某雷達(dá)二次天線防水密封改進(jìn)

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(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

某雷達(dá)二次天線采用方位面一維相掃體制，通過射頻饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元饋電，實(shí)現(xiàn)空間電磁信號(hào)的發(fā)射和接收。天線骨架為饋線腔體，骨架長(zhǎng)向一側(cè)螺裝列線源，另一側(cè)面及兩端開有若干設(shè)備器件安裝窗口，窗口上加裝蓋板或罩。骨架內(nèi)部為功分網(wǎng)絡(luò)、波控單元和電源模塊等電子設(shè)備。使用環(huán)境為直接暴露于空氣中，為保護(hù)腔體內(nèi)部沒有密封性的器件電子設(shè)備正常工作，箱體必須具有密封性[1]。通過對(duì)實(shí)際制造/使用過程中腔體內(nèi)部大量積水的問題進(jìn)行分析和研究，并進(jìn)行設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)等，在系統(tǒng)可靠防水密封處理上取得了良好的效果。

1 故障現(xiàn)象

裝備實(shí)際調(diào)試及使用過程中，給波控電源送電后空氣開關(guān)跳閘，打開波控電源蓋板發(fā)現(xiàn)二次天線內(nèi)有大量積水(如圖1所示)，天線骨架內(nèi)壁和網(wǎng)絡(luò)外壁掛有水珠，會(huì)造成腔內(nèi)電子器件失效加速，故障增多。

2 問題分析

2.1 漏因檢測(cè)

為有效檢測(cè)漏水源，采用方便、快速、可靠的壓降檢漏法(充氣-皂液法)進(jìn)行整體密封檢驗(yàn)[2]。用相應(yīng)的裝置和設(shè)備，對(duì)骨架內(nèi)部通入一定氣壓的空氣或氮?dú)猓诿芊饨雍厦妗⒑缚p處涂抹肥皂泡，觀察有無氣泡冒出，查找泄漏。通入的氣體壓力值，能滿足極限工作環(huán)境的壓力即可，安全系數(shù)值可選1.2～1.5。

該型樣機(jī)為全密封涂膠裝配，使用幾年未發(fā)現(xiàn)漏水及外形變化，以樣機(jī)裝配環(huán)境溫度20 ℃，存儲(chǔ)環(huán)境溫度50 ℃計(jì)算，此時(shí)二次雷達(dá)內(nèi)外壓力差Δp為：

n為二次雷達(dá)氣體量；R為氣體常數(shù)；V為二次雷達(dá)腔體體積；ΔT為溫差。

為保證腔體結(jié)構(gòu)安全，實(shí)際選取0.08大氣壓作為充氣氣壓，設(shè)計(jì)制作充氣輔助工裝，進(jìn)行充氣檢漏(如圖2所示)。發(fā)現(xiàn)焊接成形的罩角縫處，連接器與面板間的直接光連接處，氣密封雙耳托板自鎖螺母，蓋板、罩、支耳、列線源等安裝螺栓處等多處存在漏氣現(xiàn)象。

2.2 呼吸效應(yīng)

密封腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)因溫度變化而變化, 當(dāng)密封腔體出現(xiàn)縫隙時(shí), 溫度變化引起的內(nèi)外壓差將促使氣體在縫隙處流動(dòng)，最終達(dá)成密封腔體內(nèi)外氣壓平衡。環(huán)境溫度每天都在變化，當(dāng)密封腔體內(nèi)溫度升高時(shí), 氣體就會(huì)流出；當(dāng)密封腔體內(nèi)溫度降低時(shí), 就會(huì)吸入大氣[3], 還可能吸進(jìn)縫隙或小孔附近的液體, 特別是當(dāng)夏天突發(fā)暴雨時(shí)，氣溫急劇下降, 密封腔體內(nèi)外氣壓差較大, 雨水覆蓋縫隙或小孔,形成吸水效應(yīng)。

該二次雷達(dá)采用的是全密封腔體設(shè)計(jì)，由于“呼吸效應(yīng)”，產(chǎn)生壓力差，隨著工作環(huán)境溫度的變化，腔體也會(huì)受循環(huán)應(yīng)力影響，溫度變化10 ℃，壓力差Δp=325 kg/m2，考驗(yàn)?zāi)z附著力，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)造成密封失效。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

資料表明，當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度低于65%后，大多數(shù)金屬的腐蝕都會(huì)變得很慢。因此，如果控制了環(huán)境的濕度，就能有效地防止因潮濕、鹽霧和霉菌等對(duì)電子設(shè)備的腐蝕，防護(hù)就變得很簡(jiǎn)單。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)該二次天線骨架減重及防護(hù)設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用焊接、螺接和轉(zhuǎn)接等技術(shù)，骨架采用防銹鋁板分段折彎拼焊構(gòu)成U型框架，并結(jié)合拉鉚固定封板成形(實(shí)物模型如圖3所示)，各列線源及板件通過螺栓與骨架上的氣密封雙耳托板自鎖螺母連接,實(shí)現(xiàn)安裝固定，線纜采用轉(zhuǎn)接板密封設(shè)計(jì)，保證其密封性，進(jìn)而保護(hù)內(nèi)部沒有密封性的器件及電子設(shè)備不受腐蝕。

圖3 二次天線實(shí)物模型

密封設(shè)計(jì)方面，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潛在多個(gè)隱患：

a.蓋板、罩與腔體間的安裝采用法蘭連接橡膠板墊片的低靜密封設(shè)計(jì)方案,如圖4a所示。通過M4螺紋擰緊力使墊片產(chǎn)生彈性和塑性變形，填塞密封面的不平處，以實(shí)現(xiàn)密封的效果，但因由于“呼吸效應(yīng)”，受循環(huán)應(yīng)力影響，存在密封失效隱患。

b.列線源與腔體面板間設(shè)計(jì)采用直接光連接設(shè)計(jì)，如圖4b所示，只靠列線源周邊的膠密封，安裝螺釘螺栓無膠密封設(shè)計(jì)，直接安裝。

c.保證天線安裝的支耳外緣與腔體間的無膠密封設(shè)計(jì)，螺栓直接安裝。

圖4 密封設(shè)計(jì)缺陷

2.4 工藝過程控制

該天線裝配空間受限，工藝安排上電裝與電鉗及后期調(diào)試過程多有交叉，操作人員多人配合完成，原工藝和過程控制方面，存在以下幾個(gè)問題：

a.工藝設(shè)計(jì)時(shí)未安排對(duì)列線源、螺釘?shù)鹊陌惭b面鉗工打磨處理，影響膠的粘合力，存在密封失效的隱患。

b.工藝設(shè)計(jì)中未安排裝配完成后的充氣檢驗(yàn)工序，不能提前剔除早期缺陷。

c.列線源、轉(zhuǎn)接板、支耳、蓋板、罩與腔體間的安裝等，是通過2 000多個(gè)安裝螺栓螺釘不帶膠或帶膠安裝實(shí)現(xiàn)與腔體的連接，手工裝配，對(duì)操作者技能水平、表面質(zhì)量意識(shí)要求較高。實(shí)際安裝過程中，電裝和鉗工不同工種交叉操作，加之測(cè)試過程常需要返工，造成了產(chǎn)品裝配外觀不一致、帶膠安裝的要求執(zhí)行不到位，存在密封隱患。

2.5 外協(xié)質(zhì)量控制

a.天線腔體為外協(xié)加工，為保證蓋板、列線源等與天線腔體間可靠裝配，相應(yīng)安裝位置加裝氣密封雙耳托板自鎖螺母，通過其兩端的抽芯鉚釘與天線腔體鉚接成形。檢查外協(xié)廠家裝配情況，如圖5所示，未按標(biāo)準(zhǔn)要求裝配后其周邊涂密封膠，加之裝配列線源及板件時(shí)螺釘未帶膠安裝，造成連接處未達(dá)到密封狀態(tài)。

圖5 自鎖螺母密封未按標(biāo)準(zhǔn)要求裝配的實(shí)物

b.電源和波控盒等的罩為鈑金焊接件，外協(xié)工藝設(shè)計(jì)，在焊接成形后未安排充氣檢漏工序，角縫處焊接缺陷未能前期發(fā)現(xiàn)。

3 解決方案

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

通過對(duì)前期發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象及各種影響因素分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面制定了敞開式設(shè)計(jì)和密封式改進(jìn)2種改進(jìn)方案，具體如表1所示。

綜合考慮，改進(jìn)方案沿用密封式設(shè)計(jì)思路，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的故障及隱患進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

a.增加防水透氣設(shè)計(jì)，以解決環(huán)境溫度變化導(dǎo)致腔體壓力差的問題。

防水透氣閥核心器件是防水透氣膜，該薄膜為經(jīng)膨化制成的具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，帶有數(shù)億個(gè)微孔的膨體聚四氟乙烯薄膜( e-PTFE)，可使空氣很容易穿透薄膜，同時(shí)也能捕捉到小到0．1 μm 的微粒，阻止細(xì)小的鹽結(jié)晶或灰塵進(jìn)入密封腔體內(nèi)[4]。防水透氣閥結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖6所示。

圖6 防水透氣閥結(jié)構(gòu)和實(shí)物

根據(jù)腔體結(jié)構(gòu)形式，在蓋板上設(shè)計(jì)加裝防水透氣閥，使腔體與外界大氣保持相通，當(dāng)溫度變化引起內(nèi)外壓差將促使氣體內(nèi)外流動(dòng)，最終達(dá)到氣體平衡。

在夏天溫度變化較大的時(shí)候，假設(shè)溫度在30 min內(nèi)變化由50 ℃變化到20 ℃時(shí)，該二次天線氣體流動(dòng)量ΔV為：

ΔV=V1-V2=75.4 L

V1為溫度為50 ℃時(shí)氣體體積；V2為溫度為20 ℃時(shí)原氣體體積。

設(shè)計(jì)要求氣體平衡時(shí)間小于溫度變化時(shí)間。型號(hào)為22-1-101-002-0000的JONES防水透氣閥標(biāo)準(zhǔn)透氣量為600 mL/min，單個(gè)透氣閥氣壓平衡時(shí)間為125 min，綜合考慮骨架的結(jié)構(gòu)形式，安裝7個(gè)透氣閥，氣壓平衡時(shí)間為18 min，可有效消除使用過程氣壓差，保證腔體使用環(huán)境。

b.列線源棄用原膠密封設(shè)計(jì)，改為硅橡膠O形密封圈設(shè)計(jì)，如圖7所示。在列線源上增加密封槽，安裝時(shí)O型密封圈通過安裝螺紋保證列線源與腔體之間的有效密封，消除了連接部位的漏水、漏氣現(xiàn)象。

圖7 列線源改進(jìn)為O型圈密封模型

c.支耳增加膠密封設(shè)計(jì)，安裝螺栓帶膠，安裝成形后支耳周邊帶膠密封。

3.2 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

工藝設(shè)計(jì)方面，改進(jìn)并細(xì)化過程的相關(guān)要求：

a.蓋板、罩等與腔體間的密封設(shè)計(jì)改為西卡252聚氨酯密封膠(性能見表2)密封設(shè)計(jì)，先用手動(dòng)砂輪機(jī)對(duì)安裝面進(jìn)行打磨處理(處理后實(shí)物如圖8所示)，以使聚氨酯密封膠與基材的粘接強(qiáng)度大幅度提高[5]，并用丙酮除凈油污、臘或灰塵，再經(jīng)專用清洗劑(Activator)清洗并晾干后(約10 min), 涂專用底涂(210T)并晾干，最后氣動(dòng)膠槍打252聚氨酯密封膠，并用手抹平，膠層厚度控制為2～4 mm，解決因“呼吸效應(yīng)”導(dǎo)致密封失效的隱患問題。

圖8 安裝面打磨處理

b.細(xì)化工藝文件，明確蓋板、罩等的安裝螺栓螺釘必須帶703硅橡膠(性能見表2)安裝，連接器和電纜之間連接處用703硅橡膠灌封，以密封它們之間較小的間隙。

c.明確裝配過程要求，加強(qiáng)對(duì)操作者的宣貫，執(zhí)行帶隊(duì)負(fù)責(zé)人制度，由其負(fù)責(zé)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查、標(biāo)記并清理狀況，防止遺漏。

d.裝配完成后，增加膠封外觀檢查和腔體內(nèi)充0.08個(gè)大氣壓進(jìn)行充氣檢漏的專項(xiàng)檢驗(yàn)。根據(jù)檢查結(jié)果，焊接質(zhì)量問題造成的漏點(diǎn)在零部件內(nèi)部點(diǎn)涂252聚氨酯密封膠密封處理；操作問題重新按工藝要求返工，拆除的螺釘不允許重復(fù)使用，膠密封面膠體清除干凈并經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)后方可按前述工藝要求裝配，最終確保可保壓5 min后，再裝防水透氣閥。

3.3 強(qiáng)化外協(xié)控制

加強(qiáng)外協(xié)件質(zhì)量控制，修訂技術(shù)協(xié)議，增加對(duì)氣密封雙耳托板自鎖螺母裝配后其周邊涂密封膠的膠密封設(shè)計(jì)，腔體和罩焊接成形后制作工藝蓋板，驗(yàn)收時(shí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充氣保壓驗(yàn)證其密封可靠性控制。

4 密封效果驗(yàn)證

按GJB 150.8《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 淋雨試驗(yàn)》的水密試驗(yàn)驗(yàn)證方法執(zhí)行淋雨試驗(yàn)，并用內(nèi)窺鏡檢查，未再發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)積水，后期生產(chǎn)調(diào)試及部隊(duì)使用過程中問題都未再出現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某大型雷達(dá)二次天線密封性進(jìn)行改進(jìn)研究，可知大型構(gòu)件腔體的防水密封設(shè)計(jì)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

a.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需要充分考慮設(shè)計(jì)有效性，考慮環(huán)境影響，尤其是溫度、壓差等不利因素可能造成的密封失效；盡量規(guī)避膠結(jié)密封，采用結(jié)構(gòu)密封，并對(duì)各環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制。

b.工藝設(shè)計(jì)方面，需要充分考慮工藝實(shí)施的可行性、全面性，如本案中大量的人工膠接界面質(zhì)量難以保證，需要從設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)入手，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

通過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，說明本方案進(jìn)行的改進(jìn)有效，值得在大型戶外密封腔體設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)用。同時(shí)，應(yīng)注意日常檢查及維護(hù)保養(yǎng)，如制定檢查維護(hù)手冊(cè)，對(duì)壽命件進(jìn)行定期更換等；對(duì)于膠體密封的時(shí)效性及維修性未進(jìn)行探討，為本方案不足之處。