激光傳輸通道動密封防塵結構設計

李 冰,韓光宇,吳運寒

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

1 引 言

光電經緯儀是為完成測驗目標的彈道與物理等參數測量和飛行實況為目的,運用光學、精密機械、電控與計算機技術,可以完成衛星測距、輻射特性測量和干擾目標等功能。主要是由光學分系統、軸系系統和電控分系統等組成[1-2]。

激光發射設備是光電經緯儀的分支,發展趨勢是發射功率越來越高,作用距離越來越遠。如果在設備上沒有有效的密封防塵措施,灰塵和水分等很容易進入通道中污染庫德鏡。當高能激光照射到沾染的庫德鏡時,能量的積累會使膜系受損,嚴重至鏡子炸裂[3-4]。水漬和灰塵還會影響鏡面的反射率。以上因素嚴重限制激光功率提升。為了確保激光傳輸過程中通道潔凈,密封是必須解決的問題。

目前國內激光通道密封集中在密封窗口,根據原理可分為晶體窗口和氣動窗口兩種[5-6]。晶體窗口密封原理為采用吸收率較低的晶體制成光學玻璃,將其安裝在激光傳輸通道出射端,氣動窗口是在通道出射端安裝多個高速氣流的噴嘴,二者皆可以阻擋外界灰塵。兩種窗口皆有優缺點。晶體窗口設計難度低,密封性能優良,可靠性好,但晶體窗口會吸收能量,當增大激光功率時,窗口溫度升高產生熱變形,使激光折射發生變化[7]。氣動窗口對光束影響很低,但在使用過程中需要打開卷簾,無法保證灰塵或水蒸氣完全不進入激光傳輸通道,而且耗能大,成本很高。兩種窗口僅僅密封了靜止部分,軸系的轉動部分的密封存在空白。

針對軸系的轉動部分,本文利用磁流體的優良特性,設計了一種密封結構。利用有限元軟件對間隙處的磁感應強度進行了分析。通過耐壓公式可以得到密封能力值。理論分析了低速下離心力對密封幾乎無影響。對結構中的長臂件進行模態分析,保證系統不會發生共振。最后進行氣密、轉矩、高低溫和振動試驗進行驗證,證明了密封結構設計的合理性。本文在原有的窗口的設計基礎上,第一次將磁流體動密封應用激光通道中上,大幅度增強激光通道的密封性能。

2 原理和設計要求

2.1 激光傳輸通道工作原理

如圖1所示,激光傳輸通道內部耦合了七個庫德鏡。入射端和出射端安裝了窗口,形成了靜密封。激光器發出的激光經過準直系統,由入射窗口進入,在經過庫德鏡反射后,由出射窗口發出。在入射窗口到出射窗口之間形成激光傳輸通道,通道內部的庫德鏡一和庫德鏡二存在相對轉動,同理庫德鏡四和庫德鏡五也存在相對轉動。

圖1 激光傳輸通道Fig.1 Laser transmission channel

2.2 磁流體工作機理

磁流體密封具有零泄漏、低磨損和長壽命等優點,廣泛應用于防塵密封和真空密封[8-9]。密封的基本就是磁場提供足夠的徹體力。當介質內外有壓差時,磁流體會沿著軸向或徑向移動。磁場對磁流體產生的徹體力同內外壓差相平衡的時候,磁流體處于平衡位置,阻止被密封介質泄漏,從而達到密封的目的。

2.3 設計要求

向激光傳輸通道內部輸入氮氣來置換出水蒸氣。通道內部會形成微正壓,來抵御外界雜質。由于激光發射設備的應用環境廣泛,密封結構需要具備足夠高的密封性能,并可以抵抗振動和高低溫。其啟動扭矩和勻速運轉時所需力矩不應過大。根據上述要求,確定了密封結構的設計指標。如表1所示。

表1 密封結構設計要求Tab.1 Sealing structure design requirements

3 結構設計

依據磁流體的密封原理,密封結構主要包含永磁體,極靴,磁流體,內筒、外筒和蓋板。如圖2所示。

圖2 密封結構Fig.2 Sealing structure

密封結構包含兩個極靴。每個極靴內壁有八個矩形極齒,一個極齒構成一級,構成十六級密封,從而增加密封可靠性。采用矩形齒,齒寬0.3 mm,齒高0.9 mm,槽寬0.9 mm。永磁體由68個圓柱形的釹鐵硼磁鐵拼接而成。極靴接觸永磁鐵的一側設計一個凸臺結構,方便徑向固定住永磁體。極靴與外筒接觸的端面加工一個矩形缺口,用來裝密封圈,防止氣體從極靴和外筒之間的縫隙泄漏。蓋板用來將極靴和永磁體壓入外筒中,設計成整體式。永磁體提供外加磁場。磁流體充滿在齒槽中。外筒加上蓋板后,蓋板、內筒和極靴三者可形成封閉的空腔。

極靴和內筒起到導磁作用,采用2Cr13,磁流體選擇二脂基。外筒和蓋板為304不銹鋼,起到隔磁作用。

在試驗環節,設計了一種轉臺,此轉臺可與密封結構完美結合。如圖3所示。試驗轉臺主要包括連接板、軸承、軸承座、傳動軸、力矩電機、電機座、密封蓋、若干螺釘和墊圈。連接板和內筒通過螺釘連接。力矩電機驅動連接板進而帶動內筒旋轉。極靴位置固定,進而內筒與極靴產生相對轉動。向空腔內輸入氮氣,則空腔的氣壓會高于外界環境的氣壓,形成微正壓,可通過氣壓表讀出數值。驅動試驗轉臺,觀察氣壓表的數值變化。如果氣壓表數值長時間不變,則證明磁流體沒有泄露,結構氣密性良好。

圖3 試驗轉臺Fig.3 Experimental turntable

4 固有頻率分析

工程應用的內筒為一個長臂件,為防止其轉動過程中產生共振,有必要進行模態分析。主要目的是獲得其固有頻率和振型。因為內筒結構較為簡單,直接輸入命令流建立模型,忽略倒角和螺紋。材料選擇2Cr13,定義好材料屬性后,選用solid186單元。掃描劃分網格時注意了的細化。共劃分25506個六面體單元。如圖4所示。

圖4 內筒有限元模型Fig.4 Finite element model of the internal cylinder

在內筒的法蘭端面施加全位移約束。應用Block Lanczos法求解。內筒的前5階固有頻率如表2所示。圖5展示了內筒的一階振型,長臂部分繞Y軸進行擺動。激光發射設備的1階固有頻率約為110 Hz[10]。其一階頻率遠小于內筒的固有頻率,系統不會發生共振現象。較好滿足車載要求。

表2 內筒固有頻率Tab.2 Natural frequency of internal cylinder

圖5 內筒一階振型Fig.5 The first-order mode of the internal cylinder

5 磁場仿真

5.1 密封耐壓公式

在靜止情況下,磁流體內部任意一點處的壓強為[6-8]:

實際極齒部位的磁感應強度比較強,磁流體一般達到飽和磁化狀態,其飽和磁化強度為Ms。重力可忽略不計,則壓強可以簡化為:

p=μ0MsH+C=MsB

磁流體密封壓差為液膜雙側外表面上的壓強差值。設磁性流體內任意兩點1、2處的磁感應強度分B1,B2。對于靜止密封,其密封耐壓公式為:

Δp=p1-p2=Ms(B1-B2)

5.2 有限元模型

外筒和蓋板采用不導磁的304不銹鋼,將其視為空氣對待。磁流體的飽和磁化強度較低,可設定磁流體與空氣的磁導率相同。內筒和極靴的材料為2Cr13。永磁鐵采用銣鐵硼,矯頑力為8.9×105A/m,相對磁導率為1.05,空氣的相對磁導率為1。

由于模型是軸對稱結構,將三維問題轉為二維平面問題。采用plane53單元,建立二維模型。簡化的模型如圖6。A1為空氣,A2為內筒,A3和A5為極靴,A4為永磁體。

圖6 磁場有限元模型Fig.6 Finite element model of magnetic field

不同區域賦予相應的材料屬性和網格精度,采用智能網格劃分三角形網格,精度為2級。在間隙處單元劃分較為緊密。給模型邊界施加磁力線平行的邊界條件。

5.3 磁場結果分析

本文研究的密封間隙在0.1～0.4 mm。對4種間隙下的磁場分布進行求解。

0.2 mm間隙下的磁力線分布圖如圖7所示。圖中顯示極齒附近磁力線最密集,極齒的極尖部位磁場梯度最大。磁流體被吸附在磁場最強的極齒附近。空氣中有少許磁力線,存在漏磁現象。

圖7 0.2mm間隙磁力線分布Fig.7 0.2mm gap magnetic field line distribution

在間隙的內筒一側定義一條軸線軌線,將磁場強度映射到軸向軌線上。圖8展示了四種間隙軸向軌線的磁場強度變化情況。由于整體結構呈對稱分布,磁場強度分布也是關于X軸成對稱分布。隨著間隙的變大,波峰和波谷間的差值在變小。說明密封間隙越大,漏磁越嚴重。本文選取的磁流體為二脂基。飽和磁化強度為36 kA/m。根據耐壓公式3及不同間隙軸向軌線的磁場分布,計算得到耐壓值如表3。數據顯示間隙每增加0.1 mm,耐壓值近乎減半。當間隙超過0.3 mm,耐壓值明顯不夠。考慮工程實際使用,本文選取密封間隙0.2 mm。

圖8 軸向軌線磁場強度Fig.8 Axial trajectory magnetic field intensity

表3 理論耐壓值

6 試驗測試

任務要求設備在-40～50 ℃能穩定工作。同時考慮車載環境下的影響和扭矩的要求。共安排四組實驗。試驗轉臺實物如圖9所示。

圖9 試驗轉臺實物圖Fig.9 Physical image of the experiment turntable

6.1 動密封壓力測試

引入離心力的幾何因子[11]:

(4)

其中,Rs為內筒外徑與外筒內徑比;R為磁流體半徑:

Δp=Δpmax+ρ(R1ω)2G

(5)

外筒為旋轉軸,在軸的表面上,離心力最大。帶入已知參數,幾何因子為8.32×10-4,數值很小。證明低轉速下離心力對密封幾乎無影響,忽略不計。氣壓表最小量程0.02 MPa。從輸入0.03 MPa微正壓開始,一直增加到最大密封壓力。在0.03 MPa壓力下,一個月后氣壓表數值無明顯變化。證明磁流體沒有泄露,其密封結構氣密性良好。

當內外氣壓達到0.2 MPa時,氣壓表數值突然降低,此時達到了密封結構的極限密封壓力。測量結果顯示,密封結構的密封能力與仿真基本一致。

6.2 扭矩測試

將測力計拉力測試頭一端通過繩索套在內筒的螺釘處,拉動測力計,記下數值。力臂為110 mm,二者相乘即為力矩值。轉臺最大初始轉動轉矩為3 N·m,穩定運轉所需的力矩在0.8～2.8 N·m波動,平均一圈所需力矩為1.1 N·m。二者的數值均小于設計要求。啟動力矩大于穩定運轉力矩是因為磁流體中膠體粒子產生聚集。需要加大扭矩來破壞聚集結構。

試驗電機型號為J160LYX06G3,主要技術參數有峰值轉矩28 N·m,額定轉矩11 N·m,工程項目使用的電機比試驗電機的輸出轉矩高出數倍之多。轉臺運轉過程中不會產生爬行,不會影響伺服跟蹤精度。

6.3 高低溫測試

光學設備正常工作溫度在-40～50℃。將試驗轉臺放進高低溫箱,在-20℃、-30℃、-40℃、30℃、40℃、55℃多種溫度情況下,驅動電機,待溫度穩定后,保持一段時間。

實驗測得,在極端溫度下氣壓表數值略有浮動,這是氣體熱脹冷縮的結果。磁流體并沒有發生泄漏,且試驗臺運轉平穩,證明密封結構可以抵抗極端溫度,達到使用要求。

6.4 振動試驗測試

將實驗轉臺裝在振動試驗臺上,施加隨機載荷,用于模擬長途運輸對密封結構的影響。振動試驗分為X、Y向振動和Z向振動。30 min的試驗可等效1000 km公路運輸里程。每個方向試驗10 min。振動條件和功率譜如表4,5所示。

為了提高安全系數,X、Y、Z向的低頻段功率譜皆取其附近頻段上的最大值。經過計算,均方根加速度0.835 g。峰值加速度為3倍均方根加速度,約為2.5 g,30 min后,氣壓表數值并沒有明顯變化。證明氣體沒有泄露,密封結構符合要求。

7 結 論

針對激光通道動密封的問題,本文設計了一種密封結構,結合仿真軟件進行耐壓數值分析。理論結果證明,隨著密封間隙的增加,密封耐壓能力逐漸下降。考慮工程應用選擇了密封間隙,再根據公式得出理論密封能力為0.26 MPa。內筒的固有頻率遠大于工作頻率,系統不會產生共振。實驗測試表明,低轉速對密封性能幾乎無影響。此密封結構密封壓力值為0.2 MPa,并可抵抗-40～50 ℃的極端溫度和0～500 Hz振動的沖擊。轉臺驅動平穩,不存在爬行問題。該密封結構簡單,環境適應力強,可滿足激光傳輸通道的動密封要求。