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        艦載精密跟蹤設(shè)備動密封防水設(shè)計技術(shù)研究

        2021-01-21 14:53:46房建斌嚴(yán)榮軍
        火控雷達(dá)技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:儲油潤滑脂迷宮

        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(shí)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(shí)際使用條件下復(fù)雜海況的考驗(yàn)。

        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(shí)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(shí)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(diǎn)存在泄漏量,單獨(dú)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(duì)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(shí)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(yùn)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?yàn)樾孤读黧w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(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際防護(hù)效果分析

        為有效、真實(shí)地驗(yàn)證組合迷宮的防水能力,實(shí)驗(yàn)采用:淋雨、高壓沖水和模擬穿浪、海浪沖擊的水淹試驗(yàn)三種試驗(yàn)組合進(jìn)行防水驗(yàn)證。

        3.1 試驗(yàn)狀態(tài)

        實(shí)驗(yàn)分為模型驗(yàn)證和后期實(shí)際設(shè)備試驗(yàn)兩個階段、三種狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 不同設(shè)備狀態(tài)下的試驗(yàn)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(shí)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(yàn)驗(yàn)證等大量的工作,積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),取得了非常好的實(shí)際效果,滿足了裝備的實(shí)際需求。

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