陳燕，李德才

(北京交通大學(xué)機械工程系，北京100044)

軍用坦克系統(tǒng)中的火控系統(tǒng)部分是坦克的重要組成部分，火控系統(tǒng)中的周視鏡的密封問題一直是一個難題。目前，各國軍用坦克周視鏡轉(zhuǎn)軸的密封結(jié)構(gòu)都采用的是傳統(tǒng)的密封方式，并多為各種型式的毛氈密封，在靜止件上加工出梯形槽，將毛氈按標(biāo)準制成環(huán)形或帶形，放置在梯形槽中與軸接觸，起到密封作用［1］。

毛氈密封結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，尺寸緊湊，對軸的偏心和竄動不敏感。但毛氈密封也存在很多問題，毛氈密封摩擦力矩較大［1］。所以它會損耗周視鏡的能量，導(dǎo)致周視鏡轉(zhuǎn)動不靈活，影響工作質(zhì)量;傳統(tǒng)的毛氈密封對于密封圈的磨損較大，密封圈的壽命短，需要經(jīng)常更換密封圈，這樣工作量很大，浪費人力物力;毛氈密封的安裝比較困難，若安裝過緊，會使毛氈彈力降低，密封性能下降而且壓力過大，摩擦阻力也會增大，毛氈會因過熱而過早損壞，若安裝過松則起不到密封作用;毛氈密封由于摩擦較大，對與其接觸的軸的加工精度要求很高，還要進行拋光處理，加工工藝復(fù)雜，成本很高;毛氈密封可靠性較低，外界的灰塵、雨水、雜質(zhì)都有可能進入周視鏡，影響周視鏡的工作。另外，毛氈密封在安裝前，為降低摩擦，避免產(chǎn)生高溫，失去密封能力，必須先用潤滑油浸透，所以毛氈在工作過程中可能漏油，污染周視鏡的工作環(huán)境?？傊?，傳統(tǒng)的周視鏡密封效果并不好，坦克周視鏡的工作環(huán)境又比較惡劣，在實際使用過程中因密封帶來的問題很多，給坦克周視鏡的工作帶來很多的不便。

為此，采用磁性液體密封成功地解決坦克周視鏡的密封問題。磁性液體密封有如下優(yōu)點:嚴密的密封性;不可測量的泄漏率;使用壽命長;高可靠性;完全無污染;最佳的扭矩傳遞，傳動軸可進行100%的扭矩傳動而沒有功率損耗;低的摩擦;運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點［2－5］。

1 實驗過程和方法

1.1 坦克周視鏡磁性液體密封的設(shè)計

1.1.1 坦克周視鏡磁性液體密封結(jié)構(gòu)方案

坦克周視鏡的磁性液體密封結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，密封套采用可導(dǎo)磁材料加工而成，將極靴磁鐵通過螺母固定在非導(dǎo)磁軸套上，非導(dǎo)磁軸套通過螺紋結(jié)構(gòu)固定在中間殼體部件上，密封套與一個空心軸連接，電機帶動空心軸和密封套轉(zhuǎn)動，而中間殼體部件以及固定在其上的非導(dǎo)磁軸套、極靴、磁鐵都靜止，在極靴和密封套的間隙中注入磁性液體后，磁鐵、極靴、磁性液體、可導(dǎo)磁密封套就會構(gòu)成導(dǎo)磁回路，磁性液體就會充滿密封間隙，形成數(shù)個液態(tài)的“O”型圈，起到密封作用;另外圖1中的2 個“O”型密封圈起到了靜密封的作用，防止被密封介質(zhì)通過配合間隙和螺紋連接結(jié)構(gòu)進入周視鏡。

圖1 坦克周視鏡密封結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Seal scheme of tank panoramic mirror

1.1.2 坦克周視鏡磁性液體密封的設(shè)計

1)極齒形狀的選取

采用矩形齒結(jié)構(gòu)作為密封極齒，矩形齒磁性液體密封示意圖如圖2所示，其參數(shù)選取:Lt/Lg=3，Ls/Lg=8，Lh/Ls=1.25，其中Lt為齒寬，Lh為齒高，Ls為槽寬，當(dāng)密封間隙取Lg=0.1 mm 時，Lt=0.3 mm，Lh=1 mm，Ls=0.8 mm.

圖2 矩形齒磁性液體密封示意圖Fig.2 Rectangular teeth of magnetic fluid seal

2)永久磁鐵的設(shè)計［4］

永久磁鐵軸向長Lm=2f1H0Lg/Hm，f1為磁路的磁壓損失系數(shù)，一般取f1=1.05～1.55，Hm為組成磁路后永久磁鐵內(nèi)部的實際工作磁場強度。

永久磁鐵橫截面積

式中:φm為永久磁鐵的磁通;Bm為永久磁鐵工作點的磁感應(yīng)強度;R1為永久磁鐵內(nèi)徑;R2為永久磁鐵的外徑。

得出永久磁鐵的最終尺寸如圖3所示。

圖3 永久磁鐵圖Fig.3 Permanent magnet

根據(jù)以上的計算分析，加工出了如圖4所示的密封結(jié)構(gòu)。

1.2 磁性液體密封耐壓能力理論計算

1.2.1 磁性液體Bernoulli 方程

由磁性液體的運動方程［5］

和磁性液體的連續(xù)性方程［6］

并假設(shè):

1)磁性液體的密度ρf為常數(shù);

2)流動是有勢的;

圖4 磁性液體密封Fig.4 Magnetic fluid seal

3)磁性液體是內(nèi)稟性的。

得出磁性液體Bernoulli 方程的一般形式

式中:C 為常數(shù);p*=p+pm+ps，pm為液體的磁化壓力MdH，ps為磁性液體的磁致伸縮壓力，

對于磁化強度M 與密度ρf成正比的磁性液體，pm+ps=0 就得到更為簡單的結(jié)果:

1.2.2 邊界條件

由邊界條件的一般表達［5］

式中:n0為邊界模的法向單位矢量磁性液體的分界面兩側(cè)參數(shù)分別用下標(biāo)1 和2 表示;τ為表面應(yīng)力，表面張力pc=σ(1/R1+1/R2);

R1和R2是界面曲面的2 個主曲率半徑;σ 為表面張力常數(shù)，用pc置換(4)式中的(τ1－τ2)，則得

若下標(biāo)2 是屬于一種非磁性的普通流體，下標(biāo)1 是磁化強度M 正比于密度的磁性液體，則有

若下標(biāo)2 表示大氣環(huán)境，p2=pa，1 是表示磁化強度正比于密度的磁性液體，則p1m+p1s=0，又交界面上的表面張力pc可以忽略，則

1.2.3 磁性液體密封耐壓公式假設(shè):

1)磁性液體本身的重力和磁場力相比較，可以忽略;

2)磁力線可以近似用圓弧來代替，并且認為等磁場線與磁力線相重合;

3)忽略鐵磁性液體的表面張力。

將3 個假設(shè)用(2)式并結(jié)合(6)式得

當(dāng)H1達到最大值Hmax，H2達到最小值Hmin，磁性液體兩側(cè)表面的磁場力之差所能平衡的壓力差是最大的，即

又近似假設(shè)，整個磁性液體密封膜均處于飽和磁化狀態(tài)，則有

1.2.4 密封間隙下磁場的數(shù)值計算

由ANSIS 軟件算得密封齒下的磁場分布如圖5所示，在圖5中，橫軸為距離(mm)，縱軸為磁場強度(A/m).

根據(jù)圖5分別得出三齒的最大和最小磁場強度，其中，Hmax，1=9.75 ×105A/m，Hmax，2=10.15 ×105A/m，Hmax，3=8.50 ×105A/m，Hmin，1= Hmin，2=Hmin，3=2.10 ×105A/m.

1.2.5 結(jié)構(gòu)密封耐壓能力的計算

圖5 密封間隙下磁場分布圖Fig.5 Magnetic field distribution in gap

2 實驗方法及結(jié)論

1)耐壓實驗:在圖6所示的實驗臺上，對坦克周視鏡進行磁性液體密封的耐壓實驗。用干燥的氮氣瓶給磁性液體密封沖壓120 kPa，該值已遠大于實際工作時所承受的壓力，觀察是否有泄漏。

圖6 車長周視瞄準鏡磁性液體密封實驗臺Fig.6 Experimental setup of MF seal

實驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，達到了實驗要求。

2)低溫實驗:在圖7所示的高低溫實驗箱上，對坦克周視鏡進行磁性液體密封的低溫實驗。樣機內(nèi)腔充滿干燥氮氣，氮氣的露點溫度為－53 ℃，純度達99.99%.超壓(35 ±1)kPa，降溫至－40 ℃，恒溫1 h，通電工作(驅(qū)動電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動?連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測量樣機內(nèi)腔氣壓值為多少?樣機內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實驗證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動，樣機內(nèi)腔氣壓值為34.6 kPa，達到了實驗要求。

圖7 高低溫實驗箱Fig.7 Temperature test chamber

3)高溫實驗:在圖7所示的高低溫實驗箱上，對坦克周視鏡進行磁性液體密封的高溫實驗。樣機內(nèi)腔充滿干燥氮氣，氮氣的露點溫度為－53 ℃，純度達99.99%.超壓(20 ±1)kPa，卸除沖氣閥，升溫至+ 50 ℃，恒溫 1 h，通電工作(驅(qū)動電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測量樣機內(nèi)空氣壓值為多少?樣機內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實驗證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動，樣機內(nèi)腔氣壓值為19.5 kPa，達到了實驗要求。

4)濕熱實驗:在圖8所示的濕熱實驗箱上，對坦克周視鏡進行磁性液體密封的濕熱實驗。樣機內(nèi)腔充滿干燥氮氣，氮氣的露點溫度為－53 ℃，純度達99.99%.超壓(20 ±1)kPa，經(jīng)受溫度為60 ℃相對濕度為95%及30 ℃相對濕度為95%交變實驗，周期為24 h，進行了10 個周期的實驗。實驗后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測量樣機內(nèi)空氣壓值為多少?樣機內(nèi)腔氣壓壓降不大于10%為符合要求。

圖8 濕熱實驗箱Fig.8 Wet－h(huán)ot test chamber

實驗證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動，樣機內(nèi)腔氣壓值為18.6 kPa，達到了實驗要求。

5)鹽霧實驗:在圖9所示的鹽霧實驗箱上，對坦克周視鏡進行磁性液體密封的濕熱實驗。樣機內(nèi)腔充滿干燥氮氣，氮氣的露點溫度為－53 ℃，純度達99.99%.超壓(20±1)kPa，按用方標(biāo)準的規(guī)定進行實驗，時間為48 h，實驗后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測量樣機內(nèi)空氣壓值為多少?樣機內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

圖9 鹽霧實驗箱Fig.9 Salt－fog test chamber

實驗證明回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動，樣機內(nèi)腔氣壓值為19.1 kPa，達到了實驗要求。

6)淋雨實驗:樣機內(nèi)腔充滿干燥氮氣，氮氣的露點溫度為－53 ℃，純度達99.99%.超壓(20 ±1)kPa，按用方標(biāo)準的要求對產(chǎn)品進行淋雨實驗，實驗時間為30 min.實驗時樣機不通電工作。實驗后恢復(fù)常溫，通電工作(驅(qū)動電壓DC2.5 V)，觀察回轉(zhuǎn)部位是否能自由轉(zhuǎn)動?通電連續(xù)工作4 h 后恢復(fù)常溫，測量樣機內(nèi)空氣壓值為多少?樣機內(nèi)腔氣壓壓降不大于5%為符合要求。

實驗證明，回轉(zhuǎn)部位能自由轉(zhuǎn)動，樣機內(nèi)腔氣壓值為19.6 kPa，達到了實驗要求。

3 結(jié)論

1)通過坦克周視鏡采用磁性液體密封理論分析和實驗驗證，說明磁性液體密封的設(shè)計理論和設(shè)計方法是正確的。

2)磁性液體密封能夠滿足低溫工作高溫工作、濕熱實驗、鹽霧實驗、淋雨實驗等要求。

3)通過理論分析和實驗驗證表明:在坦克周視鏡上采用磁性液體密封是可行的。

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