艦載精密跟蹤設備動密封防水設計技術研究

房建斌 嚴榮軍

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

隨著我國從近海走向遠海以及武器裝備實戰化要求，大量艦艇裝備不斷地走向大洋的深處，經歷各種各樣實際使用條件下復雜海況的考驗。

對于安裝在艦艇甲板上的雷達、光電、艦炮等武器裝備的方位、俯仰等旋轉部位的密封防水設計，在保證武器裝備的跟蹤速度、加速度等快速響應和高精度指標的前提下，如何解決降低摩擦力矩、提高摩擦壽命、滿足嚴酷環境適應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 密封結構形式選擇及原理分析

為確保武器裝備的伺服性能指標，該類裝備的旋轉部位一般采用迷宮結構的非接觸動密封方式[1]。由于方位旋轉一般尺寸較大，工程上實現比較困難，因此，本文以方位旋轉為例進行技術分析。

1.1 常用迷宮方式

機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常采用的錯列型(鋸齒型結構)迷宮方式進行研究。

1.2 迷宮密封原理分析

迷宮密封是在轉軸周圍設若干依次排列的環形密封齒，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(液體)在通過曲折迷宮的間隙時產生阻力并使其流量減小形成迷宮效應而達到阻漏目的，從而實現密封[2]。影響迷宮密封效果的因素主要有迷宮效應、迷宮參數和填充的潤滑脂等。

1.2.1 迷宮效應影響

1)摩阻效應

泄漏液體在密宮內流動時，產生的沿程摩阻和局部摩阻構成摩阻效應。前者與通道長度和截面形狀有關，后者與迷宮的彎曲數和幾何形狀有關。當流道長、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

當泄漏液體通過迷宮縫口，會因慣性的影響而產生收縮，流速截面變小。

因此，二者效應越明顯，能量散損愈多，泄漏量隨著愈小，以達到阻止泄露的目的。

1.2.2 迷宮參數影響

1)齒數影響

齒距一定時，齒數越多，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

迷宮的缺點存在泄漏量，單獨采用迷宮密封幾乎做不到完全沒有泄露，為解決此問題，消除迷宮內的間隙，在迷宮內涂滿潤滑脂，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、觸變性，有效地阻止液體進入迷宮，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

工程上經常采用徑向迷宮+潤滑脂的單一迷宮密封形式，其結構如圖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

通過國內調研，為解決設備滿足水流沖擊的防水要求，國內相關單位設計團隊大量采用徑向迷宮(含潤滑脂)+旋轉油封的設計思路，如圖2所示。

圖2 徑向迷宮(含潤滑脂)+旋轉油封

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、抗擊臺風等更為惡劣環境下的防水淹要求。

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，會帶來隨著旋轉軸經增大摩擦力矩非線性大幅增加，對伺服控制系統性能影響較大，僅適用于旋轉軸頸較小的情況。二是油封屬于壽命元器件，隨著使用發生磨損會帶來密封效果下降。

2 組合式動密封設計

為解決既不影響此類武器裝備伺服跟蹤性能要求，又具有優良的防水密封能力，本文提出了一種組合迷宮動密封結構方式：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 組合迷宮結構設計

2.1.1 結構形式

如圖3所示，沿著旋轉軸線，組合迷宮位于固定部分和轉動部分的結合端面附近。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°夾角設置。

圖3 組合迷宮位置及結構

組合迷宮的具體結構形式：

1)徑向迷宮結構：分別在固定部分和轉動部分的端面設計加工有矩形齒，二者裝配而成；

2)儲油槽結構：在結合端面下端，沿固定部分外部一周，設計加工有矩形槽，它和與轉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計有加注潤滑脂的小孔。

3)軸向迷宮結構：在儲油槽下部，沿固定部分外部一周和圓形蓋板一周，分別設計加工有梯形齒，二者裝配形成。

轉動時，固定部分保持靜止，轉動部分和圓形外檔圈一起轉動，實現組合迷宮三個組成部分(徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮)均參與運行。

2.1.2 組合迷宮相關參數

徑向迷宮齒形為矩形結構，軸向迷宮齒形為梯形結構，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

裝配時在徑向迷宮和軸向迷宮均涂有潤滑脂，涂量達到齒槽的三分之一高度；儲油槽內注滿潤滑脂。

2.2 組合迷宮性能分析

2.2.1 密封性能分析

1)內部密封機理分析

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，節流作用增強；

③組合迷宮在徑向和軸向的兩組齒間距和方向發生巨變，迷宮齒數增加2.5倍；

④組合迷宮的結構形式，使得泄露流體首先必需要通過軸向迷宮縫隙爬升，因為泄露流體自身質量影響，流速顯著降低；同時因軸向迷宮影響而產生顯著收縮，流速截面變小，因此到達徑向迷宮的泄露非常困難；

⑤組合迷宮的儲油槽和迷宮內的潤滑脂，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，可以長期保存；儲油槽內的潤滑脂可以自行補充到軸向迷宮。

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備的瞬態示意圖如圖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入少量水流，根據內部密封防水機理分析，極難達到徑向迷宮。

3)防水淹分析

組合迷宮內部的潤滑脂，長期有效阻斷了水淹下的泄露；設計的軸向迷宮梯形齒形，具有一定的排水功能；設計的長通道有效延緩泄露水流進入設備的時間。在艦艇穿浪、臺風等環境下具有較好的防水淹密封能力。

2.2.2 其他性能分析

組合迷宮設計，仍然為非接觸式動密封方式，摩擦力矩幾乎不增加、轉動慣量增加極小，對設備的諧振頻率幾乎沒有影響，確保設備伺服系統設計的指標要求。

組合迷宮適應性更好、可靠性高。可避免接觸式動密封的磨損、壽命受限等問題；采用同一類材料加工制造，結構簡單，避免了環境溫度變化時的卡死或者松動等現象；與原設備融為一體，外形美觀。

3 試驗驗證及實際防護效果分析

為有效、真實地驗證組合迷宮的防水能力，實驗采用：淋雨、高壓沖水和模擬穿浪、海浪沖擊的水淹試驗三種試驗組合進行防水驗證。

3.1 試驗狀態

實驗分為模型驗證和后期實際設備試驗兩個階段、三種狀態進行驗證。

狀態一：徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮均涂抹潤滑脂；

狀態二：僅徑向迷宮涂抹潤滑脂；

狀態三：徑向迷宮、儲油槽、軸向迷宮均未涂抹潤滑脂。

3.2 實驗結果

試驗結果如表1所示。

表1 不同設備狀態下的試驗結果

4 結束語

本文主要為解決艦載甲板外露武器裝備旋轉動密封防水問題，以方位旋轉為例，進行了充分的調研、咨詢和實際觀測，從工程技術角度進行了理論分析、結構優化設計、試驗驗證等大量的工作，積累了大量的數據和經驗，取得了非常好的實際效果，滿足了裝備的實際需求。