李 冰,韓光宇,吳運(yùn)寒

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

光電經(jīng)緯儀是為完成測(cè)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的彈道與物理等參數(shù)測(cè)量和飛行實(shí)況為目的,運(yùn)用光學(xué)、精密機(jī)械、電控與計(jì)算機(jī)技術(shù),可以完成衛(wèi)星測(cè)距、輻射特性測(cè)量和干擾目標(biāo)等功能。主要是由光學(xué)分系統(tǒng)、軸系系統(tǒng)和電控分系統(tǒng)等組成[1-2]。

激光發(fā)射設(shè)備是光電經(jīng)緯儀的分支,發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)射功率越來(lái)越高,作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)。如果在設(shè)備上沒(méi)有有效的密封防塵措施,灰塵和水分等很容易進(jìn)入通道中污染庫(kù)德鏡。當(dāng)高能激光照射到沾染的庫(kù)德鏡時(shí),能量的積累會(huì)使膜系受損,嚴(yán)重至鏡子炸裂[3-4]。水漬和灰塵還會(huì)影響鏡面的反射率。以上因素嚴(yán)重限制激光功率提升。為了確保激光傳輸過(guò)程中通道潔凈,密封是必須解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)激光通道密封集中在密封窗口,根據(jù)原理可分為晶體窗口和氣動(dòng)窗口兩種[5-6]。晶體窗口密封原理為采用吸收率較低的晶體制成光學(xué)玻璃,將其安裝在激光傳輸通道出射端,氣動(dòng)窗口是在通道出射端安裝多個(gè)高速氣流的噴嘴,二者皆可以阻擋外界灰塵。兩種窗口皆有優(yōu)缺點(diǎn)。晶體窗口設(shè)計(jì)難度低,密封性能優(yōu)良,可靠性好,但晶體窗口會(huì)吸收能量,當(dāng)增大激光功率時(shí),窗口溫度升高產(chǎn)生熱變形,使激光折射發(fā)生變化[7]。氣動(dòng)窗口對(duì)光束影響很低,但在使用過(guò)程中需要打開(kāi)卷簾,無(wú)法保證灰塵或水蒸氣完全不進(jìn)入激光傳輸通道,而且耗能大,成本很高。兩種窗口僅僅密封了靜止部分,軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的密封存在空白。

針對(duì)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,本文利用磁流體的優(yōu)良特性,設(shè)計(jì)了一種密封結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件對(duì)間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。通過(guò)耐壓公式可以得到密封能力值。理論分析了低速下離心力對(duì)密封幾乎無(wú)影響。對(duì)結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)臂件進(jìn)行模態(tài)分析,保證系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振。最后進(jìn)行氣密、轉(zhuǎn)矩、高低溫和振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,證明了密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本文在原有的窗口的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,第一次將磁流體動(dòng)密封應(yīng)用激光通道中上,大幅度增強(qiáng)激光通道的密封性能。

2 原理和設(shè)計(jì)要求

2.1 激光傳輸通道工作原理

如圖1所示,激光傳輸通道內(nèi)部耦合了七個(gè)庫(kù)德鏡。入射端和出射端安裝了窗口,形成了靜密封。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng),由入射窗口進(jìn)入,在經(jīng)過(guò)庫(kù)德鏡反射后,由出射窗口發(fā)出。在入射窗口到出射窗口之間形成激光傳輸通道,通道內(nèi)部的庫(kù)德鏡一和庫(kù)德鏡二存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),同理庫(kù)德鏡四和庫(kù)德鏡五也存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 激光傳輸通道Fig.1 Laser transmission channel

2.2 磁流體工作機(jī)理

磁流體密封具有零泄漏、低磨損和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于防塵密封和真空密封[8-9]。密封的基本就是磁場(chǎng)提供足夠的徹體力。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)外有壓差時(shí),磁流體會(huì)沿著軸向或徑向移動(dòng)。磁場(chǎng)對(duì)磁流體產(chǎn)生的徹體力同內(nèi)外壓差相平衡的時(shí)候,磁流體處于平衡位置,阻止被密封介質(zhì)泄漏,從而達(dá)到密封的目的。

2.3 設(shè)計(jì)要求

向激光傳輸通道內(nèi)部輸入氮?dú)鈦?lái)置換出水蒸氣。通道內(nèi)部會(huì)形成微正壓,來(lái)抵御外界雜質(zhì)。由于激光發(fā)射設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境廣泛,密封結(jié)構(gòu)需要具備足夠高的密封性能,并可以抵抗振動(dòng)和高低溫。其啟動(dòng)扭矩和勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需力矩不應(yīng)過(guò)大。根據(jù)上述要求,確定了密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。如表1所示。

表1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求Tab.1 Sealing structure design requirements

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)磁流體的密封原理,密封結(jié)構(gòu)主要包含永磁體,極靴,磁流體,內(nèi)筒、外筒和蓋板。如圖2所示。

圖2 密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Sealing structure

密封結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)極靴。每個(gè)極靴內(nèi)壁有八個(gè)矩形極齒,一個(gè)極齒構(gòu)成一級(jí),構(gòu)成十六級(jí)密封,從而增加密封可靠性。采用矩形齒,齒寬0.3 mm,齒高0.9 mm,槽寬0.9 mm。永磁體由68個(gè)圓柱形的釹鐵硼磁鐵拼接而成。極靴接觸永磁鐵的一側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu),方便徑向固定住永磁體。極靴與外筒接觸的端面加工一個(gè)矩形缺口,用來(lái)裝密封圈,防止氣體從極靴和外筒之間的縫隙泄漏。蓋板用來(lái)將極靴和永磁體壓入外筒中,設(shè)計(jì)成整體式。永磁體提供外加磁場(chǎng)。磁流體充滿在齒槽中。外筒加上蓋板后,蓋板、內(nèi)筒和極靴三者可形成封閉的空腔。

極靴和內(nèi)筒起到導(dǎo)磁作用,采用2Cr13,磁流體選擇二脂基。外筒和蓋板為304不銹鋼,起到隔磁作用。

在試驗(yàn)環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)臺(tái),此轉(zhuǎn)臺(tái)可與密封結(jié)構(gòu)完美結(jié)合。如圖3所示。試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)主要包括連接板、軸承、軸承座、傳動(dòng)軸、力矩電機(jī)、電機(jī)座、密封蓋、若干螺釘和墊圈。連接板和內(nèi)筒通過(guò)螺釘連接。力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接板進(jìn)而帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)。極靴位置固定,進(jìn)而內(nèi)筒與極靴產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。向空腔內(nèi)輸入氮?dú)?則空腔的氣壓會(huì)高于外界環(huán)境的氣壓,形成微正壓,可通過(guò)氣壓表讀出數(shù)值。驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái),觀察氣壓表的數(shù)值變化。如果氣壓表數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間不變,則證明磁流體沒(méi)有泄露,結(jié)構(gòu)氣密性良好。

圖3 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)Fig.3 Experimental turntable

4 固有頻率分析

工程應(yīng)用的內(nèi)筒為一個(gè)長(zhǎng)臂件,為防止其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生共振,有必要進(jìn)行模態(tài)分析。主要目的是獲得其固有頻率和振型。因?yàn)閮?nèi)筒結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,直接輸入命令流建立模型,忽略倒角和螺紋。材料選擇2Cr13,定義好材料屬性后,選用solid186單元。掃描劃分網(wǎng)格時(shí)注意了的細(xì)化。共劃分25506個(gè)六面體單元。如圖4所示。

圖4 內(nèi)筒有限元模型Fig.4 Finite element model of the internal cylinder

在內(nèi)筒的法蘭端面施加全位移約束。應(yīng)用Block Lanczos法求解。內(nèi)筒的前5階固有頻率如表2所示。圖5展示了內(nèi)筒的一階振型,長(zhǎng)臂部分繞Y軸進(jìn)行擺動(dòng)。激光發(fā)射設(shè)備的1階固有頻率約為110 Hz[10]。其一階頻率遠(yuǎn)小于內(nèi)筒的固有頻率,系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。較好滿足車(chē)載要求。

表2 內(nèi)筒固有頻率Tab.2 Natural frequency of internal cylinder

圖5 內(nèi)筒一階振型Fig.5 The first-order mode of the internal cylinder

5 磁場(chǎng)仿真

5.1 密封耐壓公式

在靜止情況下,磁流體內(nèi)部任意一點(diǎn)處的壓強(qiáng)為[6-8]:

實(shí)際極齒部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較強(qiáng),磁流體一般達(dá)到飽和磁化狀態(tài),其飽和磁化強(qiáng)度為Ms。重力可忽略不計(jì),則壓強(qiáng)可以簡(jiǎn)化為:

p=μ0MsH+C=MsB

磁流體密封壓差為液膜雙側(cè)外表面上的壓強(qiáng)差值。設(shè)磁性流體內(nèi)任意兩點(diǎn)1、2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分B1,B2。對(duì)于靜止密封,其密封耐壓公式為:

Δp=p1-p2=Ms(B1-B2)

5.2 有限元模型

外筒和蓋板采用不導(dǎo)磁的304不銹鋼,將其視為空氣對(duì)待。磁流體的飽和磁化強(qiáng)度較低,可設(shè)定磁流體與空氣的磁導(dǎo)率相同。內(nèi)筒和極靴的材料為2Cr13。永磁鐵采用銣鐵硼,矯頑力為8.9×105A/m,相對(duì)磁導(dǎo)率為1.05,空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

由于模型是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)為二維平面問(wèn)題。采用plane53單元,建立二維模型。簡(jiǎn)化的模型如圖6。A1為空氣,A2為內(nèi)筒,A3和A5為極靴,A4為永磁體。

圖6 磁場(chǎng)有限元模型Fig.6 Finite element model of magnetic field

不同區(qū)域賦予相應(yīng)的材料屬性和網(wǎng)格精度,采用智能網(wǎng)格劃分三角形網(wǎng)格,精度為2級(jí)。在間隙處單元?jiǎng)澐州^為緊密。給模型邊界施加磁力線平行的邊界條件。

5.3 磁場(chǎng)結(jié)果分析

本文研究的密封間隙在0.1～0.4 mm。對(duì)4種間隙下的磁場(chǎng)分布進(jìn)行求解。

0.2 mm間隙下的磁力線分布圖如圖7所示。圖中顯示極齒附近磁力線最密集,極齒的極尖部位磁場(chǎng)梯度最大。磁流體被吸附在磁場(chǎng)最強(qiáng)的極齒附近?？諝庵杏猩僭S磁力線,存在漏磁現(xiàn)象。

圖7 0.2mm間隙磁力線分布Fig.7 0.2mm gap magnetic field line distribution

在間隙的內(nèi)筒一側(cè)定義一條軸線軌線,將磁場(chǎng)強(qiáng)度映射到軸向軌線上。圖8展示了四種間隙軸向軌線的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況。由于整體結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱分布,磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也是關(guān)于X軸成對(duì)稱分布。隨著間隙的變大,波峰和波谷間的差值在變小。說(shuō)明密封間隙越大,漏磁越嚴(yán)重。本文選取的磁流體為二脂基。飽和磁化強(qiáng)度為36 kA/m。根據(jù)耐壓公式3及不同間隙軸向軌線的磁場(chǎng)分布,計(jì)算得到耐壓值如表3。數(shù)據(jù)顯示間隙每增加0.1 mm,耐壓值近乎減半。當(dāng)間隙超過(guò)0.3 mm,耐壓值明顯不夠?？紤]工程實(shí)際使用,本文選取密封間隙0.2 mm。

圖8 軸向軌線磁場(chǎng)強(qiáng)度Fig.8 Axial trajectory magnetic field intensity

表3 理論耐壓值

6 試驗(yàn)測(cè)試

任務(wù)要求設(shè)備在-40～50 ℃能穩(wěn)定工作。同時(shí)考慮車(chē)載環(huán)境下的影響和扭矩的要求。共安排四組實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.9 Physical image of the experiment turntable

6.1 動(dòng)密封壓力測(cè)試

引入離心力的幾何因子[11]:

(4)

其中,Rs為內(nèi)筒外徑與外筒內(nèi)徑比;R為磁流體半徑:

Δp=Δpmax+ρ(R1ω)2G

(5)

外筒為旋轉(zhuǎn)軸,在軸的表面上,離心力最大。帶入已知參數(shù),幾何因子為8.32×10-4,數(shù)值很小。證明低轉(zhuǎn)速下離心力對(duì)密封幾乎無(wú)影響,忽略不計(jì)。氣壓表最小量程0.02 MPa。從輸入0.03 MPa微正壓開(kāi)始,一直增加到最大密封壓力。在0.03 MPa壓力下,一個(gè)月后氣壓表數(shù)值無(wú)明顯變化。證明磁流體沒(méi)有泄露,其密封結(jié)構(gòu)氣密性良好。

當(dāng)內(nèi)外氣壓達(dá)到0.2 MPa時(shí),氣壓表數(shù)值突然降低,此時(shí)達(dá)到了密封結(jié)構(gòu)的極限密封壓力。測(cè)量結(jié)果顯示,密封結(jié)構(gòu)的密封能力與仿真基本一致。

6.2 扭矩測(cè)試

將測(cè)力計(jì)拉力測(cè)試頭一端通過(guò)繩索套在內(nèi)筒的螺釘處,拉動(dòng)測(cè)力計(jì),記下數(shù)值。力臂為110 mm,二者相乘即為力矩值。轉(zhuǎn)臺(tái)最大初始轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為3 N·m,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)所需的力矩在0.8～2.8 N·m波動(dòng),平均一圈所需力矩為1.1 N·m。二者的數(shù)值均小于設(shè)計(jì)要求。啟動(dòng)力矩大于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)力矩是因?yàn)榇帕黧w中膠體粒子產(chǎn)生聚集。需要加大扭矩來(lái)破壞聚集結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)電機(jī)型號(hào)為J160LYX06G3,主要技術(shù)參數(shù)有峰值轉(zhuǎn)矩28 N·m,額定轉(zhuǎn)矩11 N·m,工程項(xiàng)目使用的電機(jī)比試驗(yàn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩高出數(shù)倍之多。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生爬行,不會(huì)影響伺服跟蹤精度。

6.3 高低溫測(cè)試

光學(xué)設(shè)備正常工作溫度在-40～50℃。將試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)放進(jìn)高低溫箱,在-20℃、-30℃、-40℃、30℃、40℃、55℃多種溫度情況下,驅(qū)動(dòng)電機(jī),待溫度穩(wěn)定后,保持一段時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得,在極端溫度下氣壓表數(shù)值略有浮動(dòng),這是氣體熱脹冷縮的結(jié)果。磁流體并沒(méi)有發(fā)生泄漏,且試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),證明密封結(jié)構(gòu)可以抵抗極端溫度,達(dá)到使用要求。

6.4 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試

將實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上,施加隨機(jī)載荷,用于模擬長(zhǎng)途運(yùn)輸對(duì)密封結(jié)構(gòu)的影響。振動(dòng)試驗(yàn)分為X、Y向振動(dòng)和Z向振動(dòng)。30 min的試驗(yàn)可等效1000 km公路運(yùn)輸里程。每個(gè)方向試驗(yàn)10 min。振動(dòng)條件和功率譜如表4,5所示。

為了提高安全系數(shù),X、Y、Z向的低頻段功率譜皆取其附近頻段上的最大值。經(jīng)過(guò)計(jì)算,均方根加速度0.835 g。峰值加速度為3倍均方根加速度,約為2.5 g,30 min后,氣壓表數(shù)值并沒(méi)有明顯變化。證明氣體沒(méi)有泄露,密封結(jié)構(gòu)符合要求。

7 結(jié) 論

針對(duì)激光通道動(dòng)密封的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種密封結(jié)構(gòu),結(jié)合仿真軟件進(jìn)行耐壓數(shù)值分析。理論結(jié)果證明,隨著密封間隙的增加,密封耐壓能力逐漸下降?？紤]工程應(yīng)用選擇了密封間隙,再根據(jù)公式得出理論密封能力為0.26 MPa。內(nèi)筒的固有頻率遠(yuǎn)大于工作頻率,系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生共振。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,低轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能幾乎無(wú)影響。此密封結(jié)構(gòu)密封壓力值為0.2 MPa,并可抵抗-40～50 ℃的極端溫度和0～500 Hz振動(dòng)的沖擊。轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)平穩(wěn),不存在爬行問(wèn)題。該密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),可滿足激光傳輸通道的動(dòng)密封要求。