Päť typov antén, ktoré sa spoliehajú na planétové prevodovky s otočným pohonom
Ten/Tá/To planétová prevodovka s otočným pohonom je polohovací mechanizmus pre každú riaditeľnú anténu s priemerom väčším ako približne 1 meter – od letiskových radarov až po satelitné antény pre komunikáciu v hlbokom vesmíre. Každý typ antény kladie na pohon odlišné požiadavky, ale všetky majú spoločnú požiadavku na uhlovú presnosť, ktorá ďaleko presahuje akúkoľvek konštrukčnú alebo energetickú aplikáciu.
| Typ antény | Parabola (m) | Uhol (stupňov) | Rýchlosť | Povinnosť |
|---|---|---|---|---|
| Satelitná pozemská stanica | 3 – 15 | 0,01 – 0,05 | Veľmi pomalé (sledovanie) | Nepretržite 24 hodín denne, 7 dní v týždni |
| Dohľad nad letiskom | 4 – 10 | 0,1 – 0,3 | 4 – 15 ot./min. (kontinuálne) | Nepretržite 24 hodín denne, 7 dní v týždni |
| Meteorologický radar | 3 – 8 | 0,1 – 0,5 | 2 – 6 ot./min. | Nepretržite 24 hodín denne, 7 dní v týždni |
| Vojenské sledovanie | 1 – 6 | 0,005 – 0,02 | Variabilná (0 až 60 stupňov/s) | Prerušované |
| Rádiový ďalekohľad | 10 – 100 | 0,001 – 0,01 | Hviezdna rýchlosť (0,004 stupňa/s) | Nočné pozorovanie |
Vôľa je nepriateľom – prečo anténne pohony vyžadujú takmer nulovú vôľu prevodového stupňa
V otočnom pohone stavebného žeriavu je prijateľná vôľa 10 až 15 uhlových minút – vytvára niekoľkocentimetrovú neistotu polohy háku na špičke výložníka, ktorú obsluha ľahko vyrovná. V radarovej anténe sa vôľa priamo premieta do chyby nasmerovania – a chyba nasmerovania znamená, že lúč antény minie svoj cieľ.
Pre satelitnú pozemskú stanicu sledujúcu geostacionárny satelit vo vzdialenosti 36 000 km: chyba zamerania 0,1 stupňa (6 oblúkových minút) posunie stred lúča o 63 km na satelite – ďaleko mimo šírky lúča transpondéra satelitu. Signál sa stratí. Pre vojenský radar riadenia paľby: chyba 0,02 stupňa (1,2 oblúkových minút) vo vzdialenosti 50 km posunie bod sledovania o 17 metrov – čo stačí na to, aby úplne minul malý cieľ.
Stratégia riadenia spätného rázu – dvojpastorkové riešenie proti spätnému rázu: Najefektívnejší prístup pre vysoko presné antény využíva dva otočné pohony zaberajúce s rovnakým ozubeným vencom, pričom každý je zaťažený oproti sebe torznou pružinou alebo hydraulickým valcom s konštantným tlakom. Jeden pohon tlačí v smere hodinových ručičiek, druhý tlačí proti smeru hodinových ručičiek. Sila pružiny udržiava oba pastorky v neustálom kontakte s ich príslušnými bokmi zubov, čím sa eliminuje mŕtva zóna, ktorú vykazujú systémy s jedným pastorkom pri zmene smeru. Toto usporiadanie s dvoma pastorkami je štandardom pre satelitné pozemné stanice a vojenské sledovacie radary a zvyšuje náklady na otočný pohon o 60 až 1001 TP3T – čo je opodstatnené zlepšením presnosti navádzania.
Záber planétového ozubeného kolesa. Pohony radarových antén používajú ozubené kolesá triedy DIN 4 až 5 s brúsenou povrchovou úpravou – o 2 až 3 stupne kvality vyššou ako konštrukčné pohony – na dosiahnutie subminútovej vôle, ktorú si vyžaduje presnosť nasmerovania.
Nepretržitá rotačná služba – Letiskové radary, ktoré sa otáčajú 24 hodín denne, 7 dní v týždni už 20 rokov
Letiskový sledovací radar (ASR) sa otáča nepretržite rýchlosťou 12 až 15 otáčok za minútu – jedna celá otáčka každých 4 až 5 sekúnd – 24 hodín denne, 365 dní v roku, počas 15 až 20 rokov medzi generálnymi opravami. Ide o najnáročnejšiu úlohu nepretržitej rotácie, akej čelí akýkoľvek otočný pohon. Za 20 rokov vykoná azimutálny otočný pohon približne 63 až 158 miliónov otáčok – rádovo viac ako akýkoľvek stavebný alebo energetický otočný pohon.
Pri 15 ot./min. každý zub planétového kolesa v 3-stupňovom planétovom reduktore s prevodovým pomerom 600:1 vykoná na centrálnom kolese približne 9 000 otáčok za minútu. Výpočty životnosti ložiska a zuba kolesa pre túto nepretržitú vysokorýchlostnú prevádzku sa zásadne líšia od prerušovanej nízkorýchlostnej prevádzky stavebných a energetických otočných pohonov. Životnosť ložiska L10 sa musí vypočítať pomocou spektier zaťaženia pre nepretržitú prevádzku, nie spektier prerušovanej prevádzky používaných pre žeriavy a veterné turbíny.
Problém mazania pri nepretržitej rotácii: Pri kontinuálnych otáčkach 15 ot./min. sa teplota oleja v pohone otáčania stabilizuje na 40 až 60 °C nad teplotou okolia – celoročne. V tropickom letiskovom zariadení pri teplote okolia 40 °C môže vnútorná teplota oleja dosiahnuť nepretržite 100 °C. Olej si musí pri tejto teplote udržiavať viskozitu, pevnosť filmu a odolnosť voči oxidácii počas intervalov výmeny oleja 4 000 až 8 000 hodín. Syntetické oleje PAO (polyalfaolefín) sú štandardom pre pohony radarov s kontinuálnou rotáciou – minerálne oleje pri týchto trvalých teplotách oxidujú príliš rýchlo.
Hore: Aplikácia otočného pohonu s kontinuálnou rotáciou. Dole: Presné brúsenie ozubených kolies – radarové pohony vyžadujú najvyššie stupne kvality ozubených kolies (DIN 4 až 5) pre 20 rokov nepretržitej rotácie.
Elektromagnetická kompatibilita – Prečo musí byť pohon radarovej antény elektricky tichý
Radarová anténa prijíma signály slabé až do -120 dBm (jedna miliardtina miliardtiny wattu). Akýkoľvek elektromagnetický šum generovaný motorom otočného pohonu, enkodérom alebo elektronikou pohonu sa môže preniesť do anténneho napájania a maskovať cieľový signál. Systém otočného pohonu musí spĺňať požiadavky EMC (elektromagnetická kompatibilita), ktoré sú rádovo prísnejšie ako akákoľvek norma pre priemyselné pohony.
Bezkefkové motory na jednosmerný prúd sú uprednostňované pred kefkovými motormi, pretože oblúk kefiek generuje širokopásmový elektromagnetický šum. Pohony s premenlivou frekvenciou (VFD) pre striedavé motory musia používať tienené káble a filtrované výstupy, aby sa zabránilo vyžarovaniu spínacieho šumu do bočných lalokov antény. V extrémnych prípadoch sa používajú hydraulické motory (ktoré negenerujú žiadne elektromagnetické emisie) – akceptujú nižšiu presnosť polohovania hydraulického pohonu výmenou za úplné elektromagnetické ticho.
Spätnoväzobné enkodéry polohy namontované na výstupe otočného pohonu musia poskytovať rozlíšenie zodpovedajúce presnosti polohovania – zvyčajne 18 až 22 bitov (262 144 až 4 194 304 impulzov na otáčku). Tieto enkodéry s vysokým rozlíšením používajú optické alebo magnetické snímanie a generujú nízkoúrovňové digitálne signály, ktoré musia byť tienené pred napájacími káblami motora. Montážne rozhranie enkodéra na otočnom pohone musí poskytovať pevné, bezvibračné upevnenie s nulovou vôľou pri spojení s výstupným hriadeľom.
Kryt otočného pohonu musí poskytovať nepretržitú elektrickú uzemňovaciu cestu od rámu motora cez kryt prevodovky k podstavcu antény – čím sa zabráni zemným slučkám, ktoré generujú šumové prúdy. Všetky káblové vstupy musia používať tienené konektory s 360-stupňovým tieneným zakončením. Ložisko otočného krúžku musí udržiavať elektrickú kontinuitu medzi rotujúcimi a stacionárnymi časťami, aby sa zabránilo akumulácii náboja a výbojovému oblúku na valčekoch ložiska.
Tri poruchové režimy jedinečné pre otočné pohony radarových antén
Počas 63 až 158 miliónov otáčok (20 rokov nepretržitej prevádzky letiskového radaru) dochádza aj k merateľnému opotrebovaniu profilu zubov ozubených kolies triedy 5 podľa normy DIN. S opotrebovaním profilov zubov sa vôľa zvyšuje z dodanej hodnoty (0,5 až 1,0 oblúkových minút) smerom k prahu výmeny (2 až 3 oblúkové minúty). Keď vôľa prekročí rozpočtovú hodnotu chyby nasmerovania antény, rozlíšenie radaru sa zhorší – ciele, ktoré boli predtým oddeliteľné, sa zlúčia do jedného odrazu a riadiaci letovej prevádzky stráca situačné prehľad. Rast vôle je postupný a bez pravidelného merania nezistiteľný.
Veľké radarové paraboly (6 až 15 metrov) sú účinnými lapačmi vetra – 12-metrová parabolická parabola v búrkovom vetre s rýchlosťou 150 km/h zažíva odporovú silu 80 000 až 150 000 N, ktorá vytvára prevrátiace momenty 200 až 500 kN·m na otočnom ložisku. Bežným postupom je anténu zložiť (otočiť parabolu čelom k vetru a zablokovať brzdy) pred príchodom búrky. Ak búrka príde neočakávane alebo mechanizmus zlyhá, otočný pohon musí udržať parabolu v jej aktuálnej polohe proti plnému zaťaženiu vetrom. Ak to neudrží, parabola sa nekontrolovane otáča a vietor ju zachytí do strany – čím sa vytvoria sily, ktoré môžu ohnúť podstavec alebo parabolu vytrhnúť z držiaka.
Zhoršená kefka motora, uvoľnené zakončenie tienenia alebo porucha filtra VFD môžu do odozvy bočných lalokov antény vnášať širokopásmový šum. Tento šum sa na radarovom displeji javí ako falošné ciele – stacionárne rušenie, ktoré maskuje skutočné ciele. Keďže zdroj šumu sa otáča spolu s anténou, javí sa ako konzistentný odraz v pevnej vzdialenosti – čo sťažuje jeho rozlíšenie od skutočného cieľa v rovnakej polohe. Operátori nemusia rozpoznať falošný odraz ako rušenie generované meničom, kým sa nevykoná systematický prieskum EMC.
Hore: Otočný pohon série ZR – viacstupňový presný planétový pohon na polohovanie antény. Dole: Výrobný závod spoločnosti Korea Ever-Power s presnými výrobnými linkami na pohony radarovej kvality.
Planétová prevodovka s otočným pohonom pre radarové antény – Často kladené otázky
Spoločnosť Korea Ever-Power dodáva planétové prevodovky s otočným pohonom radarových antén s vôľou v subminútovej oblúkovej minúte, možnosťou kontinuálneho otáčania a krytmi vyhovujúcimi normám EMC. Pre presnú špecifikáciu uveďte typ antény a jej požiadavky na nasmerovanie.
Redaktor: Cxm
