鄧 健

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033）

0 引言

船載經(jīng)緯儀作為陸基靶場測控的補充和延伸， 可有效提高測控任務中布站的范圍和靈活性， 滿足大型航天發(fā)射任務的需要。 由于船載經(jīng)緯儀要求在復雜的海洋環(huán)境中工作，在遇到暴風雨等突發(fā)惡劣天氣情況時，如果經(jīng)緯儀防護圓頂關閉不及時， 可能出現(xiàn)雨水或海水沖擊或侵蝕光學設備造成嚴重的損壞， 因此在船載經(jīng)緯儀在設計中應重點考慮防水密封性設計。

1 經(jīng)緯儀俯仰軸系結構

俯仰軸系是地平式經(jīng)緯儀跟蹤架的重要組成部分，是光學系統(tǒng)安裝承載平臺，其結構如圖1 所示。由于水平軸與四通連接并隨其旋轉，貫穿了兩側的立柱，因此此處的配合間隙需要進行動密封設計。 由于立柱內(nèi)的空間較小，不利于密封結構的排布。并且密封結構受到外側電機和編碼器遮擋，無法打開進行維修和更換。這就要求密封結構具有高可靠性和較長的使用壽命， 因此俯仰軸與立柱之間的旋轉間隙就成為了俯仰軸系的防水密封設計的難點。 本文根為解決上述問題，提出了一種俯仰軸系動密封裝置。

圖1 經(jīng)緯儀俯仰軸系結構示意圖

2 設計工況參數(shù)

設計參數(shù)如表1 所示。

表1 設計工況參數(shù)

3 總體密封方案的確定

俯仰軸系的防水密封設計， 重點是解決回轉軸系的動密封問題。 旋轉軸動密封裝置可分為接觸型密封和非接觸型密封兩大類[1]。 常見的接觸型旋轉密封包括合成橡膠唇形密封、 聚四氟乙烯唇形密封、O 型圈密封、機械密封等；非接觸密封包括間隙密封、迷宮密封等?；诟┭鲚S系的結構特點，我們選擇機械密封為主，迷宮密封作為輔的動密封方案，密封墊和密封圈作為靜密封，其結構如圖2 所示。機械密封的優(yōu)點是密封性能可靠，能承受較高的壓力；使用壽命長，而且運行中基本不需要維護和修理，摩擦力矩小等。迷宮密封的作用是降低海浪的沖擊壓力，減少灰塵等雜質的進入，同時并不會增加俯仰軸系的摩擦力矩。

圖2 動密封裝置結構示意圖

4 機械密封設計

機械密封是指在密封流體壓力和彈性元件壓力的作用下， 使密封動環(huán)和靜環(huán)接觸面之間產(chǎn)生一個初始接觸應力，阻止流體產(chǎn)生泄漏的裝置。本設計中的機械密封裝置主要由密封摩擦副、補償緩沖機構、輔助密封圈、回轉限位機構等部分構成[2]。在結構布局上將機械密封裝置設計到軸承的外側，節(jié)省了軸向安裝空間。

4.1 密封摩擦副材料的選擇匹配

雖然經(jīng)緯儀俯仰軸系的工作時長短、轉動速度很低，但是為了保證光學系統(tǒng)的清潔，無法使用油液冷卻潤滑，機械密封裝置始終處于干摩擦狀態(tài)， 這就要求密封摩擦副材料具有較低的摩擦系數(shù)和較高的導熱和耐熱性能。因此本設計中選用碳化鎢硬質合金做為動環(huán)， 浸樹脂碳石墨材料作為靜環(huán)。浸樹脂碳石墨具有自潤滑性，再對二者配合端面進行研磨加工， 可保證其具有較低的摩擦系數(shù)。 同時他們都具有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，具有較長的使用壽命[3]。

4.2 設計選型

補償緩沖機構的作用是通過彈性元件為機械密封摩擦副提供合理恒定的端面比壓，對密封面的振動、磨損和安裝誤差起到補償緩沖作用，提高使用壽命。本設計中選用多彈簧結構，使密封端面的受力與變形更加平滑。

為防止機械密封動環(huán)和靜環(huán)與安裝軸（座）之間發(fā)生泄漏， 必須在相應位置設計硅橡膠密封圈密或密封墊作為輔助密封。 它具有彈性恢復力強、耐腐蝕等優(yōu)點，可以補償密封接觸面的磨損和軸的轉動不規(guī)則。

靜環(huán)一般采用浮動支撐， 因此需要設計一套具有一定自由度回轉限位機構。本設計中選用球頭柱銷機構，它的優(yōu)點是在動環(huán)旋轉摩擦力矩的作用下只產(chǎn)生切向力，減少靜環(huán)振動或傾斜而造成的泄漏。

4.3 摩擦副尺寸參數(shù)的確定

通過合理的設計摩擦副的尺寸參數(shù)，可以提高機械密封的密封性能和使用壽命。機械密封設計中通常將硬度低的材料做成窄環(huán)， 這樣可以減輕軟材料在運動過程中的磨損程度，提高整體的使用壽命[4]。 窄環(huán)的端面寬度b 和高度h 是重要的參數(shù)，主要由材料的強度、剛度以及耐磨損能力確定，通過查手冊確定本設計中b=6mm，h=3mm。

動環(huán)與靜環(huán)之間的間隙應合理選擇， 既能作為定位配合，又要容許溫升后的形變。本設計中靜環(huán)與軸的間隙取3mm，動環(huán)與軸的間隙設計為1mm。

5 機械密封性能仿真分析

機械密封在工作中， 摩擦副在流體壓力和摩擦作用下會發(fā)生變形而產(chǎn)生泄漏。 而機械密封的變形多發(fā)生在硬度較低的浸樹脂石墨環(huán)上， 因此我們著重對其進行分析，該材料的參數(shù)見表2。

表2 碳石墨靜環(huán)材料參數(shù)

5.1 溫度場分析

由于干摩擦機械密封工作過程中會不斷產(chǎn)生熱量，使密封端面產(chǎn)生熱變形， 因此我們首先對動環(huán)進行熱分析，求出它的溫度場分布。 為簡化熱分析邊界條件，在分析中假定動環(huán)與靜環(huán)、靜環(huán)與軸的接觸邊界絕熱，只考慮摩擦產(chǎn)生的熱流密度以及靜環(huán)與密封介質的對流換熱。摩擦產(chǎn)生的熱流密度可由經(jīng)驗公式（1）近似計算；靜環(huán)環(huán)與密封介質間的對流換熱系數(shù)可由公式（2）計算[5]。 設環(huán)境溫度為20℃， 熱分析邊界條件施加方式和溫度場計算結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 碳石墨靜環(huán)的熱分析邊界條件施加方式

式中：qr—密封端面摩擦產(chǎn)生的熱流密度；f—密封摩擦副間的摩擦系數(shù)；pcr—密封端面的比壓；n—俯仰軸系的轉速。

式中：Rec—密封介質旋轉攪拌效應下的雷諾數(shù)；為Ref—密封介質產(chǎn)生軸向繞流現(xiàn)象下的雷諾數(shù)；Pr—普朗特常數(shù)；d—靜環(huán)外徑；λ—流體的導熱率。

圖4 碳石墨靜環(huán)溫度場分布和溫度梯度計算結果

由溫度場分析結果可知， 密封端面處的溫度最高為39.2℃，溫度梯度也最大。 碳石墨靜環(huán)的溫度沿軸向和徑向遠離端面的方向逐漸降低， 總體溫度處于材料可承受的溫度范圍內(nèi)。

5.2 結構熱-力耦合分析

圖5 碳石墨靜環(huán)結構力學邊界條件

碳石墨靜環(huán)的結構力學邊界條件如圖5 所示， 在密封端面處施加軸向約束，在回轉限位機構作用處施加徑向位移約束。 由于轉速較低可忽略氣膜反壓的影響，靜環(huán)主要受到密封介質壓力、彈簧壓力和摩擦力矩的作用。

利用分析軟件的熱力學模塊和靜力學模塊對密封靜環(huán)進行熱-結構分析，將熱分析結果作為熱載荷施加到靜力學分析模型中， 得到靜環(huán)的變形云圖如圖6所示。 可以看到靜環(huán)的最大變形發(fā)生在接觸面上， 總體的變形量較小。

圖6 靜環(huán)在熱-結構邊界條件下的變形云圖

6 結論

本文根據(jù)船載經(jīng)緯儀俯仰軸系的使用要求和工況參數(shù)， 通過比較各類動密封裝置的優(yōu)缺點， 設計了一套機械密封裝置。 在設計中著重考慮了機械密封的摩擦副材料的選型以及尺寸參數(shù)、密封結構的組成、優(yōu)化了結構布局以適應緊湊的軸向安裝空間。 最后通過有限元仿真得到了密封靜環(huán)的溫度場分布以及熱-結構邊界條件下的變形，驗證了該機械密封裝置的有效性。