艦載精密跟蹤設(shè)備動密封防水設(shè)計技術(shù)研究

房建斌 嚴(yán)榮軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著我國從近海走向遠(yuǎn)海以及武器裝備實戰(zhàn)化要求，大量艦艇裝備不斷地走向大洋的深處，經(jīng)歷各種各樣實際使用條件下復(fù)雜海況的考驗。

對于安裝在艦艇甲板上的雷達(dá)、光電、艦炮等武器裝備的方位、俯仰等旋轉(zhuǎn)部位的密封防水設(shè)計，在保證武器裝備的跟蹤速度、加速度等快速響應(yīng)和高精度指標(biāo)的前提下，如何解決降低摩擦力矩、提高摩擦壽命、滿足嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性等諸多因素條件的相互約束和耦合，對該類武器裝備旋轉(zhuǎn)部位密封防水提出了更高的要求，如：滿足淋雨、高壓水流沖擊、穿浪水淹等綜合工況下的防水要求。

1 密封結(jié)構(gòu)形式選擇及原理分析

為確保武器裝備的伺服性能指標(biāo)，該類裝備的旋轉(zhuǎn)部位一般采用迷宮結(jié)構(gòu)的非接觸動密封方式[1]。由于方位旋轉(zhuǎn)一般尺寸較大，工程上實現(xiàn)比較困難，因此，本文以方位旋轉(zhuǎn)為例進(jìn)行技術(shù)分析。

1.1 常用迷宮方式

機(jī)械傳動常用迷宮密封的方式有直通型、錯列型、階梯型等多種方式，本文以艦載武器裝備上經(jīng)常采用的錯列型(鋸齒型結(jié)構(gòu))迷宮方式進(jìn)行研究。

1.2 迷宮密封原理分析

迷宮密封是在轉(zhuǎn)軸周圍設(shè)若干依次排列的環(huán)形密封齒，齒與齒之間形成一系列的截流間隙與膨脹空腔，被密封介質(zhì)(液體)在通過曲折迷宮的間隙時產(chǎn)生阻力并使其流量減小形成迷宮效應(yīng)而達(dá)到阻漏目的，從而實現(xiàn)密封[2]。影響迷宮密封效果的因素主要有迷宮效應(yīng)、迷宮參數(shù)和填充的潤滑脂等。

1.2.1 迷宮效應(yīng)影響

1)摩阻效應(yīng)

泄漏液體在密宮內(nèi)流動時，產(chǎn)生的沿程摩阻和局部摩阻構(gòu)成摩阻效應(yīng)。前者與通道長度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)。當(dāng)流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力大；壓差損失顯著，泄漏量減小。

2)流速收縮效應(yīng)

當(dāng)泄漏液體通過迷宮縫口，會因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，流速截面變小。

因此，二者效應(yīng)越明顯，能量散損愈多，泄漏量隨著愈小，以達(dá)到阻止泄露的目的。

1.2.2 迷宮參數(shù)影響

1)齒數(shù)影響

齒距一定時，齒數(shù)越多，泄露量越少；齒距改變時，齒距越大，泄露量會急劇下降。齒在不同的安放角度下，流動狀態(tài)是不同的。

2)齒高影響

一般情況下，齒高在10mm范圍，再高并不能提高迷宮的密封性。

3)齒間隙影響

迷宮的最小徑向間隙s，一般可取0.4mm，也可按照公式(1)來確定[3]。

(1)

其中D為密封直徑。

1.2.3 潤滑脂影響

迷宮的缺點存在泄漏量，單獨采用迷宮密封幾乎做不到完全沒有泄露，為解決此問題，消除迷宮內(nèi)的間隙，在迷宮內(nèi)涂滿潤滑脂，利用潤滑脂本身具有的與金屬較高的表面親和力和張力，較高的粘滯系數(shù)、觸變性，有效地阻止液體進(jìn)入迷宮，起到更好的密封效果。

1.3 工程常用的迷宮密封效果分析

1.3.1 單一徑向迷宮密封

工程上經(jīng)常采用徑向迷宮+潤滑脂的單一迷宮密封形式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單一徑向迷宮(含潤滑脂)

1)密封效果：這類密封形式，可以有效滿足淋雨防護(hù)的要求[4]。

2)使用局限性：滿足不了水流沖擊和穿浪水淹的防水要求[5]。

1.3.2 其他迷宮密封

通過國內(nèi)調(diào)研，為解決設(shè)備滿足水流沖擊的防水要求，國內(nèi)相關(guān)單位設(shè)計團(tuán)隊大量采用徑向迷宮(含潤滑脂)+旋轉(zhuǎn)油封的設(shè)計思路，如圖2所示。

圖2 徑向迷宮(含潤滑脂)+旋轉(zhuǎn)油封

1)密封效果：該密封方式能夠滿足淋雨、水流沖擊，但是滿足不了艦艇穿浪、抗擊臺風(fēng)等更為惡劣環(huán)境下的防水淹要求。

2)使用局限性：一是增加油封，由非接觸式密封變成接觸式密封，會帶來隨著旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)增大摩擦力矩非線性大幅增加，對伺服控制系統(tǒng)性能影響較大，僅適用于旋轉(zhuǎn)軸頸較小的情況。二是油封屬于壽命元器件，隨著使用發(fā)生磨損會帶來密封效果下降。

2 組合式動密封設(shè)計

為解決既不影響此類武器裝備伺服跟蹤性能要求，又具有優(yōu)良的防水密封能力，本文提出了一種組合迷宮動密封結(jié)構(gòu)方式：徑向迷宮+儲油槽+軸向迷宮，有效解決了以上相互牽制、相互約束的問題。

2.1 組合迷宮結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 結(jié)構(gòu)形式

如圖3所示，沿著旋轉(zhuǎn)軸線，組合迷宮位于固定部分和轉(zhuǎn)動部分的結(jié)合端面附近。徑向迷宮處于組合迷宮的頂端，儲油槽處于組合迷宮中間，軸向迷宮處于組合迷宮最低端；儲油槽、軸向迷宮在方向上和徑向迷宮成90°夾角設(shè)置。

圖3 組合迷宮位置及結(jié)構(gòu)

組合迷宮的具體結(jié)構(gòu)形式：

1)徑向迷宮結(jié)構(gòu)：分別在固定部分和轉(zhuǎn)動部分的端面設(shè)計加工有矩形齒，二者裝配而成；

2)儲油槽結(jié)構(gòu)：在結(jié)合端面下端，沿固定部分外部一周，設(shè)計加工有矩形槽，它和與轉(zhuǎn)動部分相連的圓形外檔圈裝配而成，同時在圓形外檔圈上設(shè)計有加注潤滑脂的小孔。

3)軸向迷宮結(jié)構(gòu)：在儲油槽下部，沿固定部分外部一周和圓形蓋板一周，分別設(shè)計加工有梯形齒，二者裝配形成。

轉(zhuǎn)動時，固定部分保持靜止，轉(zhuǎn)動部分和圓形外檔圈一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)組合迷宮三個組成部分(徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮)均參與運行。

2.1.2 組合迷宮相關(guān)參數(shù)

徑向迷宮齒形為矩形結(jié)構(gòu)，軸向迷宮齒形為梯形結(jié)構(gòu)，二者齒高均為10mm，齒間配合間隙、齒頂端配合間隙按照本文確定。

2.1.3 潤滑脂使用參數(shù)

裝配時在徑向迷宮和軸向迷宮均涂有潤滑脂，涂量達(dá)到齒槽的三分之一高度；儲油槽內(nèi)注滿潤滑脂。

2.2 組合迷宮性能分析

2.2.1 密封性能分析

1)內(nèi)部密封機(jī)理分析

在密封原理上，組合迷宮密封相比較單一徑向/軸向迷宮密封，使得以下影響密封效果的因素發(fā)生顯著變化，如：

①組合迷宮間隙流道通道加長2倍；

②組合迷宮之間間隙具有多處突變，節(jié)流作用增強(qiáng)；

③組合迷宮在徑向和軸向的兩組齒間距和方向發(fā)生巨變，迷宮齒數(shù)增加2.5倍；

④組合迷宮的結(jié)構(gòu)形式，使得泄露流體首先必需要通過軸向迷宮縫隙爬升，因為泄露流體自身質(zhì)量影響，流速顯著降低；同時因軸向迷宮影響而產(chǎn)生顯著收縮，流速截面變小，因此到達(dá)徑向迷宮的泄露非常困難；

⑤組合迷宮的儲油槽和迷宮內(nèi)的潤滑脂，有效阻斷了沿軸向迷宮向上泄露液體的爬升滲漏；

⑥徑向迷宮潤滑脂處于密封狀態(tài)，可以長期保存；儲油槽內(nèi)的潤滑脂可以自行補(bǔ)充到軸向迷宮。

通過以上分析，組合迷宮具有理想的防水密封效果。

2)外部水流沖擊防水分析

高壓沖擊水流碰撞設(shè)備的瞬態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 水流沖擊示意圖

沖擊水流和反彈水流在軸向迷宮下端凹槽處相互干擾形成紊流，在高壓沖水下通過軸向迷宮下端入口縫隙泄露進(jìn)入少量水流，根據(jù)內(nèi)部密封防水機(jī)理分析，極難達(dá)到徑向迷宮。

3)防水淹分析

組合迷宮內(nèi)部的潤滑脂，長期有效阻斷了水淹下的泄露；設(shè)計的軸向迷宮梯形齒形，具有一定的排水功能；設(shè)計的長通道有效延緩泄露水流進(jìn)入設(shè)備的時間。在艦艇穿浪、臺風(fēng)等環(huán)境下具有較好的防水淹密封能力。

2.2.2 其他性能分析

組合迷宮設(shè)計，仍然為非接觸式動密封方式，摩擦力矩幾乎不增加、轉(zhuǎn)動慣量增加極小，對設(shè)備的諧振頻率幾乎沒有影響，確保設(shè)備伺服系統(tǒng)設(shè)計的指標(biāo)要求。

組合迷宮適應(yīng)性更好、可靠性高?？杀苊饨佑|式動密封的磨損、壽命受限等問題；采用同一類材料加工制造，結(jié)構(gòu)簡單，避免了環(huán)境溫度變化時的卡死或者松動等現(xiàn)象；與原設(shè)備融為一體，外形美觀。

3 試驗驗證及實際防護(hù)效果分析

為有效、真實地驗證組合迷宮的防水能力，實驗采用：淋雨、高壓沖水和模擬穿浪、海浪沖擊的水淹試驗三種試驗組合進(jìn)行防水驗證。

3.1 試驗狀態(tài)

實驗分為模型驗證和后期實際設(shè)備試驗兩個階段、三種狀態(tài)進(jìn)行驗證。

狀態(tài)一：徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮均涂抹潤滑脂；

狀態(tài)二：僅徑向迷宮涂抹潤滑脂；

狀態(tài)三：徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮均未涂抹潤滑脂。

3.2 實驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同設(shè)備狀態(tài)下的試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文主要為解決艦載甲板外露武器裝備旋轉(zhuǎn)動密封防水問題，以方位旋轉(zhuǎn)為例，進(jìn)行了充分的調(diào)研、咨詢和實際觀測，從工程技術(shù)角度進(jìn)行了理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、試驗驗證等大量的工作，積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，取得了非常好的實際效果，滿足了裝備的實際需求。