硅胶O形圈在关节设计中的应用

0 引言

旋转关节是天线系统中关键微波部件，卫星通信天线对准卫星过程中与发射机和接收机之间的相对运动需要旋转关节(后面简称关节)来完成。性能良好的关节能够在天线连续转动时在任意角度都能得到稳定的输出。

卫星通信系统天线由于功率较小，一般馈线系统可不充气。为了提高波导馈线系统功率容量以及保证馈线系统内部防潮以及馈源膜破损有预警功能，部分卫星通信天线馈线系统有充气要求。相对于雷达系统来讲[1]，卫星通信天线功率不大，充气气压不高，一般只有几千帕。本文介绍卫星通信系统中常用的几种圆关节和L型旋转关节的密封设计。关节密封方法很多，有：磁流体密封、骨架油封密封、密封圈密封等。由于卫星通信天线旋转速度较慢，因此本文所研究的关节最终采用了硅胶O形圈结构。该结构形式简单，对加工和装配精度要求低且成本较低，可靠性好。目前该系列关节已经在系列船载天线中得到了工程应用，实际使用效果良好。

1 关节常用密封形式

1.1 密封圈形式

密封圈形式的密封，一般采用“O”型密封圈进行密封。密封圈密封是靠挤压产生弹性形变来密封的(图1)“O”型圈材质对密封性能影响较大，传统密封圈由于材质问题[2](含硫较多)，容易老化变脆。随着硅橡胶的大批量生产，硅橡胶“O”型圈价格并不高，且性能稳定，抗老化能力很强。在很多产品中得到了大量应用。

1.2 骨架油封形式

骨架油封形式的密封一般用在较高转速的密封场合[3]，骨架油封的外侧为硬度较大，光洁度很高的树脂材料，与相对大地固定部分接触，骨架油封的密封唇与旋转轴接触。通常骨架油封内均有收紧弹簧，以增加密封唇的张紧力，提高密封性能。(图2)

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图1 “O”型圈密封示意

  

图2 骨架油封关节示意

1.3 迷宫式密封设计

  

图3 迷宫式关节示意

P-压力，S-接触面积。

1.4 磁流体密封

磁性流体是一种新型高科技纳米复合材料[3]，它是将纳米级的磁性颗粒均匀的分散在基液当中，而形成的稳定的胶体溶液。它具有磁化、流变、液体力学等特性。如图4所示，在无外力作用下，磁性流体将保持在磁场最强区域；在外力作用下，磁性流体的位置和形状将发生变化，引起磁场力的变化，磁场力与外力相平衡，使磁流体处于新的平衡状态。在高转速的旋转密封中具有前两种密封方式不可比拟的优点。

  

图4 磁流体密封原理图

四种密封形式各有优缺点，根据实际需要选择，具体性能对比见表1。

 

表1 四种密封形式优缺点对比

  

密封形式成本运动速度工作温度注意事项“O”型圈低低取决与橡胶种类最大工作范围(-70-260℃)一般接触面光洁度要好,在高压场合需要在结构上采用保护挡圈。骨架油封适中较高4-25m/s(-60-150℃)接触面光洁度好,加工精度要求高,需要润滑。迷宫式适中较高取决于润滑脂温度特性(-50-200℃)迷宫部分需均匀涂抹密封润滑脂磁流体高极高取决于载体最大温度范围(-55-244℃)对轴的表面粗糙度要求不高,允许较大密封间隙,不需要复杂润滑系统

2 系列关节改进设计

由于磁流体关节成本高、体积大，而卫星通信天线转动速度较慢。因此，在卫星通信天线中极少采用。工程中用到的多是骨架油封及迷宫式关节。针对其余三种常见关节密封形式的优缺点，对现有设计的非充气关节及常规的迷宫式、骨架油封关节进行重新设计，降低成本的同时，提高了产品的可用度和工程可实现性。

2.1 现有关节问题

骨架油封(图2)关节存在问题主要是油封的外接触面为不动部分，要求安装精度高，接触面精度和光洁度很高。装配时不仔细或加工公差大都会造成漏气现象，并且发生率较高，工程中多次出现。并且现有结构在充气检测时(浸水法)存在缝隙及轴承中灌入大量水，由于缝隙较小，水分不易蒸发，造成充气检测后产品内部锈蚀现象(基本都有)。

根据关节特点及选择“O”型圈密封沟槽形式(表2)。由于所设计关节运动方式均为圆周运动，且功率不大，充气气压较小(<10kPa)。因此选择最易于加工，且具有普遍适用性的矩形槽结构。

密封圈形式密封以前主要用在定密封，而动密封应用较少。原因主要是以前密封圈材质不过关，动密封容易出现问题。而现在随着各种新型橡胶材料的涌现，材料问题已经解决，因此在军民领域均得到大量应用。

2.2 改进设计

2.2.1 密封槽形式选取

  

图5 双密封圈结构示意图

以圆波导旋转关节为例，前两种方案的密封点均在靠近内腔的部分，关节轴承之后。改进设计(图5)将前面两种密封结构的密封点后移，因此密封有两处，均处于关节最外部。只要这两处密封好，则充气实验时的水无法进入到关节内部，有效避免前面提到的骨架油封密封和迷宫式结构进水造成的锈蚀现象。密封圈1处为两部分没有相对移动为静密封；密封圈2处为相对旋转结构为动密封。由于密封圈弹性的自适应性，因此对加工精度要求降低很多，只需要注意接触面的表面光洁度即可。

迷宫式关节(图3)存在问题也是加工精度不高的情况下，虽然涂抹密封润滑脂，同样容易漏气，迷宫外部分在浸水充气实验时存在进水锈蚀的情况。

 

表2[5] “O”型圈密封槽形式特点对比

  

沟槽型式简图说 明矩形槽静密封与动密封均适宜,应用普遍三角形槽尺寸紧凑,静密封用燕尾形槽可将O形圈牢固地安装在沟槽中,适于装在上法兰面上,装拆时不脱落半圆形槽仅用于旋转轴,应用不普遍斜底形槽用于在燃料油类介质中O形圈有较大膨胀的场合

2.2.2 密封圈压缩率选取

以密封槽内径40mm，外径44mm圆关节为例。选取合适的压缩率[6]，根据结构形式选取φ3的密封圈，密封槽尺寸最初选为2.5mm，其压缩率由下式计算可得[4]

压缩率ε=(D-h)/D×100%，此时压缩率为(3-2.5)/3×100%=16%

D-密封圈直径，h-密封槽深度。

该扭矩偏大；将压缩率调整为10%，重新计算扭矩约为1.15N.m，较为合适。因此密封槽深度改为2.7mm。

 

表3 不同压缩比下摩擦应力[7]

  

摩擦系数0.15初始压缩率%510152025最大接触摩擦应力/MPa0.1540.2540.3510.4680.600

观察表3数据可以得出，压缩比在5%-20%区间内呈线性变化。O形圈半径40mm，根据上表数据，可以去最大接触摩擦应力0.351，则密封圈形变后接触面积基本为投影面积1/10，则可计算出摩擦阻力f=P*S=0.351×106*0.1*π*[(44×10-3)2-(40×10-3)2)]≈40N，

如图3所示，迷宫式密封靠密封面间的间隙实现密封。密封面要涂抹非导电润滑脂，以保证气密效果。该种密封方式要求加工精度较高，且装配复杂。

则旋转扭矩M=f*L=40*0.04=1.6N.m。

f-力，L-力臂。

不同高校和专业对“嵌入式”培养方案的侧重点不尽相同。南京工程学院立足于学以致用，该院计算机工程系自2013年面向本科阶段，在多个计算机类专业中设立“嵌入式”培养方向，在嵌入式系统的教学与研究方面进行较为深入的实践与探索，获得一些有益经验。但嵌入式系统技术发展日新月异，教学实践中除了要引导学生掌握嵌入式系统的基础理论知识和系统开发的基本方法，更重要的是要让学生掌握嵌入式系统设计的思路和相关知识技术的迭代途径[2]。

其中，Yi是在问卷中对于工作是否匹配询问(您觉得现在这份工作与您的能力相匹配么)的自评结果的被解释变量，X1代表了将人口统计学特征和工作状况等的控制变量，X2代表了核心解释变量新媒体使用的代理变量：每周社交媒体使用时间以及APP种类的下载数量。其中，社交媒体使用时间代表了新媒体使用的深度，而APP种类数量则代表了新媒体使用的广度。α1表示了新媒体使用对于农民工工作匹配的影响系数和方向。

2.2.3 密封圈材料选取

本文通过旋转关节密封形式的分析以及各种材料O形橡胶圈的特性对比，说明了卫星通信系统中关节设计采用硅胶O形圈的优势。并且通过具体设计实例，给出了硅胶O形圈参数的选取方法。并且在实际工程中的系列关节中得到应用，密封效果良好，且旋转力矩适中。对工程设计有较大的指导意义。目前已有多种关节应用到各种地面站及船载天线中，运行良好，充分验证了其可靠性。

如表4所示，通过对各种橡胶比较，最终硅橡胶因各项性能均非常优异而被采用。硅橡胶是航空橡胶中比较重要的一种材质，属于典型的半无机半有机结构，既具有无机高分子的耐热性，又具有有机高分子的柔顺性，具有极强的抗高低温性能。表中没有提到的还有抗老化性能，硅橡胶的抗老化性能也非常优秀，并且随着硅橡胶的大范围应用，成本也不高。

[1] 朱乙平.大功率圆波导旋转铰链的设计与仿真研究[J].雷达与对抗,2006(1)：57-60.

我还认为平民学校是务工人员的精神家园。比如当你遇到人生的挫折和磨难时，如果你还能想到在北大、在未名湖畔还有这样一块心灵乐土，也是一种安慰。我的期望是，平民学校不能只在北大，我们还要向全中国两千多所大学推广，让更多的人受益，这也是促进社会和谐不可缺少的一环。

 

表4 不同材料密封圈特性[5]

  

类型材料适用介质工作温度/℃运动静止O形橡胶密封圈丁腈橡胶矿物油、汽油80-30～120氯丁橡胶空气、水、氧80-40～120丁基橡胶动植物油、弱酸、碱80-30～110丁苯橡胶碱、动植物油、水、空气80-30～100天然橡胶水、弱酸、弱碱60-30～90硅橡胶高、低温油、矿物油、动植物油、氧、弱酸、弱碱-60～206聚胺酯橡胶水、油60-30～80氟橡胶热油、蒸汽、空气、无机酸、卤素类溶剂150-20～100

(注：各种橡胶工作压力为：静止时35/MPa，运动时≥100/MPa；密封面线速度3-5/m.S)

  

图6 为L形关节改进前后对比图

通过前面的方法，对现有的圆关节及L形关节进行了批量改造，图6为L形关节改造前后对比结构图，为了保证密封可靠性，旋转部分采用了双密封圈结构，进一步提高了可靠性。

3 结束语

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参考文献：

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多孔控制定向水力压裂技术的研究多集中在技术工艺上，包括控制孔数量、布孔方式、孔径大小等，而地应力特征的影响规律研究尚不够深入和全面，特别在进入深部后，地应力作用逐渐凸显，对其影响规律的研究将更加重要。笔者以提高定向水力压裂效果，保障煤岩体均匀卸压增透，降低压裂水压，提高该技术的工程应用性为目的，就地应力以及孔隙压力场分布特征影响下的多孔控制定向水力压裂效果展开研究，对裂隙形态特征、扩展方向、煤体破坏类型以及起裂水压等多重指标进行了考察和分析，并指导现场应用。

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综上，在改革开放和现代化进程中，药膳、商贸、餐饮、图书出版、旅游等多种产业发展的需求形成合力，最终促使“煲汤”被重新命名、定义，并进一步打造成广东传统养生饮食“老火汤”。同时，在日常生活中进一步发展、内化为广府人心中的文化情结。自此，广式老火汤的热度可谓是臻于全盛。

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语文课堂教学中，板书占有的地位不可小觑。它是课堂教学重点内容提纲挈领的呈现。是学生学习知识的一个重要平台。如果我们的板书太单调，重点内容得不到完美呈现；如果板书太复杂，文字太多，不能给人直观感受。而教师在设计板书时，如果恰当地运用一些美术形式对板书进行美化，板书图文并茂，看起来一目了然，易理解、易记忆。如教学《苏州园林》时，可以把它的四个方面的特点设计成花瓣的形状，用简笔画的形式画出来，像一朵花，正好体现苏州园林“图画美”的特点，这样的板书既美观又突出重点。

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物流设施的主要作用就是为物流的运作提供良好的服务场所和平台，物流设备为物流的日常运作提供技术支持。发达的物流设施设备具有十分高的科技含量，物流设施设备的好坏不仅会直接影响到物流系统的能力和效率，还会直接影响到物流成本和服务质量。物流信息管理系统的建立能够实现物流信息无缝的高速、准确的连接，避免误差和错误的存在，港口和码头的建设为货船的停靠提供了较大的方便，升降机的使用能够从最大程度上保证物流操作的稳定性和安全性。