某型雷達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)密封設(shè)計(jì)分析

【摘要】本文在分析某型雷達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方法了解漏氣故障的發(fā)生原因，并對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的氣密性要求得到滿足，所涉及的設(shè)計(jì)思路與方法值得在今后的相關(guān)工作中加以借鑒和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；動(dòng)密封設(shè)計(jì)

1.引言

機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使微波信號在靜態(tài)的發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)的天線系統(tǒng)間傳遞，所以既要滿足插損、駐波比等電訊要求，又要做到結(jié)構(gòu)可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件之一。為了滿足綜合環(huán)境應(yīng)力作用下對于波導(dǎo)饋線系統(tǒng)最大傳輸功率的要求，使機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境下依然能夠發(fā)揮應(yīng)有效果，往往需要對整個(gè)大功率充氣加壓波導(dǎo)饋線系統(tǒng)進(jìn)行密封處理，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封屬于動(dòng)密封，是整個(gè)操作過程中最為薄弱的環(huán)節(jié)，其動(dòng)密封設(shè)計(jì)的可靠性和使用壽命的保障也因此成為雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。本文在對某型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)密封設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過蓄能密封技術(shù)對關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.某型雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某型雷達(dá)出于對空間體積要求的考慮，采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的微波傳輸、運(yùn)動(dòng)傳遞一體化的設(shè)計(jì)方案，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)同時(shí)作為微波信號傳遞器件和天線座伺服傳動(dòng)軸。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢在于使結(jié)構(gòu)更為緊湊、使空間得到有效節(jié)約；缺陷在于，俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接天線，天線的不平衡力矩、重量全部作用于方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)際為兩端簡支梁結(jié)構(gòu)。

在低氣壓環(huán)境下，波導(dǎo)饋電系統(tǒng)依然要滿足大功率傳輸?shù)囊?，為此，必須對系統(tǒng)進(jìn)行充氣加壓處理，密封設(shè)計(jì)的可靠性問題隨之產(chǎn)生。根據(jù)以往的研究成果，可采取雙O型密封圈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)形式存在三方面缺陷：首先，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對于尺寸精度一直有著較高的要求，裝配難度相對較高，在采取雙O型密封圈串聯(lián)結(jié)構(gòu)后，無論是加工還是裝配難度都會出現(xiàn)進(jìn)一步的提升，很難滿足精度要求。其次，O型密封圈的使用性能在低溫環(huán)境下無法得到應(yīng)有的發(fā)揮，若氣溫低于-55℃，就非常容易出現(xiàn)漏氣問題，可靠性不足。最后，O型密封圈的性質(zhì)會隨著溫度變化而發(fā)生大范圍波動(dòng)，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)力矩也會因此出現(xiàn)較大幅度的改變，提高伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

為了避免以上問題，本文采取高性能彈簧蓄能密封圈設(shè)計(jì)（下簡稱密封圈），其中，彈簧蓄能器采用1717PH不銹鋼，密封夾套材料采用自潤滑有機(jī)填充PTEE，能夠滿足-260℃～+315℃條件下的密封要求，其外形如圖2所示。密封圈安裝結(jié)束后，夾套唇邊會緊貼封面并形成密封，密封夾套所需的永久彈力由彈簧的彈力提供，配合零件的偏心、偏移問題以及材料的磨損問題也由此彌補(bǔ)。與此同時(shí)，被密封的關(guān)節(jié)充壓后，其壓力高于外界，并為密封壓套蓄能提供輔助作用，使密封有效性在任何環(huán)境下都能得到有效保障。

該密封圈的彈簧負(fù)荷能夠同時(shí)滿足低溫密封所需的高負(fù)荷要求以及動(dòng)態(tài)應(yīng)用過程中非常苛刻的低摩擦要求。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的線速度較低，在應(yīng)用該密封圈并加壓后，不會與旋轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生較大的摩擦，由于雷達(dá)伺服形式為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以摩擦力矩對伺服的微弱影響完全可以不予考慮。圖3為方位俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封設(shè)計(jì)。

3.試驗(yàn)結(jié)果與問題分析

該雷達(dá)的溫度—高度試驗(yàn)結(jié)果表明，若環(huán)境溫度高于-45℃，則旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的氣密封符合檢查要求；若環(huán)境溫度降低至-55℃，則旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就會開始發(fā)生漏氣問題。此時(shí)，將環(huán)境溫度重新提升至-45℃，氣密性檢查結(jié)果重新變?yōu)楹细瘛?/p>

在發(fā)現(xiàn)這一問題后，對密封圈的使用與設(shè)計(jì)進(jìn)行了重新分析，分析結(jié)果表明，密封圈使用性能的有效發(fā)揮對于關(guān)節(jié)同軸度有一定的要求。在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，軸孔、密封圈接觸部位的聚四氟乙烯襯套是影響關(guān)節(jié)同軸度的重要部件，在原有設(shè)計(jì)中采取了間隙配合的方法，目的是使裝配難度得到有效控制。在采用這種設(shè)計(jì)方式后，聚四氟乙烯襯套在低溫環(huán)境下的收縮現(xiàn)象會增加同軸度，這也是導(dǎo)致漏氣問題的主要原因。在前文的討論中我們曾經(jīng)提到，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在使用過程中會受到不平衡力矩的作用。而在設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定子、轉(zhuǎn)子間的連接通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軸承完成，即定子、轉(zhuǎn)子實(shí)際上屬于懸臂梁形式。受軸承徑向游隙的影響，在使用過程中，定子和轉(zhuǎn)子的同軸度會出現(xiàn)跳動(dòng)，同軸性能會隨著離開軸承尺寸的增加而下降，并導(dǎo)致密封圈半圈受拉力、半圈受壓力的問題，在低溫環(huán)境下，該問題的存在極易引起密封圈的損傷，這也是導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象的另一個(gè)主要原因。

為了使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確，對發(fā)生漏氣問題的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了分解，在對比裝機(jī)密封圈、新密封圈的過程中發(fā)現(xiàn)，有0.15mm的尺寸未得到回彈。同時(shí)，對兩件新的密封圈進(jìn)行了對比，在實(shí)際使用后，1、2號密封圈分別有0.1365mm和0.151mm的尺寸未得到回彈，如表1、2所示。密封圈使用手冊對于密封配合尺寸公差未提出較高的要求，所以在原有設(shè)計(jì)中，定子、轉(zhuǎn)子波導(dǎo)的配合尺寸公差相對較高，受此影響，密封圈的壓縮量未能滿足相關(guān)要求，進(jìn)而引起密封圈的漏氣問題。

在對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行重新檢查后發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯襯套作為確保密封圈同軸性的重要部件，存在著尺寸公差過大的問題，其外徑mm，其外徑mm，與定子、轉(zhuǎn)子波導(dǎo)的最大間隙均為0.1mm。若工作環(huán)境的溫度過低，同軸度會在聚四氟乙烯襯套發(fā)生收縮后變得更差，使氣密環(huán)境進(jìn)一步惡化，并最終引起漏氣問題。

對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)配合表面的粗糙度檢查結(jié)果為Ra 1.6μm，設(shè)計(jì)圖紙的要求為Ra 0.8μm，可見零件的粗糙度未能滿足設(shè)計(jì)圖紙所提出的要求，這也是導(dǎo)致漏氣問題的原因之一。進(jìn)一步檢查結(jié)果表明，加工精度不足是導(dǎo)致粗糙度不達(dá)標(biāo)的主要原因。

4.對于原有設(shè)計(jì)的改進(jìn)與試驗(yàn)

結(jié)合以上分析與檢查結(jié)果，對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)密封配合面的尺寸公差進(jìn)行了相應(yīng)的提升，即將定子波導(dǎo)孔尺寸、轉(zhuǎn)子波導(dǎo)軸尺寸的公差等級由IT8級提高至IT7級，軸尺寸改為mm，孔尺寸改為mm。同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定子、轉(zhuǎn)子波導(dǎo)間增設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軸承，使其結(jié)構(gòu)變?yōu)閮啥酥?，以此確保密封圈使用性能正常發(fā)揮所需的同軸度，此時(shí)，聚四氟依稀襯套的作用僅為對密封圈竄動(dòng)加以限制。圖4為方位俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的改進(jìn)示意圖。

通過以上改進(jìn)，重新進(jìn)行的溫度—高度試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備具有優(yōu)異的低溫性能，投入實(shí)用后，設(shè)備表現(xiàn)出了非常可靠的工作穩(wěn)定性，裝配操作也能夠非常順利的進(jìn)行，充分說明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案具有較高的科學(xué)性和合理性。

5.結(jié)語

本次研究對某型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和改進(jìn)，試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明，所采取的動(dòng)密封設(shè)計(jì)方案滿足了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對于氣密性的要求，研究所涉及的設(shè)計(jì)方法和思路可以在今后相關(guān)工作中加以借鑒和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]查金水，許越寧.某雷達(dá)饋線系統(tǒng)的充氣密封裝置設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2011，27（3）：31-33.

[2]陳剛，仙錦.防水透氣閥在雷達(dá)密封腔體中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2012，28（2）：12-14.

作者簡介：

田一成（1985—），男，遼寧沈陽人，助理工程師，研究方向：重型機(jī)械。

包俊群（1985—），男，吉林省吉林市人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：車輛工程。