王春學(xué)

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

0 引 言

導(dǎo)電柔性密封環(huán)作為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)裝置關(guān)鍵部件，具有大尺寸、高可靠、導(dǎo)電性、柔性、環(huán)境適應(yīng)性等要求，用于天線座部位齒輪、軸承潤(rùn)滑稀油動(dòng)密封，工作時(shí)天線座線速度為0.6 m/s，密封環(huán)尺寸為Φ1 500 mm,由于機(jī)載雷達(dá)風(fēng)動(dòng)載荷和振動(dòng)沖擊工況，密封環(huán)需具有一定的彈性補(bǔ)償能力，可以在動(dòng)環(huán)發(fā)生較大變形時(shí)維持端面密封；密封環(huán)要有較好的導(dǎo)電能力，密封環(huán)的接觸電阻要求小于5 Ω。目前這種大尺寸導(dǎo)電動(dòng)密封環(huán)還未見成熟設(shè)計(jì)和工藝，此次課題采用金屬焊接波紋管作為彈性元件、 樹脂石墨為密封環(huán)靜環(huán)開展研究，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了大尺寸導(dǎo)電密封環(huán)占用空間小、適應(yīng)振動(dòng)沖擊工況、較好導(dǎo)電性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命等難題，為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線座密封裝置成功研制提供了保障，對(duì)其它大尺寸導(dǎo)電動(dòng)密封裝置的研制具有借鑒意義。

1 研究任務(wù)及重點(diǎn)概述

1.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)載環(huán)境對(duì)密封環(huán)的尺寸、重量要求非常苛刻，同時(shí)須滿足高可靠、環(huán)境適應(yīng)性、低摩擦力矩、使用壽命等需求。須通過(guò)對(duì)多種密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)比對(duì)，從密封可靠性、加工可行性等多方面分析研究各種設(shè)計(jì)方案，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 彈性元件的選擇

鑒于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的實(shí)際使用條件，該密封環(huán)密封端面因風(fēng)載等原因存在很大的變形，因此需要有較大的補(bǔ)償能力方能保證系統(tǒng)的密封，而該補(bǔ)償能力絕大部分只能由彈性元件來(lái)提供；而且該彈性元件提供的端面比壓必須小于1 kg/cm2，具有良好的導(dǎo)電性和耐低溫性能，這對(duì)彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材質(zhì)都提出了苛刻的要求。

1.3 密封環(huán)的研制

密封環(huán)(靜環(huán))是此密封系統(tǒng)的另一關(guān)鍵元件，其導(dǎo)電性、耐磨耗性、耐低溫性、彈性直接影響系統(tǒng)的可應(yīng)用性和密封性能，同時(shí)考慮密封端面的加工技術(shù)。

1.4 性能評(píng)定方式和可行性研究

如何對(duì)密封系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)定是此研究的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，即必須研究出適宜的方法通過(guò)有限的試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)保證此密封系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期可靠性。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決途徑

2.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，選取了如圖1所示的四種密封結(jié)構(gòu)形式,通過(guò)對(duì)密封效果、摩擦力矩、大尺寸密封環(huán)生產(chǎn)可行性等多方面因素進(jìn)行分析，最后確定了A和D方案作為試樣的研制方案，并對(duì)A和D兩種方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試樣加工和較詳細(xì)的性能試驗(yàn)。

圖1 密封環(huán)縮比件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)對(duì)小尺寸密封元件的研制和性能研究，A方案在DN300尺寸下可以滿足本項(xiàng)目對(duì)密封性、彈性補(bǔ)償能力、使用壽命、摩擦力矩、耐低溫等多方面的技術(shù)要求，特別是可以滿足在密封端面存在較大變形情況下的密封效果。由于大尺寸密封結(jié)構(gòu)的端面尺寸變形具有漸變性，在彈性補(bǔ)償能力保持不變的前提下，該結(jié)構(gòu)型式在大尺寸情況下的密封效果較同等工況下小尺寸的密封效果將更好。

2.2 彈性元件研制

該密封裝置對(duì)彈性元件的要求特別對(duì)其彈性補(bǔ)償能力的要求較高，彈性元件的選擇和質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的密封效果顯得關(guān)鍵。考慮波紋管彈性元件的高補(bǔ)償性和長(zhǎng)期密封性，此項(xiàng)目彈性元件首選波紋管結(jié)構(gòu)，主要是對(duì)波紋管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究選擇，以確保所用波紋管具有較大的彈性補(bǔ)償能力，能提供密封環(huán)適宜和持久的密封比壓。此研究選擇金屬波紋管和橡膠波紋管兩種方案進(jìn)行比對(duì)，金屬波紋管分焊接金屬波紋管和成形金屬波紋管兩大類進(jìn)行研究。

(1) 金屬波紋管的研制和選用

金屬波紋管在此密封系統(tǒng)中不僅起著補(bǔ)償作用，同時(shí)還可以緩沖因密封環(huán)(靜環(huán))磨損、軸向串動(dòng)及振動(dòng)等原因產(chǎn)生的軸向位移。通過(guò)對(duì)金屬波紋管材料的選擇和處理，可以調(diào)節(jié)波紋管的剛度，使波紋管的彈力更趨穩(wěn)定，這樣既有利于穩(wěn)定工作，又減少了磨損。此外，波紋管不但有較好的軸向浮動(dòng)性，而且在傾斜方向的浮動(dòng)性也很好，這樣就保證了磨擦副(密封面)能可靠地貼合，提高了密封性能。采用金屬波紋管可以滿足此設(shè)計(jì)要求的耐低溫性能和導(dǎo)電性能。按照波紋管的成型工藝，金屬波紋管可以分為焊接金屬波紋管和成形金屬波紋管兩大類。

首先考慮焊接金屬波紋管的可行性。焊接金屬波紋管采用不銹鋼薄帶，沖壓成截面為S形的片狀環(huán)形件，再焊接成形。其優(yōu)點(diǎn)在于具有高的彈性補(bǔ)償能力，高變形能力和較好的可設(shè)計(jì)性；缺點(diǎn)在于加工比較困難，總體技術(shù)上具有可行性。

成形金屬波紋管系采用液壓或機(jī)械壓力成型工藝，用不銹鋼薄管擠壓變形而成。優(yōu)點(diǎn)在于加工較為方便，成本較低，缺點(diǎn)是剛度較大，成形過(guò)程中不易保證壁厚均勻，而且軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)密封不十分適合。研究試驗(yàn)后確定以焊接金屬波紋管為首選。

(2) 橡膠波紋管的研制和應(yīng)用。

橡膠波紋管應(yīng)用原理與金屬波紋管相似，其優(yōu)點(diǎn)是具有比金屬波紋管更大的柔性和彈性補(bǔ)償能力，缺點(diǎn)是耐高低溫性能較差，使用壽命相對(duì)較短，特別是導(dǎo)電性能差，大尺寸加工困難。

通過(guò)工藝試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確認(rèn)金屬波紋管彈性元件能滿足項(xiàng)目需求，項(xiàng)目選擇金屬焊接波紋管作為彈性元件。

2.3 金屬焊接波紋管研制

(1) 金屬焊接波紋管設(shè)計(jì)

金屬焊接波紋管彈性補(bǔ)償能力直接決定密封系統(tǒng)的使用壽命和密封效果，波紋管的彈性補(bǔ)償能力通常通過(guò)試驗(yàn)確定，尚無(wú)準(zhǔn)確的計(jì)算公式。彈力的大小取決于波紋管剛度和波紋管的壓縮量，而波紋管的剛度與波紋管的膜片層數(shù)、膜片寬度、膜片厚度、膜片中徑、膜片的成型角、波數(shù)等緊密相關(guān)，其比較可用的經(jīng)驗(yàn)公式有：

(1)

式中：K為波紋管剛度；E為材料彈性模量；τ為膜片層數(shù)(單層為1，雙層為2)；Dm為波片中徑；δ為波片厚度；aw為膜片寬度；α為與成型角、波形、波深、波長(zhǎng)等參數(shù)相關(guān)的參數(shù)。

由該公式可以發(fā)現(xiàn)，波紋管的剛度隨膜片的厚度和膜片寬度的影響十分明顯，并與波片的中徑成正比。因此在設(shè)計(jì)大尺寸波紋管時(shí)，必須考慮這些因素對(duì)波紋管彈力的影響。

通過(guò)制備不同尺寸和結(jié)構(gòu)的波紋管，研究波紋管結(jié)構(gòu)和尺寸變化對(duì)彈力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同波紋結(jié)構(gòu)，尺寸相同，波紋管的彈力與波紋管的波寬、直徑成反比，彈力隨波數(shù)的增加而增加。通過(guò)計(jì)算以及大量試驗(yàn)，估算在波紋管的變形、波寬、波數(shù)不變的情況下，等尺寸波紋管整體彈力將下降至縮比尺寸波紋管彈力的1/3，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)波紋管的波寬、波數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，將波寬由原來(lái)的15 mm減小至11 mm，波數(shù)從單波數(shù)增加為雙波數(shù)，保證在大尺寸情況下仍能保證所需的端面比壓和彈性補(bǔ)償能力。通過(guò)縮比件試驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)的彈力是原結(jié)構(gòu)同尺寸彈力的4倍，理論分析該金屬焊接波紋管結(jié)構(gòu)能夠滿足大尺寸導(dǎo)電密封環(huán)彈性補(bǔ)償需求。

(2) 金屬焊接波紋管制作

在小尺寸試驗(yàn)中，波紋管選用AM350進(jìn)行了大量試驗(yàn)，由式(1)可以發(fā)現(xiàn)，波紋管的剛度與材料的彈性模量成正比，從試驗(yàn)結(jié)果和材料來(lái)源，采用進(jìn)口AM350來(lái)拼接所需大波紋管膜片。完成拼接的圓環(huán)必須經(jīng)過(guò)整平和熱處理，以獲得一定的平整度并消除焊接內(nèi)應(yīng)力，采用水切割成波片，切割成圓形的波片在特制的模具中壓制成一定形狀的膜片，經(jīng)清洗后即可進(jìn)行焊接成波紋管。

波紋管膜片、焊接裝置和工裝準(zhǔn)備完成后即可進(jìn)行波紋管的焊接加工。波片焊接不存在技術(shù)問(wèn)題，但是由于規(guī)格較大，需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，以確保波紋管的焊接質(zhì)量。焊接成的波紋管需經(jīng)過(guò)定型處理，定型處理需有專用定型模具，經(jīng)過(guò)定型的波紋管需在真空條件下進(jìn)行熱處理以消除焊接造成的殘余應(yīng)力，圖2所示為成型的金屬焊接波紋管縮比件。

2.4 密封環(huán)摩擦副研制

(1) 密封環(huán)靜環(huán)研制

鑒于密封端面使用壽命要求，所研制密封環(huán)必需具有較好的耐磨性以確保較長(zhǎng)的使用壽命，密封環(huán)必需具有較好的自潤(rùn)滑性以保證系統(tǒng)具有較小的摩擦阻力，密封環(huán)還必需具有較好的導(dǎo)電性，耐油性、耐低溫性能和較好的回彈性。研究選擇柔性石墨密封環(huán)、導(dǎo)電橡膠密封環(huán)、導(dǎo)電聚四氟乙烯密封環(huán)三種方案進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究，密封用靜環(huán)最后篩選出樹脂石墨和石墨填充聚四氟乙烯作為與金屬焊接波紋管相連接的密封環(huán)。樹脂石墨密封環(huán)利用石墨為基體，通過(guò)壓制、焙燒和多次浸漬呋喃樹脂制備而成，圖3為石墨樹脂密封環(huán)。樹脂石墨密封環(huán)具有較好的導(dǎo)電效果，在靜止?fàn)顟B(tài)基本上處于導(dǎo)通情況，但是缺點(diǎn)是在設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)特別是存在油膜的情況下導(dǎo)電性能迅速下降，為此，考慮將樹脂石墨密封環(huán)作為上端用靜環(huán)，由于上端基本沒有油膜存在，因此系統(tǒng)可以保證一定的潤(rùn)滑性能和導(dǎo)電性能。

圖2 金屬焊接波紋管圖3 石墨樹脂密封環(huán)

小尺寸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨樹脂密封環(huán)和填充聚四氟乙烯密封環(huán)均具有較好的密封性能，能達(dá)到本項(xiàng)目的基本要求。填充改性聚四氟乙烯的變形能力、彈性、自潤(rùn)滑性能和強(qiáng)度均較樹脂石墨為好，在底端采用改性填充聚四氟乙烯作為密封環(huán)，以提高密封效果。填充改性聚四氟乙烯一般采用模壓燒結(jié)工藝制備，用大型模具在常溫下壓制成型，然后在360 ℃燒結(jié)而成。

加工完成的密封環(huán)與波紋管進(jìn)行粘結(jié)成一體，對(duì)于樹脂石墨密封環(huán)的配合主要采用耐低溫導(dǎo)電密封膠進(jìn)行膠結(jié)，而對(duì)于改性聚四氟乙烯的配合考慮采用三元乙丙橡膠O型密封圈。

(2) 密封環(huán)動(dòng)環(huán)研制

采用鑄鐵作為動(dòng)環(huán)摩擦副可以較好滿足本項(xiàng)目的技術(shù)要求，在基本狀態(tài)下具有較好的綜合性能。在大尺寸加工時(shí)可以采用鑄鐵密封環(huán)的單獨(dú)加工然后與天線座結(jié)合一起再加工。

現(xiàn)有天線座可以達(dá)到1.6 μm以上光潔度的條件下，可以采用鎳磷鍍工藝對(duì)材料進(jìn)行表面化學(xué)拋光處理，經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光處理的金屬表面一方面具有導(dǎo)電功能，另一方面材料表面硬度得以提高，耐磨性能得到改進(jìn)，同時(shí)其鏡面光潔度水平可以滿足對(duì)密封端面光潔度的要求。

3 試驗(yàn)評(píng)定

由于實(shí)際密封裝置的特殊性和可靠性要求，如何評(píng)定和確保系統(tǒng)在實(shí)際工況下的密封性能成為本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵之一。包括對(duì)密封環(huán)、波紋管彈性元件基本性能的評(píng)定，壽命研究，整體電性能的研究，以及整體密封結(jié)構(gòu)密封效果的評(píng)定或模擬。主要是根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)產(chǎn)品的基本性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和評(píng)定分析，以測(cè)定其常規(guī)性能。研制的縮比件導(dǎo)電密封環(huán)模擬試驗(yàn)裝置如圖4所示，通過(guò)建立模擬試驗(yàn)裝置研究在模擬工況下密封環(huán)和密封系統(tǒng)的各項(xiàng)性能水平，并由此建立一套性能評(píng)定方法，特別是通過(guò)對(duì)密封環(huán)的磨損速率的測(cè)定和彈性元件失彈或松弛行為的研究來(lái)外推系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用壽命，并由此確定在實(shí)際工況下產(chǎn)品的性能特點(diǎn)以及與實(shí)際應(yīng)用的差距，以此指導(dǎo)密封環(huán)的進(jìn)一步研制和性能提高。

圖4 密封環(huán)模擬試驗(yàn)裝置

用自行研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)完成各試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試及數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)完后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，表1、表2及表3為試驗(yàn)處理結(jié)果。表1，2試驗(yàn)環(huán)境及條件：環(huán)境溫度12 ℃，線速度0.4 m/s；表3試驗(yàn)環(huán)境及條件：常溫～環(huán)境溫度-40 ℃，線速度0.4 m/s。

表1 恒溫條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 恒溫條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 模擬工作環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

縮比件試驗(yàn)結(jié)論：

(1) 靜態(tài)條件下，試驗(yàn)件的接觸電阻很??；在動(dòng)態(tài)條件下，接觸電阻的阻值隨著轉(zhuǎn)速的提高而快速增加，當(dāng)線速度增加到0.28 m/s時(shí)，試驗(yàn)件的接觸電阻已達(dá)到電阻測(cè)量的滿量程9.1 Ω；按理論推算，大尺寸密封環(huán)接觸電阻小于5 Ω，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 潤(rùn)滑油的油面高度低于摩擦端面時(shí)，在靜態(tài)條件下和動(dòng)態(tài)條件下(線速度為0～0.4 m/s)，無(wú)漏油現(xiàn)象。

(3) 隨溫度降低，摩擦力矩值下降，特別是低溫時(shí)的摩擦系數(shù)很小。

(4) 導(dǎo)電柔性密封環(huán)上波紋管的彈性穩(wěn)定。

(5)導(dǎo)電柔性密封環(huán)根據(jù)試驗(yàn)推算的導(dǎo)電柔性密封環(huán)的壽命高達(dá)10 552 h/mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)“大尺寸導(dǎo)電密封環(huán)”的結(jié)構(gòu)、密封材料的選用和加工進(jìn)行分析研究，開展了從小尺寸試件到模擬縮尺寸試件的生產(chǎn)、加工和性能研究，分析了各種密封結(jié)構(gòu)和密封材料在此項(xiàng)目工況下的可行性，并對(duì)實(shí)際尺寸密封環(huán)的生產(chǎn)可行性和應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析。解決了大尺寸導(dǎo)電柔性密封環(huán)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈性元件制作、密封環(huán)研制等關(guān)鍵技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，密封環(huán)縮比件在環(huán)境試驗(yàn)條件下滿足高可靠、導(dǎo)電性、柔性、密封性等要求，并在此基礎(chǔ)上成功研制出等尺寸導(dǎo)電柔性密封環(huán)。該研究突破了大尺寸導(dǎo)電動(dòng)密封環(huán)關(guān)鍵技術(shù)，在工程應(yīng)用上具有可實(shí)現(xiàn)性，采用這樣的密封結(jié)構(gòu)和形式，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸密封結(jié)構(gòu)的可靠動(dòng)態(tài)密封。