激光传输通道动密封防尘结构设计

李 冰,韩光宇,吴运寒

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

光电经纬仪是为完成测验目标的弹道与物理等参数测量和飞行实况为目的,运用光学、精密机械、电控与计算机技术,可以完成卫星测距、辐射特性测量和干扰目标等功能。主要是由光学分系统、轴系系统和电控分系统等组成[1-2]。

激光发射设备是光电经纬仪的分支,发展趋势是发射功率越来越高,作用距离越来越远。如果在设备上没有有效的密封防尘措施,灰尘和水分等很容易进入通道中污染库德镜。当高能激光照射到沾染的库德镜时,能量的积累会使膜系受损,严重至镜子炸裂[3-4]。水渍和灰尘还会影响镜面的反射率。以上因素严重限制激光功率提升。为了确保激光传输过程中通道洁净,密封是必须解决的问题。

目前国内激光通道密封集中在密封窗口,根据原理可分为晶体窗口和气动窗口两种[5-6]。晶体窗口密封原理为采用吸收率较低的晶体制成光学玻璃,将其安装在激光传输通道出射端,气动窗口是在通道出射端安装多个高速气流的喷嘴,二者皆可以阻挡外界灰尘。两种窗口皆有优缺点。晶体窗口设计难度低,密封性能优良,可靠性好,但晶体窗口会吸收能量,当增大激光功率时,窗口温度升高产生热变形,使激光折射发生变化[7]。气动窗口对光束影响很低,但在使用过程中需要打开卷帘,无法保证灰尘或水蒸气完全不进入激光传输通道,而且耗能大,成本很高。两种窗口仅仅密封了静止部分,轴系的转动部分的密封存在空白。

针对轴系的转动部分,本文利用磁流体的优良特性,设计了一种密封结构。利用有限元软件对间隙处的磁感应强度进行了分析。通过耐压公式可以得到密封能力值。理论分析了低速下离心力对密封几乎无影响。对结构中的长臂件进行模态分析,保证系统不会发生共振。最后进行气密、转矩、高低温和振动试验进行验证,证明了密封结构设计的合理性。本文在原有的窗口的设计基础上,第一次将磁流体动密封应用激光通道中上,大幅度增强激光通道的密封性能。

2 原理和设计要求

2.1 激光传输通道工作原理

如图1所示,激光传输通道内部耦合了七个库德镜。入射端和出射端安装了窗口,形成了静密封。激光器发出的激光经过准直系统,由入射窗口进入,在经过库德镜反射后,由出射窗口发出。在入射窗口到出射窗口之间形成激光传输通道,通道内部的库德镜一和库德镜二存在相对转动,同理库德镜四和库德镜五也存在相对转动。

图1 激光传输通道Fig.1 Laser transmission channel

2.2 磁流体工作机理

磁流体密封具有零泄漏、低磨损和长寿命等优点,广泛应用于防尘密封和真空密封[8-9]。密封的基本就是磁场提供足够的彻体力。当介质内外有压差时,磁流体会沿着轴向或径向移动。磁场对磁流体产生的彻体力同内外压差相平衡的时候,磁流体处于平衡位置,阻止被密封介质泄漏,从而达到密封的目的。

2.3 设计要求

向激光传输通道内部输入氮气来置换出水蒸气。通道内部会形成微正压,来抵御外界杂质。由于激光发射设备的应用环境广泛,密封结构需要具备足够高的密封性能,并可以抵抗振动和高低温。其启动扭矩和匀速运转时所需力矩不应过大。根据上述要求,确定了密封结构的设计指标。如表1所示。

表1 密封结构设计要求Tab.1 Sealing structure design requirements

3 结构设计

依据磁流体的密封原理,密封结构主要包含永磁体,极靴,磁流体,内筒、外筒和盖板。如图2所示。

图2 密封结构Fig.2 Sealing structure

密封结构包含两个极靴。每个极靴内壁有八个矩形极齿,一个极齿构成一级,构成十六级密封,从而增加密封可靠性。采用矩形齿,齿宽0.3 mm,齿高0.9 mm,槽宽0.9 mm。永磁体由68个圆柱形的钕铁硼磁铁拼接而成。极靴接触永磁铁的一侧设计一个凸台结构,方便径向固定住永磁体。极靴与外筒接触的端面加工一个矩形缺口,用来装密封圈,防止气体从极靴和外筒之间的缝隙泄漏。盖板用来将极靴和永磁体压入外筒中,设计成整体式。永磁体提供外加磁场。磁流体充满在齿槽中。外筒加上盖板后,盖板、内筒和极靴三者可形成封闭的空腔。

极靴和内筒起到导磁作用,采用2Cr13,磁流体选择二脂基。外筒和盖板为304不锈钢,起到隔磁作用。

在试验环节,设计了一种转台,此转台可与密封结构完美结合。如图3所示。试验转台主要包括连接板、轴承、轴承座、传动轴、力矩电机、电机座、密封盖、若干螺钉和垫圈。连接板和内筒通过螺钉连接。力矩电机驱动连接板进而带动内筒旋转。极靴位置固定,进而内筒与极靴产生相对转动。向空腔内输入氮气,则空腔的气压会高于外界环境的气压,形成微正压,可通过气压表读出数值。驱动试验转台,观察气压表的数值变化。如果气压表数值长时间不变,则证明磁流体没有泄露,结构气密性良好。

图3 试验转台Fig.3 Experimental turntable

4 固有频率分析

工程应用的内筒为一个长臂件,为防止其转动过程中产生共振,有必要进行模态分析。主要目的是获得其固有频率和振型。因为内筒结构较为简单,直接输入命令流建立模型,忽略倒角和螺纹。材料选择2Cr13,定义好材料属性后,选用solid186单元。扫描划分网格时注意了的细化。共划分25506个六面体单元。如图4所示。

图4 内筒有限元模型Fig.4 Finite element model of the internal cylinder

在内筒的法兰端面施加全位移约束。应用Block Lanczos法求解。内筒的前5阶固有频率如表2所示。图5展示了内筒的一阶振型,长臂部分绕Y轴进行摆动。激光发射设备的1阶固有频率约为110 Hz[10]。其一阶频率远小于内筒的固有频率,系统不会发生共振现象。较好满足车载要求。

表2 内筒固有频率Tab.2 Natural frequency of internal cylinder

图5 内筒一阶振型Fig.5 The first-order mode of the internal cylinder

5 磁场仿真

5.1 密封耐压公式

在静止情况下,磁流体内部任意一点处的压强为[6-8]:

实际极齿部位的磁感应强度比较强,磁流体一般达到饱和磁化状态,其饱和磁化强度为Ms。重力可忽略不计,则压强可以简化为:

p=μ0MsH+C=MsB

磁流体密封压差为液膜双侧外表面上的压强差值。设磁性流体内任意两点1、2处的磁感应强度分B1,B2。对于静止密封,其密封耐压公式为:

Δp=p1-p2=Ms(B1-B2)

5.2 有限元模型

外筒和盖板采用不导磁的304不锈钢,将其视为空气对待。磁流体的饱和磁化强度较低,可设定磁流体与空气的磁导率相同。内筒和极靴的材料为2Cr13。永磁铁采用铷铁硼,矫顽力为8.9×105A/m,相对磁导率为1.05,空气的相对磁导率为1。

由于模型是轴对称结构,将三维问题转为二维平面问题。采用plane53单元,建立二维模型。简化的模型如图6。A1为空气,A2为内筒,A3和A5为极靴,A4为永磁体。

图6 磁场有限元模型Fig.6 Finite element model of magnetic field

不同区域赋予相应的材料属性和网格精度,采用智能网格划分三角形网格,精度为2级。在间隙处单元划分较为紧密。给模型边界施加磁力线平行的边界条件。

5.3 磁场结果分析

本文研究的密封间隙在0.1～0.4 mm。对4种间隙下的磁场分布进行求解。

0.2 mm间隙下的磁力线分布图如图7所示。图中显示极齿附近磁力线最密集,极齿的极尖部位磁场梯度最大。磁流体被吸附在磁场最强的极齿附近。空气中有少许磁力线,存在漏磁现象。

图7 0.2mm间隙磁力线分布Fig.7 0.2mm gap magnetic field line distribution

在间隙的内筒一侧定义一条轴线轨线,将磁场强度映射到轴向轨线上。图8展示了四种间隙轴向轨线的磁场强度变化情况。由于整体结构呈对称分布,磁场强度分布也是关于X轴成对称分布。随着间隙的变大,波峰和波谷间的差值在变小。说明密封间隙越大,漏磁越严重。本文选取的磁流体为二脂基。饱和磁化强度为36 kA/m。根据耐压公式3及不同间隙轴向轨线的磁场分布,计算得到耐压值如表3。数据显示间隙每增加0.1 mm,耐压值近乎减半。当间隙超过0.3 mm,耐压值明显不够。考虑工程实际使用,本文选取密封间隙0.2 mm。

图8 轴向轨线磁场强度Fig.8 Axial trajectory magnetic field intensity

表3 理论耐压值

6 试验测试

任务要求设备在-40～50 ℃能稳定工作。同时考虑车载环境下的影响和扭矩的要求。共安排四组实验。试验转台实物如图9所示。

图9 试验转台实物图Fig.9 Physical image of the experiment turntable

6.1 动密封压力测试

引入离心力的几何因子[11]:

(4)

其中,Rs为内筒外径与外筒内径比;R为磁流体半径:

Δp=Δpmax+ρ(R1ω)2G

(5)

外筒为旋转轴,在轴的表面上,离心力最大。带入已知参数,几何因子为8.32×10-4,数值很小。证明低转速下离心力对密封几乎无影响,忽略不计。气压表最小量程0.02 MPa。从输入0.03 MPa微正压开始,一直增加到最大密封压力。在0.03 MPa压力下,一个月后气压表数值无明显变化。证明磁流体没有泄露,其密封结构气密性良好。

当内外气压达到0.2 MPa时,气压表数值突然降低,此时达到了密封结构的极限密封压力。测量结果显示,密封结构的密封能力与仿真基本一致。

6.2 扭矩测试

将测力计拉力测试头一端通过绳索套在内筒的螺钉处,拉动测力计,记下数值。力臂为110 mm,二者相乘即为力矩值。转台最大初始转动转矩为3 N·m,稳定运转所需的力矩在0.8～2.8 N·m波动,平均一圈所需力矩为1.1 N·m。二者的数值均小于设计要求。启动力矩大于稳定运转力矩是因为磁流体中胶体粒子产生聚集。需要加大扭矩来破坏聚集结构。

试验电机型号为J160LYX06G3,主要技术参数有峰值转矩28 N·m,额定转矩11 N·m,工程项目使用的电机比试验电机的输出转矩高出数倍之多。转台运转过程中不会产生爬行,不会影响伺服跟踪精度。

6.3 高低温测试

光学设备正常工作温度在-40～50℃。将试验转台放进高低温箱,在-20℃、-30℃、-40℃、30℃、40℃、55℃多种温度情况下,驱动电机,待温度稳定后,保持一段时间。

实验测得,在极端温度下气压表数值略有浮动,这是气体热胀冷缩的结果。磁流体并没有发生泄漏,且试验台运转平稳,证明密封结构可以抵抗极端温度,达到使用要求。

6.4 振动试验测试

将实验转台装在振动试验台上,施加随机载荷,用于模拟长途运输对密封结构的影响。振动试验分为X、Y向振动和Z向振动。30 min的试验可等效1000 km公路运输里程。每个方向试验10 min。振动条件和功率谱如表4,5所示。

为了提高安全系数,X、Y、Z向的低频段功率谱皆取其附近频段上的最大值。经过计算,均方根加速度0.835 g。峰值加速度为3倍均方根加速度,约为2.5 g,30 min后,气压表数值并没有明显变化。证明气体没有泄露,密封结构符合要求。

7 结 论

针对激光通道动密封的问题,本文设计了一种密封结构,结合仿真软件进行耐压数值分析。理论结果证明,随着密封间隙的增加,密封耐压能力逐渐下降。考虑工程应用选择了密封间隙,再根据公式得出理论密封能力为0.26 MPa。内筒的固有频率远大于工作频率,系统不会产生共振。实验测试表明,低转速对密封性能几乎无影响。此密封结构密封压力值为0.2 MPa,并可抵抗-40～50 ℃的极端温度和0～500 Hz振动的冲击。转台驱动平稳,不存在爬行问题。该密封结构简单,环境适应力强,可满足激光传输通道的动密封要求。