某艦載雷達天線座方位迷宮防水優(yōu)化設計?

代 睿 嚴榮軍

（1.海軍裝備部 西安 710068）（2.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

艦載主要雷達設備一般尺寸較大，對控制靈敏性及準確性要求較高，因此方位旋轉(zhuǎn)動密封結構上常采用非接觸式動密封結構中的迷宮密封結構[1]，降低天線座摩擦力矩，并在迷宮縫隙中填充潤滑脂等以輔助提高防水性能和防腐性。某艦載雷達設備方位旋轉(zhuǎn)動密封結構采用迷宮密封結構，經(jīng)歷極端氣候條件后迷宮位置發(fā)生進水故障，通過研究分析，該迷宮結構在迷宮參數(shù)選取、外部結構設計等方面均存在不合理之處，無法滿足設備在極端氣候條件下的防水要求。本文針對該故障原因、環(huán)境條件及結合設備特點對原方位迷宮部位進行優(yōu)化改進設計，以提高其防水性能[2～4]。

2 原方位迷宮結構簡介

某艦載雷達方位迷宮結構及位置如圖1所示，上端為天線轉(zhuǎn)動部分，下端為與船體連接的固定部分，中間通過方位軸承連接為一體；方位迷宮由方位轉(zhuǎn)動部分與固定部分裝配后環(huán)形密封齒交錯形成；固定部分密封齒下方支撐結構為錐形斜面結構，斜面與水平方向角度為21°，方位迷宮徑向間隙為1mm，軸向間隙為2mm。

3 原方位迷宮防水失效原因分析

3.1 迷宮結構參數(shù)

迷宮密封結構的旋轉(zhuǎn)件和固定件之間的密封齒之間形成微小的曲折間隙，流體進入迷宮后經(jīng)過多次間隙節(jié)流產(chǎn)生較大的能量損耗，壓頭大幅下降，難以繼續(xù)進入內(nèi)部以實現(xiàn)密封，因此影響迷宮密封效果的主要結構參數(shù)為迷宮間隙，機械手冊規(guī)定的迷宮沿徑向布置軸徑大于180mm時，密封齒徑向間隙最大取0.5mm[5]，如圖2所示e值。

圖1 原方位迷宮結構

圖2 徑向迷宮密封間隙尺寸[5]

經(jīng)檢查，故障迷宮的徑向間隙理論尺寸為1mm，實際裝配尺寸大于1mm，如圖3所示，為規(guī)定最大間隙尺寸的兩倍。間隙增大會降低節(jié)流效應，使得進入迷宮部位的水流阻力降低，對沖擊水流的減壓作用減弱，面臨持續(xù)的大流量和大壓力水流作用時會造成密封作用失效[6-9]。

圖3 迷宮徑向間隙尺寸

3.2 迷宮外圍結構

通過對比多種同類型產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)常規(guī)迷宮外圍結構設計為豎直的壁面，如圖4所示，能夠有效降低對水流的引導作用和對迷宮的沖擊作用，同時迷宮高度方向位置位于方位軸承下表面，即使迷宮內(nèi)部進入少量水流，經(jīng)過軸承的阻擋不會直接進入設備內(nèi)部，形成第二層防護。

發(fā)生進水故障的設備迷宮外圍支撐結構為錐形斜面（如圖1所示），與水平面的角度較?。?1°），高度方向上距離較短，當外部壓力水流沖擊設備時，容易引導壓力水沖擊到迷宮縫隙位置，當迷宮間隙尺寸不合理時，沖擊水流極易進入迷宮內(nèi)部；此外其迷宮位置位于方位軸承上表面，當迷宮發(fā)生進水后會直接翻過軸承進入設備內(nèi)部，引發(fā)設備進水故障。因此，導致方位迷宮進水故障的主要原因是迷宮結構參數(shù)設計和迷宮外圍結構設計不合理引起。

圖4 典型的迷宮外圍結構

3.3 迷宮潤滑脂

迷宮密封的間隙一般涂滿潤滑脂作為輔助措施提高迷宮的防水能力，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(shù)和觸變性有效地阻止液體進入迷宮，起到更好的密封效果，同時能夠防止灰塵和鹽霧等進入天線座內(nèi)部，具有防腐作用，設備裝配時要求迷宮間隙涂滿潤滑脂。但在檢查同型設備時發(fā)現(xiàn)部分設備迷宮中的輔助填物潤滑脂有缺損，迷宮中形成通道，面臨高壓沖擊水流和迷宮間隙不合理的情況下，對壓力水的減壓阻擋作用降低，高壓水進入設備內(nèi)部，造成防水失效。

3.4 環(huán)境條件

原設備方位動密封防水設計是按照軍標GJB150.8A-2009淋雨試驗的常規(guī)防水要求進行設計[10]，能夠滿足常規(guī)環(huán)境條件下的防水要求。當面臨遠超出設計指標的極端環(huán)境條件，如高壓水槍沖洗設備迷宮部位或者高等級臺風等，容易造成密封失效。

綜上所述，方位迷宮的間隙尺寸、結構特點、填物缺失和環(huán)境變化四方面因素綜合導致方位迷宮防水作用失效。

4 優(yōu)化改進設計

4.1 防水改進措施

通過對原天線座方位迷宮防水失效的原因分析，同時考慮到已有設備不具備現(xiàn)場改造的條件，優(yōu)化改進措施主要是防止大壓力、大流量的沖擊水流直接作用在方位迷宮位置，對迷宮外圍進行防護，提高設備的防水能力[11～13]。

主要措施是在迷宮外圍加裝一層防水裝置，由內(nèi)圈和外圈兩部分結構組成，將大部分沖擊水流阻隔在迷宮以外，防止直接作用在迷宮縫隙處，如圖5所示。

4.2 內(nèi)圈結構

內(nèi)圈結構主要由橡膠墊和密封件組成，截面如圖6所示，橡膠墊上端粘接在方位轉(zhuǎn)動部分上，下端搭接在固定部分的斜面上，同時密封件軸向上端固定在方位轉(zhuǎn)動部分及橡膠墊外側(cè)，下端的迷宮槽與固定部分斜面的間隙尺寸調(diào)整為0.5mm，相對轉(zhuǎn)動的間隙涂抹潤滑脂。密封件徑向為兩段相同結構的半圓形結構件拼接構成，在結合處的安裝法蘭處用螺釘連接為一體，裝配完成后方位轉(zhuǎn)動部位形成內(nèi)外兩道迷宮結構，提高了防水能力。

圖6 內(nèi)圈結構組成

4.3 外圈結構

外圈結構截面圖同圖5所示，由四部分相同結構的四分之一圓弧結構件拼接組成，四處接縫處相互搭接并用螺釘連接為一體，下端通過過渡件和原設備安裝螺栓固定在設備固定部分，中間加強筋支撐在固定部分的斜面上，加強筋為連續(xù)間斷的齒狀結構，能夠增加結構強度，同時能夠順利排出內(nèi)外圈結構之間腔體內(nèi)部的水流。

4.4 防水性能分析

內(nèi)外圈結構件安裝完成后，防水優(yōu)化措施的迷宮部位一周進水口間隙2mm，一周出水口間隙10mm，如圖7所示，沖擊水流大部分被外圈結構阻擋在外部，進入內(nèi)外圈內(nèi)部腔體的小部分水流能夠順利排出，不會形成積水，同時從進水口進入的水流經(jīng)過小間隙減壓后，沿方位斜面從出水口流出，不會沖擊在原迷宮縫隙位置處，具有較好的防水能力。

圖7 防水流沖擊示意圖

5 試驗驗證

5.1 試驗方法

圖8 沖水試驗位置及方向

為驗證防水改進措施的防水可靠性，試驗時提高防水等級，依據(jù)標準GJB4.13-1983《艦船電子設備環(huán)境試驗外殼防水試驗》中防水等級3（防水式）的防水試驗要求及試驗方法[14]，將φ25mm標準高壓水龍頭調(diào)整至與天線座5m處，在天線座4個方向上以2kg/cm2的出口壓力向天線座方位迷宮部位沖水，每個方向5min，模擬極端氣候條件及設備沖洗噴水條件。試驗時將防水改進措施安裝在原設備上，然后整體安裝在轉(zhuǎn)運臺上運轉(zhuǎn)至淋雨試驗室進行高壓沖水試驗，如圖8所示，試驗后檢查天線座腔體內(nèi)部是否發(fā)生進水現(xiàn)象。

5.2 試驗結果

設備沖水試驗過程如圖9（a）所示，試驗完成后，打開設備天線座最下端的全部蓋板，檢查天線座內(nèi)部腔體，如圖9（b）、（c）所示，左右兩邊腔體內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)進水現(xiàn)象，說明改進措施對方位迷宮具有較好的防護性能，滿足高等級的防水要求，提高了整個設備的防水能力。

圖9 天線座沖水試驗及內(nèi)部檢查結果

6 結語

本文結合某艦載設備的方位迷宮進水故障，對密封失效機理進行了詳細分析，并基于分析結論和外場實際安裝條件設計了一套優(yōu)化防水措施，并進行了高等級標準的防水試驗，試驗驗證表明優(yōu)化防水措施具有較好的防水性能，提高了原設備的防水能力，能夠滿足設備在惡劣條件下的使用要求，成功解決了設備進水技術故障。