雷达液体旋转关节结构设计概述

常 健 赵克俊

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

随着雷达技术体制的不断更新和发展，现代雷达逐渐向大阵面、大数据发展，因而对雷达传输功率的要求越来越高，传统的风冷已满足不了现代雷达的冷却要求，需采用液冷对雷达阵面进行冷却。随着液体冷却雷达的广泛应用，雷达工作时地面设备与天线阵面设备之间冷却液的转动传输就需要靠液体旋转关节(又称水铰链)来实现。水铰链在雷达冷却系统中承担旋转传输的作用，完成雷达地面设备与雷达天线阵面设备相互转动(旋转)之间冷却液的供给和回收，并确保冷却液的循环流通。

水铰链的性能稳定与否，关系着雷达冷却系统的整体性能[1-4]。

对于大阵面机动式雷达，天线阵面一般分成若干边块，这样天线就需完成以下三种动作：1)方位方向随方位转台旋转或转动；2)俯仰方向随俯仰轴转动；3)天线阵面边块的折叠。天线在完成这三种动作的同时还需完成冷却液的传输。而大型雷达的冷却液传输流量较大，对应水管管径较大，在有限的空间内采用一般的软管难以实现冷却液的转动传输。因此，对于大阵面液体冷却的机动式雷达，除了需要方位水铰链，还需要俯仰水铰链和阵面水铰链两种形式，其工作原理如图1所示。

图1 水铰链的工作原理

1 水铰链的技术指标要求

现代雷达水铰链的技术指标要求一般如下：

1)工作转速：一般≤200 r/min；

2)冷却介质：60#或65#防冻液(乙二醇水溶液)；

3)工作流量：一般≤400 m3/h；

4)耐压要求：静态耐压：≥2 MPa，

动态耐压：≥1 MPa；

5)压损要求：一般≤0.2 MPa；

6)材料选择：应耐冷却介质腐蚀；

7)泄漏量：

(a)对于机械密封水铰链：

①动压状态时，泄漏量最大不得超过30 ml/h(具体由密封环尺寸而定);

②静压状态时，泄漏量为0；

(b)对于柔性密封水铰链：

任何工作状态下，泄漏量均为0。

8)外形及安装尺寸应符合结构总体要求；

9)维修、维护性：要求维护简便、快捷，只需更换被磨损的密封件即可恢复正常使用，方位水铰链应具有漏液观察能力，以方便观察后检修；

10)环境适应性(满足整机环境适应性要求)

工作温度：-45～+55℃(一般最大范围)；

存储温度：-55～+70℃(一般最大范围)；

11)具有防潮、防盐雾腐蚀、防风沙、防霉和防尘等措施。

12)使用寿命：

①对于机械密封水铰链，一般要求不低于20年；

②对于柔性密封水铰链，一般要求不低于10年。

2 水铰链的组成

2.1 方位水铰链

2.1.1 主要功能及特点

方位水铰链是雷达的主通道水铰链，一般安装在雷达方位转台内部。它一方面实现雷达天线随方位转台的自由转动，另一方面完成雷达地面设备与雷达天线阵面设备之间冷却液的供给和回收，并确保冷却液的循环流通。

要求随方位转台进行0～360°连续旋转，旋转速度慢(一般6 r/min，最大一般不超过200 r/min)，传输流量大(与主管路系统流量一致)，密封冷却液的压力不高(一般不超过1 MPa)，但要求环境适应性强、密封可靠性高和使用寿命长等。

2.1.2 结构组成

方位水铰链一般采用三通道，包括进液通道、回液通道和走线通道。根据雷达方位水铰链的空间尺寸特点，方位水铰链的结构形式有两种类型：径向排布式和轴向排布式。在径向空间限制较为严格、轴向空间较为宽松的情况下，方位水铰链可以选择径向排布式的结构形式；反之，则选择轴向排布式的结构形式。

无论采用哪种结构形式，方位水铰链一般均由转动部分、固定部分，主要由进水口、出水口、回进水口、回出水口、轴承、静密封和动密封等组成，如图2所示。固定部分上设有进水口和回出水口，而转动部分上设有出水口和回进水口。其中固定部分与天线座底座固定，相对地面不动；转动部分与天线座转台固定，随转台一起旋转。进水口与出水口之间的流体通道为供液通道，回进水口与回出水口之间的流体通道为回液通道。工作时，从液冷机组供应的冷却液经过供液通道流向天线阵面设备的冷却系统或者一侧的俯仰水铰链中，由天线阵面设备的冷却系统或者另一侧的俯仰水铰链流回的冷却液再经过回液通道返回到液冷机组。由于进水的压力高于回水的压力，因而确保了冷却液的循环流通。另外，固定部分中间设有中心孔，用作方位水铰链上下之间的光纤电缆、信号电缆和电源电缆走线用。

图2 方位水铰链的结构组成

2.2 俯仰水铰链

2.2.1 主要功能及特点

俯仰水铰链的作用是完成天线阵面和方位主通道水铰链之间冷却液的传输。俯仰水铰链一般有两个，对称分布在左右背架的俯仰轴上。一侧将雷达方位水铰链出水口传输上来的冷却液输送到雷达阵面水铰链上，另一侧将雷达阵面水铰链上传输下来的冷却液输送回雷达方位水铰链的回进水口上。

要求随俯仰轴进行0～90°内转动，转动速度很慢，转动频率很低，仅仅在雷达天线举升和收拢的时候随天线一起转动，传输流量、密封冷却液的压力、密封介质和环境适应性要求等与方位水铰链一致。

2.2.2 结构组成

俯仰水铰链一般采用单通道形式，同样分为转动部分、固定部分，主要由进水口(回出水口)、出水口(回进水口)、轴承、动密封和静密封等组成。进水口(回出水口)在固定部分上，出水口(回进水口)在转动部分上。其结构图见图3所示。

图3 俯仰水铰链的结构组成

2.3 阵面水铰链

2.3.1 主要功能及特点

阵面水铰链的作用是完成天线阵面和俯仰水铰链之间冷却液的传输。阵面水铰链的数量一般跟天线阵面的分块情况有关，该雷达系统设置4个阵面水铰链，它们对称分布在左右阵面边块上。一侧将雷达俯仰水铰链出水口传输上来的冷却液输送到雷达天线阵面上，另一侧将雷达天线阵面上传输下来的冷却液输送回雷达俯仰水铰链回进水口上，其结构图见图4所示。

要求随天线边块进行0～90°内转动，转动速度很慢，转动频率很低，仅仅在雷达天线边块展开或收拢的时候随天线一起转动，密封冷却液的压力、密封介质和环境适应性要求等与方位水铰链一致，传输流量为方位水铰链的一半。

图4 阵面水铰链的结构组成

2.3.2 结构组成

阵面水铰链一般采用单通道形式，同样分为转动部分、固定部分，主要由进水口(回出水口)、出水口(回进水口)、轴承、动密封和静密封等组成。进水口(回出水口)在固定部分上，出水口(回进水口)在转动部分上。

3 水铰链的设计关键点

水铰链的设计关键点就是在满足总体及冷却系统工作压力、流量要求的前提下，解决动环与定环之间的旋转动密封可靠，选择行之有效的动密封方式[4-5]。

目前在水铰链上应用成熟的动密封方式主要有柔性密封(圆周密封)和机械密封(端面密封)[6-8]。两种动密封方式的原理示意图分别见图5和图6所示，密封特点对比见表1所示。

图5 柔性密封的密封原理示意图

图6 机械密封的结构原理图

表1 两种动密封方式特点对比

对于安装在方位转台内的方位水铰链，如果雷达需360°连续旋转工作，可靠性要求很高，允许一定范围的泄漏量，方位水铰链的动密封可选用机械密封形式；如果雷达只是偶尔旋转(或非连续旋转)工作，可靠性要求一般，成本有限，不允许有任何泄漏，方位水铰链的动密封可选用柔性密封形式。

对于安装在俯仰轴上的俯仰水铰链和天线阵面边块上的阵面水铰链，它们的转动范围一般在0～90°以内，转动频率低，仅需在雷达开机、关机或维修等状态下出现转动，而且转速远低于方位主通道水铰链，因此俯仰水铰链和阵面水铰链的动密封可选用柔性密封形式。

4 水铰链的安装、调试与维护

4.1 水铰链的安装

4.1.1 方位水铰链的安装及注意事项

方位水铰链安装于方位转台内部，一般其上端与汇流环连接，下端与方位转台的底座连接。方位水铰链的装机需注意以下方面：

方位水铰链的外壳一般为动环，与汇流环外壳或方位转台连接，一般采用固定连接(止口定位+紧固件)方式，并且安装法兰止口表面应平直且无异物，否则会影响水铰链的密封性能而导致泄漏；其内轴一般为静环，与汇流环内轴及方位转台底座连接，一般采用浮动连接(十字拨叉或者弹性联轴器)方式，这样如果轴心线有少量偏摆，可以自动调心。

4.1.2 俯仰水铰链的安装及注意事项

俯仰水铰链安装于背架的俯仰轴上，安装过程需注意以下方面：

俯仰水铰链的外壳一般为静环，与背架连接，一般采用固定连接(止口定位+紧固件)方式，并且安装法兰止口表面应平直且无异物，否则会影响水铰链的密封性能而导致泄漏；其内轴一般为动环，与俯仰轴连接，一般采用浮动连接(十字拨叉)方式，这样如果轴心线有少量偏摆，可以自动调心。

4.1.3 阵面水铰链的安装及注意事项

阵面水铰链安装于天线边块上，安装过程需注意以下方面：

阵面水铰链的外壳一般为静环，与固定不动的阵面边块连接，一般采用固定连接(止口定位+紧固件)方式，并且安装法兰止口表面应平直且无异物，否则会影响水铰链的密封性能而导致泄漏；其内轴一般为动环，与有折叠动作的阵面边块连接，一般采用浮动连接(十字拨叉)方式，这样如果轴心线有少量偏摆，可以自动调心。

除了以上安装注意事项，水铰链的安装还需注意以下几方面：

1)所有水铰链安装前，必须清洗干净冷却系统的管路系统，确保管路内清洁而无杂质颗粒。

2)所有水铰链机械接口连接后，用百分表检查同轴度，保证轴系轴心线与水铰链轴心线的同轴度不超过动密封可承受的偏心量。

3)与所有的进水口、出水口、回进水口和回出水口等接口直接连接的水管一定要使用软管进行连接(不能使用刚性连接)，最好使用性能良好的金属软管，以释放连接处产生的应力，并且必须严格按照水铰链的接口标识进行连接。

4)所有水铰链各接口与管路连接处注意保持洁净，装配过程中防止异物通过接口处进入管路系统。

5)所有水铰链安装后不得承受侧向倾覆力，否则会因外力作用导致动密封变形而发生泄漏。

4.2 水铰链的调试

水铰链在装机前，需进行一定时间的动压跑合试验。其中机械密封水铰链在出厂前一般需进行累计不少于100 h的动压跑合试验，柔性密封水铰链在出厂前一般需进行累计不少于40 h的动压跑合试验。

4.3 水铰链的使用及维护

水铰链在雷达系统中使用过程中，需注意以下事项：

1)水铰链服役时，管路系统中冷却液的流向须与水铰链接口标识一致。

2)水铰链在运转前，必须先将冷却循环系统开启，使水铰链内部腔体充满液体，禁止其在无液情况下运转。

3)应注意水铰链的轴承不得进水，以免影响轴承的使用性能。

4)水铰链一般为集装式结构，可以保证水铰链的安装尺寸，未经许可不得自行对产品进行解体。

5)水铰链是一种流体动力学密封，从设计、加工以及理论方面考虑，泄漏是不可避免的。制造公差、操作工况、机器运行情况等等因素都会影响密封的泄漏量。一般情况下，刚开始运行时的泄漏量经过一段时间的端面跑合会逐渐减小。如泄漏依然存在且有加剧的迹象，则需立即停车，并及时通知相关技术人员到现场解决问题。

6)应当定期对水铰链的泄漏量进行检测跟踪，以监测水铰链的运转状况。

5 结束语

随着新一代雷达天线阵面的传输功率愈来愈大，热耗愈来愈高，对液体冷却技术的需求不断增加，水铰链已成为新一代雷达系统中十分重要的组成部分。水铰链除可用于实现雷达系统固定端和转动端(或旋转端)之间冷却介质的不间断转动(或旋转)传输，还可广泛应用于化工、轻工、钢铁、机械制造、军工、电子、航空、航天等行业中作为在固定端/转动端(或旋转端)之间实现连续输送流体的转换装置，例如起重机、风轮机及海上用绞盘等民用行业。