船載經(jīng)緯儀俯仰軸系防水動(dòng)密封設(shè)計(jì)

鄧 健

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033）

0 引言

船載經(jīng)緯儀作為陸基靶場(chǎng)測(cè)控的補(bǔ)充和延伸， 可有效提高測(cè)控任務(wù)中布站的范圍和靈活性， 滿足大型航天發(fā)射任務(wù)的需要。 由于船載經(jīng)緯儀要求在復(fù)雜的海洋環(huán)境中工作，在遇到暴風(fēng)雨等突發(fā)惡劣天氣情況時(shí)，如果經(jīng)緯儀防護(hù)圓頂關(guān)閉不及時(shí)， 可能出現(xiàn)雨水或海水沖擊或侵蝕光學(xué)設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞， 因此在船載經(jīng)緯儀在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮防水密封性設(shè)計(jì)。

1 經(jīng)緯儀俯仰軸系結(jié)構(gòu)

俯仰軸系是地平式經(jīng)緯儀跟蹤架的重要組成部分，是光學(xué)系統(tǒng)安裝承載平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于水平軸與四通連接并隨其旋轉(zhuǎn)，貫穿了兩側(cè)的立柱，因此此處的配合間隙需要進(jìn)行動(dòng)密封設(shè)計(jì)。 由于立柱內(nèi)的空間較小，不利于密封結(jié)構(gòu)的排布。并且密封結(jié)構(gòu)受到外側(cè)電機(jī)和編碼器遮擋，無法打開進(jìn)行維修和更換。這就要求密封結(jié)構(gòu)具有高可靠性和較長的使用壽命， 因此俯仰軸與立柱之間的旋轉(zhuǎn)間隙就成為了俯仰軸系的防水密封設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。 本文根為解決上述問題，提出了一種俯仰軸系動(dòng)密封裝置。

圖1 經(jīng)緯儀俯仰軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)工況參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)工況參數(shù)

3 總體密封方案的確定

俯仰軸系的防水密封設(shè)計(jì)， 重點(diǎn)是解決回轉(zhuǎn)軸系的動(dòng)密封問題。 旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封裝置可分為接觸型密封和非接觸型密封兩大類[1]。 常見的接觸型旋轉(zhuǎn)密封包括合成橡膠唇形密封、 聚四氟乙烯唇形密封、O 型圈密封、機(jī)械密封等；非接觸密封包括間隙密封、迷宮密封等。基于俯仰軸系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們選擇機(jī)械密封為主，迷宮密封作為輔的動(dòng)密封方案，密封墊和密封圈作為靜密封，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)是密封性能可靠，能承受較高的壓力；使用壽命長，而且運(yùn)行中基本不需要維護(hù)和修理，摩擦力矩小等。迷宮密封的作用是降低海浪的沖擊壓力，減少灰塵等雜質(zhì)的進(jìn)入，同時(shí)并不會(huì)增加俯仰軸系的摩擦力矩。

圖2 動(dòng)密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 機(jī)械密封設(shè)計(jì)

機(jī)械密封是指在密封流體壓力和彈性元件壓力的作用下， 使密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)接觸面之間產(chǎn)生一個(gè)初始接觸應(yīng)力，阻止流體產(chǎn)生泄漏的裝置。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械密封裝置主要由密封摩擦副、補(bǔ)償緩沖機(jī)構(gòu)、輔助密封圈、回轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成[2]。在結(jié)構(gòu)布局上將機(jī)械密封裝置設(shè)計(jì)到軸承的外側(cè)，節(jié)省了軸向安裝空間。

4.1 密封摩擦副材料的選擇匹配

雖然經(jīng)緯儀俯仰軸系的工作時(shí)長短、轉(zhuǎn)動(dòng)速度很低，但是為了保證光學(xué)系統(tǒng)的清潔，無法使用油液冷卻潤滑，機(jī)械密封裝置始終處于干摩擦狀態(tài)， 這就要求密封摩擦副材料具有較低的摩擦系數(shù)和較高的導(dǎo)熱和耐熱性能。因此本設(shè)計(jì)中選用碳化鎢硬質(zhì)合金做為動(dòng)環(huán)， 浸樹脂碳石墨材料作為靜環(huán)。浸樹脂碳石墨具有自潤滑性，再對(duì)二者配合端面進(jìn)行研磨加工， 可保證其具有較低的摩擦系數(shù)。 同時(shí)他們都具有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，具有較長的使用壽命[3]。

4.2 設(shè)計(jì)選型

補(bǔ)償緩沖機(jī)構(gòu)的作用是通過彈性元件為機(jī)械密封摩擦副提供合理恒定的端面比壓，對(duì)密封面的振動(dòng)、磨損和安裝誤差起到補(bǔ)償緩沖作用，提高使用壽命。本設(shè)計(jì)中選用多彈簧結(jié)構(gòu)，使密封端面的受力與變形更加平滑。

為防止機(jī)械密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)與安裝軸（座）之間發(fā)生泄漏， 必須在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)硅橡膠密封圈密或密封墊作為輔助密封。 它具有彈性恢復(fù)力強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可以補(bǔ)償密封接觸面的磨損和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不規(guī)則。

靜環(huán)一般采用浮動(dòng)支撐， 因此需要設(shè)計(jì)一套具有一定自由度回轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中選用球頭柱銷機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是在動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)摩擦力矩的作用下只產(chǎn)生切向力，減少靜環(huán)振動(dòng)或傾斜而造成的泄漏。

4.3 摩擦副尺寸參數(shù)的確定

通過合理的設(shè)計(jì)摩擦副的尺寸參數(shù)，可以提高機(jī)械密封的密封性能和使用壽命。機(jī)械密封設(shè)計(jì)中通常將硬度低的材料做成窄環(huán)， 這樣可以減輕軟材料在運(yùn)動(dòng)過程中的磨損程度，提高整體的使用壽命[4]。 窄環(huán)的端面寬度b 和高度h 是重要的參數(shù)，主要由材料的強(qiáng)度、剛度以及耐磨損能力確定，通過查手冊(cè)確定本設(shè)計(jì)中b=6mm，h=3mm。

動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的間隙應(yīng)合理選擇， 既能作為定位配合，又要容許溫升后的形變。本設(shè)計(jì)中靜環(huán)與軸的間隙取3mm，動(dòng)環(huán)與軸的間隙設(shè)計(jì)為1mm。

5 機(jī)械密封性能仿真分析

機(jī)械密封在工作中， 摩擦副在流體壓力和摩擦作用下會(huì)發(fā)生變形而產(chǎn)生泄漏。 而機(jī)械密封的變形多發(fā)生在硬度較低的浸樹脂石墨環(huán)上， 因此我們著重對(duì)其進(jìn)行分析，該材料的參數(shù)見表2。

表2 碳石墨靜環(huán)材料參數(shù)

5.1 溫度場(chǎng)分析

由于干摩擦機(jī)械密封工作過程中會(huì)不斷產(chǎn)生熱量，使密封端面產(chǎn)生熱變形， 因此我們首先對(duì)動(dòng)環(huán)進(jìn)行熱分析，求出它的溫度場(chǎng)分布。 為簡化熱分析邊界條件，在分析中假定動(dòng)環(huán)與靜環(huán)、靜環(huán)與軸的接觸邊界絕熱，只考慮摩擦產(chǎn)生的熱流密度以及靜環(huán)與密封介質(zhì)的對(duì)流換熱。摩擦產(chǎn)生的熱流密度可由經(jīng)驗(yàn)公式（1）近似計(jì)算；靜環(huán)環(huán)與密封介質(zhì)間的對(duì)流換熱系數(shù)可由公式（2）計(jì)算[5]。 設(shè)環(huán)境溫度為20℃， 熱分析邊界條件施加方式和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 碳石墨靜環(huán)的熱分析邊界條件施加方式

式中：qr—密封端面摩擦產(chǎn)生的熱流密度；f—密封摩擦副間的摩擦系數(shù)；pcr—密封端面的比壓；n—俯仰軸系的轉(zhuǎn)速。

式中：Rec—密封介質(zhì)旋轉(zhuǎn)攪拌效應(yīng)下的雷諾數(shù)；為Ref—密封介質(zhì)產(chǎn)生軸向繞流現(xiàn)象下的雷諾數(shù)；Pr—普朗特常數(shù)；d—靜環(huán)外徑；λ—流體的導(dǎo)熱率。

圖4 碳石墨靜環(huán)溫度場(chǎng)分布和溫度梯度計(jì)算結(jié)果

由溫度場(chǎng)分析結(jié)果可知， 密封端面處的溫度最高為39.2℃，溫度梯度也最大。 碳石墨靜環(huán)的溫度沿軸向和徑向遠(yuǎn)離端面的方向逐漸降低， 總體溫度處于材料可承受的溫度范圍內(nèi)。

5.2 結(jié)構(gòu)熱-力耦合分析

圖5 碳石墨靜環(huán)結(jié)構(gòu)力學(xué)邊界條件

碳石墨靜環(huán)的結(jié)構(gòu)力學(xué)邊界條件如圖5 所示， 在密封端面處施加軸向約束，在回轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)作用處施加徑向位移約束。 由于轉(zhuǎn)速較低可忽略氣膜反壓的影響，靜環(huán)主要受到密封介質(zhì)壓力、彈簧壓力和摩擦力矩的作用。

利用分析軟件的熱力學(xué)模塊和靜力學(xué)模塊對(duì)密封靜環(huán)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)分析，將熱分析結(jié)果作為熱載荷施加到靜力學(xué)分析模型中， 得到靜環(huán)的變形云圖如圖6所示。 可以看到靜環(huán)的最大變形發(fā)生在接觸面上， 總體的變形量較小。

圖6 靜環(huán)在熱-結(jié)構(gòu)邊界條件下的變形云圖

6 結(jié)論

本文根據(jù)船載經(jīng)緯儀俯仰軸系的使用要求和工況參數(shù)， 通過比較各類動(dòng)密封裝置的優(yōu)缺點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了一套機(jī)械密封裝置。 在設(shè)計(jì)中著重考慮了機(jī)械密封的摩擦副材料的選型以及尺寸參數(shù)、密封結(jié)構(gòu)的組成、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)布局以適應(yīng)緊湊的軸向安裝空間。 最后通過有限元仿真得到了密封靜環(huán)的溫度場(chǎng)分布以及熱-結(jié)構(gòu)邊界條件下的變形，驗(yàn)證了該機(jī)械密封裝置的有效性。