舰载精密跟踪设备动密封防水设计技术研究

房建斌 严荣军

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

随着我国从近海走向远海以及武器装备实战化要求，大量舰艇装备不断地走向大洋的深处，经历各种各样实际使用条件下复杂海况的考验。

对于安装在舰艇甲板上的雷达、光电、舰炮等武器装备的方位、俯仰等旋转部位的密封防水设计，在保证武器装备的跟踪速度、加速度等快速响应和高精度指标的前提下，如何解决降低摩擦力矩、提高摩擦寿命、满足严酷环境适应性等诸多因素条件的相互约束和耦合，对该类武器装备旋转部位密封防水提出了更高的要求，如：满足淋雨、高压水流冲击、穿浪水淹等综合工况下的防水要求。

1 密封结构形式选择及原理分析

为确保武器装备的伺服性能指标，该类装备的旋转部位一般采用迷宫结构的非接触动密封方式[1]。由于方位旋转一般尺寸较大，工程上实现比较困难，因此，本文以方位旋转为例进行技术分析。

1.1 常用迷宫方式

机械传动常用迷宫密封的方式有直通型、错列型、阶梯型等多种方式，本文以舰载武器装备上经常采用的错列型(锯齿型结构)迷宫方式进行研究。

1.2 迷宫密封原理分析

迷宫密封是在转轴周围设若干依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列的截流间隙与膨胀空腔，被密封介质(液体)在通过曲折迷宫的间隙时产生阻力并使其流量减小形成迷宫效应而达到阻漏目的，从而实现密封[2]。影响迷宫密封效果的因素主要有迷宫效应、迷宫参数和填充的润滑脂等。

1.2.1 迷宫效应影响

1)摩阻效应

泄漏液体在密宫内流动时，产生的沿程摩阻和局部摩阻构成摩阻效应。前者与通道长度和截面形状有关，后者与迷宫的弯曲数和几何形状有关。当流道长、拐弯急、齿顶尖时，阻力大；压差损失显著，泄漏量减小。

2)流速收缩效应

当泄漏液体通过迷宫缝口，会因惯性的影响而产生收缩，流速截面变小。

因此，二者效应越明显，能量散损愈多，泄漏量随着愈小，以达到阻止泄露的目的。

1.2.2 迷宫参数影响

1)齿数影响

齿距一定时，齿数越多，泄露量越少；齿距改变时，齿距越大，泄露量会急剧下降。齿在不同的安放角度下，流动状态是不同的。

2)齿高影响

一般情况下，齿高在10mm范围，再高并不能提高迷宫的密封性。

3)齿间隙影响

迷宫的最小径向间隙s，一般可取0.4mm，也可按照公式(1)来确定[3]。

(1)

其中D为密封直径。

1.2.3 润滑脂影响

迷宫的缺点存在泄漏量，单独采用迷宫密封几乎做不到完全没有泄露，为解决此问题，消除迷宫内的间隙，在迷宫内涂满润滑脂，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、触变性，有效地阻止液体进入迷宫，起到更好的密封效果。

1.3 工程常用的迷宫密封效果分析

1.3.1 单一径向迷宫密封

工程上经常采用径向迷宫+润滑脂的单一迷宫密封形式，其结构如图1所示。

图1 单一径向迷宫(含润滑脂)

1)密封效果：这类密封形式，可以有效满足淋雨防护的要求[4]。

2)使用局限性：满足不了水流冲击和穿浪水淹的防水要求[5]。

1.3.2 其他迷宫密封

通过国内调研，为解决设备满足水流冲击的防水要求，国内相关单位设计团队大量采用径向迷宫(含润滑脂)+旋转油封的设计思路，如图2所示。

图2 径向迷宫(含润滑脂)+旋转油封

1)密封效果：该密封方式能够满足淋雨、水流冲击，但是满足不了舰艇穿浪、抗击台风等更为恶劣环境下的防水淹要求。

2)使用局限性：一是增加油封，由非接触式密封变成接触式密封，会带来随着旋转轴经增大摩擦力矩非线性大幅增加，对伺服控制系统性能影响较大，仅适用于旋转轴颈较小的情况。二是油封属于寿命元器件，随着使用发生磨损会带来密封效果下降。

2 组合式动密封设计

为解决既不影响此类武器装备伺服跟踪性能要求，又具有优良的防水密封能力，本文提出了一种组合迷宫动密封结构方式：径向迷宫+储油槽+轴向迷宫，有效解决了以上相互牵制、相互约束的问题。

2.1 组合迷宫结构设计

2.1.1 结构形式

如图3所示，沿着旋转轴线，组合迷宫位于固定部分和转动部分的结合端面附近。径向迷宫处于组合迷宫的顶端，储油槽处于组合迷宫中间，轴向迷宫处于组合迷宫最低端；储油槽、轴向迷宫在方向上和径向迷宫成90°夹角设置。

图3 组合迷宫位置及结构

组合迷宫的具体结构形式：

1)径向迷宫结构：分别在固定部分和转动部分的端面设计加工有矩形齿，二者装配而成；

2)储油槽结构：在结合端面下端，沿固定部分外部一周，设计加工有矩形槽，它和与转动部分相连的圆形外档圈装配而成，同时在圆形外档圈上设计有加注润滑脂的小孔。

3)轴向迷宫结构：在储油槽下部，沿固定部分外部一周和圆形盖板一周，分别设计加工有梯形齿，二者装配形成。

转动时，固定部分保持静止，转动部分和圆形外档圈一起转动，实现组合迷宫三个组成部分(径向迷宫、储油槽、轴向迷宫)均参与运行。

2.1.2 组合迷宫相关参数

径向迷宫齿形为矩形结构，轴向迷宫齿形为梯形结构，二者齿高均为10mm，齿间配合间隙、齿顶端配合间隙按照本文确定。

2.1.3 润滑脂使用参数

装配时在径向迷宫和轴向迷宫均涂有润滑脂，涂量达到齿槽的三分之一高度；储油槽内注满润滑脂。

2.2 组合迷宫性能分析

2.2.1 密封性能分析

1)内部密封机理分析

在密封原理上，组合迷宫密封相比较单一径向/轴向迷宫密封，使得以下影响密封效果的因素发生显著变化，如：

①组合迷宫间隙流道通道加长2倍；

②组合迷宫之间间隙具有多处突变，节流作用增强；

③组合迷宫在径向和轴向的两组齿间距和方向发生巨变，迷宫齿数增加2.5倍；

④组合迷宫的结构形式，使得泄露流体首先必需要通过轴向迷宫缝隙爬升，因为泄露流体自身质量影响，流速显著降低；同时因轴向迷宫影响而产生显著收缩，流速截面变小，因此到达径向迷宫的泄露非常困难；

⑤组合迷宫的储油槽和迷宫内的润滑脂，有效阻断了沿轴向迷宫向上泄露液体的爬升渗漏；

⑥径向迷宫润滑脂处于密封状态，可以长期保存；储油槽内的润滑脂可以自行补充到轴向迷宫。

通过以上分析，组合迷宫具有理想的防水密封效果。

2)外部水流冲击防水分析

高压冲击水流碰撞设备的瞬态示意图如图4所示。

图4 水流冲击示意图

冲击水流和反弹水流在轴向迷宫下端凹槽处相互干扰形成紊流，在高压冲水下通过轴向迷宫下端入口缝隙泄露进入少量水流，根据内部密封防水机理分析，极难达到径向迷宫。

3)防水淹分析

组合迷宫内部的润滑脂，长期有效阻断了水淹下的泄露；设计的轴向迷宫梯形齿形，具有一定的排水功能；设计的长通道有效延缓泄露水流进入设备的时间。在舰艇穿浪、台风等环境下具有较好的防水淹密封能力。

2.2.2 其他性能分析

组合迷宫设计，仍然为非接触式动密封方式，摩擦力矩几乎不增加、转动惯量增加极小，对设备的谐振频率几乎没有影响，确保设备伺服系统设计的指标要求。

组合迷宫适应性更好、可靠性高。可避免接触式动密封的磨损、寿命受限等问题；采用同一类材料加工制造，结构简单，避免了环境温度变化时的卡死或者松动等现象；与原设备融为一体，外形美观。

3 试验验证及实际防护效果分析

为有效、真实地验证组合迷宫的防水能力，实验采用：淋雨、高压冲水和模拟穿浪、海浪冲击的水淹试验三种试验组合进行防水验证。

3.1 试验状态

实验分为模型验证和后期实际设备试验两个阶段、三种状态进行验证。

状态一：径向迷宫、储油槽、轴向迷宫均涂抹润滑脂；

状态二：仅径向迷宫涂抹润滑脂；

状态三：径向迷宫、储油槽、轴向迷宫均未涂抹润滑脂。

3.2 实验结果

试验结果如表1所示。

表1 不同设备状态下的试验结果

4 结束语

本文主要为解决舰载甲板外露武器装备旋转动密封防水问题，以方位旋转为例，进行了充分的调研、咨询和实际观测，从工程技术角度进行了理论分析、结构优化设计、试验验证等大量的工作，积累了大量的数据和经验，取得了非常好的实际效果，满足了装备的实际需求。