常 健 趙克俊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)體制的不斷更新和發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)逐漸向大陣面、大數(shù)據(jù)發(fā)展，因而對雷達(dá)傳輸功率的要求越來越高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷已滿足不了現(xiàn)代雷達(dá)的冷卻要求，需采用液冷對雷達(dá)陣面進(jìn)行冷卻。隨著液體冷卻雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)工作時地面設(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(shí)現(xiàn)。水鉸鏈在雷達(dá)冷卻系統(tǒng)中承擔(dān)旋轉(zhuǎn)傳輸?shù)淖饔茫瓿衫走_(dá)地面設(shè)備與雷達(dá)天線陣面設(shè)備相互轉(zhuǎn)動(旋轉(zhuǎn))之間冷卻液的供給和回收，并確保冷卻液的循環(huán)流通。

水鉸鏈的性能穩(wěn)定與否，關(guān)系著雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的整體性能[1-4]。

對于大陣面機(jī)動式雷達(dá)，天線陣面一般分成若干邊塊，這樣天線就需完成以下三種動作：1)方位方向隨方位轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動；2)俯仰方向隨俯仰軸轉(zhuǎn)動；3)天線陣面邊塊的折疊。天線在完成這三種動作的同時還需完成冷卻液的傳輸。而大型雷達(dá)的冷卻液傳輸流量較大，對應(yīng)水管管徑較大，在有限的空間內(nèi)采用一般的軟管難以實(shí)現(xiàn)冷卻液的轉(zhuǎn)動傳輸。因此，對于大陣面液體冷卻的機(jī)動式雷達(dá)，除了需要方位水鉸鏈，還需要俯仰水鉸鏈和陣面水鉸鏈兩種形式，其工作原理如圖1所示。

圖1 水鉸鏈的工作原理

1 水鉸鏈的技術(shù)指標(biāo)要求

現(xiàn)代雷達(dá)水鉸鏈的技術(shù)指標(biāo)要求一般如下：

1)工作轉(zhuǎn)速：一般≤200 r/min；

2)冷卻介質(zhì)：60#或65#防凍液(乙二醇水溶液)；

3)工作流量：一般≤400 m3/h；

4)耐壓要求：靜態(tài)耐壓：≥2 MPa，

動態(tài)耐壓：≥1 MPa；

5)壓損要求：一般≤0.2 MPa；

6)材料選擇：應(yīng)耐冷卻介質(zhì)腐蝕；

7)泄漏量：

(a)對于機(jī)械密封水鉸鏈：

①動壓狀態(tài)時，泄漏量最大不得超過30 ml/h(具體由密封環(huán)尺寸而定);

②靜壓狀態(tài)時，泄漏量為0；

(b)對于柔性密封水鉸鏈：

任何工作狀態(tài)下，泄漏量均為0。

8)外形及安裝尺寸應(yīng)符合結(jié)構(gòu)總體要求；

9)維修、維護(hù)性：要求維護(hù)簡便、快捷，只需更換被磨損的密封件即可恢復(fù)正常使用，方位水鉸鏈應(yīng)具有漏液觀察能力，以方便觀察后檢修；

10)環(huán)境適應(yīng)性(滿足整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性要求)

工作溫度：-45～+55℃(一般最大范圍)；

存儲溫度：-55～+70℃(一般最大范圍)；

11)具有防潮、防鹽霧腐蝕、防風(fēng)沙、防霉和防塵等措施。

12)使用壽命：

①對于機(jī)械密封水鉸鏈，一般要求不低于20年；

②對于柔性密封水鉸鏈，一般要求不低于10年。

2 水鉸鏈的組成

2.1 方位水鉸鏈

2.1.1 主要功能及特點(diǎn)

方位水鉸鏈?zhǔn)抢走_(dá)的主通道水鉸鏈，一般安裝在雷達(dá)方位轉(zhuǎn)臺內(nèi)部。它一方面實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線隨方位轉(zhuǎn)臺的自由轉(zhuǎn)動，另一方面完成雷達(dá)地面設(shè)備與雷達(dá)天線陣面設(shè)備之間冷卻液的供給和回收，并確保冷卻液的循環(huán)流通。

要求隨方位轉(zhuǎn)臺進(jìn)行0～360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度慢(一般6 r/min，最大一般不超過200 r/min)，傳輸流量大(與主管路系統(tǒng)流量一致)，密封冷卻液的壓力不高(一般不超過1 MPa)，但要求環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、密封可靠性高和使用壽命長等。

2.1.2 結(jié)構(gòu)組成

方位水鉸鏈一般采用三通道，包括進(jìn)液通道、回液通道和走線通道。根據(jù)雷達(dá)方位水鉸鏈的空間尺寸特點(diǎn)，方位水鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式有兩種類型：徑向排布式和軸向排布式。在徑向空間限制較為嚴(yán)格、軸向空間較為寬松的情況下，方位水鉸鏈可以選擇徑向排布式的結(jié)構(gòu)形式；反之，則選擇軸向排布式的結(jié)構(gòu)形式。

無論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，方位水鉸鏈一般均由轉(zhuǎn)動部分、固定部分，主要由進(jìn)水口、出水口、回進(jìn)水口、回出水口、軸承、靜密封和動密封等組成，如圖2所示。固定部分上設(shè)有進(jìn)水口和回出水口，而轉(zhuǎn)動部分上設(shè)有出水口和回進(jìn)水口。其中固定部分與天線座底座固定，相對地面不動；轉(zhuǎn)動部分與天線座轉(zhuǎn)臺固定，隨轉(zhuǎn)臺一起旋轉(zhuǎn)。進(jìn)水口與出水口之間的流體通道為供液通道，回進(jìn)水口與回出水口之間的流體通道為回液通道。工作時，從液冷機(jī)組供應(yīng)的冷卻液經(jīng)過供液通道流向天線陣面設(shè)備的冷卻系統(tǒng)或者一側(cè)的俯仰水鉸鏈中，由天線陣面設(shè)備的冷卻系統(tǒng)或者另一側(cè)的俯仰水鉸鏈流回的冷卻液再經(jīng)過回液通道返回到液冷機(jī)組。由于進(jìn)水的壓力高于回水的壓力，因而確保了冷卻液的循環(huán)流通。另外，固定部分中間設(shè)有中心孔，用作方位水鉸鏈上下之間的光纖電纜、信號電纜和電源電纜走線用。

圖2 方位水鉸鏈的結(jié)構(gòu)組成

2.2 俯仰水鉸鏈

2.2.1 主要功能及特點(diǎn)

俯仰水鉸鏈的作用是完成天線陣面和方位主通道水鉸鏈之間冷卻液的傳輸。俯仰水鉸鏈一般有兩個，對稱分布在左右背架的俯仰軸上。一側(cè)將雷達(dá)方位水鉸鏈出水口傳輸上來的冷卻液輸送到雷達(dá)陣面水鉸鏈上，另一側(cè)將雷達(dá)陣面水鉸鏈上傳輸下來的冷卻液輸送回雷達(dá)方位水鉸鏈的回進(jìn)水口上。

要求隨俯仰軸進(jìn)行0～90°內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度很慢，轉(zhuǎn)動頻率很低，僅僅在雷達(dá)天線舉升和收攏的時候隨天線一起轉(zhuǎn)動，傳輸流量、密封冷卻液的壓力、密封介質(zhì)和環(huán)境適應(yīng)性要求等與方位水鉸鏈一致。

2.2.2 結(jié)構(gòu)組成

俯仰水鉸鏈一般采用單通道形式，同樣分為轉(zhuǎn)動部分、固定部分，主要由進(jìn)水口(回出水口)、出水口(回進(jìn)水口)、軸承、動密封和靜密封等組成。進(jìn)水口(回出水口)在固定部分上，出水口(回進(jìn)水口)在轉(zhuǎn)動部分上。其結(jié)構(gòu)圖見圖3所示。

圖3 俯仰水鉸鏈的結(jié)構(gòu)組成

2.3 陣面水鉸鏈

2.3.1 主要功能及特點(diǎn)

陣面水鉸鏈的作用是完成天線陣面和俯仰水鉸鏈之間冷卻液的傳輸。陣面水鉸鏈的數(shù)量一般跟天線陣面的分塊情況有關(guān)，該雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)置4個陣面水鉸鏈，它們對稱分布在左右陣面邊塊上。一側(cè)將雷達(dá)俯仰水鉸鏈出水口傳輸上來的冷卻液輸送到雷達(dá)天線陣面上，另一側(cè)將雷達(dá)天線陣面上傳輸下來的冷卻液輸送回雷達(dá)俯仰水鉸鏈回進(jìn)水口上，其結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。

要求隨天線邊塊進(jìn)行0～90°內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度很慢，轉(zhuǎn)動頻率很低，僅僅在雷達(dá)天線邊塊展開或收攏的時候隨天線一起轉(zhuǎn)動，密封冷卻液的壓力、密封介質(zhì)和環(huán)境適應(yīng)性要求等與方位水鉸鏈一致，傳輸流量為方位水鉸鏈的一半。

圖4 陣面水鉸鏈的結(jié)構(gòu)組成

2.3.2 結(jié)構(gòu)組成

陣面水鉸鏈一般采用單通道形式，同樣分為轉(zhuǎn)動部分、固定部分，主要由進(jìn)水口(回出水口)、出水口(回進(jìn)水口)、軸承、動密封和靜密封等組成。進(jìn)水口(回出水口)在固定部分上，出水口(回進(jìn)水口)在轉(zhuǎn)動部分上。

3 水鉸鏈的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

水鉸鏈的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)就是在滿足總體及冷卻系統(tǒng)工作壓力、流量要求的前提下，解決動環(huán)與定環(huán)之間的旋轉(zhuǎn)動密封可靠，選擇行之有效的動密封方式[4-5]。

目前在水鉸鏈上應(yīng)用成熟的動密封方式主要有柔性密封(圓周密封)和機(jī)械密封(端面密封)[6-8]。兩種動密封方式的原理示意圖分別見圖5和圖6所示，密封特點(diǎn)對比見表1所示。

圖5 柔性密封的密封原理示意圖

圖6 機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)原理圖

表1 兩種動密封方式特點(diǎn)對比

對于安裝在方位轉(zhuǎn)臺內(nèi)的方位水鉸鏈，如果雷達(dá)需360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)工作，可靠性要求很高，允許一定范圍的泄漏量，方位水鉸鏈的動密封可選用機(jī)械密封形式；如果雷達(dá)只是偶爾旋轉(zhuǎn)(或非連續(xù)旋轉(zhuǎn))工作，可靠性要求一般，成本有限，不允許有任何泄漏，方位水鉸鏈的動密封可選用柔性密封形式。

對于安裝在俯仰軸上的俯仰水鉸鏈和天線陣面邊塊上的陣面水鉸鏈，它們的轉(zhuǎn)動范圍一般在0～90°以內(nèi)，轉(zhuǎn)動頻率低，僅需在雷達(dá)開機(jī)、關(guān)機(jī)或維修等狀態(tài)下出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于方位主通道水鉸鏈，因此俯仰水鉸鏈和陣面水鉸鏈的動密封可選用柔性密封形式。

4 水鉸鏈的安裝、調(diào)試與維護(hù)

4.1 水鉸鏈的安裝

4.1.1 方位水鉸鏈的安裝及注意事項(xiàng)

方位水鉸鏈安裝于方位轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，一般其上端與匯流環(huán)連接，下端與方位轉(zhuǎn)臺的底座連接。方位水鉸鏈的裝機(jī)需注意以下方面：

方位水鉸鏈的外殼一般為動環(huán)，與匯流環(huán)外殼或方位轉(zhuǎn)臺連接，一般采用固定連接(止口定位+緊固件)方式，并且安裝法蘭止口表面應(yīng)平直且無異物，否則會影響水鉸鏈的密封性能而導(dǎo)致泄漏；其內(nèi)軸一般為靜環(huán)，與匯流環(huán)內(nèi)軸及方位轉(zhuǎn)臺底座連接，一般采用浮動連接(十字撥叉或者彈性聯(lián)軸器)方式，這樣如果軸心線有少量偏擺，可以自動調(diào)心。

4.1.2 俯仰水鉸鏈的安裝及注意事項(xiàng)

俯仰水鉸鏈安裝于背架的俯仰軸上，安裝過程需注意以下方面：

俯仰水鉸鏈的外殼一般為靜環(huán)，與背架連接，一般采用固定連接(止口定位+緊固件)方式，并且安裝法蘭止口表面應(yīng)平直且無異物，否則會影響水鉸鏈的密封性能而導(dǎo)致泄漏；其內(nèi)軸一般為動環(huán)，與俯仰軸連接，一般采用浮動連接(十字撥叉)方式，這樣如果軸心線有少量偏擺，可以自動調(diào)心。

4.1.3 陣面水鉸鏈的安裝及注意事項(xiàng)

陣面水鉸鏈安裝于天線邊塊上，安裝過程需注意以下方面：

陣面水鉸鏈的外殼一般為靜環(huán)，與固定不動的陣面邊塊連接，一般采用固定連接(止口定位+緊固件)方式，并且安裝法蘭止口表面應(yīng)平直且無異物，否則會影響水鉸鏈的密封性能而導(dǎo)致泄漏；其內(nèi)軸一般為動環(huán)，與有折疊動作的陣面邊塊連接，一般采用浮動連接(十字撥叉)方式，這樣如果軸心線有少量偏擺，可以自動調(diào)心。

除了以上安裝注意事項(xiàng)，水鉸鏈的安裝還需注意以下幾方面：

1)所有水鉸鏈安裝前，必須清洗干凈冷卻系統(tǒng)的管路系統(tǒng)，確保管路內(nèi)清潔而無雜質(zhì)顆粒。

2)所有水鉸鏈機(jī)械接口連接后，用百分表檢查同軸度，保證軸系軸心線與水鉸鏈軸心線的同軸度不超過動密封可承受的偏心量。

3)與所有的進(jìn)水口、出水口、回進(jìn)水口和回出水口等接口直接連接的水管一定要使用軟管進(jìn)行連接(不能使用剛性連接)，最好使用性能良好的金屬軟管，以釋放連接處產(chǎn)生的應(yīng)力，并且必須嚴(yán)格按照水鉸鏈的接口標(biāo)識進(jìn)行連接。

4)所有水鉸鏈各接口與管路連接處注意保持潔凈，裝配過程中防止異物通過接口處進(jìn)入管路系統(tǒng)。

5)所有水鉸鏈安裝后不得承受側(cè)向傾覆力，否則會因外力作用導(dǎo)致動密封變形而發(fā)生泄漏。

4.2 水鉸鏈的調(diào)試

水鉸鏈在裝機(jī)前，需進(jìn)行一定時間的動壓跑合試驗(yàn)。其中機(jī)械密封水鉸鏈在出廠前一般需進(jìn)行累計(jì)不少于100 h的動壓跑合試驗(yàn)，柔性密封水鉸鏈在出廠前一般需進(jìn)行累計(jì)不少于40 h的動壓跑合試驗(yàn)。

4.3 水鉸鏈的使用及維護(hù)

水鉸鏈在雷達(dá)系統(tǒng)中使用過程中，需注意以下事項(xiàng)：

1)水鉸鏈服役時，管路系統(tǒng)中冷卻液的流向須與水鉸鏈接口標(biāo)識一致。

2)水鉸鏈在運(yùn)轉(zhuǎn)前，必須先將冷卻循環(huán)系統(tǒng)開啟，使水鉸鏈內(nèi)部腔體充滿液體，禁止其在無液情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)應(yīng)注意水鉸鏈的軸承不得進(jìn)水，以免影響軸承的使用性能。

4)水鉸鏈一般為集裝式結(jié)構(gòu)，可以保證水鉸鏈的安裝尺寸，未經(jīng)許可不得自行對產(chǎn)品進(jìn)行解體。

5)水鉸鏈?zhǔn)且环N流體動力學(xué)密封，從設(shè)計(jì)、加工以及理論方面考慮，泄漏是不可避免的。制造公差、操作工況、機(jī)器運(yùn)行情況等等因素都會影響密封的泄漏量。一般情況下，剛開始運(yùn)行時的泄漏量經(jīng)過一段時間的端面跑合會逐漸減小。如泄漏依然存在且有加劇的跡象，則需立即停車，并及時通知相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場解決問題。

6)應(yīng)當(dāng)定期對水鉸鏈的泄漏量進(jìn)行檢測跟蹤，以監(jiān)測水鉸鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

5 結(jié)束語

隨著新一代雷達(dá)天線陣面的傳輸功率愈來愈大，熱耗愈來愈高，對液體冷卻技術(shù)的需求不斷增加，水鉸鏈已成為新一代雷達(dá)系統(tǒng)中十分重要的組成部分。水鉸鏈除可用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)固定端和轉(zhuǎn)動端(或旋轉(zhuǎn)端)之間冷卻介質(zhì)的不間斷轉(zhuǎn)動(或旋轉(zhuǎn))傳輸，還可廣泛應(yīng)用于化工、輕工、鋼鐵、機(jī)械制造、軍工、電子、航空、航天等行業(yè)中作為在固定端/轉(zhuǎn)動端(或旋轉(zhuǎn)端)之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送流體的轉(zhuǎn)換裝置，例如起重機(jī)、風(fēng)輪機(jī)及海上用絞盤等民用行業(yè)。