趙 鍵，鄒吾松，陳澤彪

（中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所，江蘇 無錫 214082）

引 言

在新一代有源相控陣雷達中，天線陣面和電源模塊傳輸功率大，需采用液冷方式對電子設備進行冷卻。同時，為了擴展雷達的搜索范圍，采用方位機械掃描方式，配合相控陣電子掃描功能，最終可以實現(xiàn)立體空域的覆蓋[1]。液體旋轉關節(jié)在機相掃雷達中解決了液冷與機械掃描之間的矛盾[2]。

液體旋轉關節(jié)在雷達冷卻系統(tǒng)中起著冷卻液旋轉連接的作用，一般具有2個通道，按流道內冷卻液的壓強不同，可分為高壓腔和低壓腔。來自液冷機組的冷卻液由進水口進入液體旋轉關節(jié)的高壓腔，后經(jīng)出水口流入天線設備的冷卻結構，吸收天線工作產(chǎn)生的熱量，溫度升高的冷卻液由回進水口返回液體旋轉關節(jié)，經(jīng)低壓腔后由回出水口回到載機液冷機組，循環(huán)往復完成天線散熱過程。液體旋轉關節(jié)的性能穩(wěn)定與否關系著雷達冷卻系統(tǒng)的整體性能[3]。現(xiàn)有的液體旋轉關節(jié)包括軸向和徑向結構，體積大，啟動力矩大，一般用于地面設備的液體旋轉連接。文獻[4]針對某地面雷達設計了雙層空套結構的液體旋轉關節(jié)；文獻[5]以模塊化的思路設計液體旋轉關節(jié)，用于地面雷達的快速選型；文獻[6]研發(fā)了一套液體旋轉關節(jié)的自動采集裝置，用于檢測設備狀態(tài)。

由于液體旋轉關節(jié)存在零件配合精度高、結構尺寸大、啟動力矩大的設計難點，因此目前的研究主要是針對對啟動力矩和尺寸不敏感的地面設備的液體旋轉關節(jié)的。本文針對機載雷達環(huán)境，綜合前人對地面雷達液體旋轉關節(jié)的設計經(jīng)驗，設計了一種適配機載相控陣雷達的液體旋轉關節(jié)。其內部采用環(huán)形流道徑向排布式方案，配合低壓縮量雙層密封圈結構，外形超薄，啟動力矩小，設計的泄漏檢測槽配合傳感器可實現(xiàn)泄漏報警功能。經(jīng)仿真和試驗驗證，其各項指標均能滿足該雷達項目要求。

1 指標要求

液體旋轉關節(jié)作為天線冷卻系統(tǒng)的組成部件，起到輸送冷卻液的作用。根據(jù)雷達工作時對冷卻能力的需求，液體旋轉關節(jié)應符合以下指標：1）流量為40 L/min；2）流阻≤0.1 MPa；3）扭矩損失≤40 N·m；4）轉動速度為180°/s；5）轉動次數(shù)≥3×105轉，全壽命無泄漏；6）雙通道熱交換溫升不大于溫差的10%；7）工作與貯存溫度為-55°C～+70°C。

2 結構設計

需根據(jù)總體指標要求和安裝使用要求，為液體旋轉關節(jié)設計有效的結構形式和密封方式，同時考慮壽命要求。

2.1 結構形式設計

為滿足相控陣雷達緊湊性的要求，液體旋轉關節(jié)采用單軸承支承的環(huán)形流道徑向排布式方案。如圖1所示，選用單個交叉滾子軸承，其軸向和徑向均可受力，代替成對使用的角接觸軸承。定環(huán)和動環(huán)相互嵌套形成兩個冷卻液通路和一個用來檢測泄漏的環(huán)形空間，配合液體傳感器實現(xiàn)泄漏檢測功能，如圖2所示。定環(huán)和動環(huán)中間留有通孔，用于安裝光纖滑環(huán)。此種結構軸向尺寸小，僅為42 mm，根據(jù)流阻要求，通過仿真迭代確定流道大小，最終滿足流阻要求的外徑僅為144 mm。

圖1 液體旋轉關節(jié)截面圖

圖2 液體旋轉關節(jié)外形圖

2.2 密封設計

機載雷達掃描器電機輸出功率相對較小，液體旋轉關節(jié)采用低壓縮量的雙層密封圈結構，既減小了啟動力矩，又增加了密封可靠性。根據(jù)以往的經(jīng)驗，控制密封圈的壓縮量為12%～17%。根據(jù)壓縮量設計定環(huán)和動環(huán)上的密封圈溝槽，每個密封圈配有聚四氟乙烯擋圈，防止安裝過程中密封圈由于變形擠壓過量發(fā)生損壞。

2.3 長壽命設計

液體旋轉關節(jié)的壽命主要由密封圈與溝槽接觸處的磨損決定。為降低磨損，液體旋轉關節(jié)的定子和轉子均采用不銹鋼材料，接觸處的表面粗糙度設置為Ra0.8，既能減小磨損，又能減小啟動力矩。密封圈采用丁腈橡膠材料，耐磨性好，其低壓縮量設計也有利于降低磨損。

經(jīng)過多角度分析設計，本文設計的復合液體旋轉關節(jié)如圖1和圖2所示，由定環(huán)、動環(huán)、密封圈、聚四氟乙烯擋圈、交叉滾子軸承、進水口、出水口、回進水口、回出水口以及相應的連接緊固件組成。安裝時，定環(huán)固定在雷達掃描器底座上，定環(huán)上設置進水口和回出水口；動環(huán)相對定環(huán)做旋轉運動，上面設置出水口和回進水口。

3 仿真驗證

本文利用基于UG模型的FloEFD軟件對該復合液體旋轉關節(jié)的性能進行分析，包括流阻分析和隔熱性能分析。

由于液體旋轉關節(jié)工作過程中動環(huán)和定環(huán)會發(fā)生相對旋轉，進水口和出水口以及回進水口和回出水口的相對位置會發(fā)生變化，流體流動情況也會相應發(fā)生變化，因此為分析該水鉸鏈內部流體特征，以圖2所示姿態(tài)為原始姿態(tài)（0°姿態(tài)），選取動環(huán)相對定環(huán)旋轉0°，90°和180°下的姿態(tài)進行仿真分析。仿真條件見表1。

表1 仿真條件

3.1 流阻仿真

以180°姿態(tài)為例介紹仿真過程，模型經(jīng)過簡化處理后，抽取流體區(qū)域，設置流體為65#冷卻液，流量為40 L/min。仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 進流體流線圖

圖4 回流體流線圖

該液體旋轉關節(jié)包括進出兩路液體通道，根據(jù)仿真結果，在40 L/min的流量下，進流體通道的流阻為0.027 MPa，回流體通道的流阻為0.042 MPa，則在180°姿態(tài)下，該液體旋轉關節(jié)的總流阻為0.069 MPa。采用同樣的仿真方法，得到該液體旋轉關節(jié)在0°姿態(tài)下的流阻為0.064 MPa，在90°姿態(tài)下的流阻為0.08 MPa，均小于要求的0.1 MPa。

3.2 隔熱仿真

由于該液體旋轉關節(jié)具有一進一出兩路液體通道，起到將溫度較低的冷卻液輸入天線冷卻系統(tǒng)，再將溫度較高的冷卻液從天線冷卻系統(tǒng)輸出的作用，一冷一熱兩路流體同時存在于液體旋轉關節(jié)中，所以液體旋轉關節(jié)需具有一定的隔熱能力，要求兩路液體溫差在20 K下，進流體通過液體旋轉關節(jié)前后溫升低于2 K。

與流阻仿真類似，按表1設置仿真參數(shù)，在180°姿態(tài)下的仿真結果如圖5所示。

圖5 溫度分布截圖

根據(jù)仿真結果，進流體入口溫度為293.15 K，經(jīng)過液體旋轉關節(jié)后，出口溫度為293.97 K，溫升為0.82 K。采用同樣的仿真方法，得到該液體旋轉關節(jié)在0°姿態(tài)下的溫升為0.1 K，在90°姿態(tài)下的溫升為0.6 K，均小于要求的2 K。

4 試驗驗證

投產(chǎn)加工完成裝配后，復合液體旋轉關節(jié)及其試驗工裝如圖6所示。為驗證該液體旋轉關節(jié)是否滿足機載使用條件，對它進行了一系列試驗，包括加壓液密試驗、流阻試驗、高低溫試驗、振動篩選試驗和壽命試驗。

圖6 復合液體旋轉關節(jié)試驗平臺

4.1 加壓液密試驗

為檢測液體旋轉關節(jié)的密封性，使用打壓裝置給液體旋轉關節(jié)內部提供1.5 MPa的液體壓力，觀察液體旋轉關節(jié)的外觀和內部壓力變化，結果見表2。試驗發(fā)現(xiàn)，在該液體旋轉關節(jié)打壓后的30 min內，壓降小于10%，并全程無液體泄漏現(xiàn)象，表明密封性合格。

表2 加壓液密試驗數(shù)據(jù)

4.2 流阻試驗

在設計階段，通過仿真分析，得該液體旋轉關節(jié)在40 L/min下的流阻小于0.1 MPa，需通過試驗進行進一步驗證，試驗平臺如圖7所示。調節(jié)閥門控制支流流量，使冷卻液以一定的流量流經(jīng)液體旋轉關節(jié)，記錄液體旋轉關節(jié)兩端的壓強，計算得到液體旋轉關節(jié)的流阻，見表3。

表3 流阻試驗數(shù)據(jù)

圖7 流阻試驗平臺

在40 L/min的流量下，液體旋轉關節(jié)在運動狀態(tài)下的流阻僅為0.051 MPa，滿足機相掃雷達冷卻系統(tǒng)的要求。

4.3 壽命試驗

為驗證該液體旋轉關節(jié)的可靠性，設置壽命試驗，以圖6中的電機驅動液體旋轉關節(jié)旋轉，以逆時針180°/s、順時針270°/s的速度每個方向持續(xù)30 s往復循環(huán)。整個過程持續(xù)通液，觀察液體旋轉關節(jié)是否泄漏，并記錄驅動電機的電流值。

在150 h的持續(xù)工作中（逆時針旋轉13.5萬次，順時針旋轉18萬次，累計31.5萬次），液體旋轉關節(jié)未發(fā)生泄漏，旋轉順暢，驅動電機的電流值（包括電機熱耗）及其換算扭矩（忽略熱耗）見表4。

表4 壽命試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)過壽命試驗驗證，該液體旋轉關節(jié)使用壽命超過30萬轉，且驅動力矩小于40 N·m，符合設計要求。

4.4 其他試驗

在壽命試驗前，還對該液體旋轉關節(jié)進行了一系列機載雷達要求的環(huán)境試驗，包括高低溫篩選試驗和三個方向的振動篩選試驗（圖8）。在試驗過程中，該液體旋轉關節(jié)均未發(fā)生泄漏等問題，符合機載環(huán)境要求。

圖8 Y 方向振動試驗樣機安裝方式

5 結束語

液體旋轉關節(jié)是機相掃雷達液冷系統(tǒng)的重要組成部分。本文研制的液體旋轉關節(jié)適應機相掃雷達結構緊湊的特點，符合小功率伺服驅動系統(tǒng)的負載要求，經(jīng)過試驗和裝機驗證，滿足機載環(huán)境使用要求。

相比于傳統(tǒng)的液體旋轉關節(jié)，該液體旋轉關節(jié)以環(huán)形流道徑向排布式布局縮小了外形尺寸，以低壓縮量雙層密封圈結構減小了旋轉的啟動力矩，軸心設置光纖滑環(huán)起到復合傳輸信號的作用，外圈設置傳感器具備泄漏檢測功能，試驗驗證該功能可靠，可以推廣應用于其他機載相控陣雷達產(chǎn)品。

本文研制的集成泄漏檢測的超薄液體旋轉關節(jié)采用橡膠圈密封，下一步需對優(yōu)于橡膠圈的密封材料進行探索研究。