集成泄漏檢測(cè)的超薄液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)*

趙 鍵，鄒吾松，陳澤彪

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214082）

引 言

在新一代有源相控陣?yán)走_(dá)中，天線陣面和電源模塊傳輸功率大，需采用液冷方式對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。同時(shí)，為了擴(kuò)展雷達(dá)的搜索范圍，采用方位機(jī)械掃描方式，配合相控陣電子掃描功能，最終可以實(shí)現(xiàn)立體空域的覆蓋[1]。液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在機(jī)相掃雷達(dá)中解決了液冷與機(jī)械掃描之間的矛盾[2]。

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在雷達(dá)冷卻系統(tǒng)中起著冷卻液旋轉(zhuǎn)連接的作用，一般具有2個(gè)通道，按流道內(nèi)冷卻液的壓強(qiáng)不同，可分為高壓腔和低壓腔。來(lái)自液冷機(jī)組的冷卻液由進(jìn)水口進(jìn)入液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的高壓腔，后經(jīng)出水口流入天線設(shè)備的冷卻結(jié)構(gòu)，吸收天線工作產(chǎn)生的熱量，溫度升高的冷卻液由回進(jìn)水口返回液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，經(jīng)低壓腔后由回出水口回到載機(jī)液冷機(jī)組，循環(huán)往復(fù)完成天線散熱過(guò)程。液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的性能穩(wěn)定與否關(guān)系著雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的整體性能[3]?，F(xiàn)有的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括軸向和徑向結(jié)構(gòu)，體積大，啟動(dòng)力矩大，一般用于地面設(shè)備的液體旋轉(zhuǎn)連接。文獻(xiàn)[4]針對(duì)某地面雷達(dá)設(shè)計(jì)了雙層空套結(jié)構(gòu)的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；文獻(xiàn)[5]以模塊化的思路設(shè)計(jì)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用于地面雷達(dá)的快速選型；文獻(xiàn)[6]研發(fā)了一套液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的自動(dòng)采集裝置，用于檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)。

由于液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)存在零件配合精度高、結(jié)構(gòu)尺寸大、啟動(dòng)力矩大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因此目前的研究主要是針對(duì)對(duì)啟動(dòng)力矩和尺寸不敏感的地面設(shè)備的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的。本文針對(duì)機(jī)載雷達(dá)環(huán)境，綜合前人對(duì)地面雷達(dá)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種適配機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。其內(nèi)部采用環(huán)形流道徑向排布式方案，配合低壓縮量雙層密封圈結(jié)構(gòu)，外形超薄，啟動(dòng)力矩小，設(shè)計(jì)的泄漏檢測(cè)槽配合傳感器可實(shí)現(xiàn)泄漏報(bào)警功能。經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足該雷達(dá)項(xiàng)目要求。

1 指標(biāo)要求

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為天線冷卻系統(tǒng)的組成部件，起到輸送冷卻液的作用。根據(jù)雷達(dá)工作時(shí)對(duì)冷卻能力的需求，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)應(yīng)符合以下指標(biāo)：1）流量為40 L/min；2）流阻≤0.1 MPa；3）扭矩?fù)p失≤40 N·m；4）轉(zhuǎn)動(dòng)速度為180°/s；5）轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)≥3×105轉(zhuǎn)，全壽命無(wú)泄漏；6）雙通道熱交換溫升不大于溫差的10%；7）工作與貯存溫度為-55°C～+70°C。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需根據(jù)總體指標(biāo)要求和安裝使用要求，為液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式和密封方式，同時(shí)考慮壽命要求。

2.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

為滿足相控陣?yán)走_(dá)緊湊性的要求，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用單軸承支承的環(huán)形流道徑向排布式方案。如圖1所示，選用單個(gè)交叉滾子軸承，其軸向和徑向均可受力，代替成對(duì)使用的角接觸軸承。定環(huán)和動(dòng)環(huán)相互嵌套形成兩個(gè)冷卻液通路和一個(gè)用來(lái)檢測(cè)泄漏的環(huán)形空間，配合液體傳感器實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)功能，如圖2所示。定環(huán)和動(dòng)環(huán)中間留有通孔，用于安裝光纖滑環(huán)。此種結(jié)構(gòu)軸向尺寸小，僅為42 mm，根據(jù)流阻要求，通過(guò)仿真迭代確定流道大小，最終滿足流阻要求的外徑僅為144 mm。

圖1 液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)截面圖

圖2 液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外形圖

2.2 密封設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)掃描器電機(jī)輸出功率相對(duì)較小，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用低壓縮量的雙層密封圈結(jié)構(gòu)，既減小了啟動(dòng)力矩，又增加了密封可靠性。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，控制密封圈的壓縮量為12%～17%。根據(jù)壓縮量設(shè)計(jì)定環(huán)和動(dòng)環(huán)上的密封圈溝槽，每個(gè)密封圈配有聚四氟乙烯擋圈，防止安裝過(guò)程中密封圈由于變形擠壓過(guò)量發(fā)生損壞。

2.3 長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的壽命主要由密封圈與溝槽接觸處的磨損決定。為降低磨損，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定子和轉(zhuǎn)子均采用不銹鋼材料，接觸處的表面粗糙度設(shè)置為Ra0.8，既能減小磨損，又能減小啟動(dòng)力矩。密封圈采用丁腈橡膠材料，耐磨性好，其低壓縮量設(shè)計(jì)也有利于降低磨損。

經(jīng)過(guò)多角度分析設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如圖1和圖2所示，由定環(huán)、動(dòng)環(huán)、密封圈、聚四氟乙烯擋圈、交叉滾子軸承、進(jìn)水口、出水口、回進(jìn)水口、回出水口以及相應(yīng)的連接緊固件組成。安裝時(shí)，定環(huán)固定在雷達(dá)掃描器底座上，定環(huán)上設(shè)置進(jìn)水口和回出水口；動(dòng)環(huán)相對(duì)定環(huán)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上面設(shè)置出水口和回進(jìn)水口。

3 仿真驗(yàn)證

本文利用基于UG模型的FloEFD軟件對(duì)該復(fù)合液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的性能進(jìn)行分析，包括流阻分析和隔熱性能分析。

由于液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作過(guò)程中動(dòng)環(huán)和定環(huán)會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)水口和出水口以及回進(jìn)水口和回出水口的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，流體流動(dòng)情況也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，因此為分析該水鉸鏈內(nèi)部流體特征，以圖2所示姿態(tài)為原始姿態(tài)（0°姿態(tài)），選取動(dòng)環(huán)相對(duì)定環(huán)旋轉(zhuǎn)0°，90°和180°下的姿態(tài)進(jìn)行仿真分析。仿真條件見表1。

表1 仿真條件

3.1 流阻仿真

以180°姿態(tài)為例介紹仿真過(guò)程，模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后，抽取流體區(qū)域，設(shè)置流體為65#冷卻液，流量為40 L/min。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 進(jìn)流體流線圖

圖4 回流體流線圖

該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括進(jìn)出兩路液體通道，根據(jù)仿真結(jié)果，在40 L/min的流量下，進(jìn)流體通道的流阻為0.027 MPa，回流體通道的流阻為0.042 MPa，則在180°姿態(tài)下，該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的總流阻為0.069 MPa。采用同樣的仿真方法，得到該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在0°姿態(tài)下的流阻為0.064 MPa，在90°姿態(tài)下的流阻為0.08 MPa，均小于要求的0.1 MPa。

3.2 隔熱仿真

由于該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)具有一進(jìn)一出兩路液體通道，起到將溫度較低的冷卻液輸入天線冷卻系統(tǒng)，再將溫度較高的冷卻液從天線冷卻系統(tǒng)輸出的作用，一冷一熱兩路流體同時(shí)存在于液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，所以液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需具有一定的隔熱能力，要求兩路液體溫差在20 K下，進(jìn)流體通過(guò)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前后溫升低于2 K。

與流阻仿真類似，按表1設(shè)置仿真參數(shù)，在180°姿態(tài)下的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度分布截圖

根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)流體入口溫度為293.15 K，經(jīng)過(guò)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后，出口溫度為293.97 K，溫升為0.82 K。采用同樣的仿真方法，得到該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在0°姿態(tài)下的溫升為0.1 K，在90°姿態(tài)下的溫升為0.6 K，均小于要求的2 K。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

投產(chǎn)加工完成裝配后，復(fù)合液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及其試驗(yàn)工裝如圖6所示。為驗(yàn)證該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是否滿足機(jī)載使用條件，對(duì)它進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，包括加壓液密試驗(yàn)、流阻試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、振動(dòng)篩選試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。

圖6 復(fù)合液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)試驗(yàn)平臺(tái)

4.1 加壓液密試驗(yàn)

為檢測(cè)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封性，使用打壓裝置給液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部提供1.5 MPa的液體壓力，觀察液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外觀和內(nèi)部壓力變化，結(jié)果見表2。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)打壓后的30 min內(nèi)，壓降小于10%，并全程無(wú)液體泄漏現(xiàn)象，表明密封性合格。

表2 加壓液密試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 流阻試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)仿真分析，得該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在40 L/min下的流阻小于0.1 MPa，需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。調(diào)節(jié)閥門控制支流流量，使冷卻液以一定的流量流經(jīng)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，記錄液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩端的壓強(qiáng)，計(jì)算得到液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的流阻，見表3。

表3 流阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 流阻試驗(yàn)平臺(tái)

在40 L/min的流量下，液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的流阻僅為0.051 MPa，滿足機(jī)相掃雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的要求。

4.3 壽命試驗(yàn)

為驗(yàn)證該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的可靠性，設(shè)置壽命試驗(yàn)，以圖6中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以逆時(shí)針180°/s、順時(shí)針270°/s的速度每個(gè)方向持續(xù)30 s往復(fù)循環(huán)。整個(gè)過(guò)程持續(xù)通液，觀察液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是否泄漏，并記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值。

在150 h的持續(xù)工作中（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)13.5萬(wàn)次，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)18萬(wàn)次，累計(jì)31.5萬(wàn)次），液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)未發(fā)生泄漏，旋轉(zhuǎn)順暢，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值（包括電機(jī)熱耗）及其換算扭矩（忽略熱耗）見表4。

表4 壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使用壽命超過(guò)30萬(wàn)轉(zhuǎn)，且驅(qū)動(dòng)力矩小于40 N·m，符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 其他試驗(yàn)

在壽命試驗(yàn)前，還對(duì)該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了一系列機(jī)載雷達(dá)要求的環(huán)境試驗(yàn)，包括高低溫篩選試驗(yàn)和三個(gè)方向的振動(dòng)篩選試驗(yàn)（圖8）。在試驗(yàn)過(guò)程中，該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均未發(fā)生泄漏等問(wèn)題，符合機(jī)載環(huán)境要求。

圖8 Y 方向振動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī)安裝方式

5 結(jié)束語(yǔ)

液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是機(jī)相掃雷達(dá)液冷系統(tǒng)的重要組成部分。本文研制的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)適應(yīng)機(jī)相掃雷達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，符合小功率伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和裝機(jī)驗(yàn)證，滿足機(jī)載環(huán)境使用要求。

相比于傳統(tǒng)的液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，該液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以環(huán)形流道徑向排布式布局縮小了外形尺寸，以低壓縮量雙層密封圈結(jié)構(gòu)減小了旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)力矩，軸心設(shè)置光纖滑環(huán)起到復(fù)合傳輸信號(hào)的作用，外圈設(shè)置傳感器具備泄漏檢測(cè)功能，試驗(yàn)驗(yàn)證該功能可靠，可以推廣應(yīng)用于其他機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品。

本文研制的集成泄漏檢測(cè)的超薄液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用橡膠圈密封，下一步需對(duì)優(yōu)于橡膠圈的密封材料進(jìn)行探索研究。