某型雷達旋轉關節的動密封設計分析

【摘要】本文在分析某型雷達旋轉關節結構設計的基礎上，通過試驗驗證的方法了解漏氣故障的發生原因，并對原有設計進行了改進，使旋轉關節的氣密性要求得到滿足，所涉及的設計思路與方法值得在今后的相關工作中加以借鑒和應用。

【關鍵詞】雷達；旋轉關節；動密封設計

1.引言

機載雷達系統的波導旋轉關節使微波信號在靜態的發射系統、接收系統以及動態的天線系統間傳遞，所以既要滿足插損、駐波比等電訊要求，又要做到結構可靠、轉動靈活，是整個系統中最為關鍵的部件之一。為了滿足綜合環境應力作用下對于波導饋線系統最大傳輸功率的要求，使機載雷達系統在惡劣的工作環境下依然能夠發揮應有效果，往往需要對整個大功率充氣加壓波導饋線系統進行密封處理，其中旋轉關節的密封屬于動密封，是整個操作過程中最為薄弱的環節，其動密封設計的可靠性和使用壽命的保障也因此成為雷達系統結構設計的難點問題。本文在對某型旋轉關節動密封設計進行分析的基礎上，通過蓄能密封技術對關節的旋轉動密封進行了設計，并對設計結果進行試驗驗證。

2.某型雷達的旋轉關節結構設計

某型雷達出于對空間體積要求的考慮，采用旋轉關節的微波傳輸、運動傳遞一體化的設計方案，即旋轉關節同時作為微波信號傳遞器件和天線座伺服傳動軸。該設計方案的優勢在于使結構更為緊湊、使空間得到有效節約；缺陷在于，俯仰旋轉關節連接天線，天線的不平衡力矩、重量全部作用于方位旋轉關節，方位旋轉關節實際為兩端簡支梁結構。

在低氣壓環境下，波導饋電系統依然要滿足大功率傳輸的要求，為此，必須對系統進行充氣加壓處理，密封設計的可靠性問題隨之產生。根據以往的研究成果，可采取雙O型密封圈串聯結構，但該結構形式存在三方面缺陷：首先，旋轉關節的結構相對復雜，對于尺寸精度一直有著較高的要求，裝配難度相對較高，在采取雙O型密封圈串聯結構后，無論是加工還是裝配難度都會出現進一步的提升，很難滿足精度要求。其次，O型密封圈的使用性能在低溫環境下無法得到應有的發揮，若氣溫低于-55℃，就非常容易出現漏氣問題，可靠性不足。最后，O型密封圈的性質會隨著溫度變化而發生大范圍波動，關節的旋轉力矩也會因此出現較大幅度的改變，提高伺服系統的設計難度。

為了避免以上問題，本文采取高性能彈簧蓄能密封圈設計（下簡稱密封圈），其中，彈簧蓄能器采用1717PH不銹鋼，密封夾套材料采用自潤滑有機填充PTEE，能夠滿足-260℃～+315℃條件下的密封要求，其外形如圖2所示。密封圈安裝結束后，夾套唇邊會緊貼封面并形成密封，密封夾套所需的永久彈力由彈簧的彈力提供，配合零件的偏心、偏移問題以及材料的磨損問題也由此彌補。與此同時，被密封的關節充壓后，其壓力高于外界，并為密封壓套蓄能提供輔助作用，使密封有效性在任何環境下都能得到有效保障。

該密封圈的彈簧負荷能夠同時滿足低溫密封所需的高負荷要求以及動態應用過程中非常苛刻的低摩擦要求。旋轉關節的線速度較低，在應用該密封圈并加壓后，不會與旋轉軸之間產生較大的摩擦，由于雷達伺服形式為雙電機驅動，所以摩擦力矩對伺服的微弱影響完全可以不予考慮。圖3為方位俯仰旋轉關節的密封設計。

3.試驗結果與問題分析

該雷達的溫度—高度試驗結果表明，若環境溫度高于-45℃，則旋轉關節的氣密封符合檢查要求；若環境溫度降低至-55℃，則旋轉關節就會開始發生漏氣問題。此時，將環境溫度重新提升至-45℃，氣密性檢查結果重新變為合格。

在發現這一問題后，對密封圈的使用與設計進行了重新分析，分析結果表明，密封圈使用性能的有效發揮對于關節同軸度有一定的要求。在旋轉關節中，軸孔、密封圈接觸部位的聚四氟乙烯襯套是影響關節同軸度的重要部件，在原有設計中采取了間隙配合的方法，目的是使裝配難度得到有效控制。在采用這種設計方式后，聚四氟乙烯襯套在低溫環境下的收縮現象會增加同軸度，這也是導致漏氣問題的主要原因。在前文的討論中我們曾經提到，旋轉關節在使用過程中會受到不平衡力矩的作用。而在設計中，旋轉關節的定子、轉子間的連接通過一個標準軸承完成，即定子、轉子實際上屬于懸臂梁形式。受軸承徑向游隙的影響，在使用過程中，定子和轉子的同軸度會出現跳動，同軸性能會隨著離開軸承尺寸的增加而下降，并導致密封圈半圈受拉力、半圈受壓力的問題，在低溫環境下，該問題的存在極易引起密封圈的損傷，這也是導致漏氣現象的另一個主要原因。

為了使分析結果更為準確，對發生漏氣問題的旋轉關節進行了分解，在對比裝機密封圈、新密封圈的過程中發現，有0.15mm的尺寸未得到回彈。同時，對兩件新的密封圈進行了對比，在實際使用后，1、2號密封圈分別有0.1365mm和0.151mm的尺寸未得到回彈，如表1、2所示。密封圈使用手冊對于密封配合尺寸公差未提出較高的要求，所以在原有設計中，定子、轉子波導的配合尺寸公差相對較高，受此影響，密封圈的壓縮量未能滿足相關要求，進而引起密封圈的漏氣問題。

在對設計圖紙進行重新檢查后發現，聚四氟乙烯襯套作為確保密封圈同軸性的重要部件，存在著尺寸公差過大的問題，其外徑mm，其外徑mm，與定子、轉子波導的最大間隙均為0.1mm。若工作環境的溫度過低，同軸度會在聚四氟乙烯襯套發生收縮后變得更差，使氣密環境進一步惡化，并最終引起漏氣問題。

對于旋轉關節配合表面的粗糙度檢查結果為Ra 1.6μm，設計圖紙的要求為Ra 0.8μm，可見零件的粗糙度未能滿足設計圖紙所提出的要求，這也是導致漏氣問題的原因之一。進一步檢查結果表明，加工精度不足是導致粗糙度不達標的主要原因。

4.對于原有設計的改進與試驗

結合以上分析與檢查結果，對旋轉關節密封配合面的尺寸公差進行了相應的提升，即將定子波導孔尺寸、轉子波導軸尺寸的公差等級由IT8級提高至IT7級，軸尺寸改為mm，孔尺寸改為mm。同時，在旋轉關節的定子、轉子波導間增設一個標準軸承，使其結構變為兩端支撐，以此確保密封圈使用性能正常發揮所需的同軸度，此時，聚四氟依稀襯套的作用僅為對密封圈竄動加以限制。圖4為方位俯仰旋轉關節的改進示意圖。

通過以上改進，重新進行的溫度—高度試驗結果表明，設備具有優異的低溫性能，投入實用后，設備表現出了非常可靠的工作穩定性，裝配操作也能夠非常順利的進行，充分說明改進設計方案具有較高的科學性和合理性。

5.結語

本次研究對某型旋轉關節進行設計、分析和改進，試驗與實際應用的結果表明，所采取的動密封設計方案滿足了旋轉關節對于氣密性的要求，研究所涉及的設計方法和思路可以在今后相關工作中加以借鑒和應用。

參考文獻

[1]查金水，許越寧.某雷達饋線系統的充氣密封裝置設計[J].電子機械工程，2011，27（3）：31-33.

[2]陳剛，仙錦.防水透氣閥在雷達密封腔體中的應用[J].電子機械工程，2012，28（2）：12-14.

作者簡介：

田一成（1985—），男，遼寧沈陽人，助理工程師，研究方向：重型機械。

包俊群（1985—），男，吉林省吉林市人，大學本科，助理工程師，研究方向：車輛工程。