某舰载雷达天线座方位迷宫防水优化设计∗

2020-10-30严荣军

舰船电子工程 2020年9期

代睿严荣军

（1.海军装备部西安 710068）（2.中国电子科技集团公司第二十研究所西安 710068）

1 引言

舰载主要雷达设备一般尺寸较大，对控制灵敏性及准确性要求较高，因此方位旋转动密封结构上常采用非接触式动密封结构中的迷宫密封结构[1]，降低天线座摩擦力矩，并在迷宫缝隙中填充润滑脂等以辅助提高防水性能和防腐性。某舰载雷达设备方位旋转动密封结构采用迷宫密封结构，经历极端气候条件后迷宫位置发生进水故障，通过研究分析，该迷宫结构在迷宫参数选取、外部结构设计等方面均存在不合理之处，无法满足设备在极端气候条件下的防水要求。本文针对该故障原因、环境条件及结合设备特点对原方位迷宫部位进行优化改进设计，以提高其防水性能[2～4]。

2 原方位迷宫结构简介

某舰载雷达方位迷宫结构及位置如图1所示，上端为天线转动部分，下端为与船体连接的固定部分，中间通过方位轴承连接为一体；方位迷宫由方位转动部分与固定部分装配后环形密封齿交错形成；固定部分密封齿下方支撑结构为锥形斜面结构，斜面与水平方向角度为21°，方位迷宫径向间隙为1mm，轴向间隙为2mm。

3 原方位迷宫防水失效原因分析

3.1 迷宫结构参数

迷宫密封结构的旋转件和固定件之间的密封齿之间形成微小的曲折间隙，流体进入迷宫后经过多次间隙节流产生较大的能量损耗，压头大幅下降，难以继续进入内部以实现密封，因此影响迷宫密封效果的主要结构参数为迷宫间隙，机械手册规定的迷宫沿径向布置轴径大于180mm时，密封齿径向间隙最大取0.5mm[5]，如图2所示e值。

图1 原方位迷宫结构

图2 径向迷宫密封间隙尺寸[5]

经检查，故障迷宫的径向间隙理论尺寸为1mm，实际装配尺寸大于1mm，如图3所示，为规定最大间隙尺寸的两倍。间隙增大会降低节流效应，使得进入迷宫部位的水流阻力降低，对冲击水流的减压作用减弱，面临持续的大流量和大压力水流作用时会造成密封作用失效[6-9]。

图3 迷宫径向间隙尺寸

3.2 迷宫外围结构

通过对比多种同类型产品发现常规迷宫外围结构设计为竖直的壁面，如图4所示，能够有效降低对水流的引导作用和对迷宫的冲击作用，同时迷宫高度方向位置位于方位轴承下表面，即使迷宫内部进入少量水流，经过轴承的阻挡不会直接进入设备内部，形成第二层防护。

发生进水故障的设备迷宫外围支撑结构为锥形斜面（如图1所示），与水平面的角度较小（21°），高度方向上距离较短，当外部压力水流冲击设备时，容易引导压力水冲击到迷宫缝隙位置，当迷宫间隙尺寸不合理时，冲击水流极易进入迷宫内部；此外其迷宫位置位于方位轴承上表面，当迷宫发生进水后会直接翻过轴承进入设备内部，引发设备进水故障。因此，导致方位迷宫进水故障的主要原因是迷宫结构参数设计和迷宫外围结构设计不合理引起。

图4 典型的迷宫外围结构

3.3 迷宫润滑脂

迷宫密封的间隙一般涂满润滑脂作为辅助措施提高迷宫的防水能力，利用润滑脂本身具有的与金属较高的表面亲和力和张力，较高的粘滞系数和触变性有效地阻止液体进入迷宫，起到更好的密封效果，同时能够防止灰尘和盐雾等进入天线座内部，具有防腐作用，设备装配时要求迷宫间隙涂满润滑脂。但在检查同型设备时发现部分设备迷宫中的辅助填物润滑脂有缺损，迷宫中形成通道，面临高压冲击水流和迷宫间隙不合理的情况下，对压力水的减压阻挡作用降低，高压水进入设备内部，造成防水失效。

3.4 环境条件

原设备方位动密封防水设计是按照军标GJB150.8A-2009淋雨试验的常规防水要求进行设计[10]，能够满足常规环境条件下的防水要求。当面临远超出设计指标的极端环境条件，如高压水枪冲洗设备迷宫部位或者高等级台风等，容易造成密封失效。

综上所述，方位迷宫的间隙尺寸、结构特点、填物缺失和环境变化四方面因素综合导致方位迷宫防水作用失效。

4 优化改进设计

4.1 防水改进措施

通过对原天线座方位迷宫防水失效的原因分析，同时考虑到已有设备不具备现场改造的条件，优化改进措施主要是防止大压力、大流量的冲击水流直接作用在方位迷宫位置，对迷宫外围进行防护，提高设备的防水能力[11～13]。

主要措施是在迷宫外围加装一层防水装置，由内圈和外圈两部分结构组成，将大部分冲击水流阻隔在迷宫以外，防止直接作用在迷宫缝隙处，如图5所示。

4.2 内圈结构

内圈结构主要由橡胶垫和密封件组成，截面如图6所示，橡胶垫上端粘接在方位转动部分上，下端搭接在固定部分的斜面上，同时密封件轴向上端固定在方位转动部分及橡胶垫外侧，下端的迷宫槽与固定部分斜面的间隙尺寸调整为0.5mm，相对转动的间隙涂抹润滑脂。密封件径向为两段相同结构的半圆形结构件拼接构成，在结合处的安装法兰处用螺钉连接为一体，装配完成后方位转动部位形成内外两道迷宫结构，提高了防水能力。

图6 内圈结构组成

4.3 外圈结构

外圈结构截面图同图5所示，由四部分相同结构的四分之一圆弧结构件拼接组成，四处接缝处相互搭接并用螺钉连接为一体，下端通过过渡件和原设备安装螺栓固定在设备固定部分，中间加强筋支撑在固定部分的斜面上，加强筋为连续间断的齿状结构，能够增加结构强度，同时能够顺利排出内外圈结构之间腔体内部的水流。

4.4 防水性能分析

内外圈结构件安装完成后，防水优化措施的迷宫部位一周进水口间隙2mm，一周出水口间隙10mm，如图7所示，冲击水流大部分被外圈结构阻挡在外部，进入内外圈内部腔体的小部分水流能够顺利排出，不会形成积水，同时从进水口进入的水流经过小间隙减压后，沿方位斜面从出水口流出，不会冲击在原迷宫缝隙位置处，具有较好的防水能力。

图7 防水流冲击示意图

5 试验验证

5.1 试验方法

图8 冲水试验位置及方向

为验证防水改进措施的防水可靠性，试验时提高防水等级，依据标准GJB4.13-1983《舰船电子设备环境试验外壳防水试验》中防水等级3（防水式）的防水试验要求及试验方法[14]，将φ25mm标准高压水龙头调整至与天线座5m处，在天线座4个方向上以2kg/cm2的出口压力向天线座方位迷宫部位冲水，每个方向5min，模拟极端气候条件及设备冲洗喷水条件。试验时将防水改进措施安装在原设备上，然后整体安装在转运台上运转至淋雨试验室进行高压冲水试验，如图8所示，试验后检查天线座腔体内部是否发生进水现象。