经纬仪密封结构设计研究

赵巨波

（92941 部队， 辽宁 葫芦岛 125001）

0 引言

光电经纬仪的密封结构效果可以影响设备的防潮、防盐雾、防霉性能，进而关系到光电经纬仪系统的寿命、稳定性与可靠性。当光电经纬仪工作在沿海、沿河、沿湖泊等环境时，需要面对高湿度、高盐雾、霉菌、温度冲击等恶劣条件，光电经纬仪本身组成的机械构造的金属材料、光学元件、电子学器件等都会因此而造成加速老化或者失效。 为了提高设备的使用寿命和可靠性，对于经纬仪的密封结构设计是经纬仪的制造与使用中必不可少的关键环节。

本文针对经纬仪在潮湿条件下的工作条件， 对经纬仪的密封结构设计进行了研究， 探讨能够更好保证经纬仪防潮、防盐雾、防霉的结构形式。

1 经纬仪系统的特点

经纬仪是光电探测装置与经纬仪跟踪架的所组成的测量用系统，其系统包括垂直轴、水平轴、视准轴等三轴，三轴之间相互垂直，其结构示意图如图1[1]所示。

图1 经纬仪三轴关系

其中，垂直轴带动水平轴和视准轴围绕Z 轴旋转，进行方位运动；水平轴安装在垂直轴上，带动视准轴围绕Y轴旋转，进行俯仰运动；视准轴即为光学系统主轴与水平轴垂直。 方位运动和俯仰运动通过垂直轴和水平轴内安装的电机进行驱动，通过编码器进行反馈控制， 获得方位角和俯仰角。

从功能上划分， 经纬仪包含光学系统、机械结构、电子学系统三大部分， 通过各分系统之间的相互配合实现捕捉、跟踪、成像、测量等功能，可以完成实时跟踪、事后判读、实况摄录和输出、识别目标、跟踪观测等任务[2]。

2 经纬仪的密封结构设计

根据经纬仪工作环境及内部结构的特点， 要求光学系统机电子学系统所处空间长期保持干燥， 设计时首先应当避免雨、雾等天气条件下水气的直接侵入，其次应当减少设备内外部空气的流通与交换， 金属材料表面做相应的处理[3-7]。

系统内外环境可发生气体交换、 流通的主要位置为设备各部分之间的配合接口与配合面， 为了有效减少外壳的交界面的面积，设备设计时采用整体式结构，尽量减少组成系统的外壳数量。 因此可将多个光学系统收拢集中于一个光机结构中。结构如图2 所示。系统整体呈球形外观， 有利于表面液体的滑落， 球体两侧部分为俯仰固定部分， 中间为俯仰转动部分， 在俯仰动作时俯仰转动部分进行俯仰动作。 球体部分整体随着方位转动部分进行转动实现方位动作。系统在装调完毕后加入大于1 个大气压的氮气，保证系统内部空气的密闭性。

图2 经纬仪整体结构

2.1 俯仰转动部分和俯仰固定部分的防水设计

经纬仪的俯仰运动由水平轴转动实现， 俯仰转动部分和俯仰固定部分的防水设计如图3 所示， 为具有多层防水设计的结构。 俯仰运动部分和俯仰固定部分之间有与水平轴同心的环形槽， 一方面可以在竖直方向将渗入配合面缝隙的水导流， 一方面在环形槽内加装聚树脂等有机密封填充材料，具有摩擦系数小，耐磨性好等优点可以减少水汽进入壳体。

图3 水平轴密封结构

2.2 水平轴迷宫结构

在俯仰转动部分壳体与跟踪架的水平轴连接部分采用迷宫结构与机械密封相结合模式， 通过壳体在轴套周围的迷宫与跟踪架轴套周围的迷宫配合， 对水平轴产生密闭防水效果，可以防止绝大多数灰尘和水气的侵入。机械密封结构可以提供较高的可靠性， 泄漏量约为软填料的1/100，抗腐蚀性能较好，摩擦消耗较少，轴与轴套基本不受磨损，维修周期较长。 其结构如图4 所示，第一层密封为迷宫密封， 由立柱与四通结构构成迷宫防止灰尘。第二层为机械密封，由压环、静环、动环、O 型密封圈、 弹簧、 调节螺杆构成， 其中压环固定在立柱端面， 动环固定在四通端面， 动环在工作时处于转动状态。 安装时通过调节螺栓调整初始轴向预紧力使静环压在动环上， 以此保证在工作状态下连接处的水密。 同时压紧压环与静环之间的O 型密封圈来保证压环与静环之间的水密。

图4 水平轴迷宫结构

2.3 垂直轴迷宫结构

垂直轴在底座与方位转动部分U 型架之间的防水如图5 所示。在底座和U 型架之间加装迷宫，实现转动时的防水功能，同时迷宫在外边缘具有向下倾角，可以让渗入的凝聚的液体向下排出，实现长期防水效果。

图5 垂直轴防水

2.4 保护窗口

系统前端的保护窗口由于直接与外部环境接触，隔绝内外环境的同时保证光路的畅通， 因此对防水密封性能要求较高，保护窗口根据要求镀三防膜，同时由于保护窗口的静态特点， 设计采用密封垫结合加涂密封胶的模式进行密封，其结构如图6 所示。 装配时，在压圈与镜片中间点入密封胶，压圈将密封圈压紧，起到密封作用。

图6 镜片密封

3 结论

由于经纬仪自身的特点以及对环境防潮湿、防盐雾、防霉等要求， 经纬仪的密封性设计是经纬仪使用寿命及可靠性设计的关键内容之一。 本文针对经纬仪的密封性要求对经纬仪的结构进行了针对性设计， 根据实验与实践证明， 上述设计与方法能够有效提高经纬仪设备的可靠性与稳定性，延长使用寿命。