液體旋轉關節(jié)的設計*

常 健，趙克俊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

液體旋轉關節(jié)的設計*

常 健，趙克俊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷達威力的提升使傳輸流量和耐壓等級不斷得到提高，進而對液體旋轉關節(jié)提出了更高要求(如高可靠、長壽命、大流量和高耐壓等)。因此有必要對液體旋轉關節(jié)的設計特點進行研究。文中結合液體旋轉關節(jié)的工作原理和特點，從結構形式和密封方式2方面進行了重點闡述，總結出徑向排布式和軸向排布式2種典型結構以及油封密封、機械密封和組合密封3種典型密封方式，并對比分析了它們的特點和適用范圍，指出液體旋轉關節(jié)設計的關鍵技術是選擇合適的動密封技術和保證旋轉關節(jié)工作時的同心度，最后對其應用前景進行了展望。

液體旋轉關節(jié)；結構形式；密封方式

引 言

液體旋轉關節(jié)(又稱水鉸鏈)在雷達冷卻系統(tǒng)中起著旋轉連接的作用，它將液冷機組中的冷卻液提供給轉動的天線設備冷卻系統(tǒng)，并確保冷卻液的循環(huán)流通。水鉸鏈的性能穩(wěn)定與否關系著雷達冷卻系統(tǒng)的整體性能[1-2]。隨著機相掃雷達的廣泛應用，水鉸鏈已成為雷達系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分[3]。大型雷達(如新一代雷達)對冷卻系統(tǒng)的要求越來越高，因而對水鉸鏈的性能提出了更高的要求，如高可靠、長壽命、大流量和高耐壓等。要設計出滿足雷達冷卻系統(tǒng)要求的水鉸鏈，總結分析其設計特點是必不可少的。

水鉸鏈設計的關鍵點是在滿足總體及冷卻系統(tǒng)工作壓力、流量要求的前提下，使動環(huán)與定環(huán)之間的旋轉動密封可靠，選擇行之有效的密封方式，確定滿足表面粗糙度和耐磨性要求的接觸面形式，從而提高密封效果與壽命。結構設計同時還應考慮水鉸鏈的可維護性和可維修性[4-6]。本文重點從結構形式和密封方式2方面進行了探討，以供同類產(chǎn)品設計參考。

1 水鉸鏈的工作原理及結構特點

雷達上應用的水鉸鏈一般由一個雙通道的方位水鉸鏈和若干個單通道的俯仰水鉸鏈組成，完成雷達地面設備與雷達天線陣面設備之間相互旋轉時冷卻液的供給和回收功能，水鉸鏈工作原理如圖1所示。

圖1 水鉸鏈的工作原理

水鉸鏈一般由動環(huán)、定環(huán)、進水口、出水口、回進水口、回出水口、軸承、靜密封和動密封等組成，如圖2 所示。定環(huán)上設有進水口和回出水口，而動環(huán)上設有出水口和回進水口。其中，定環(huán)與天線座底座固定，相對大地不動，而動環(huán)與天線座轉臺固定，隨轉臺一起旋轉。定環(huán)的進水口與動環(huán)的出水口之間的流體通道為高壓腔，動環(huán)上的回進水口與定環(huán)上的回出水口之間的流體通道為低壓腔。工作時，由液冷機組供應的冷卻液經(jīng)過高壓腔流向天線設備的冷卻系統(tǒng)中，流回的冷卻液再經(jīng)過低壓腔返回到液冷機組。由于進水的壓力高于回水的壓力，因而確保了冷卻液的循環(huán)流通。另外，定環(huán)中間設有中心孔，用于水鉸鏈上下之間的光纖電纜、信號電纜和電源電纜走線。

圖2 水鉸鏈的結構簡圖

為了防止冷卻液的泄漏，定環(huán)與動環(huán)之間必須采取一定的密封措施。密封組件作為水鉸鏈的核心部件，其性能的好壞直接影響到水鉸鏈的密封效果和壽命。因此，密封組件需滿足密封可靠、摩擦阻力小、壽命長、安裝維修方便等要求。

2 水鉸鏈的設計

水鉸鏈設計最關鍵的2個環(huán)節(jié)是結構形式的確定和密封方式的選擇，下面將從這2方面進行重點闡述。

2.1 結構形式的選擇

一般雙通道(或多通道)的水鉸鏈中冷卻液通道有徑向和軸向2種排布方式。因此，相應的水鉸鏈結構形式也有2種：徑向排布式和軸向排布式，如圖3 和圖4所示。

圖3 徑向排布式水鉸鏈結構

圖4 軸向排列式水鉸鏈結構簡圖

對比這2種結構形式的水鉸鏈可以看出：雖然兩者管接頭通徑都是Φ70 mm，但兩者的外形尺寸差別很大。徑向排布式水鉸鏈的軸向尺寸較大，但徑向尺寸較小；而軸向排布式水鉸鏈的軸向尺寸較小，徑向尺寸較大。由此可見，在徑向空間限制較為嚴格、軸向空間較為寬松的情況下，水鉸鏈可以選擇徑向排布式的結構形式。反之，則選擇軸向排布式的結構形式。

2.2 密封方式的選擇

鑒于水鉸鏈的工作特點，水鉸鏈的動密封為旋轉密封。根據(jù)通常的指標要求，結合我國目前的生產(chǎn)工藝及材料供應情況，成功應用在水鉸鏈上可靠性比較高的旋轉密封主要有油封密封、機械密封和組合密封3種方式。其中，油封密封和組合密封都屬于圓周(徑向)密封，機械密封屬于端面(軸向)密封[7-8]。

2.2.1 油封密封

油封密封是一種自緊式橡膠唇形密封。油封裝到軸上后，其刃口的壓力和自緊彈簧的收縮力對密封軸產(chǎn)生一定的徑向抱緊力，遮斷泄漏間隙，達到密封目的。圖5為其密封結構簡圖。

圖5 旋轉油封的密封結構簡圖

油封的優(yōu)點是安裝位置小，軸向尺寸小，使機器結構簡單、尺寸緊湊，密封性能好，使用壽命較長，裝拆容易，檢修方便，成本低廉，對機器的振動和主軸的偏心都有一定的適應性。缺點是普通油封的使用壓力一般不超過0.05 MPa(一般國產(chǎn)耐壓型油封最高使用壓力不超過3 MPa，國際上最高不超過10 MPa)，對軸的尺寸也有限制，適用于尺寸不大的旋轉傳動裝置。

對于壓力要求不高，密封軸軸徑較小的水鉸鏈可以選擇旋轉油封密封。目前，油封主要用于低壓潤滑系統(tǒng)的旋轉密封，在各類液壓泵、液壓馬達的旋轉軸上得到廣泛應用。

2.2.2 機械密封

機械密封(又稱端面密封)是由平面摩擦副(由一對或數(shù)對動環(huán)與靜環(huán)組成)構成的密封裝置。光滑而平直的動環(huán)和靜環(huán)的端面，靠彈性構件和密封介質(zhì)的壓力互相貼合并作相對轉動，端面間維持一層極薄的液膜而達到密封的目的。其結構簡圖如圖6所示。

圖6 機械密封結構簡圖

機械密封具有性能可靠、泄漏量小、使用壽命長、端面能自動補償、對軸無磨損、無需經(jīng)常維修等優(yōu)點，能滿足生產(chǎn)過程自動化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性介質(zhì)、含固體顆粒介質(zhì)等苛刻工況的密封要求。缺點是結構復雜，對密封零件的加工精度和安裝要求較高，制造成本較高，出現(xiàn)緊急故障時不易采取應急措施。

在高溫、低溫、高壓、高速和介質(zhì)不純或有強腐蝕性等比較苛刻的工況下，對壽命要求特別高的水鉸鏈可以選擇機械密封。機械密封一般與其他密封配合使用。目前，機械密封主要用于泵、釜、壓縮機、液壓傳動和其他類似設備的旋轉軸密封。

2.2.3 組合密封

組合密封一般是利用2種不同種類密封件的優(yōu)點組合形成的一種新型密封形式。通常利用薄唇結構的增強聚四氟乙烯(PTFE，也有采用尼龍材料的)滑環(huán)作為主要密封體，橡膠彈性體(一般為O型密封圈，也有采用金屬彈簧的)作為彈性補償體，從而達到密封的目的。當前應用在水鉸鏈上的組合密封有旋轉格來圈、車恒德密封、愛科密封和彈簧蓄能密封圈等。以車恒德密封為例，其結構簡圖如圖7所示。

圖7 車恒德密封的結構簡圖

組合密封具有結構簡單、安裝方便、摩擦力小、無泄漏、密封性能可靠、密封性可調(diào)節(jié)、工作壽命長、耐溫范圍可調(diào)節(jié)和性價比高于機械密封等優(yōu)點，但是對密封部位旋轉軸的圓度(由尺寸而定)、表面粗糙度Ra(一般Ra≤0.4)和表面硬度(一般洛氏硬度HRC≥55)要求比較高，并且旋轉軸的設計必須與組合密封相匹配(包括兩者的摩擦系數(shù)和耐磨性等)。由于水鉸鏈主體結構采用的不銹鋼材料比較軟(表面洛氏硬度不超過HRC55)，因此密封部位的旋轉軸表面均需進行強化處理。目前，旋轉軸的強化處理方式主要是在表面鍍涂一定厚度的硬化層(鍍硬鉻、噴涂陶瓷或滲氮等)和在表面鑲嵌一個陶瓷環(huán)等。在表面鑲嵌陶瓷環(huán)占據(jù)的空間比較大，而且成本也比較高，因此目前常采用前2種方式。另外，在設計、加工和裝配過程中，只有保證各個零部件的同軸度，才能保證水鉸鏈可靠地長時間工作[9-10]。

在旋轉軸的圓度、表面粗糙度和表面硬度以及各個零部件的同軸度滿足組合密封設計要求的前提下，水鉸鏈一般均可選用與旋轉軸的設計相匹配的組合密封。目前，組合密封廣泛應用在石油、化工、冶金、液壓、氣動以及軍事工業(yè)等行業(yè)的泵、馬達、齒輪箱、減速機、反應釜等旋轉軸的動密封部位，也可應用于一般往復運動密封。

3 關鍵技術

水鉸鏈圍繞中心軸旋轉工作，其核心技術是動密封技術，動密封對旋轉過程中的同心度要求比較高，因此要保證水鉸鏈的可靠性，必須保證其同心度。首先，在設計、加工和裝配過程中，必須保證旋轉軸的同軸度和集成到雷達轉臺后的同心度；其次，軸承的選取和分配要合理，應采取相應措施消除軸承的游隙，以防止在水鉸鏈旋轉工作過程中因軸承偏擺出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。

動密封的裝配要求也很高。對裝配環(huán)境的潔凈度要求幾乎接近對潔凈廠房的要求。裝配前必須去除與安裝密封件有關的零部件的毛刺，對棱邊進行倒圓處理(即密封件安裝的路徑中不能有任何可能損傷密封件的異物)，認真清洗并擦凈被密封的基體零部件，嚴防切屑、砂粒等異物進入密封基體腔內(nèi)；不應使用帶尖邊的工具或進行野蠻安裝；被密封的基體零部件和密封件必須涂有不含顆粒添加劑的潤滑脂，且此潤滑脂必須與密封件材料相容；安裝時要沿圓周方向均勻地將密封件推入密封槽中。此外，對于采用閉式溝槽的動密封，要配備相應的裝配工裝(如芯軸)，安裝前應對有關零件及芯軸進行清洗并涂潤滑脂，安裝時要采取相應的措施確保密封件不受到損傷。

4 結束語

水鉸鏈是雷達系統(tǒng)十分重要的組成部分。水鉸鏈的設計除了需重點考慮以上2個方面外，在結構設計前還需根據(jù)流量指標計算并確定其接口管徑大小，在結構設計中還需考慮水鉸鏈加工和裝配的難易程度、可維護性和可維修性等。對于選擇圓周密封的水鉸鏈，還需重點考慮與旋轉密封相匹配的旋轉軸的設計。

目前，采用車恒德密封的徑向排布式水鉸鏈和采用愛科密封的軸向排列式水鉸鏈均已得到成功應用。水鉸鏈可以應用在所有需要液冷系統(tǒng)的雷達上，也可以作為固定底座向轉動部件傳遞動態(tài)液壓的旋轉關節(jié)，加以推廣應用。

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[3] 宋克雙, 顧吉豐. 水鉸鏈壓力損失的有限元分析與測試驗證[J]. 電子機械工程, 2012, 28(4): 62-64.

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[5] 王良英. 機械動密封、自動補償水鉸鏈的研制[J]. 電子機械工程, 2000, 16(1): 9-13.

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常 健(1985-)，男，工程師，主要從事特種機電設計工作。

聲 明

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Design of Liquid Rotary Joint

CHANG Jian，ZHAO Ke-jun

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

With the increase of the radar power, the transmission flow and pressure levels are continuously improved and thus higher requirements for the liquid rotary joint are put forward such as high reliability, a long life, high flow, high pressure, et al. Therefore, it is necessary to study the design characteristics of the liquid rotary joint. In this paper, according to the work principle and the characteristics of the liquid rotary joint, two typical structural styles (radial arrangement and axial arrangement) and three typical sealing methods (oil sealing, mechanical sealing and combined sealing) are summarized. And their characteristics and applications are compared. It is pointed out that the key techniques in the design of liquid rotary joint are to select suitable dynamic sealing technology and to ensure the concentricity of the liquid rotary joint under work. Finally, the application of the liquid rotary joint is prospected.

liquid rotary joint; structural style; sealing method

2016-08-08

TN957.8

A

1008-5300(2016)06-0033-04