水鉸在雷達系統中的動密封失效分析

液體旋轉關（也稱為水鏈）的功能是將冷卻液通過空氣阻力裝置提供給雷達天然雜成設備，以確保冷卻液的循環。某雷達系統的水鉸鏈在隨雷達整機試驗中，發現水鉸鏈的溢流管處有漏液現象，而且天線連續旋轉時間越長，泄漏率也越大。天線靜止時，泄漏量少。因為溢流管設置在動密封處，動密封一旦失效，冷卻液就從溢流管流出，本文針對動密封泄漏原因進行分析，從動密封結構形式的選擇、動密封相匹配的密封件及裝配要點等方面進行闡述，以保證動密封的密封可靠。1介紹水鏈的組成和泄漏原因1.1液冷管網的功能在雷達系統中，水鉸鏈一般由一個雙通道的方位水鉸鏈和若干個單通道的俯仰水鉸鏈組成，通過液冷管網完成雷達地面設備與雷達天線陣面設備之間冷卻液的供給和回收功能。水鉸鏈一般由動環、定環、進水口、出水口、回進水口、回出水口、軸承、靜密封和動密封等組成，定環的進水口和回出水口與天線座底座固定，動環上的出水口和回進水口與天線座轉臺固定，隨轉臺一起旋轉。1.2新型制定的成膜密封結構該雷達系統的水鉸鏈發生泄漏的是一個雙通道的方位水鉸鏈，其結構形式如圖1所示，采用的是接觸式密封結構形式，也就是動環旋轉軸與靜環上的密封圈直接接觸，即圓周（徑向）密封。泄漏的位置可能出現在以下部位。1.2.1焊接部位組成水鉸鏈的零部件為焊接件，如果焊接過程中有缺陷，在長時間的受力狀況下，缺陷在焊縫處產生裂紋。1.2.2密封槽型的確定靜密封是通過法蘭面壓緊有密封槽的O型密封圈進行密封，密封槽尺寸公差及法蘭面的粗糙度和平面度不達標準，緊固螺栓和密封圈被劃傷等缺陷都會引起泄漏。1.2.3動圈厚度低、裝配系統硬脆材料少因采用接觸式圓周密封，密封失效有以下方面：1）旋轉軸的同軸度、圓度、表面粗糙度和表面硬度等達不到技術要求；2）裝配過程中的小顆粒或液冷管網中的金屬屑和雜質等異物帶入，造成動密封圈的磨損；3）水鉸鏈的上端通過鍵槽連接匯流環組合，匯流環組合的重量約260kg，如果裝配時兩部件內軸有偏擺就會造成動密封圈在圓周方向壓縮率不均勻引起動密封失效。1.3水制定采用2mpa水壓動密封單元的泄漏針對水鉸鏈可能泄漏的部位進行逐一排查，焊縫部位和靜密封端面沒有冷卻液滲出，況且在水鉸鏈裝入天線底座前，水鉸鏈是經過2MPa水壓的靜壓測試和1MPa水壓的動壓測試，都無任何泄漏出現。由此可確定泄漏的部位在動密封處，和匯流環組合裝配后的兩內軸同軸度差造成動密封圈的失效。水鉸鏈密封結構形式及動密封摩擦副的選擇要綜合考慮雷達系統使用工況（連續旋轉、承載、轉臺內部空間、水鉸鏈上端的載荷和水鉸鏈的流量等）因素。2機械密封端面密封的選擇水鉸鏈動密封方式分為兩類：接觸式動密封和非接觸式動密封。接觸式動密封就是動環旋轉軸與靜環上的密封圈直接接觸。而非接觸式動密封也就是機械密封（又稱端面密封），動環和靜環的端面通過彈性構件和密封介質的壓力使其互相貼合并作相對轉動，端面間維持一層極薄的液膜而達到密封的目的。對于單通道的俯仰水鉸鏈，工作狀態是不需要連續運轉，動密封結構形式采用接觸式圓周（徑向）密封，密封圈采用組合式密封圈，密封效果好，結構簡單，裝配更換密封圈較方便。對于雙通道方位水鉸鏈，雷達天線的轉速≥6r/min，流量為50～53m為了降低軸向尺寸，在可控的轉臺空間加大徑向尺寸，將進水口、出水口沿徑向設計，這種結構形式就需要采用機械密封（即端面密封），如圖3所示。縮短旋轉軸的軸向尺寸，可有空間在水鉸鏈和匯流環之間增加消除偏心的裝置，解決偏擺引起泄漏的問題。但機械密封的結構設計復雜，對密封端面的兩個摩擦副的尺寸精度、位置精度和粗糙度都有很高的要求，制造成本高。本雷達系統的方位水鉸鏈結構形式采用機械密封。3動密封選定器的選擇接觸式圓周密封和機械密封的動密封件是不同的，選擇不同動密封件的材料和加工工藝也會影響動密封的可靠和壽命。3.1材料及基本要求采用接觸式圓周密封結構形式的水鉸鏈，參與動密封的兩個零件為旋轉軸和密封圈，動密封的可靠性和使用壽命與密封圈的選擇和旋轉軸硬度有關。即密封圈與旋轉軸表面硬度是否匹配。對于各種動密封圈來說，與其相匹配的旋轉軸的硬度應不低于洛氏硬度HRC55，粗糙度應不大于Ra0.4。考慮雷達產品的環境適應性要求，水鉸鏈旋轉軸的材料選用奧氏體不銹鋼，常用的牌號有06Cr19Ni10（美國牌號304）和022Cr17Ni12Mo2（美國牌號316L）。06Cr19Ni10材料含鉻≥18%，含鎳≥8%及少量的鉬、鈦、氮等元素，綜合性能好，耐多種介質腐蝕和耐晶間腐蝕性能。022Cr17Ni12Mo2為超低碳不銹鋼，含碳量≤0.03%，因含鉬元素（Mo），抗晶間腐蝕性能優于06Cr19Ni10，特別是耐點蝕性能優秀，通常用于海洋環境，其材料價格高于06Cr19Ni10材料的5%～10%。但不銹鋼材料本身硬度值比較低，其洛氏硬度HRC17，必須將與密封圈相匹配的旋轉軸的表面進行強化處理，達到硬度要求。旋轉軸表面強化方法有以下幾種。3.1.1鍍層硬度和均勻性電鍍處理方法有兩種。一種方法是化學鎳處理，鍍后洛氏硬度可以達到HRC40。如果采用自催化的氧化還原反應，鍍層會比較均勻，比電鍍鎳要硬，通過400℃的熱處理，硬度可達到洛氏硬度HRC59.5。另一種方法采用電鍍硬鉻的方法，鍍層厚度在0.03～0.05mm左右，硬度值高，洛氏硬度HRC66.5，但鍍層的均勻性受零件形狀和厚度影響較大，鍍后要進行磨削加工表面，以達到粗糙度要求。另外電鍍鉻過程中產生的六價鉻（Cr對于轉速低，不是連續轉動的雷達系統，其水鉸鏈的旋轉軸的強化處理采用化學鎳處理方法。3.1.2復合涂層的結構設計熱噴涂方法，即通過在金屬基體表面噴涂一層使金屬具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化和隔熱性能的涂層。熱噴涂的涂層應用較廣泛的為陶瓷，陶瓷具有高熔點、高硬度、高剛度、高化學穩定性、高絕緣能力、熱導率低和熱膨脹系數小的特點，通過噴涂方法將陶瓷材料沉積在金屬基體表面，可以有效地提高基體材料的耐磨損、耐高熱、耐腐蝕和抗高溫氧化的性能，起到金屬材料難以起到的作用。根據雷達系統使用要求，對旋轉軸噴涂一層氧化物陶瓷涂層，設計時在噴涂區域留0.20～0.25mm深溝槽，并考慮噴涂后磨削余量，通過對陶瓷涂層的結合強度、涂層硬度及孔隙率的試驗驗證，能夠滿足旋轉軸耐磨損要求。對于轉速高，連續轉動的雷達系統，其水鉸鏈的旋轉軸的強化處理采用熱噴涂氧化物陶瓷涂層方法。3.2在密封體上的應用考慮到水鉸鏈動密封的可靠性，密封圈最好選用組合式密封圈，組合式密封圈一般是利用兩種不同種類的密封件的優點組合形成的一種新型密封圈。通常利用薄唇結構的增強聚四氟乙烯（PTFE）（也有采用尼龍材料）的滑環作為主要密封體，因為聚四氟乙烯具有優異的化學穩定性和非常低的摩擦系數，橡膠彈性體（一般為O型密封圈）作為彈性補償體，補償PTFE密封環的磨損，從而達到密封效果。組合密封圈具有結構簡單、安裝方便、摩擦力小、無泄漏、密封性能可靠和工作壽命高等優點。目前，應用在水鉸鏈上的組合密封圈有車恒德密封圈和愛科密封圈等。本雷達系統的俯仰單通道水鉸鏈的動密封圈選用的是愛科密封圈。3.3密封端面材料的選擇機械密封的核心是動環（補償環）與靜環（非補償環）組成的平面摩擦副，彈性元件為補償緩沖機構，使得端面間維持一層極薄的液膜達到密封。其結構原理圖如圖4所示摩擦因數是接觸式機械密封一個很重要的性能參數，摩擦因素的大小主要取決于密封端面材料、轉速以及端面比壓。機械密封端面材料對于機械密封的正常運轉具有重要作用。端面材料具有減磨潤滑作用，采用軟對硬組合。軟材料采用碳石墨材料，具有高導熱性和低膨脹性，自潤滑性好。硬材料主要有硬質合金和工程陶瓷等，硬質合金主要分為碳化鎢和碳化鈦，常用的工程陶瓷有氧化鋁陶瓷（Al機械密封中采用的彈性元件有圓柱螺旋彈簧、波形彈簧和金屬波紋管等，材料強度高、彈性極限高、耐疲勞、耐腐蝕以及耐高（或低）溫，密封在介質中長期工作仍能保持足夠的彈力來維持密封端面的良好貼合4連接安裝和水鏈生產水鉸鏈為較精密的部件，其裝配質量的好壞對使用壽命有很大影響。因此水鉸鏈裝配過程的質量控制也尤為重要。4.1旋轉體密封的復測1）裝配過程中應保證裝配環境潔凈，溫度適宜，操作者手部清潔。檢查旋轉軸噴涂層表面是否有裂紋、鼓包及脫落等缺陷，有缺陷必須更換或修復。用酒精清洗各裝配件。2）與動、靜密封圈裝配相關聯的零部件的同軸度、圓度、粗糙度、端面平面度及外徑尺寸等進行復測。檢查動、靜密封圈的尺寸是否合適。3）安裝組合式動密封圈時，注意裝配順序，根據選用密封結構形式的不同（開式溝槽或閉式溝槽），選用不同的安裝方法，裝配過程防止切屑和小砂粒等多余物進入密封腔體內。4）裝配時先進行預裝，調整軸承游隙，保證軸承無任何軸向竄動，且轉動靈活。5）壓力試驗：靜密封在2MPa水壓下保壓40min無任何泄漏；動密封在1MPa水壓下轉動（轉速6r/min)8h，無任何泄漏。6）裝配結束及動態跑合后測啟動力矩是否滿足設計要求。4.2機械密封水封的檢測1）裝配過程中應保證裝配環境潔凈，溫度適宜，操作者手部清潔。檢查動、靜環的密封端面及輔助密封圈表面，應無雜質、灰塵。用干凈的布擦拭密封端面。2）檢查其他裝配件外觀是否完好，尤其是密封圈的尺寸是否合適，動、靜環表面是否光滑平整，是否有缺陷，有缺陷必須更換或修復。3）對機械密封部位的軸的徑向圓跳動、表面粗糙度和外徑公差等裝配尺寸進行復測。4）復測其他裝配件的配合尺寸、粗糙度和平行度等。5）使用圓柱螺旋彈簧機械密封時，應檢查彈簧長度和剛度的一致性，保證傳動座與推環間隙的一致性。6）裝配前，先進行預裝，調整軸承游隙，保證軸承無任何軸向竄動，且轉動靈活。7）在裝配密封圈時，在與密封圈配合的表面涂抹適量的防凍液，便于裝入軸內。安裝防塵氈圈，涂適量的機油。動環和靜環密封端面也應涂抹機油，以免啟動瞬間產生干摩擦。8）動、靜環接觸表面在裝配時不允許碰傷、損壞，裝配后表面無異物夾入。9）裝配過程中不允許用工具敲打密封元件，以防止密封件被損壞。10）壓力試驗：靜密封在2MPa水壓下保壓40min無任何泄漏；動密封在1MPa水壓下轉動（轉速6r/min)8h，無任何泄漏。11）裝配結束及動態跑合后測啟動力矩是否滿足設計要求。4.3啟動組合測試裝配后的液體旋轉關節在試驗裝置上做8h,