боковые лепестки антенны. В крайних случаях используются гидравлические двигатели (которые не генерируют электромагнитного излучения) — при этом допускается более низкая точность позиционирования гидравлического привода в обмен на полную электромагнитную тишину.
Энкодеры обратной связи по положению, установленные на выходе поворотного привода, должны обеспечивать разрешение, соответствующее точности наведения — обычно от 18 до 22 бит (от 262 144 до 4 194 304 отсчетов на оборот). Эти высокоточные энкодеры используют оптическое или магнитное зондирование и генерируют низкоуровневые цифровые сигналы, которые должны быть экранированы от силовых кабелей двигателя. Интерфейс крепления энкодера на поворотном приводе должен обеспечивать жесткое, безвибрационное крепление с нулевым люфтом к выходному валу.
Корпус поворотного привода должен обеспечивать непрерывный электрический путь заземления от рамы двигателя через корпус редуктора к антенной стойке, предотвращая образование контуров заземления, генерирующих шумовые токи. Все кабельные вводы должны использовать экранированные разъемы с экранированием на 360 градусов. Подшипник поворотного кольца должен обеспечивать электрическую непрерывность между вращающимися и неподвижными частями, чтобы предотвратить накопление заряда и разрядную дугу на роликах подшипника.
Три уникальных режима отказов приводов поворота радиолокационной антенны
За 63–158 миллионов оборотов (20 лет непрерывной работы на аэродромных радарах) даже зубья шестерен класса DIN 5 подвергаются измеримому износу профиля. По мере износа профиля зубьев люфт увеличивается от заданного значения (0,5–1,0 угловых минут) до порога замены (2–3 угловых минуты). Как только люфт превышает допустимую погрешность наведения антенны, разрешение радара ухудшается — цели, которые ранее были различимы, сливаются в один сигнал, и диспетчер воздушного движения теряет ситуационную осведомленность. Рост люфта происходит постепенно и незаметен без периодических измерений.
Большие радиолокационные антенны (от 6 до 15 метров) эффективно улавливают ветер — 12-метровая параболическая антенна при штормовом ветре со скоростью 150 км/ч испытывает силу сопротивления от 80 000 до 150 000 Н, создавая опрокидывающие моменты от 200 до 500 кН·м в подшипнике поворота. Обычно перед началом шторма антенну убирают (поворачивают антенну лицевой стороной к ветру и блокируют тормоза). Если шторм начинается неожиданно или механизм укладки выходит из строя, привод поворота должен удерживать антенну в текущем положении, противодействуя полной ветровой нагрузке. Если он не может этого сделать, антенна вращается неконтролируемо, и ветер подхватывает её сбоку, создавая силы, которые могут деформировать подставку или сорвать антенну с крепления.
Изношенные щетки двигателя, неплотное соединение экранирующего контакта или отказ фильтра частотно-регулируемого привода могут вносить широкополосный шум в отклик боковых лепестков антенны. Этот шум отображается на радиолокационном дисплее как ложные цели — стационарные помехи, которые маскируют реальные цели. Поскольку источник шума вращается вместе с антенной, он отображается как постоянный отраженный сигнал на фиксированном расстоянии, что затрудняет его различение от реальной цели в том же положении. Операторы могут не распознать ложный отраженный сигнал как помехи, создаваемые приводом, до тех пор, пока не будет проведено систематическое электромагнитное обследование.
Вверху: Поворотный привод серии ZR — многоступенчатый прецизионный планетарный привод для позиционирования антенны. Внизу: Корейский завод Ever-Power с линиями точного производства приводов радиолокационного класса.
Планетарный редуктор с поворотным приводом для радиолокационных антенн — часто задаваемые вопросы
Компания Korea Ever-Power поставляет планетарные редукторы для приводов поворота радиолокационных антенн с люфтом менее угловой минуты, рассчитанные на непрерывное вращение и соответствующие требованиям ЭМС корпуса. Укажите тип вашей антенны и требования к ее направлению для получения точных технических характеристик.
Редактор: Cxm
