坦克周視鏡磁性液體密封的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

陳燕，李德才

(北京交通大學(xué)機(jī)械工程系，北京100044)

軍用坦克系統(tǒng)中的火控系統(tǒng)部分是坦克的重要組成部分，火控系統(tǒng)中的周視鏡的密封問(wèn)題一直是一個(gè)難題。目前，各國(guó)軍用坦克周視鏡轉(zhuǎn)軸的密封結(jié)構(gòu)都采用的是傳統(tǒng)的密封方式，并多為各種型式的毛氈密封，在靜止件上加工出梯形槽，將毛氈按標(biāo)準(zhǔn)制成環(huán)形或帶形，放置在梯形槽中與軸接觸，起到密封作用［1］。

毛氈密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，尺寸緊湊，對(duì)軸的偏心和竄動(dòng)不敏感。但毛氈密封也存在很多問(wèn)題，毛氈密封摩擦力矩較大［1］。所以它會(huì)損耗周視鏡的能量，導(dǎo)致周視鏡轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，影響工作質(zhì)量;傳統(tǒng)的毛氈密封對(duì)于密封圈的磨損較大，密封圈的壽命短，需要經(jīng)常更換密封圈，這樣工作量很大，浪費(fèi)人力物力;毛氈密封的安裝比較困難，若安裝過(guò)緊，會(huì)使毛氈彈力降低，密封性能下降而且壓力過(guò)大，摩擦阻力也會(huì)增大，毛氈會(huì)因過(guò)熱而過(guò)早損壞，若安裝過(guò)松則起不到密封作用;毛氈密封由于摩擦較大，對(duì)與其接觸的軸的加工精度要求很高，還要進(jìn)行拋光處理，加工工藝復(fù)雜，成本很高;毛氈密封可靠性較低，外界的灰塵、雨水、雜質(zhì)都有可能進(jìn)入周視鏡，影響周視鏡的工作。另外，毛氈密封在安裝前，為降低摩擦，避免產(chǎn)生高溫，失去密封能力，必須先用潤(rùn)滑油浸透，所以毛氈在工作過(guò)程中可能漏油，污染周視鏡的工作環(huán)境。總之，傳統(tǒng)的周視鏡密封效果并不好，坦克周視鏡的工作環(huán)境又比較惡劣，在實(shí)際使用過(guò)程中因密封帶來(lái)的問(wèn)題很多，給坦克周視鏡的工作帶來(lái)很多的不便。

為此，采用磁性液體密封成功地解決坦克周視鏡的密封問(wèn)題。磁性液體密封有如下優(yōu)點(diǎn):嚴(yán)密的密封性;不可測(cè)量的泄漏率;使用壽命長(zhǎng);高可靠性;完全無(wú)污染;最佳的扭矩傳遞，傳動(dòng)軸可進(jìn)行100%的扭矩傳動(dòng)而沒(méi)有功率損耗;低的摩擦;運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)［2－5］。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

1.1 坦克周視鏡磁性液體密封的設(shè)計(jì)

1.1.1 坦克周視鏡磁性液體密封結(jié)構(gòu)方案

坦克周視鏡的磁性液體密封結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，密封套采用可導(dǎo)磁材料加工而成，將極靴磁鐵通過(guò)螺母固定在非導(dǎo)磁軸套上，非導(dǎo)磁軸套通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)固定在中間殼體部件上，密封套與一個(gè)空心軸連接，電機(jī)帶動(dòng)空心軸和密封套轉(zhuǎn)動(dòng)，而中間殼體部件以及固定在其上的非導(dǎo)磁軸套、極靴、磁鐵都靜止，在極靴和密封套的間隙中注入磁性液體后，磁鐵、極靴、磁性液體、可導(dǎo)磁密封套就會(huì)構(gòu)成導(dǎo)磁回路，磁性液體就會(huì)充滿密封間隙，形成數(shù)個(gè)液態(tài)的“O”型圈，起到密封作用;另外圖1中的2 個(gè)“O”型密封圈起到了靜密封的作用，防止被密封介質(zhì)通過(guò)配合間隙和螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)入周視鏡。

圖1 坦克周視鏡密封結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Seal scheme of tank panoramic mirror

1.1.2 坦克周視鏡磁性液體密封的設(shè)計(jì)

1)極齒形狀的選取

采用矩形齒結(jié)構(gòu)作為密封極齒，矩形齒磁性液體密封示意圖如圖2所示，其參數(shù)選取:Lt/Lg=3，Ls/Lg=8，Lh/Ls=1.25，其中Lt為齒寬，Lh為齒高，Ls為槽寬，當(dāng)密封間隙取Lg=0.1 mm 時(shí)，Lt=0.3 mm，Lh=1 mm，Ls=0.8 mm.

圖2 矩形齒磁性液體密封示意圖Fig.2 Rectangular teeth of magnetic fluid seal

2)永久磁鐵的設(shè)計(jì)［4］

永久磁鐵軸向長(zhǎng)Lm=2f1H0Lg/Hm，f1為磁路的磁壓損失系數(shù)，一般取f1=1.05～1.55，Hm為組成磁路后永久磁鐵內(nèi)部的實(shí)際工作磁場(chǎng)強(qiáng)度。

永久磁鐵橫截面積

式中:φm為永久磁鐵的磁通;Bm為永久磁鐵工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度;R1為永久磁鐵內(nèi)徑;R2為永久磁鐵的外徑。

得出永久磁鐵的最終尺寸如圖3所示。

圖3 永久磁鐵圖Fig.3 Permanent magnet

根據(jù)以上的計(jì)算分析，加工出了如圖4所示的密封結(jié)構(gòu)。

1.2 磁性液體密封耐壓能力理論計(jì)算

1.2.1 磁性液體Bernoulli 方程

由磁性液體的運(yùn)動(dòng)方程［5］

和磁性液體的連續(xù)性方程［6］

并假設(shè):

1)磁性液體的密度ρf為常數(shù);

2)流動(dòng)是有勢(shì)的;

圖4 磁性液體密封Fig.4 Magnetic fluid seal

3)磁性液體是內(nèi)稟性的。

得出磁性液體Bernoulli 方程的一般形式

式中:C 為常數(shù);p*=p+pm+ps，pm為液體的磁化壓力MdH，ps為磁性液體的磁致伸縮壓力，

對(duì)于磁化強(qiáng)度M 與密度ρf成正比的磁性液體，pm+ps=0 就得到更為簡(jiǎn)單的結(jié)果:

1.2.2 邊界條件

由邊界條件的一般表達(dá)［5］

式中:n0為邊界模的法向單位矢量磁性液體的分界面兩側(cè)參數(shù)分別用下標(biāo)1 和2 表示;τ為表面應(yīng)力，表面張力pc=σ(1/R1+1/R2);

R1和R2是界面曲面的2 個(gè)主曲率半徑;σ 為表面張力常數(shù)，用pc置換(4)式中的(τ1－τ2)，則得

若下標(biāo)2 是屬于一種非磁性的普通流體，下標(biāo)1 是磁化強(qiáng)度M 正比于密度的磁性液體，則有

若下標(biāo)2 表示大氣環(huán)境，p2=pa，1 是表示磁化強(qiáng)度正比于密度的磁性液體，則p1m+p1s=0，又交界面上的表面張力pc可以忽略，則

1.2.3 磁性液體密封耐壓公式假設(shè):

1)磁性液體本身的重力和磁場(chǎng)力相比較，可以忽略;

2)磁力線可以近似用圓弧來(lái)代替，并且認(rèn)為等磁場(chǎng)線與磁力線相重合;

3)忽略鐵磁性液體的表面張力。

將3 個(gè)假設(shè)用(2)式并結(jié)合(6)式得

當(dāng)H1達(dá)到最大值Hmax，H2達(dá)到最小值Hmin，磁性液體兩側(cè)表面的磁場(chǎng)力之差所能平衡的壓力差是最大的，即

又近似假設(shè)，整個(gè)磁性液體密封膜均處于飽和磁化狀態(tài)，則有

1.2.4 密封間隙下磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

由ANSIS 軟件算得密封齒下的磁場(chǎng)分布如圖5所示，在圖5中，橫軸為距離(mm)，縱軸為磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m).

根據(jù)圖5分別得出三齒的最大和最小磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中，Hmax，1=9.75 ×105A/m，Hmax，2=10.15 ×105A/m，Hmax，3=8.50 ×105A/m，Hmin，1= Hmin，2=Hmin，3=2.10 ×105A/m.

1.2.5 結(jié)構(gòu)密封耐壓能力的計(jì)算

圖5 密封間隙下磁場(chǎng)分布圖Fig.5 Magnetic field distribution in gap

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)論

1)耐壓實(shí)驗(yàn):在圖6所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)坦克周視鏡進(jìn)行磁性液體密封的耐壓實(shí)驗(yàn)。用干燥的氮?dú)馄拷o磁性液體密封沖壓120 kPa，該值已遠(yuǎn)大于實(shí)際工作時(shí)所承受的壓力，觀察是否有泄漏。

圖6 車長(zhǎng)周視瞄準(zhǔn)鏡磁性液體密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Experimental setup of MF seal

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

2)低溫實(shí)驗(yàn):在圖7所示的高低溫實(shí)驗(yàn)箱上，對(duì)坦克周視鏡進(jìn)行磁性液體密封的低溫實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)內(nèi)腔充滿干燥氮?dú)猓獨(dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為－53 ℃，純度達(dá)99.99%.超壓(35 ±1)kPa，降溫至－40 ℃，恒溫1 h，通電工作(驅(qū)動(dòng)電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測(cè)量樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為多少?樣機(jī)內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實(shí)驗(yàn)證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為34.6 kPa，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

圖7 高低溫實(shí)驗(yàn)箱Fig.7 Temperature test chamber

3)高溫實(shí)驗(yàn):在圖7所示的高低溫實(shí)驗(yàn)箱上，對(duì)坦克周視鏡進(jìn)行磁性液體密封的高溫實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)內(nèi)腔充滿干燥氮?dú)猓獨(dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為－53 ℃，純度達(dá)99.99%.超壓(20 ±1)kPa，卸除沖氣閥，升溫至+ 50 ℃，恒溫 1 h，通電工作(驅(qū)動(dòng)電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測(cè)量樣機(jī)內(nèi)空氣壓值為多少?樣機(jī)內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實(shí)驗(yàn)證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為19.5 kPa，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

4)濕熱實(shí)驗(yàn):在圖8所示的濕熱實(shí)驗(yàn)箱上，對(duì)坦克周視鏡進(jìn)行磁性液體密封的濕熱實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)內(nèi)腔充滿干燥氮?dú)猓獨(dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為－53 ℃，純度達(dá)99.99%.超壓(20 ±1)kPa，經(jīng)受溫度為60 ℃相對(duì)濕度為95%及30 ℃相對(duì)濕度為95%交變實(shí)驗(yàn)，周期為24 h，進(jìn)行了10 個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動(dòng)電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測(cè)量樣機(jī)內(nèi)空氣壓值為多少?樣機(jī)內(nèi)腔氣壓壓降不大于10%為符合要求。

圖8 濕熱實(shí)驗(yàn)箱Fig.8 Wet－h(huán)ot test chamber

實(shí)驗(yàn)證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為18.6 kPa，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

5)鹽霧實(shí)驗(yàn):在圖9所示的鹽霧實(shí)驗(yàn)箱上，對(duì)坦克周視鏡進(jìn)行磁性液體密封的濕熱實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)內(nèi)腔充滿干燥氮?dú)猓獨(dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為－53 ℃，純度達(dá)99.99%.超壓(20±1)kPa，按用方標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，時(shí)間為48 h，實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動(dòng)電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測(cè)量樣機(jī)內(nèi)空氣壓值為多少?樣機(jī)內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

圖9 鹽霧實(shí)驗(yàn)箱Fig.9 Salt－fog test chamber

實(shí)驗(yàn)證明回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為19.1 kPa，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

6)淋雨實(shí)驗(yàn):樣機(jī)內(nèi)腔充滿干燥氮?dú)猓獨(dú)獾穆饵c(diǎn)溫度為－53 ℃，純度達(dá)99.99%.超壓(20 ±1)kPa，按用方標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行淋雨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min.實(shí)驗(yàn)時(shí)樣機(jī)不通電工作。實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動(dòng)電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測(cè)量樣機(jī)內(nèi)空氣壓值為多少?樣機(jī)內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實(shí)驗(yàn)證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，樣機(jī)內(nèi)腔氣壓值為19.6 kPa，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

3 結(jié)論

1)通過(guò)坦克周視鏡采用磁性液體密封理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明磁性液體密封的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法是正確的。

2)磁性液體密封能夠滿足低溫工作高溫工作、濕熱實(shí)驗(yàn)、鹽霧實(shí)驗(yàn)、淋雨實(shí)驗(yàn)等要求。

3)通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:在坦克周視鏡上采用磁性液體密封是可行的。

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