水铰在雷达系统中的动密封失效分析

水铰在雷达系统中的动密封失效分析

液体旋转关（也称为水链）的功能是将冷却液通过空气阻力装置提供给雷达天然杂成设备，以确保冷却液的循环。某雷达系统的水铰链在随雷达整机试验中，发现水铰链的溢流管处有漏液现象，而且天线连续旋转时间越长，泄漏率也越大。天线静止时，泄漏量少。因为溢流管设置在动密封处，动密封一旦失效，冷却液就从溢流管流出，本文针对动密封泄漏原因进行分析，从动密封结构形式的选择、动密封相匹配的密封件及装配要点等方面进行阐述，以保证动密封的密封可靠。1介绍水链的组成和泄漏原因1.1液冷管网的功能在雷达系统中，水铰链一般由一个双通道的方位水铰链和若干个单通道的俯仰水铰链组成，通过液冷管网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功能。水铰链一般由动环、定环、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，定环的进水口和回出水口与天线座底座固定，动环上的出水口和回进水口与天线座转台固定，随转台一起旋转。1.2新型制定的成膜密封结构该雷达系统的水铰链发生泄漏的是一个双通道的方位水铰链，其结构形式如图1所示，采用的是接触式密封结构形式，也就是动环旋转轴与静环上的密封圈直接接触，即圆周（径向）密封。泄漏的位置可能出现在以下部位。1.2.1焊接部位组成水铰链的零部件为焊接件，如果焊接过程中有缺陷，在长时间的受力状况下，缺陷在焊缝处产生裂纹。1.2.2密封槽型的确定静密封是通过法兰面压紧有密封槽的O型密封圈进行密封，密封槽尺寸公差及法兰面的粗糙度和平面度不达标准，紧固螺栓和密封圈被划伤等缺陷都会引起泄漏。1.2.3动圈厚度低、装配系统硬脆材料少因采用接触式圆周密封，密封失效有以下方面：1）旋转轴的同轴度、圆度、表面粗糙度和表面硬度等达不到技术要求；2）装配过程中的小颗粒或液冷管网中的金属屑和杂质等异物带入，造成动密封圈的磨损；3）水铰链的上端通过键槽连接汇流环组合，汇流环组合的重量约260kg，如果装配时两部件内轴有偏摆就会造成动密封圈在圆周方向压缩率不均匀引起动密封失效。1.3水制定采用2mpa水压动密封单元的泄漏针对水铰链可能泄漏的部位进行逐一排查，焊缝部位和静密封端面没有冷却液渗出，况且在水铰链装入天线底座前，水铰链是经过2MPa水压的静压测试和1MPa水压的动压测试，都无任何泄漏出现。由此可确定泄漏的部位在动密封处，和汇流环组合装配后的两内轴同轴度差造成动密封圈的失效。水铰链密封结构形式及动密封摩擦副的选择要综合考虑雷达系统使用工况（连续旋转、承载、转台内部空间、水铰链上端的载荷和水铰链的流量等）因素。2机械密封端面密封的选择水铰链动密封方式分为两类：接触式动密封和非接触式动密封。接触式动密封就是动环旋转轴与静环上的密封圈直接接触。而非接触式动密封也就是机械密封（又称端面密封），动环和静环的端面通过弹性构件和密封介质的压力使其互相贴合并作相对转动，端面间维持一层极薄的液膜而达到密封的目的。对于单通道的俯仰水铰链，工作状态是不需要连续运转，动密封结构形式采用接触式圆周（径向）密封，密封圈采用组合式密封圈，密封效果好，结构简单，装配更换密封圈较方便。对于双通道方位水铰链，雷达天线的转速≥6r/min，流量为50～53m为了降低轴向尺寸，在可控的转台空间加大径向尺寸，将进水口、出水口沿径向设计，这种结构形式就需要采用机械密封（即端面密封），如图3所示。缩短旋转轴的轴向尺寸，可有空间在水铰链和汇流环之间增加消除偏心的装置，解决偏摆引起泄漏的问题。但机械密封的结构设计复杂，对密封端面的两个摩擦副的尺寸精度、位置精度和粗糙度都有很高的要求，制造成本高。本雷达系统的方位水铰链结构形式采用机械密封。3动密封选定器的选择接触式圆周密封和机械密封的动密封件是不同的，选择不同动密封件的材料和加工工艺也会影响动密封的可靠和寿命。3.1材料及基本要求采用接触式圆周密封结构形式的水铰链，参与动密封的两个零件为旋转轴和密封圈，动密封的可靠性和使用寿命与密封圈的选择和旋转轴硬度有关。即密封圈与旋转轴表面硬度是否匹配。对于各种动密封圈来说，与其相匹配的旋转轴的硬度应不低于洛氏硬度HRC55，粗糙度应不大于Ra0.4。考虑雷达产品的环境适应性要求，水铰链旋转轴的材料选用奥氏体不锈钢，常用的牌号有06Cr19Ni10（美国牌号304）和022Cr17Ni12Mo2（美国牌号316L）。06Cr19Ni10材料含铬≥18%，含镍≥8%及少量的钼、钛、氮等元素，综合性能好，耐多种介质腐蚀和耐晶间腐蚀性能。022Cr17Ni12Mo2为超低碳不锈钢，含碳量≤0.03%，因含钼元素（Mo），抗晶间腐蚀性能优于06Cr19Ni10，特别是耐点蚀性能优秀，通常用于海洋环境，其材料价格高于06Cr19Ni10材料的5%～10%。但不锈钢材料本身硬度值比较低，其洛氏硬度HRC17，必须将与密封圈相匹配的旋转轴的表面进行强化处理，达到硬度要求。旋转轴表面强化方法有以下几种。3.1.1镀层硬度和均匀性电镀处理方法有两种。一种方法是化学镍处理，镀后洛氏硬度可以达到HRC40。如果采用自催化的氧化还原反应，镀层会比较均匀，比电镀镍要硬，通过400℃的热处理，硬度可达到洛氏硬度HRC59.5。另一种方法采用电镀硬铬的方法，镀层厚度在0.03～0.05mm左右，硬度值高，洛氏硬度HRC66.5，但镀层的均匀性受零件形状和厚度影响较大，镀后要进行磨削加工表面，以达到粗糙度要求。另外电镀铬过程中产生的六价铬（Cr对于转速低，不是连续转动的雷达系统，其水铰链的旋转轴的强化处理采用化学镍处理方法。3.1.2复合涂层的结构设计热喷涂方法，即通过在金属基体表面喷涂一层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化和隔热性能的涂层。热喷涂的涂层应用较广泛的为陶瓷，陶瓷具有高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘能力、热导率低和热膨胀系数小的特点，通过喷涂方法将陶瓷材料沉积在金属基体表面，可以有效地提高基体材料的耐磨损、耐高热、耐腐蚀和抗高温氧化的性能，起到金属材料难以起到的作用。根据雷达系统使用要求，对旋转轴喷涂一层氧化物陶瓷涂层，设计时在喷涂区域留0.20～0.25mm深沟槽，并考虑喷涂后磨削余量，通过对陶瓷涂层的结合强度、涂层硬度及孔隙率的试验验证，能够满足旋转轴耐磨损要求。对于转速高，连续转动的雷达系统，其水铰链的旋转轴的强化处理采用热喷涂氧化物陶瓷涂层方法。3.2在密封体上的应用考虑到水铰链动密封的可靠性，密封圈最好选用组合式密封圈，组合式密封圈一般是利用两种不同种类的密封件的优点组合形成的一种新型密封圈。通常利用薄唇结构的增强聚四氟乙烯（PTFE）（也有采用尼龙材料）的滑环作为主要密封体，因为聚四氟乙烯具有优异的化学稳定性和非常低的摩擦系数，橡胶弹性体（一般为O型密封圈）作为弹性补偿体，补偿PTFE密封环的磨损，从而达到密封效果。组合密封圈具有结构简单、安装方便、摩擦力小、无泄漏、密封性能可靠和工作寿命高等优点。目前，应用在水铰链上的组合密封圈有车恒德密封圈和爱科密封圈等。本雷达系统的俯仰单通道水铰链的动密封圈选用的是爱科密封圈。3.3密封端面材料的选择机械密封的核心是动环（补偿环）与静环（非补偿环）组成的平面摩擦副，弹性元件为补偿缓冲机构，使得端面间维持一层极薄的液膜达到密封。其结构原理图如图4所示摩擦因数是接触式机械密封一个很重要的性能参数，摩擦因素的大小主要取决于密封端面材料、转速以及端面比压。机械密封端面材料对于机械密封的正常运转具有重要作用。端面材料具有减磨润滑作用，采用软对硬组合。软材料采用碳石墨材料，具有高导热性和低膨胀性，自润滑性好。硬材料主要有硬质合金和工程陶瓷等，硬质合金主要分为碳化钨和碳化钛，常用的工程陶瓷有氧化铝陶瓷（Al机械密封中采用的弹性元件有圆柱螺旋弹簧、波形弹簧和金属波纹管等，材料强度高、弹性极限高、耐疲劳、耐腐蚀以及耐高（或低）温，密封在介质中长期工作仍能保持足够的弹力来维持密封端面的良好贴合4连接安装和水链生产水铰链为较精密的部件，其装配质量的好坏对使用寿命有很大影响。因此水铰链装配过程的质量控制也尤为重要。4.1旋转体密封的复测1）装配过程中应保证装配环境洁净，温度适宜，操作者手部清洁。检查旋转轴喷涂层表面是否有裂纹、鼓包及脱落等缺陷，有缺陷必须更换或修复。用酒精清洗各装配件。2）与动、静密封圈装配相关联的零部件的同轴度、圆度、粗糙度、端面平面度及外径尺寸等进行复测。检查动、静密封圈的尺寸是否合适。3）安装组合式动密封圈时，注意装配顺序，根据选用密封结构形式的不同（开式沟槽或闭式沟槽），选用不同的安装方法，装配过程防止切屑和小砂粒等多余物进入密封腔体内。4）装配时先进行预装，调整轴承游隙，保证轴承无任何轴向窜动，且转动灵活。5）压力试验：静密封在2MPa水压下保压40min无任何泄漏；动密封在1MPa水压下转动（转速6r/min)8h，无任何泄漏。6）装配结束及动态跑合后测启动力矩是否满足设计要求。4.2机械密封水封的检测1）装配过程中应保证装配环境洁净，温度适宜，操作者手部清洁。检查动、静环的密封端面及辅助密封圈表面，应无杂质、灰尘。用干净的布擦拭密封端面。2）检查其他装配件外观是否完好，尤其是密封圈的尺寸是否合适，动、静环表面是否光滑平整，是否有缺陷，有缺陷必须更换或修复。3）对机械密封部位的轴的径向圆跳动、表面粗糙度和外径公差等装配尺寸进行复测。4）复测其他装配件的配合尺寸、粗糙度和平行度等。5）使用圆柱螺旋弹簧机械密封时，应检查弹簧长度和刚度的一致性，保证传动座与推环间隙的一致性。6）装配前，先进行预装，调整轴承游隙，保证轴承无任何轴向窜动，且转动灵活。7）在装配密封圈时，在与密封圈配合的表面涂抹适量的防冻液，便于装入轴内。安装防尘毡圈，涂适量的机油。动环和静环密封端面也应涂抹机油，以免启动瞬间产生干摩擦。8）动、静环接触表面在装配时不允许碰伤、损坏，装配后表面无异物夹入。9）装配过程中不允许用工具敲打密封元件，以防止密封件被损坏。10）压力试验：静密封在2MPa水压下保压40min无任何泄漏；动密封在1MPa水压下转动（转速6r/min)8h，无任何泄漏。11）装配结束及动态跑合后测启动力矩是否满足设计要求。4.3启动组合测试装配后的液体旋转关节在试验装置上做8h,