（机械电子工程专业论文）多通道高速旋转接头的开发和研究.pdf

摘要 摘要 旋转接头系板材开卷机、卷取机涨缩机构、机床设备及工程装备上的关键部 件。其作用是将流体介质输送管道与旋转、往复运动或摆( 转) 动某一角度的设 备相连接，即保证连续不断向运转的设备、管道传递流体，又要防止流体介质互 相串通、泄漏和外界杂物进入工作介质。在不同的应用场合，旋转接头可以有不 同的结构，但无论结构如何变化都包括旋转部分、密封部分和静止部分。旋转部 分与运转机械的旋转机构相连接，静止部分与介质源相连接，密封部分防止流体 泄漏及互混。因此旋转接头的设计应以使用安全可靠、环保节能、寿命长、加工 方便，体积小、重量轻为宗旨。 本文在查阅国内外的相关资料，在借鉴多种旋转接头的结构的基础上，分析 了我国现有的多通道高速旋转接头转速低、寿命短的原因。在结构上大胆创新采 用三油腔非对称静压轴承作为支撑，采用深沟球轴承作为连接部件，静止部分与 旋转部分之间采用非接触密封机制。同时，采用有限元方法，借助于商用有限元 软件m a r c m e n t a t 对静压轴承进行了分析。通过分析对旋转接头的结构进行设计 和优化。 在分析过程中，本文基于雷诺方程和有限元方法对静压轴承内部油膜进行了 数学建模，建立有限元分析模型，通过m a r c m e n t a t 的计算得出了油膜压力分布 状况，计算得到了油膜的刚度和承载能力，并得到了轴瓦的外力分布状况。通过 a n s y s 对芯轴作了模态分析得到了芯轴的固有频率及其振型，分析了芯轴偏心转 动状况，通过对芯轴的谐响应分析得出了芯轴在持续的周期载荷( 正弦激励) 下 产生的响应。 本文通过对有限元方法的求解思路和求解过程进行了相关介绍，得到了雷诺 方程的有限元形式，通过有限元软件的计算机仿真得到了两通道高速旋转接头性 能相关参数，并与理论分析进行了对比，并对其进行了结构的设计和参数的优化。 关键词：旋转接头；有限元方法；静压轴承；动态分析。 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yj o i n ti st h ek e yp a r to nm a c h i n e r ys u c ha st h ed e c o i l e r , t h em a c h i n et o o l a n dt h em e c h a n i c a le q u i p m e n t s ；i t sf u n c t i o ni st oc o n n e c tt h ep i p e l i n ew h i c hs e n d f l u i dm e d i u mo nr o t a t i n g ，r e c i p r o c a t i n gm o t i o no rt h ee q u i p m e n tw h i c h m o v e s ( r o t a t e ) a na n g l e a tt h es a m et i m e ，i tc a ng u a r a n t e et ot r a n s m i tf l u i d s s u c c e s s i v e l yt o e q u i p m e n t ，p i p e l i n eo p e r a t i n g ，a n da l s op r e v e n tt h ef l u i dm e d i u mf r o mg a n g i n gu p e a c h o t h e r , r e v e a l i n ga n de n t e r i n gj o bm e d i u mw i t ht h ee x t e r n a l i nd i f f e r e n t a p p l i c a t i o no c c a s i o n s ，t h e r ec a nb ed i f f e r e n ts t r u c t u r et or o t a r yj o i n t ，n om a t t e rh o w c h a n g e so ft h es t r u c t u r e i ti n c l u d er o t a t o r yp a r t ，s e a l e dp a r ta n ds t a t i cp a r t t h er o t a t e p a r ti sc o n n e c tt ot h er o t a t o r yo r g a n i z a t i o no fm a c h i n e r yc o n n e c t ，t h es t a t i cp a r tl i n k w i t hm e d i u ms o u r c ea n dt h es e a l e dp a r tp r e v e n t st h ef l u i df r o mr e v e a l i n ga n d m i x i n g e a c ho t h e r s ot h ea i mo fd e s i g n i n gi sa r e q u i r e m e n tc o n n e c t e dt or o t a t es h o u l db es a f e a n ds u i t a b l ef o rh i g hs p e e d ，w o r k i n gs t a t i n g ，l o n g l i v e dp r o c e s s i n gc o n v e n i e n tw i t h h i g hp r e s s u r ea n di t ss i z es h o u l db es m a l la n dl i g h t b a s e do nal o to fr e l e v a n tm a t e r i a l sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e r a n a l y z e s t h er o t a t i o n a l s p e e dl o wa n ds h o r t - l i v e dr e a s o nt ot h er o t a t ei no u rc o u n t r y t h i s d e s i g na d o p t st h r e eo i lc a v i t yb e a ra ss u p p o r t ，a n da d o p td a r kd i t c hb a l lb e a r i n ga st h e j o i n i n gp a r t ，a d o p t i n gt h en oc o n t a c t i n gs e a l e dm e c h a n i s ma st h es t a t i cp a r ta n dt h e r o t a t i n g m e a n w h i l e ，a d o p t e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，ia n a l y z e dt h eh y d r o s t a t i c b e a r i n gw i t ht h ea i do ft h ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em a r c m e n t a t a d o p t l a r g e s c a l es o f t w a r e - a n s y sw h i c hi saf i n i t ee l e m e n ti nc o m m o n ，u s et om a k eam o d a l a n a l y s i sa n dr e s p o n da n a l y z i n gt ot h ec o r ea x l eh a r m o n i o u s l y d e s i g na n do p t i m i z et o t h er o t a t i n gs t r u c t u r et h r o u g ha n a l y z i n g b a s e do n r e y n o l de q u a t i o na n df i n i t e e l e m e n tm e t h o dih a v ec a r r i e do n m a t h e m a t i cm o d e l i n gt ot h eto i lf i l mo ft h eh y d r o s t a t i cb e a r i n ga n ds e tu pf i n i t e e l e m e n tm o d e l s ，t h r o u g hc a l c u l a t i n go u tt h ep r e s s u r eo ft h eo i lf i l mw i t ht h ea i do f m a r c m e n t a t ，c a l c u l a t er i g i d i t yo ft h eo i lf i l ma n db e a r i n gc a p a c i t y a n a l y s i sn a t u r a l f r e q u e n c ya n dt h es h a k i n gt y p eo ft h ea x l ea sw e l la st h ea x l e - b e a r i n gn a t u r a l f r e q u e n c ya n ds h a k i n gt y p e ，t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i sw i t ht h ea i do fa n s y s a n a l y z ec o r et ob ea x l ep a r t i a lt or o t a t es t a t e ，t h r o u g hi s i td r a wc o r ea x l er e s p o n s e l l p r o d u c i n go ft h el a s t i n gc y c l el o a dt oa n a l y z et oi nh a r m o n yr e s p o n s e ，c o r eo fa x l e i nt h i sp a p e r ，t h es o l v i n gl o g i ca n ds o l v i n gp r o c e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d w a si n t r o d u c e d ，f r o mw h i c hr e y n o l de q u a t i o nw a sa c h i e v e di nt h ef o r mo ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l t h r o u g hs i m u l a t i o nt e s to nc o m p u t e rv i aa n s y sa n dm a r c ， p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h em u l t i - c h a n n e l sr o t a r yj o i n tw e r ea t t a i n e d ，w h i c hw e r e c o m p a r e dw i t ht h o s eg o t t e nf o r mt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r so f t h em u l t i c h a n n e l sr o t a r yj o i nw e r eo p t i m i z e d k e y w o r d ：r o t a r yj o i n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；h y d r o s t a t i cb e a r i n g ：d y n a m i c a n a l y s i s i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校的严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 5 指删雠：始 论文作者签名；墨易奄殛 胪髟年g 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在流体系统的设计和应用中，经常会遇到高压流体从静止管路输入到旋转体 的情况。在运动部件与固定部件需要相对连续回转时，液压软管及电线则无法使 用。为了解决这个问题，我们在实际中使用旋转型流体输送接头和静压滑环。( 如 图卜1 是美国g r t i 公司生产的旋转接头；图1 2 为静压滑环) 。 图1 1 两通道旋转接头 f i g 1 1t h em u l t i c h a n n e l sr o t a r yj o i n t 图1 - 2 静压滑环 f i g 1 - 2h y d r o s t a t i cs l i pr i n g 静压滑环主要应用在超高速、高压的工况下。其结构复杂、制作加工困难、 价格较贵，并且研究发现在使用过程中，静压滑环的承载能力、压力分布以及密 封缝隙的油膜刚度于油液粘度变化有很大关系，粘度变化导致润滑实效、承载能 力降低所发生的事故越来越多。这些因素其使用范围受到一定的限制。 广东工业大学工学硕士学位论文 在许多专用机床及加工中心、机械工具机、工作站、深孔钻机，玻璃机械等机 械设备上都广泛使用高速旋转头，从而达到在高压力、高转速下的传输冷却介质 和密封的效果。机械设备通过高速旋转接头来传输冷却液或封密防漏，在国外早 已不是什么新鲜事1 。 高速旋转接头在工作时固定件与旋转件是互不接触的，在工作时由于有液体 通过所以会产生粘性的流体磨擦，因此在工作时传统的金属与金属间的互相磨损 被完全排除，同时由于高速旋转接头的旋转是由主工作轴带着它旋转，也就是被 动旋转，因此不存在压力和旋转速度的依赖关系，也就是说压力和转速之间没有 任何直接关系，但也不是说工作时没有压力。这是由于被传输的介质参与了密封 间隙的“润滑”作用，因此特殊设计的高速旋转接头在工作时总是需要一个最低的 工作压力，用以保证对间隙的控制，来达到密封的工作状态。 高速旋转接头的固定件与旋转件的间隙很小，一般只有几微米，这在制造技 术上有着很大的难度，所以一般国产接头很难做到。 旋转接头的作用即要保证连续不断向运转的设备、管道传递流体，同时又要 防止流体介质相互串通、泄漏和外界杂物进入工作介质，以消除污染，节省能源。 1 一芯轴( 配油盘) 2 一出油口3 一前端盖4 、9 、一连接螺钉5 一密封圈 6 一接头体7 一深沟球轴承8 一后端盖1 卜压板1 1 、1 2 一进油口 1 3 一连接螺母1 4 一出油口 图1 - 3 旋转接头结构 f i g 1 3t h ec o n s t r u c t i o no fr o t a r yj o i n t 在不同的应用场合，旋转接头可有不同的结构，但不管结构如何变化，旋转接头 2 第一章绪论 均包括三大部分，即旋转部分、密封部分和静止部分( 结构如图1 3 所示) b 旋转 部分与旋转腔连接，静止部分与静腔连接，这两部分之间有完整的流体通道，密封部 分对流体进行密封，防止流体泄漏及流体间的互混。与气、液动相关的设备均可使 用旋转接头。 1 、旋转接头主要应用于下列各工业部门： 2 、各种纸张的加工设备，如造纸的烘缸、蒸球、压光机等。 3 、纺织、化纤及印染、各种化学纤维制品有关加工设备。 4 、橡塑行业中压延机、螺旋挤出机、混合搅拌机、旋转和层压机等。 5 、印刷、炼钢、车辆、电器，建材、玻璃、机械制造、地质、军工等。 总之，凡用蒸汽、水、油、煤气、空气、盐水、氨等气体和液体用于加热、 干燥和冷却的圆筒形、鼓形、球形转动设备和往复运动或摆( 转) 动任意角度的 设备，以及用于加紧、制动、抓牢的气、液动设备均可配用旋转接头b 1 。 1 2 国内外研究现况 在二十世纪五十年代以前，流体( 气体和液体) 由输送管道向运动设备传递 的接头部位绝大多数采用填料密封结构，这种结构通常在填料室中围绕运动的空 心轴压填上数圈填料，然后用调解压紧填料的压盖来达到密封的目的。这种结构 结头在流体压力较低，配用设备转速和往复运动次数较小，工人经常定期压紧和 更换填料的情况下，基本上适用于工业生产，但这种密封结构，流体的泄漏现象 相当严重，而且填料密封缝隙损耗功率将超过机械密封结构旋转接头的2 1 0 倍。 六十年代初，在工业发达国家开始出现了填料和端面密封相结合的过渡结构 形式，并向独立的单体部件发展。这种结构虽比填料密封结构前进了一步，但流 体的跑、冒、滴、漏问题没有解决，而且寿命短，维修工作量大p 1 。 1 9 7 0 年左右，由于西方世界能源紧张和适应工业自动化的要求，在美国约翰 逊橡胶公司生产了以机械密封结构为主的机械密封结构，单体的“约翰逊旋转接 头”( 如图1 - 4 所示) ，这一技术迅速传到日本和欧洲等工业国家，很快得到了 发展和应用。逐渐发展成为定型产品，并将常用类型规格化、系列化了。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 1 、端盖2 、弹簧3 、无油轴承4 、壳体 5 、外管体6 、球面密封环了、内管 图1 4 机械密封结构的约翰逊旋转接头 f i g 1 4t h es t r u c t u r eo fj o h n s o nr o t a r yj o i n tw i t hm a c h i n e r ys e a l e d 组合型密封旋转接头系机械密封与填料密封组合而成。机械密封部分的动环、 摩擦环、和静环垂直于轴线的表面互相贴合并相对转动，达到密封目的。组合密 封结构的旋转接头以其体积小、重量轻；对配用装备的强烈振动和摇摆不敏感； 节约能源和流体介质而引人注目。在改善环境卫生，提高劳动生产率方面也具有 重要意义。但是这种接头也存在一些缺点，如安装使用和检修不便，需要经常性 的更新摩擦环和填料，结构复杂不能满足高温和载荷要求苛刻条件下使用要求。 近年来，高速旋转接头的研发在发达国家得到很大的发展，出现了很多大型 的跨国公司如意大利的f l i i t e n 公司和美国d e u b l i n ( 杜布林) ，他们生产的精密 旋转接头设计新颖、性能可靠，使用范围广。 国内对高压油输送接头的研究近年来也取得了很大的进步。相继成立了旋转 接头研究所和制造厂家。我国的相关公司和企业先后开发出r y 型导热油旋转接 头、强抗杂质r h g 型导热油旋转接头、高压力旋转接头、造纸机专用高速旋转接 头、高寿命的钢铁专用旋转接头。但这些产品较国外产品还有较大差距。目前国 产旋转接头产品主要为低速( 10 0 0 r p m 以下，其中应用最广泛的5 0 0 r p m 左右) 、 低压型( 5 m p 以下) 。且密封性能较差( 每小时的泄漏量约为3 0 0 l m l ) ，使用寿 命较国外同类产品短，一般在5 年以下( 见表卜1 ) 。 目前，国内对旋转接头的应用仍属于起步阶段。同时加上国内制造技术的相 对落后，旋转接头的研发也存在一些尚未攻破的难点，如机械密封型旋转接头的 结构比填料密封的旋转接头结构复杂，密封材料不能满足高速、高温及高压的工 况，磨损严重，使用寿命短等。绝大部分产品仍然依赖于进口，但我们相信，随 着科学技术的不断发展和新材料的出现，这些问题不久将会逐步一一得到解决f 4 】。 4 第一章绪论 表1 - 1 旋转接头性能比较 t a b 1 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i n go ft h er o t a r yj o i n t j b t 标准指标进口件测试值国产测试件 静压试验1 2 m p a 保压时间1 2 m p a 保压时间0 9 m p a 保压时间 1 5 m i n 1 h 1 h 动转试验泄漏量不大于泄漏量泄漏量 3 m l h0 2 m l h5 0 m l h , - 一5 7 0 m i i 磨损量磨损量不大于0 0 0 0 7 m m 2 0 h 0 0 1 m m 2 0 h 旋转阻力矩没有要求 1 0 n m 1 2 n m3 6 n m - - 一4 8 n m 备注寿命没有指标寿命大于6 个月寿命3 5 个月 ( 大于6 0 万转) 有限元方法是一种采用电子计算机求解结构静、动力学特性等问题的数值解 法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型， 进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应( 包括响应位移 和响应应力) 。随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计 算机和计算机工作站的逐步普及，现在已有许多著名的有限元分析程序( 如 a n s y s 、n a s t r a n 、m a r c 等) 可用，从而为有限元法在机械结构动态设计中 的推广应用创造了更为良好的条件，并将展示更为广阔的工程应用前景。 有限元法的基本思路是：1 、把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元， 这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一 步骤称为离散。2 、通过对单元的研究来建立各特征参数之间的关系方程，这一过 程称为单元分析。在弹性力学中，单元分析的任务是：建立联系应变与节点位移 分量的方程，联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位 移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化成节点体在确定边界条件下 进行分析，从而可以得到整体的参数关系方程组，即矩阵方程。这一过程称为整 体分析。4 、解矩阵方程，即可以得到各种参数在整体结构中的分布p 1 。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题来源及研究内容 本课题为广东工业大学与韶关市某公司合作研发项目：高速旋转连通接头的 关键技术研究。课题以研究和开发新型的两通道高速旋转接头( 以下简称旋转接 头) 为目的，融含非对称流体静压轴承支撑、有限元流体动力学分析技术、有限 元静、动态特性分析技术等。结构上采用了非对称的三油腔静压轴承，并对轴承 的主要参数如承载能力和刚度进行了计算和分析，采取了一种借助于商用有限元 分析软件分析轴承性能的途径。通过计算机辅助设计，为最终的高速旋转接头结 构的优化和生产提供数据依据。 旋转接头的研究工作不但具有工程实用价值，也有理论价值。但是受到各种 客观条件制约，人们往往依靠经验对旋转接头进行设计和加工。现在随着国内产 品升级的需要，不少行业迫切需要高速旋转接头这一液压元件，为了解决这一矛 盾，课题组与相关厂家采取合作方式对这一领域进行研究，本文在总结国内外高 速旋转元件设计计算的理论和应用成果的基础上，引进了有限元分析的方法，利 用有限元软件做了进一步的研究。本文的主要研究内容如下： 1 、通过对国内外各种高速旋转接头的结构进行分析，运用理论计算确定基本 参数。结合以往的工作经验，采用比照设计的方法，大胆创新，使旋转接头的结 构更加趋于合理。 2 、对静压轴承油膜进行分析建立理想化数学模型，采用数值分析的方法，应 用有限元软件m a r c m e n t a t 中的轴承模块，计算静压轴承油膜的压力分布以及油 膜的承载能力和刚度，并将分析结果与理论计算得出的承载能力和油膜刚度结果 进行对比研究。同时，对轴瓦的受力状况进行了分析，利用有限元软件分析了外 力分布，为轴瓦的进一步分析及最终的结构设计提供了数据基础。通过此分析可 以为旋转接头支撑系统的结构设计和性能分析提供了理论基础。 3 、采用a n s y s 对芯轴一轴承系统作了非线性的静力学分析，分析了芯轴在静 压轴承支撑下的受力及变形情况，分析了相关实验数据。 4 、利用有限元软件a n s y s 对芯轴进行动力学分析，求得其固有频率，振型及 谐响应分析，得到动力响应( 包括响应位移和响应应力) 避免出现共振现象，得 到了芯轴在正弦激励下的响应情况，并最终对高速旋转接头的结构进行优化。 6 第二章旋转接头的结构设计及分析 第二章多通道高速旋转接头结构分析及设计 旋转接头结构上通常分为三大部分，即旋转部分、密封部分( 连接部分) 和静 止部分。作为旋转部分和静止部分的连接部件很大程度上决定了接头的整体性能。 目前，实际应用中主要有两种连接方式：一是采用机械密封形式，通过动环和静 环之间的相对运动起到连接和密封作用，二是尾端采用单滚珠轴承作为连接件， 轴承外圈固定不动，轴承内圈与芯轴一起转动。这两种方式都存在着一定的不足， 很难满足在高转速状况的使用要求，且寿命较短。 2 1 设计要求 根据课题组与韶关市某公司合作研发项目要求，本文设计的高速旋转接头的 为双通道旋转元件，将通过连接法兰与旋转机械部件连接，压力介质为液压油， 其介质的传输是在旋转接头的内部实现的，主要的技术指标如表2 - 1 所示： 表2 1r o t a r yg a t 技术指标要求 t a b 2 - 1d e m a n df o rr o t a r yg a ti n d i c a t o r 传输介质液压油 最大传输压力 m p a 1 0 介质温度( ) 4 0 - - 5 0 最高转速 r m i n 3 6 0 0 轴径 m m 7 0 外径 m m 1 5 0 可承受轴向载荷 n ) 1 2x 1 0 5 摩擦转矩 n m ( 1 8 通道数目 2 7 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 基本结构与材料的选择 2 2 1 旋转接头的基本结构 高速旋转接头的结构多种多样，本课题旋转接头结构如图2 1 所示。它主要 有以下部分构成：与旋转件通过法兰连接被动旋转的芯轴、接头体、密封圈、静 压轴承和作为连接部件的深沟球轴承。 芯轴与接头体之间存在间隙，为非接触密封，可避免固体间直接摩擦，故具 有适用于高速运转、无机械磨损、使用寿命长、可靠，采用深沟球滚珠轴承作为 联接部件，使结构更加紧凑、简单、占用空间少、零件少、易拆卸维修。其缺点 是需要配置过滤精度较高的液压系统，对机械有要求较高，同时芯轴和接头体之 间的间隙又较小，因此对零件的制造精度要求较高1 。 6543 21 1 芯轴2 连接螺钉3 静压轴承4 格莱圈5 接头体 6 后端盖7 深沟球轴承8 挡板9 固定螺钉1 0 、1 1 传输介质进油口 1 2 静压轴承进油口1 3 螺塞1 4 节流杆1 5 、1 6 传输介质出油口 图2 - 1 两通道高速旋转接头结构图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo ft h em u l t i - c h a n n e l sh i g h - s p e e dr o t a r yj o i n t 高速旋转接头的工作原理：高速旋转接头工作时，其接头芯轴1 通过法兰盘 连接在旋转机械上并随之一起转动，接头体5 保持固定不动。需传输的介质通过 进油口( 1 0 、1 1 ) 进入，通过出油口( 1 5 、1 6 ) 流入旋转机械中。采用深沟球轴 8 第二章旋转接头的结构设计及分析 承作为连接部件，由于轴承游隙小于芯轴和接头体之间的间隙，一定程度上确保 了芯轴和接头体的任何时候都存在间隙，使旋转接头的结构更加合理。与采用现 在常见的旋转接头结构( 图1 3 ) 相比，增加了接头前端的静压轴承，使得芯轴 与接头体之间有一个稳定的间隙，接头体与芯轴之间充斥着润滑油，减小了两者 之间的摩擦，提高了旋转接头的使用寿命。同时，实践证明，采用机械密封结构 的高速旋转接头失效经常情况下是接头尾段的机械密封结构磨损造成的，采用深 沟球轴承作为连接件，同时，接头的前端增加一静压轴承，一定程度上限制了芯 轴尾段的摆动，提高了运转的稳定性和寿命p 1 。 2 2 2 密封装置的设计与计算 圈2 2 密封部分的结构 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo ft h es e a lp a r t 对于多通道旋转接头来说，如何防止通道间传输介质的相互混合以及向外界 泄漏成为制约提高产品档次的关键技术因素之一。 密封装置的作用是防止润滑油渗漏，并阻止灰尘及其他杂质的侵入，以及防 止各液压油通道中流体间的串通互混。如果密封不良，不仅影响旋转接头的正常 工作，对环境的污染也是不容忽视的。 随着工业的发展而出现了大批的各种材质的密封材料和各种密封形式，密封 的种类越来越多，最简单而可靠的密封形式是静止密封。现在，在静止零件之间， 以及对于相对速度不大的轴封等处，都有广泛应用。对相对运动速度较大的重要 之处，才采用机械密封( 端面密封) 。 机械密封的基本特点是通过动环与静环垂直于轴线的光洁而平直的表面相互 9 广东工业大学工学硕士学位论文 紧密贴合，并作相对转动而构成端面密封装置。一般情况下，动环是金属材料， 静环是非金属材料，为了避免出现干摩擦或半干摩擦，在接触面处应保持充分润 滑。 如果密封面的相对滑动速度较高，或在高温环境中工作，很难保持理想的润 滑条件，或因摩擦增加，摩擦热升高而失去控制致使密封失效。于是发展了以间 隙密封为特点的非接触密封h 1 。 非接触密封是通过在被密封的流体中产生压力降来达到密封的目的，且容许 通过一定的间隙产生最小的泄漏量，而不影响系统中运动件的旋转运动，这就要求 非接触密封的间隙必须“很小 ，只有如此才能使泄漏保持在允许的限度以内。 为此，就应对机器的设计及制造精度提出相应的要求。 非接触密封能够有效地保持系统内与系统外的大气之间的压力差，这一压差 是通过密封对泄漏流体的节流作用形成的，在非接触密封中不存在密封件与运动 部件之间的摩擦，因此也就没有磨损，没有摩擦功耗也就没有温升；机器部件的运 转速度没有限制；密封本身不需要润滑。该密封具有设计结构简单、耐用、运行 可靠的特点，而且非接触密封只要结果合理并设计正确，密封不会失效，也不会磨 损，更不用重新调整。几乎不需要维修保养。为了实现对流体的精确节流，要求有 一最小流量，所以采取非接触密封不可能实现系统流体完全不泄漏( 铁磁流体密封 除外) ，必须容许有一定的泄漏量，但是在设计中应尽量减小泄漏量【9 儿1 4 儿1 5 1 。 间隙密封利用间隙高度( 厚度) 不变的轴向环形光滑间隙密封，设油流对称 于间隙中心，如图2 - 3 所 图2 3 静压轴承环形间隙 f i g 2 - 3h y d r o s t a t i cb e a r i n ga n n u l u s 1 0 第二章旋转接头的结构设计及分析 当环形间隙的轴向长度为l 时，若不考虑间隙弯曲，由著名的哈根一泊瑟衣 尔公式，得到通过间隙的流量，即： q 一等似p 2 ) ( 2 ” 式中：d i n = ( d + d ) 2 p 1 ，p 2 为轴向端的压力差 除了防止旋转接头向外泄漏和防止外界灰尘进入，还要防止不同油道之间油 液的串通混淆，这部分密封功能主要采用静止密封，这在一定程度上限制了旋转 接头的最高转速。 目前主要采用的是阶梯密封一一格莱圈，格莱圈最早在上世纪7 0 年代出现在 国外的密封领域，由高耐磨聚四氟乙烯( 或丁腈橡胶) 复合材料滑环与o 形橡胶 密封圈组成。0 形圈提供足够的密封力，并对滑环的磨耗起补偿作用。格莱圈的 主要特点是摩擦力小、启动时不爬行、无粘滞现象，抗磨性及尺寸稳定性好，沟 槽简单且尺寸小，具有润滑腔，其传输介质和适用温度取决于0 型圈的材质，适 用于轴用密封。 本文计算所用的格莱圈选自德国b u s a ks h a m b a ng m b h 公司的产品。阶梯型密 封件的材料是聚四氟乙烯( p t f e ) ，含有3 8 的填充物，其中9 0 为铜粒子。材料 的弹性模量为9 6 0 n ) n m 。泊松比o 4 5 ，o 型密封圈的材料是睛基丁二烯橡胶 ( n b r ) ，硬度为i r h d ( 国际橡胶硬度等级) 9 0 。 格莱圈的工作压力：o 4 0 m p a 最高可达6 0 m p a ，速度：1 5 m s ，使用温度： 一4 0 + 2 0 0 ，适用介质：液压油、水、汽等。由于格莱圈的滑环温度范围较宽， 并且适用于较高温度，所以，整个密封装置的最高温度有0 型密封圈的最高温度 决定。 本课题设计计算旋转接头的基本参数如下： 轴的内径7 0 ：监，接头体驴7 0 m ，沟槽的直径妒8 7 舭。 1 ) o 形圈的选择和计算 0 形密封圈是标准件，可以通过机械设计手册选择型号： 广东工业大学工学硕士学位论文 经选择密封圈的参数如表2 - 2 所示： 表2 2 密封圈参数 t a b 2 - 2t h ep a r a m e t e r so fs e a l 内径极限偏差截面直径 7 5 o 4 55 3 0 0 1 3 首先根据密封圈的压缩率对格莱圈滑环的截面高度进行计算。 根据有关资料显示当密封圈用于回转密封的工况下，其压缩率在5 。1 0 之 间才能达到满意的效果。考虑到0 形圈要为格莱圈的滑环提供密封力和对其磨损 进行补偿，压缩率会不断减小，所以预取其压缩率为1 0 进行计算。 图2 - 4 组合密封圈结构 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo fa s s o c i a t i v es e a l i n gr i n g 1 、沟槽高度d 的计算： 沟槽高度取决于0 形密封圈所要求的压缩率 设定密封圈的压缩率：e m i n - - 1 0 密封圈的截面直径最小值：d m i n = 5 3 0 0 1 3 = 5 1 7 r a m 芯轴与接头体之间的最大间隙： c m a x = ( 中7 5 + 0 0 3 ) 一( m 7 5 - 0 1 2 ) 2 = 0 0 7 5 m m 1 2 第二章旋转接头的结构设计及分析 压缩率： 一=drain-(hmax+cmax)：10emm( 2 2 ) = 一= 【2 ) 口m m 5 1 7 一 ( d4 - 0 2 7 5 ) 2 4 - 0 0 7 5 一上嗜】 。_ _ 。_ 。_ 。i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ - _ _ _ _ - 。_ _ 。_ 一 5 1 7 = 1 0 其中，h g 为格莱圈截面高度，根据市场上产品的规格型号可取： h g = 4m m 计算得出沟槽的直径取8 7 税册。 沟槽高度最大值：h m a x = ( 9 2 + 0 2 - 7 5 ) 2 - - c m i n - 6 1 m m 沟槽高度的最小值：h m i n = ( 9 2 - 7 5 0 0 3 ) 2 - - c m a x = 6 2 1 r a m 2 、沟槽宽度b 的计算： o 型密封圈的横向变形率： e b = b l _ - d o ( 2 3 ) 4 d = e 1 j 其中：b 1 是密封圈变形后横宽， d o 是0 形圈截面直径， b i = ( 1 + e b ) d o = ( 1 + e 1 j ) d o 带入数据得：b l = 5 6 r a m 相关资料显示0 形密封圈沟槽最小宽度： b m i x = ( 1 2 1 5 ) b i = 6 3 0 4 2m m 3 、对o 形密封圈的压缩率进行验算校核： 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 e m a x = d o m a x - ：( h m i n + c r a i n ) ( 2 一4 ) 一 、 【) d o m a x 5 3 + 0 1 3 一l 日槽一h g m a x + c m i n ) = = - 二= 一 5 3 + 0 1 3 = 1 6 q u e r yr e s u l t s u b g r i ds o l u 可查看任意节点结果数 图4 - 7 芯轴y 向的变形位移图 f i g 4 7d e f o r m a t i o nd i s p l a c e m e n tp i c t u r et h a tc o r ea x l ey t u r n st o w a r d s 由于变形量太小，看不出变形趋势，a n s y s 中用户可更改放大倍数的设呈 画出比实际放大的变形图。如图4 8 所示： 图4 - 8 放大6 0 0 0 倍后芯轴总体变形( u s u m ) 情况 f i g 4 8e n l a r g et h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o no ft h ec o r ea x l ea f t e r6 0 0 0t i m e s 4 3 广东工业大学工学硕士学位论文 由图4 8 所示最大变形出现在芯轴的最左端，查看左端点的位移变化的具体 数值只有9 x l o 6 胁。变形还是很小的，刚度上满足结构的要求。 - 2 丌 l - l ， ， ，r ， ， 图4 9 芯轴的受载变形及位移分布( 单位：m ) f i g 4 9d e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n to fs p i n d l e ( u n i t ：m ) 第四章高速旋转接头的静力学分析 通过a n s y s 提供的路径方法可以得出沿芯轴各向的，各阶梯段的y 向位移 变形情况如图4 9 所示： 图4 1 0y 向应力分布图 f i g 4 - 1 0t h ed i s t r i b u t i o nm a po ft h es t r e s st oy 同时，我们也可以得到沿着坐标轴向方向的应力的大小变化情况，由y 向应 力分布云图( 图4 1 0 ) 可以看到应力最大的位置出现在了芯轴的最左端和滑动轴 承的右侧阶梯结构处应力值分处于0 1 6 x 1 0 7 0 2 1 7 x 1 0 7 ( 单位p a ) 之间，4 0 c r 的 许用弯曲应力【盯一1 】= 7 0 m p a p 4 1 ，纵观整个芯轴结构在强度上是安全的。 图4 1ly 应力分布曲线图 f i g 4 11t h es t r e s si sd i s t r i b u t e dc u r v eg r a p ht oy 4 5 广东工业大学工学硕士学位论文 图4 1 2x 、z 向应力分布 f i g 4 - 1 2t h ec u r v eg r a p ho fd i s t r i b u t e do fs t r e s st ox z 应力的计算方式有多种，根据所取材料种类，所看的应力会有所不同，一般 金属材料会检查y o nm i s e s 为准，以了解结构材料是否会屈服( y i e l d i n g ) 而发生 永久变形。 图4 1 3v o nm i s e s 应力曲线图 f i g 4 1 3v o nm i s e ss t r e s sc u r v eg r a p h 第四章高速旋转接头的静力学分析 图4 1 4v o nm is e s 应力图 f i g 4 - 1 4t h ep u r s u eo fv o nm i s e ss t r e s s 图4 1 5v o nm i s e s 应变图 f i g 4 1 5t h es t r a i no fv o nm i s e s 通过以上分析可见，在高速旋转的芯轴中，由于旋转及外力作用下引起的芯 轴的变形和应力都很小。通过图4 1 4 可以明显地看到当施加载荷时最大变形 ( u s u m ) 发生在芯轴的最左端，通过几幅图的比较可以进一步发现，变形主要 4 7 广东工业大学工学硕士学位论文 为y 向位移，其中y 眦一0 3 8 3 x 1 0 。 m 。由以上结果可以看到， 变形较大，在结构设计，应尽量减少芯轴的变形的原因。 通过上述分析，已知径向的最大位移可得芯轴的静刚度m 1 ： k ，土。兰塑：1 3 0 5 5 n 口历 y 傩0 3 8 3 x 1 0 。5 。 相比而言y 向的 ( 4 1 ) 本章小结 根据多通道高速旋转接头的结构特点以及上一章对轴承的分析计算结果，考 虑芯轴轴承的非线性因素，选择有限单元法进行接触分析，建立了两通道高速旋 转接头非线性静力学结构分析的有限元模型，利用a n s y s 求解轴系静态特性。 依据分析结果，优化了原设计尺寸，对提高产品的强度、刚度及寿命具有一 定的指导意义。 4 8 第五章芯轴的动力学分析 第五章芯轴的动态力学分析 5 1 模态分析和谐响应分析 动力学分析是用来确定惯性( 质量效应) 和阻尼起着重要作用时结构或构件 动力学特性的技术。 动力学特性指的是下面的一种或几种类型： 1 、振动特性( 结构振动方式和振动频率) ； 2 、随时间变化载荷的效应( 例如：对结构