摘 要： 通過對某地面雷達水鉸鏈漏液故障進行詳細的分析, 定位了故障位置, 找到了故障的主要原因, 同時提出了改進措施, 并對改進措施進行力學仿真分析及試驗驗證, 證明了改進措施的有效性。

0 引言

隨著雷達技術(shù)體制的不斷更新和發(fā)展, 雷達逐漸向大陣面、大數(shù)據(jù)發(fā)展, 因而對雷達傳輸功率的要求越來越高, 傳統(tǒng)的風冷已滿足不了大型雷達的冷卻要求, 需采用液冷對雷達陣面進行冷卻?，F(xiàn)代地面雷達雖然逐漸開始采用相位掃描代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械掃描工作方式, 但仍有機械方位轉(zhuǎn)動的要求[1-3]。在雷達工作過程中, 地面設(shè)備與天線陣面設(shè)備之間冷卻液的轉(zhuǎn)動傳輸就需要靠液體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) (又稱水鉸鏈) 來實現(xiàn)[4-5]。水鉸鏈的性能穩(wěn)定與否, 關(guān)系著雷達冷卻系統(tǒng)的整體性能[6]。因此保證水鉸鏈的壽命和可靠性至關(guān)重要。

1 故障描述

該雷達水鉸鏈漏液故障具體表現(xiàn)為:

a.天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)時間越長, 泄漏率越大, 泄漏率最大高達150mL/h。

b.天線停在不同方位角位置, 泄漏率差別大, 其中與車身平行方位泄漏率最大 (約150mL/h) , 與車身垂直方位泄漏率最小 (約10mL/h) 。

2 故障定位及原因分析

為了對漏液故障準確定位, 結(jié)合水鉸鏈的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (圖1) , 建立故障樹 (圖2) , 并按此逐層分析。

由于裝機前均經(jīng)過嚴格的壓力測試, 測試結(jié)果均滿足技術(shù)要求, 可以排除0101和0102。為此進一步排查0103。

a.所選動密封是一種由齒形滑環(huán) (主密封) 和O型圈 (提供滑環(huán)的磨損補償) 組合的密封圈, 若使用不當或者長時間運轉(zhuǎn)超出其使用壽命時, 其中齒形滑環(huán)的磨損就會超出O型圈的補償能力, 造成動密封失效, 從而引起漏液, 此時繼續(xù)連續(xù)運轉(zhuǎn), 泄漏率就會進一步加大, 這與第1節(jié)的故障描述a現(xiàn)象一致。

圖1 水鉸鏈的剖面結(jié)構(gòu)

圖2 水鉸鏈漏液排查故障樹

b.若動密封在運轉(zhuǎn)過程中運動軌跡出現(xiàn)橢圓 (密封軸圓度不夠或密封軸與外殼不同軸) , 齒形滑環(huán)在圓周方向上就會出現(xiàn)擠壓變形量不一致的情況, 從而導致在不同圓周方向磨損量不同的情況出現(xiàn), 這與第1節(jié)的故障描述b現(xiàn)象一致。

c.解剖發(fā)現(xiàn) (如圖3所示) , 動密封1 (最上端動密封圈) 齒形滑環(huán)的齒形已磨損嚴重, 其中起補償作用的O型圈已出現(xiàn)不可恢復的變形, 而動密封2 (最下端動密封圈) 和動密封3 (通道之間的動密封圈) 齒形滑環(huán)的齒形只有少許磨損。

圖3 解剖后3處動密封形貌

因此, 漏點定位在0103動密封1處。針對動密封1的失效原因, 按圖2故障樹逐層分析排查發(fā)現(xiàn)是由系統(tǒng)裝配過程中水鉸鏈與匯流環(huán)的連接問題 (0301) 所致。

a.該水鉸鏈與匯流環(huán)內(nèi)圈 (固定部位) 直接通過鍵與槽連接 (如圖4所示) , 解剖發(fā)現(xiàn), 水鉸鏈的內(nèi)軸撥叉處已發(fā)生嚴重變形 (如圖4所示) , 經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)此處磨損量最大達2.3 mm, 說明此處受到了非正常的偏載荷作用。

圖4 水鉸鏈與匯流環(huán)連接及變形情況

b.由于匯流環(huán)采用單軸承結(jié)構(gòu), 并且此軸承離水鉸鏈與匯流環(huán)連接處距離為629mm, 在運轉(zhuǎn)過程中匯流環(huán)內(nèi)軸存在偏擺, 而水鉸鏈為長軸結(jié)構(gòu) (內(nèi)軸長1 036 mm) , 兩者直接鍵槽方式連接造成雷達天線轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)不同軸偏擺, 引起水鉸鏈的3處動密封摩擦副在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)不同軸, 導致動密封圈在不同位置壓縮量不同, 從而產(chǎn)生泄漏率差別。

c.解剖發(fā)現(xiàn), 離該水鉸鏈與匯流環(huán)連接處最近的動密封1磨損最嚴重, 離該連接處較遠的動密封2和動密封3僅有少許磨損 (如圖3所示) , 因此動密封1對應(yīng)的密封軸磨損也最嚴重 (如圖5所示) 。

圖5 解剖后3處動密封對應(yīng)密封軸的表面形貌

綜上可知, 同屬長軸結(jié)構(gòu)的水鉸鏈與匯流環(huán)僅僅通過單一的鍵槽方式連接, 不可避免會造成兩者出現(xiàn)不同軸偏擺, 從而導致水鉸鏈的3處動密封產(chǎn)生不同程度的偏擺, 并且上端動密封處偏擺最嚴重, 而這種連接方式無法釋放與鍵槽垂直方向的偏載荷, 導致偏載荷直接作用在3組動密封處, 從而造成動密封過早失效而出現(xiàn)漏液。因此, 故障定位在水鉸鏈與匯流環(huán)的單一鍵槽連接無法消除兩者長軸結(jié)構(gòu)帶來的與鍵槽垂直方向的偏擺。

3 機理分析

通過實物實測, 匯流環(huán)的啟動力矩為100N·m, 其單獨跑合試驗時, 匯流環(huán)內(nèi)軸撥叉處最大偏擺量為3mm, 由此算出偏擺角為0.4°。

為此, 對水鉸鏈建有限元模型, 分別對其在理想狀態(tài)下 (僅受到匯流環(huán)帶來的100N·m扭矩作用) 與偏載狀態(tài)下 (受到匯流環(huán)帶來的100N·m扭矩和0.4°偏擺角的共同作用) 進行力學仿真分析, 分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 水鉸鏈變形情況仿真分析結(jié)果

由力學仿真分析可知, 水鉸鏈在理想狀態(tài)下, 內(nèi)軸上端的最大變形量為0.032 mm;在偏載狀態(tài)下, 離該水鉸鏈與匯流環(huán)內(nèi)軸連接部位越近變形量越大, 并且水鉸鏈內(nèi)軸最頂端與撥叉方向垂直的部位變形量最大, 最大變形量為1.91mm。

由圖6可以看出該水鉸鏈在偏載狀態(tài)對應(yīng)動密封軸部位的變形量。動密封1 (最上端動密封) 對應(yīng)變形量為1.55mm;動密封2 (最下端動密封) 對應(yīng)密封軸的變形量為0.15mm;動密封3 (通道之間動密封) 對應(yīng)密封軸的變形量為0.21mm。分別對3處動密封的壓縮率計算如下所述[7]。

動密封1的壓縮率為:

動密封2的壓縮率為:

動密封3的壓縮率為:

而該種動密封圈的容許壓縮率為15%~20%。

離該水鉸鏈與匯流環(huán)連接處最近的動密封1在偏載荷作用下, 其壓縮率已超過動密封圈容許值的近50%, 遠遠超過起補償作用O型圈的補償能力。從圖3密封圈的解剖形貌和圖5對應(yīng)密封軸的解剖形貌也可看出:動密封1的齒形滑環(huán)已被磨平, O型圈出現(xiàn)不可恢復的變形, 對應(yīng)密封軸磨損也最嚴重, 因此動密封1率先出現(xiàn)漏液。隨著長時間這種不同軸偏心運轉(zhuǎn), 動密封圈的磨損不斷加劇, 齒形滑環(huán)與密封軸的接觸面積越來越大, 摩擦力矩隨之逐漸增大, 泄漏越來越嚴重, 所以會出現(xiàn)天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)時間越長, 旋轉(zhuǎn)過程中泄漏率越大的情況。

動密封1運轉(zhuǎn)過程中在這種偏載荷作用下, 在圓周方向上不同位置處壓縮率不同, 解剖發(fā)現(xiàn)與水鉸鏈上撥叉垂直方向部位磨損最嚴重 (圖7) 。因此密封圈在運轉(zhuǎn)到該方向處時動密封摩擦副的偏擺最嚴重, 磨損最嚴重 (與圖6仿真結(jié)果一致) , 泄漏率對應(yīng)也最大。因而會出現(xiàn)天線停在不同方位角位置泄漏率不同的情況, 這同水鉸鏈與匯流環(huán)內(nèi)軸采用單一鍵槽連接不能釋放來自與鍵槽垂直方向的偏擺情況一致。

圖7 解剖后動密封1密封軸處表面形貌

動密封2 (最下端動密封) 和動密封3 (兩通道之間動密封) 在偏載荷作用下, 其壓縮率仍在動密封圈容許值的范圍內(nèi)。這是因為這2處動密封離匯流環(huán)與水鉸鏈連接處的距離較遠, 偏擺量較小, 對應(yīng)O型圈還足以補償由偏載產(chǎn)生的偏移量, 因此動密封2和動密封3無漏液出現(xiàn)。

4 改進措施與分析

4.1 改進措施

針對以上故障原因, 做出如下改進:

a.將水鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式由徑向排布式改進為軸向排布式, 縮短水鉸鏈的軸向尺寸[5], 從而在保證原外形接口與尺寸不變的情況下, 在水鉸鏈與匯流環(huán)中間增加偏心消除裝置 (如圖8所示) 。

b.將水鉸鏈的內(nèi)外圈支撐方式由四點接觸球軸承與深溝球軸承組合支撐, 改進成兩端配對分布的角接觸軸承支撐 (如圖8所示) , 水鉸鏈自身抗偏擺能力進一步提高。

圖8 水鉸鏈改進情況

4.2 力學仿真分析

對改進水鉸鏈新增偏心消除裝置建立有限元模型, 同樣分別對其在理想狀態(tài)下 (僅受到匯流環(huán)帶來的100N·m扭矩作用) 與偏載狀態(tài)下 (受到匯流環(huán)帶來的100N·m扭矩和0.4°偏擺角的共同作用下) 進行力學仿真分析, 分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 新增偏心消除裝置仿真分析結(jié)果

由力學仿真分析可知, 在理想狀態(tài)下, 新增偏心消除裝置上端最大變形量為0.001 4mm, 下端與改進水鉸鏈連接部位基本無變形;在偏載狀態(tài)下, 新增偏心消除裝置上端槽口處最大變形量為0.017mm, 下端與改進水鉸鏈連接的鍵變形量為0.004mm, 按此推算, 如此小的變形量傳遞到動密封處變形量更小, 對其影響可忽略不計。

因此, 通過在整改方案中新增偏心消除裝置, 可以有效消除由匯流環(huán)與水鉸鏈連接帶來的偏擺, 以使水鉸鏈的內(nèi)軸基本不再受偏載荷作用, 有效保證了水鉸鏈動密封的壽命。

5 驗證情況

經(jīng)過改進后的水鉸鏈已通過單機性能測試試驗、與匯流環(huán)集成旋轉(zhuǎn)組合后的壓力測試試驗, 以及整機加裝試驗, 并已隨雷達整機進行96h拷機試驗及1年的隨雷達整機外場調(diào)試試驗, 試驗情況和試驗結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明, 改進水鉸鏈各項性能表現(xiàn)良好, 無任何故障出現(xiàn)。

表1 改進水鉸鏈試驗驗證結(jié)果

6 結(jié)束語

在保證原外形與接口尺寸不變的前提下, 通過改進水鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式, 以及在水鉸鏈與匯流環(huán)之間新增偏心消除裝置, 結(jié)合力學仿真分析及試驗驗證結(jié)果, 可以發(fā)現(xiàn), 改進后的水鉸鏈有效控制了水鉸鏈與匯流環(huán)的偏擺對動密封的影響, 保證了水鉸鏈的壽命和可靠性, 減小了泄漏的風險。