經緯儀密封結構設計研究

趙巨波

（92941 部隊， 遼寧 葫蘆島 125001）

0 引言

光電經緯儀的密封結構效果可以影響設備的防潮、防鹽霧、防霉性能，進而關系到光電經緯儀系統的壽命、穩定性與可靠性。當光電經緯儀工作在沿海、沿河、沿湖泊等環境時，需要面對高濕度、高鹽霧、霉菌、溫度沖擊等惡劣條件，光電經緯儀本身組成的機械構造的金屬材料、光學元件、電子學器件等都會因此而造成加速老化或者失效。 為了提高設備的使用壽命和可靠性，對于經緯儀的密封結構設計是經緯儀的制造與使用中必不可少的關鍵環節。

本文針對經緯儀在潮濕條件下的工作條件， 對經緯儀的密封結構設計進行了研究， 探討能夠更好保證經緯儀防潮、防鹽霧、防霉的結構形式。

1 經緯儀系統的特點

經緯儀是光電探測裝置與經緯儀跟蹤架的所組成的測量用系統，其系統包括垂直軸、水平軸、視準軸等三軸，三軸之間相互垂直，其結構示意圖如圖1[1]所示。

圖1 經緯儀三軸關系

其中，垂直軸帶動水平軸和視準軸圍繞Z 軸旋轉，進行方位運動；水平軸安裝在垂直軸上，帶動視準軸圍繞Y軸旋轉，進行俯仰運動；視準軸即為光學系統主軸與水平軸垂直。 方位運動和俯仰運動通過垂直軸和水平軸內安裝的電機進行驅動，通過編碼器進行反饋控制， 獲得方位角和俯仰角。

從功能上劃分， 經緯儀包含光學系統、機械結構、電子學系統三大部分， 通過各分系統之間的相互配合實現捕捉、跟蹤、成像、測量等功能，可以完成實時跟蹤、事后判讀、實況攝錄和輸出、識別目標、跟蹤觀測等任務[2]。

2 經緯儀的密封結構設計

根據經緯儀工作環境及內部結構的特點， 要求光學系統機電子學系統所處空間長期保持干燥， 設計時首先應當避免雨、霧等天氣條件下水氣的直接侵入，其次應當減少設備內外部空氣的流通與交換， 金屬材料表面做相應的處理[3-7]。

系統內外環境可發生氣體交換、 流通的主要位置為設備各部分之間的配合接口與配合面， 為了有效減少外殼的交界面的面積，設備設計時采用整體式結構，盡量減少組成系統的外殼數量。 因此可將多個光學系統收攏集中于一個光機結構中。結構如圖2 所示。系統整體呈球形外觀， 有利于表面液體的滑落， 球體兩側部分為俯仰固定部分， 中間為俯仰轉動部分， 在俯仰動作時俯仰轉動部分進行俯仰動作。 球體部分整體隨著方位轉動部分進行轉動實現方位動作。系統在裝調完畢后加入大于1 個大氣壓的氮氣，保證系統內部空氣的密閉性。

圖2 經緯儀整體結構

2.1 俯仰轉動部分和俯仰固定部分的防水設計

經緯儀的俯仰運動由水平軸轉動實現， 俯仰轉動部分和俯仰固定部分的防水設計如圖3 所示， 為具有多層防水設計的結構。 俯仰運動部分和俯仰固定部分之間有與水平軸同心的環形槽， 一方面可以在豎直方向將滲入配合面縫隙的水導流， 一方面在環形槽內加裝聚樹脂等有機密封填充材料，具有摩擦系數小，耐磨性好等優點可以減少水汽進入殼體。

圖3 水平軸密封結構

2.2 水平軸迷宮結構

在俯仰轉動部分殼體與跟蹤架的水平軸連接部分采用迷宮結構與機械密封相結合模式， 通過殼體在軸套周圍的迷宮與跟蹤架軸套周圍的迷宮配合， 對水平軸產生密閉防水效果，可以防止絕大多數灰塵和水氣的侵入。機械密封結構可以提供較高的可靠性， 泄漏量約為軟填料的1/100，抗腐蝕性能較好，摩擦消耗較少，軸與軸套基本不受磨損，維修周期較長。 其結構如圖4 所示，第一層密封為迷宮密封， 由立柱與四通結構構成迷宮防止灰塵。第二層為機械密封，由壓環、靜環、動環、O 型密封圈、 彈簧、 調節螺桿構成， 其中壓環固定在立柱端面， 動環固定在四通端面， 動環在工作時處于轉動狀態。 安裝時通過調節螺栓調整初始軸向預緊力使靜環壓在動環上， 以此保證在工作狀態下連接處的水密。 同時壓緊壓環與靜環之間的O 型密封圈來保證壓環與靜環之間的水密。

圖4 水平軸迷宮結構

2.3 垂直軸迷宮結構

垂直軸在底座與方位轉動部分U 型架之間的防水如圖5 所示。在底座和U 型架之間加裝迷宮，實現轉動時的防水功能，同時迷宮在外邊緣具有向下傾角，可以讓滲入的凝聚的液體向下排出，實現長期防水效果。

圖5 垂直軸防水

2.4 保護窗口

系統前端的保護窗口由于直接與外部環境接觸，隔絕內外環境的同時保證光路的暢通， 因此對防水密封性能要求較高，保護窗口根據要求鍍三防膜，同時由于保護窗口的靜態特點， 設計采用密封墊結合加涂密封膠的模式進行密封，其結構如圖6 所示。 裝配時，在壓圈與鏡片中間點入密封膠，壓圈將密封圈壓緊，起到密封作用。

圖6 鏡片密封

3 結論

由于經緯儀自身的特點以及對環境防潮濕、防鹽霧、防霉等要求， 經緯儀的密封性設計是經緯儀使用壽命及可靠性設計的關鍵內容之一。 本文針對經緯儀的密封性要求對經緯儀的結構進行了針對性設計， 根據實驗與實踐證明， 上述設計與方法能夠有效提高經緯儀設備的可靠性與穩定性，延長使用壽命。