大尺寸導電密封環設計試驗

王春學

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

0 引 言

導電柔性密封環作為機載預警雷達裝置關鍵部件，具有大尺寸、高可靠、導電性、柔性、環境適應性等要求，用于天線座部位齒輪、軸承潤滑稀油動密封，工作時天線座線速度為0.6 m/s，密封環尺寸為Φ1 500 mm,由于機載雷達風動載荷和振動沖擊工況，密封環需具有一定的彈性補償能力，可以在動環發生較大變形時維持端面密封；密封環要有較好的導電能力，密封環的接觸電阻要求小于5 Ω。目前這種大尺寸導電動密封環還未見成熟設計和工藝，此次課題采用金屬焊接波紋管作為彈性元件、 樹脂石墨為密封環靜環開展研究，通過試驗驗證優化密封結構設計，解決了大尺寸導電密封環占用空間小、適應振動沖擊工況、較好導電性、環境適應性、使用壽命等難題，為機載預警雷達天線座密封裝置成功研制提供了保障，對其它大尺寸導電動密封裝置的研制具有借鑒意義。

1 研究任務及重點概述

1.1 密封結構設計

由于機載環境對密封環的尺寸、重量要求非常苛刻，同時須滿足高可靠、環境適應性、低摩擦力矩、使用壽命等需求。須通過對多種密封結構設計分析、試驗比對，從密封可靠性、加工可行性等多方面分析研究各種設計方案，在試驗基礎上優化設計。

1.2 彈性元件的選擇

鑒于機載預警雷達的實際使用條件，該密封環密封端面因風載等原因存在很大的變形，因此需要有較大的補償能力方能保證系統的密封，而該補償能力絕大部分只能由彈性元件來提供；而且該彈性元件提供的端面比壓必須小于1 kg/cm2，具有良好的導電性和耐低溫性能，這對彈性元件的結構設計和材質都提出了苛刻的要求。

1.3 密封環的研制

密封環(靜環)是此密封系統的另一關鍵元件，其導電性、耐磨耗性、耐低溫性、彈性直接影響系統的可應用性和密封性能，同時考慮密封端面的加工技術。

1.4 性能評定方式和可行性研究

如何對密封系統進行性能評定是此研究的一個難點和重點，即必須研究出適宜的方法通過有限的試驗驗證來保證此密封系統在實際應用中的長期可靠性。

2 關鍵技術解決途徑

2.1 密封結構設計

在方案設計階段，選取了如圖1所示的四種密封結構形式,通過對密封效果、摩擦力矩、大尺寸密封環生產可行性等多方面因素進行分析，最后確定了A和D方案作為試樣的研制方案，并對A和D兩種方案結構進行了試樣加工和較詳細的性能試驗。

圖1 密封環縮比件結構簡圖

根據對小尺寸密封元件的研制和性能研究，A方案在DN300尺寸下可以滿足本項目對密封性、彈性補償能力、使用壽命、摩擦力矩、耐低溫等多方面的技術要求，特別是可以滿足在密封端面存在較大變形情況下的密封效果。由于大尺寸密封結構的端面尺寸變形具有漸變性，在彈性補償能力保持不變的前提下，該結構型式在大尺寸情況下的密封效果較同等工況下小尺寸的密封效果將更好。

2.2 彈性元件研制

該密封裝置對彈性元件的要求特別對其彈性補償能力的要求較高，彈性元件的選擇和質量對系統的密封效果顯得關鍵?？紤]波紋管彈性元件的高補償性和長期密封性，此項目彈性元件首選波紋管結構，主要是對波紋管的材質、結構特點進行研究選擇，以確保所用波紋管具有較大的彈性補償能力，能提供密封環適宜和持久的密封比壓。此研究選擇金屬波紋管和橡膠波紋管兩種方案進行比對，金屬波紋管分焊接金屬波紋管和成形金屬波紋管兩大類進行研究。

(1) 金屬波紋管的研制和選用

金屬波紋管在此密封系統中不僅起著補償作用，同時還可以緩沖因密封環(靜環)磨損、軸向串動及振動等原因產生的軸向位移。通過對金屬波紋管材料的選擇和處理，可以調節波紋管的剛度，使波紋管的彈力更趨穩定，這樣既有利于穩定工作，又減少了磨損。此外，波紋管不但有較好的軸向浮動性，而且在傾斜方向的浮動性也很好，這樣就保證了磨擦副(密封面)能可靠地貼合，提高了密封性能。采用金屬波紋管可以滿足此設計要求的耐低溫性能和導電性能。按照波紋管的成型工藝，金屬波紋管可以分為焊接金屬波紋管和成形金屬波紋管兩大類。

首先考慮焊接金屬波紋管的可行性。焊接金屬波紋管采用不銹鋼薄帶，沖壓成截面為S形的片狀環形件，再焊接成形。其優點在于具有高的彈性補償能力，高變形能力和較好的可設計性；缺點在于加工比較困難，總體技術上具有可行性。

成形金屬波紋管系采用液壓或機械壓力成型工藝，用不銹鋼薄管擠壓變形而成。優點在于加工較為方便，成本較低，缺點是剛度較大，成形過程中不易保證壁厚均勻，而且軸向長度較長，對密封不十分適合。研究試驗后確定以焊接金屬波紋管為首選。

(2) 橡膠波紋管的研制和應用。

橡膠波紋管應用原理與金屬波紋管相似，其優點是具有比金屬波紋管更大的柔性和彈性補償能力，缺點是耐高低溫性能較差，使用壽命相對較短，特別是導電性能差，大尺寸加工困難。

通過工藝試制和試驗驗證，最終確認金屬波紋管彈性元件能滿足項目需求，項目選擇金屬焊接波紋管作為彈性元件。

2.3 金屬焊接波紋管研制

(1) 金屬焊接波紋管設計

金屬焊接波紋管彈性補償能力直接決定密封系統的使用壽命和密封效果，波紋管的彈性補償能力通常通過試驗確定，尚無準確的計算公式。彈力的大小取決于波紋管剛度和波紋管的壓縮量，而波紋管的剛度與波紋管的膜片層數、膜片寬度、膜片厚度、膜片中徑、膜片的成型角、波數等緊密相關，其比較可用的經驗公式有：

(1)

式中：K為波紋管剛度；E為材料彈性模量；τ為膜片層數(單層為1，雙層為2)；Dm為波片中徑；δ為波片厚度；aw為膜片寬度；α為與成型角、波形、波深、波長等參數相關的參數。

由該公式可以發現，波紋管的剛度隨膜片的厚度和膜片寬度的影響十分明顯，并與波片的中徑成正比。因此在設計大尺寸波紋管時，必須考慮這些因素對波紋管彈力的影響。

通過制備不同尺寸和結構的波紋管，研究波紋管結構和尺寸變化對彈力的影響。試驗結果表明，相同波紋結構，尺寸相同，波紋管的彈力與波紋管的波寬、直徑成反比，彈力隨波數的增加而增加。通過計算以及大量試驗，估算在波紋管的變形、波寬、波數不變的情況下，等尺寸波紋管整體彈力將下降至縮比尺寸波紋管彈力的1/3，在試驗基礎上，對波紋管的波寬、波數進行了調整，將波寬由原來的15 mm減小至11 mm，波數從單波數增加為雙波數，保證在大尺寸情況下仍能保證所需的端面比壓和彈性補償能力。通過縮比件試驗驗證，該結構的彈力是原結構同尺寸彈力的4倍，理論分析該金屬焊接波紋管結構能夠滿足大尺寸導電密封環彈性補償需求。

(2) 金屬焊接波紋管制作

在小尺寸試驗中，波紋管選用AM350進行了大量試驗，由式(1)可以發現，波紋管的剛度與材料的彈性模量成正比，從試驗結果和材料來源，采用進口AM350來拼接所需大波紋管膜片。完成拼接的圓環必須經過整平和熱處理，以獲得一定的平整度并消除焊接內應力，采用水切割成波片，切割成圓形的波片在特制的模具中壓制成一定形狀的膜片，經清洗后即可進行焊接成波紋管。

波紋管膜片、焊接裝置和工裝準備完成后即可進行波紋管的焊接加工。波片焊接不存在技術問題，但是由于規格較大，需嚴格控制焊接質量，以確保波紋管的焊接質量。焊接成的波紋管需經過定型處理，定型處理需有專用定型模具，經過定型的波紋管需在真空條件下進行熱處理以消除焊接造成的殘余應力，圖2所示為成型的金屬焊接波紋管縮比件。

2.4 密封環摩擦副研制

(1) 密封環靜環研制

鑒于密封端面使用壽命要求，所研制密封環必需具有較好的耐磨性以確保較長的使用壽命，密封環必需具有較好的自潤滑性以保證系統具有較小的摩擦阻力，密封環還必需具有較好的導電性，耐油性、耐低溫性能和較好的回彈性。研究選擇柔性石墨密封環、導電橡膠密封環、導電聚四氟乙烯密封環三種方案進行試驗比對。

經過大量試驗研究，密封用靜環最后篩選出樹脂石墨和石墨填充聚四氟乙烯作為與金屬焊接波紋管相連接的密封環。樹脂石墨密封環利用石墨為基體，通過壓制、焙燒和多次浸漬呋喃樹脂制備而成，圖3為石墨樹脂密封環。樹脂石墨密封環具有較好的導電效果，在靜止狀態基本上處于導通情況，但是缺點是在設備旋轉時特別是存在油膜的情況下導電性能迅速下降，為此，考慮將樹脂石墨密封環作為上端用靜環，由于上端基本沒有油膜存在，因此系統可以保證一定的潤滑性能和導電性能。

圖2 金屬焊接波紋管圖3 石墨樹脂密封環

小尺寸試驗發現石墨樹脂密封環和填充聚四氟乙烯密封環均具有較好的密封性能，能達到本項目的基本要求。填充改性聚四氟乙烯的變形能力、彈性、自潤滑性能和強度均較樹脂石墨為好，在底端采用改性填充聚四氟乙烯作為密封環，以提高密封效果。填充改性聚四氟乙烯一般采用模壓燒結工藝制備，用大型模具在常溫下壓制成型，然后在360 ℃燒結而成。

加工完成的密封環與波紋管進行粘結成一體，對于樹脂石墨密封環的配合主要采用耐低溫導電密封膠進行膠結，而對于改性聚四氟乙烯的配合考慮采用三元乙丙橡膠O型密封圈。

(2) 密封環動環研制

采用鑄鐵作為動環摩擦副可以較好滿足本項目的技術要求，在基本狀態下具有較好的綜合性能。在大尺寸加工時可以采用鑄鐵密封環的單獨加工然后與天線座結合一起再加工。

現有天線座可以達到1.6 μm以上光潔度的條件下，可以采用鎳磷鍍工藝對材料進行表面化學拋光處理，經過化學拋光處理的金屬表面一方面具有導電功能，另一方面材料表面硬度得以提高，耐磨性能得到改進，同時其鏡面光潔度水平可以滿足對密封端面光潔度的要求。

3 試驗評定

由于實際密封裝置的特殊性和可靠性要求，如何評定和確保系統在實際工況下的密封性能成為本項目研究的關鍵之一。包括對密封環、波紋管彈性元件基本性能的評定，壽命研究，整體電性能的研究，以及整體密封結構密封效果的評定或模擬。主要是根據現有標準、規范對產品的基本性能進行試驗研究和評定分析，以測定其常規性能。研制的縮比件導電密封環模擬試驗裝置如圖4所示，通過建立模擬試驗裝置研究在模擬工況下密封環和密封系統的各項性能水平，并由此建立一套性能評定方法，特別是通過對密封環的磨損速率的測定和彈性元件失彈或松弛行為的研究來外推系統的長期使用壽命，并由此確定在實際工況下產品的性能特點以及與實際應用的差距，以此指導密封環的進一步研制和性能提高。

圖4 密封環模擬試驗裝置

用自行研制的數據采集系統自動完成各試驗項目測試及數據采集，試驗完后進行數據處理，表1、表2及表3為試驗處理結果。表1，2試驗環境及條件：環境溫度12 ℃，線速度0.4 m/s；表3試驗環境及條件：常溫～環境溫度-40 ℃，線速度0.4 m/s。

表1 恒溫條件下試驗數據

表2 恒溫條件下試驗數據

表3 模擬工作環境下試驗數據

縮比件試驗結論：

(1) 靜態條件下，試驗件的接觸電阻很小；在動態條件下，接觸電阻的阻值隨著轉速的提高而快速增加，當線速度增加到0.28 m/s時，試驗件的接觸電阻已達到電阻測量的滿量程9.1 Ω；按理論推算，大尺寸密封環接觸電阻小于5 Ω，滿足設計要求。

(2) 潤滑油的油面高度低于摩擦端面時，在靜態條件下和動態條件下(線速度為0～0.4 m/s)，無漏油現象。

(3) 隨溫度降低，摩擦力矩值下降，特別是低溫時的摩擦系數很小。

(4) 導電柔性密封環上波紋管的彈性穩定。

(5)導電柔性密封環根據試驗推算的導電柔性密封環的壽命高達10 552 h/mm。

4 結 語

通過對“大尺寸導電密封環”的結構、密封材料的選用和加工進行分析研究，開展了從小尺寸試件到模擬縮尺寸試件的生產、加工和性能研究，分析了各種密封結構和密封材料在此項目工況下的可行性，并對實際尺寸密封環的生產可行性和應用可行性進行了分析。解決了大尺寸導電柔性密封環的密封結構設計、彈性元件制作、密封環研制等關鍵技術，試驗結果表明，密封環縮比件在環境試驗條件下滿足高可靠、導電性、柔性、密封性等要求，并在此基礎上成功研制出等尺寸導電柔性密封環。該研究突破了大尺寸導電動密封環關鍵技術，在工程應用上具有可實現性，采用這樣的密封結構和形式，可以實現大尺寸密封結構的可靠動態密封。