（机械电子工程专业论文）静压滑环间隙流场特性及其应用研究.pdf

摘要 摘要 在对流体流动特性的研究中，人们已注意到了流体的特性是随条件的不同而 变化的，尤其是液体粘度变化对流体流动特性的影响。在大载荷、超高温、极高 速的工况下，如果忽略液体粘度变化对机器和元件的影响，将使设计结果产生较 大的误差甚至重大事故的出现。静压滑环常应用于高速工况下，其密封缝隙间油 膜温升较大，因此，有必要在变粘度条件下研究其密封间隙流体流动特性，并在 考虑粘度变化的情况下确定其结构设计原则。 本文在查阅大量国内资料的基础上，对变粘度理论应用于静压滑环进入了深 入的研究，得出变粘度条件下静压滑环密封缝隙流体流动特性的理论计算公式以 及利用有限元方法对缝隙流场进行数值分析，并对静压滑环的自动调节原理进行 详细的分析。 以静压滑环的简化模型和项目合作要求为基础，应用变粘度理论确定了静压 滑环结构设计原则，给出了静压滑环可分配承载面积、轴向厚度、补偿结构的设 计计算方法。对设计的静压滑环密封缝隙油膜承载力进行了详细的理论计算，并 对密封缝隙间的油膜刚度进行了计算机分析。 本文对有限元方法的求解思路和求解过程迸行了简单的介绍，并从流体力学 中最基本的质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律出发，得到了基于变粘 度理论基础上静压滑环的数学模型与有限元模型。 最后应用有限元方法对问隙油膜的流场特性进行了数值模拟，获得了缝隙的 压力场分布、温度场分布、粘度场分布和速度场分布情况，并与理论分析结果进 行了对比研究，对比显示理论与仿真曲线具有一致的变化趋势，因此可以证明本 文理论计算公式的正确性以及静压滑环结构设计符合要求。 关键词：交粘度；静压滑环；有限元方法；缝隙油膜 ：耋王些查兰竺圭兰竺鎏三 a b s t r a c t v 们f l e ns t u d y i n gt h ef l o w i n gp r o p e r t i e so ff i u - i d , p e o p l ea l r e a d yf o u n dt h e s e p r o p e r t i e sc h a n g e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yi n f l u e n c e db yd i f f e r e n tl i q u i d v i s c i d i t y u n d e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fl a r g el o a d , u l t r a h i g ht e m p e r a t u r ea n d e x t r e m e l yh i g h s p e e d , t h e r ew i l lb eg r e a to r r o r si nt h ed e s i g nr e s u l to re v e na c c i d e n ti f t h ei m p a c to fl i q u i dv i s c i d i t yc h a n g e so nc o m p o n e n ti sn e g l e c t e d h y d r o s t a t i cs l i p r i n gi so f f o nu s e di nt h eh i g h - s p e e do p e r a t i n gc o n d i t i o n t h et e m p e r a t u r eo fo i lf i l m r i s e sal o ta ti t ss e a l e dc h i n k t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt om a k ear e s e a r c hi n t ot h e f l o w i n gp r o p e r t i e so fs e a l e dc h i n kf l u i du n d e rt h ec o n $ f i o no fv i s c i d i t y ，a n dt o c o n f i r mi t sp r i n c i p l e so fs t r u c t u r ed e s i g nw i t hc o n s i d e r a t i o nt ov i s c i d i t yc h a n g ea n d i n e r t i af l o w s b a s e do nal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sb o t ha th o m ea n d a b o a r d , t h i sp a p e ra p p l i e sv i s c i d i t yt h e o r yt oh y d r o s t a t i cs l i pr i n g t h ef o r m u l ao f f l o w i n gp r o p e r t i e so f s e a l e dc h i n kf l u i di nh y d r o s t a t i cs l i pr i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no f v i s c i d i t yc h a n g e si ss u g g e s t e d w i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , n u m e r i c a ls i m u l a t e d a n a l y s i so ft h ef l o wf i l e di nt h es e a l e dc h i n ki sc o n d u c t e d d e t a i l e da n a l y s i s o f p r i n c i p l e so f t h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n to f h y d r o s t a t i cs l i pr i n g o nt h eb a s i so fs i m p l i f i e dm o d e l so fh y d r o s t a t i cs l i pr i n ga n dr e q u i r e m e n t so f p r o j e c tc o o p e r a t i o n , s t r u c t u r ed e s i g np r i n c i p l e sa l eg i v e nw i t ht h eh e l po fv i s c i d i t y t h e o r y w a y so fc a l c u l a t i n g t h ep o s s i b l e w e i g h tb e a ra r e a , a x i a l t h i c k n e s sc a n c o m p e n s a t i o ns t r u c t u r e a r ea l s op r o v i d e d t h e o r e t i c a lc a l c l l l a o no ft h ec a r r y i n g c a p a b i l i t ya n dc o m p u t a t i o n a la n a l y s i so f t h eh a r d n e s so f t h e o i lf i l mi ns e a l e dc h i n ko f h y d r o s t a t i cs l i pr i n gi sc a r r i e d 0 1 1 ab f i e f i n t r o d u c t i o nt ot h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sg i v e ni nt h i sp a p e r b a s e do n t h ew e i g h tc o n v e r s a t i o nl a w ，e n e r g yc o n v e r s a t i o nl a wa n dm o m e n t u mc o n v e r s a t i o n l a w ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n df i n i t ee l e m e n tm o d e l so fh y d r o s t a t i cs l i pr i n go nt h e t h e o r e t i c a lb a s i so f v i s c i d i t yi so b t a i n e d f i n a l l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ef l o w i n gf i e l dp r o p e r t i e so f o i lf i l mi ns e a l e dc h i n k i sc o n d u c t e da n dd e t a i l so ft h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ef i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l d , v i s c i d i t yf i e l da n dv e l o c i t yf i e l di so b t a i n e dw i t hf m i t ee l e m e n tm e t h o d , w h i c hi s c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s t h ec o m p a r i s o ns h o w sac o n s i s t e n c y b e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n dt h es i m u l a t e dc q i l r v e ，w h i c hc a np r o v et h a tt h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ai nt h i sp a p e ri sc o r r e c ta n dt h es t r u c t u r ed e s i g no fh y d r o s t a t i cs a pr i n gc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：v a r i a b l ev i s c o s i t y ：h y d r o s t a t i cs l a p p i n g ：f i n i t ee l e m e n t ；s e a lc l e a r a n c e l l i 广东工业大学硕士学位论文 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，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志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。 指导老师签名：船 、， 论文作者签名：儒荆现套加 卅年哆月7 日 6 8 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 在液压元件的使用过程中，人们早就总结出液压元件、液压系统和电器元件、 电器系统相似的对应关系，如：液压蓄能器和电容器相似、节流阀和电阻相似、 液压马达和电动机相似，以及液压泵和发电机相似等。在电器元件中，电刷环的 功能是把电能从一个固定不动的部件传送一个旋转的部件上，以便使电能继续传 输给用电的执行元件。液压元件中的静压滑环( 图1 - 1 ) 与其对应，它是把液压能 从一个固定不动的部件传输到一个旋转的部件上，以便于使液压能被继续传送给 需要液压能来工作的执行元件，它也可以逆向使用，即把液压能从一个旋转的部 件传送给固定不动的部件m 。 图卜1 静压滑环 f i g 1 - 1h y d r o s t a t i c $ 1 i p l j n g 广东工业大学硕士学位论文 静压滑环在结构中采用静压控制间隙的密封技术，在工作时固定件与旋转件 互不接触的，因此只产生粘性的流体磨擦：在制造技术上通过采用逆反问隙控制 装置，完全可以保证在所有运转状态下间隙大小保持恒定。由此可见静压滑环可 被广泛应用于要求高转速、高压力的场合。如应用在普通机床、加工中心、专用 机床、冶金机械、工程机械、化工机械以及工业机器人等设备中。应用的实例有 油料或冷却液的注入，卷纸切刀的夹紧装置，绞盘装置，叶轮及叶轮刀片装置的 控制，卡盘和夹爪的操作，液压离合器的操作，离心机的正负控制操作等。可根 据具体情况采用不同的单一或组合以及与其他元件配合的工作方式，来实现所需 要的目的。 图i - 2 n ，( a ) 为静压滑环单独使用时的情况，这时静压滑环的作用是把压力油 从固定件引到旋转件中去，使活塞在压力油的作用下克服弹簧力和其他阻力向右 运动；回程时，可以去掉压力油的作用，靠弹簧复位。这种应用可操纵卡紧工具 中的卡紧棒或卡紧盘；离合器控制切换或自动切换以及振动器的调节等。如果在 这种使用方式中活塞的回程也由液压操纵，可采用图i - 2 ( b ) 所示的两个静压滑 环组合使用情况，这样使活塞左右移动时都由液压控制，来实现工件的夹紧，松 开状态。相应于卜2 ( a ) 的应用场合，可使活塞在左右移动都由压力油控制。 ( a ) 图1 - 2 静压滑环的应用 ( a ) 单独使用：( b ) 联合使用 f i g i - 2a p p l i c a t i o no f h y d r o s t a t i cs l i p r i n g 2 ( b ) 第一章绪论 i - c y p h l l i 先生在对静压滑环的研究中发现，在描述摩擦转矩和缝隙高度值( 即油膜厚 度) 及粘度的关系时，如考虑到粘度随温度变化的特性，那么和油膜厚度值相关的摩擦转 矩不再是粘度为常数时的双曲线。如图1 3 所示”，。实验曲线的形状较传统理论下粘度为 常数时的曲线有了明显的变化，出现了极值点。其实，在通常的工程应用中人们早己注意 到了流体的特性是随条件的不同而变化的。但是目前这类问题的绝大多数研究仍是在著名 的r e y n o l d s 方程假定了液体粘度不变的前提条件进行的，由此为研究者限定了研究范围。 同时，由于液体变粘度问题的引入将使数学模型变得非常复杂，分析计算也变得非常困难。 再者，在绝大多数情况下，液体粘度不变的假设能够满足实际工作的需要。现在随着机械 设备不断大型化和高速化，忽略液体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。这使得人们对变粘度理论的研究越来越重视。尤其在静压滑环的应用中，静压 滑环常应用于超高速、高压的工况下。研究人员发现静压滑环的承载能力、压力分布以及 密封缝隙油膜刚度与油液粘度变化有很大关系，因此，有必要在考虑粘度变化的条件下， 对静压滑环的缝隙流场进行充分的研究，从而为静压滑环的开发提供理论支持。 油膜犀度， 图1 - 3 摩擦转矩与油膜厚度的关系曲线 f i g 1 3t h er e l a t i o n s h i pc u r v eo f f r i c t i o n a lt o r q u ea n dc l e a r a n c eh e i g h t 本课题为广东工业大学与韶关市西马克液压缸有限公司合作研发项目：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静压滑环为目的，融含交 粘度流体流动特性理论分析、间隙密封技术、有限元流体动力学分析技术；提出 基于变粘度情况下，对静压滑环密封缝隙的流体流场的流动特性进行研究，并将 这一理论研究应用于静压滑环的结构设计中。本课题研究既在理论上有重要的意 义，又具有一定的工程应用价值。 志掣辛簟囊鼍 广东工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现况 七十年代，由于西方世界能源紧张和适应工业自动化的要求，于1 9 7 0 1 9 7 1 年，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接头，单体的 “约翰逊旋转接头”，这一技术情报迅速传到日本和德国等国家，很快得到了发 展和应用。后来由l c y o h e l l i 研制出一种新型的旋转式输送接头，即一种叫做静压 滑环的液压元件，相比于机械密封式的“约翰逊旋转接头”，静压滑环利用密封 缝隙的节流作用，动和不动部件不直接接触，其优良的低磨损、低功耗等性能使 它得以足够的重视，并在西方国家得以广泛的应用。 旋转型流体输送接头的研发在发达国家得到很大的发展，如意大利的f l i i t e n 公司生产的精密回转接头，转速达3 0 0 0 0 r m i n ，耐压可达1 0 5 m p a 。德国g a t 、 美国杜林等许多公司早已进行了几十年的旋转密封产品的生产，因此在欧美等制 造业发达的国家这种产品早已得到广泛的使用，而在制造技术相对落后的我国这 种先进的技术产品的使用由于受观念、技术、价格等因素的影响，一直没有受到 关注从而也大大降低了国内机械产品的国际竞争力和产品档次。 国内对静压滑环的研究近年来也得到一定的开展。哈尔滨工业大学流体传动 及控制研究所对旋转密封型液压元件做了大量的理论和实验研究工作。哈尔滨工 业大学姜继海教授对流体变粘度理论及其应用做了深入的研究，北京交通大学张 冬泉博士对旋转对称盘形密封缝隙液体变粘度流动特性进行了研究，大连海事大 学马文琦博士对旋转对称环形密封缝隙液体变粘度流动特性进行了研究，但由于 目前人们还没有完全解决液体交粘度流动特性理论，国内对静压滑环的应用研究 仍属于起步阶段，加上国内制造技术的相对落后，所以目前国内还没有制造超高 速静压滑环的厂家，它的使用完全依赖进口，而进口产品相对来说又存在价格昂 贵的问题使国内厂家望而却步。 为解决一直困扰着渴望提升产品性能、产品价值而又受静压滑环高成本限制 的国内厂家的难题，本课题将基于变粘度理论对静压滑环的间隙流体流动特性进 行理论及其应用研究。力争早日实现超高速静压滑环的国产化。 4 第一章绪论 1 3 论文的主要工作内容 静压滑环的研究工作既具有理论价值，同时又有工程实用价值。但是受流体 变粘度流动特性理论至今还没有彻底解决的制约，人们往往靠经验对静压滑环进 行设计和加工。现在随着国内产品升级的需要，不少行业迫切需要应用静压滑环 这一新型液压元件。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，本文在总结国内外流体变粘度流动特性理论研究成果基础上，对 这一理论应用于静压滑环的研究开发作了分析，并利用有限元数值模拟方法作进 一步研究。本文的主要工作包括： ( 1 ) 建立静压滑环的简化模型，从质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒 定律和液体粘温方程出发，在考虑粘度变化和油流惯性条件的情况下，得出了静 压滑环密封缝隙的压力分布、泄漏量、承载能力、油膜刚度的分析计算公式，以 及变粘度情况下这些量的分布规律，为静压滑环的结构设计与性能分析提供了部 分理论基础。 ( 2 ) 应用流体变粘度流动特性理论，结合静压滑环的简化模型，对静压滑环 的关键结构尺寸进行了设计，对静压滑环的承载面积、轴向厚度、补偿结构提出 了设计原则和计算公式。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件中的f l o t r a n 模块在考虑流体粘度变化情况下，对静压 滑环密封缝隙内流体的流动特性进行计算祝仿真分析，得出静压滑环在特定工况 下，密封缝隙内油膜的粘度分布、温度分布、压力分布、以及流速分布情况，并 将分析结果与理论计算结果进行了对比研究。为今后对静压滑环的进一步研究与 设计工作提供一些参考。 5 广东工业大学硕士学位论文 第二章静压滑环密封间隙流体流动特性理论分析 液体作为静压滑环的工作介质，它对静压滑环性能和工作可靠性有极大的影 响。这些影响通常来自于液体温度的变化、液体粘度的变化与液体密度的变化等， 其中液体粘度变化的影响最为重要“1 。因此，在考虑粘度变化情况下。对静压滑环 密封间隙中流体的流动特性进行理论研究有其重要意义。 2 1 静压滑环模型的建立 图1 - 1 静压滑环的简化模型如图2 - 1 所示，在图2 - 1 所示静压滑环缝隙简化 模型中。l a b 为调节环和配流环通过螺钉联结的部件，2 a b 为固定环和静压环通过 螺钉联结的部件。部件l a b 以角速度国相对于部件2 a b 作旋转运动，液体以恒定 压力昂流入油腔g ，其中的液体经两侧密封缝隙2 - 1 和密封缝隙3 4 沿径向辐射 排出，从密封缝隙2 - 1 流出的液体经静压环油道c 从密封缝隙5 - 6 排出，出口压 力和大气压相同；从密封缝隙3 - 4 排出的液体和大气相通。静压滑环的主要结构 特点是油腔c 0 的深度尺寸要远远大于3 个形成缝隙节流密封缝隙高度尺寸，所以 在3 个密封缝隙处形成静压支承。静压滑环所以能构成一个自平衡元件，当受到 外力作用时，靠密封缝隙高度的改变来调节自身的静压平衡。假定液体是不可压 缩、稳定、轴对称的层流。其边界条件为： ，= r 2 、，= r 3 时，p 2 2 p 3 = p o ，= 小r = 吩时，p 1 = p 5 = 见 ，= r 4 、r = r 6 时，p 4 = p 6 = o 2 0 式中a 一密封缝隙半径 处的压力值( p a ) ； 办一密封缝隙半径处的压力值( p a ) ； p 3 一密封缝隙半径处的压力值( p a ) ； p 4 一密封缝隙半径r 4 处的压力值( p a ) ： 6 第二章静压滑环密封缝隙流体流动特性理论分析 见一密封缝隙半径处的压力值( p a ) ； 既一密封缝隙半径r 5 处的压力值( p a ) ； 见一静压环油道处的压力值( p a ) ； 心一液体轴向速度( m s ) 。 2 - 1 静压滑环缝隙简化模型 f i g 2 1 t h es i m p l em o d e lo f h y d r o s t a t i cs l i p r i n gs e a lc l e a r a n c e 2 2 研究密封缝隙模型的一般假设 由于流体变粘度特性的复杂性和多样性，本文在对静压滑环密封缝隙流动特 性的研究中必然要做出一些必要的假设n 1 ，这些假设将随着研究工作的逐步深入而 被真实的规律所代替，具体假设如下： ( 1 ) 在缝隙中流动的流体是牛顿流体； ( 2 ) 流动过程是稳定的： ( 3 ) 流体被认为是不可压缩的： ( 4 ) 流动是层流； ( 5 ) 不考虑压力对粘度的影响； 7 广东工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 缝隙h 相对于半径r 小的多； ( 7 ) 由于h r ，所以流动垂直方向上的热传导被忽略； ( 8 ) 热传导率五和比热c 为常量； ( 9 ) 不考虑热辐射损失的热量； ( 1 0 ) 所有其他的体积力很小可被忽略。 2 3 粘度函数 哈尔滨工业大学的马文琦博士在不同温度点下测定特定液压油的粘度时m 发 现，s u t h e r l a n d 粘温方程与测试结果最为接近，所以在本文研究中，选用s u t h e r l a n d 液体定律作为计算静压滑环密封间隙油液的粘温方程。具体描述如下： ，7 = 拶1 删心1 删呐 ( 2 1 ) 式中z 一油液的初始温度，t , = 2 9 3 k ； 一油液初始温度下的动力粘度，p a o s ； c 1 、c 2 一与油液有关的系数，q = 4 7 2 8 3 ，c 2 = 1 5 3 2 6 x 1 0 6 。 对于静压滑环密封缝隙，油液的温升主要来自于压差流动和剪切流动，温升 引起了油液粘度的变化。a - w e g e n e r 曾将油液的粘度玎描述为圆盘半径，的函数： b 可2 口+ - r ( 2 2 ) 式中a 一与油液特性有关的系数( p a s ) ； b 一与油液特性有关的系数( p a se 1 1 ) 。 该函数是实验条件下的近似函数，缺乏一定的理论依据，同时系数a ，b 只考 虑了油液本身的特性，因而没用得到推广应用“1 。但是本文认为，由于该函数是根 据不同实验条件测得的近似函数，所以具有一定的正确性。哈尔滨工业大学流体 传动及控制研究所姜继海教授通过实验测试和深入地研究认为系数a ，b 不仅如 a w e g e n e r 所描述与油液本身的特性有关，还与静压滑环缝隙的工作状态，即油 膜厚度h 、两部件间的相对旋转角速度等工作条件有关。因此，根据以上所述， 本文结合v o g e l 粘温方程和能量守恒原理m ”，在绝热条件下，当特定油液( 3 2 号 8 第二章静压滑环密封缝鼠凑体流动特性理论分析 液压油) 在静压滑环密封缝隙中流动时，借鉴粘度函数公式( 2 - 2 ) ，对系数d ，b 重新进行分析与探讨。 设定油液在进口泄漏半径。弓处油液粘度为，油液在出口泄漏半径、处 油液粘度为补q 4 ，油液在出口泄漏半径昏处油液粘度为孙仉。通常情况，油 液的进口温度变化不大，可看作已知量。 根据实际工作情况，对于泄漏缝隙2 - 1 ，油液的温度沿泄漏方向逐渐升高， 由粘度公式( 2 - 2 ) 得： 仉2 q 玩= q 由此解出系数即岛： 品：垒鱼= 垡 吒一，i 岛= 堑丑眨 r 2 一，i 同理，对于泄漏缝隙3 - 4 ，由粘度公式( 2 - 2 ) 得： & r o 码+ 言 6 = 口2 + 2 由此解出系数吩6 2 ： a 2 ：r 4 r 4 - 5 1 o 一 一弓 6 2 = 堑丑 吃 屹一r 3 同理，对于泄漏缝隙5 - 6 ，由粘度公式( 2 - 2 ) 得： 9 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 广东工业大学硕士学位论文 叩1 = 岛+ 仇= 码+ 由此解出系数a 3 、b 3 ： “= r 6 r 6 - r s r 1 。 r e 一吩 岛= 坠盈吃吩 一吩 ( 2 - 5 ) 式中q 、口：、a 3 、岛、6 2 、b 3 为密封缝隙2 - 1 、密封缝隙3 4 、密封缝隙5 6 中与 油液、结构尺寸、旋转速度及油膜厚度有关的粘度系数。在静压滑环中，当油膜 厚度非常小。转速又很高时，油液质点间的内摩擦力沿泄漏半径方向变化剧烈， 从而使油液的温度在各点也发生明显变化，温度的变化反过来进一步影响了油液 的粘度。 2 4 流体流动的基本特性 2 4 1 油液温升 静压滑环密封缝隙中油液的温度分布情况是非常复杂的，沿缝隙径向和油膜 厚度方向而变化。油液的温升主要来自压差流和剪切流的联合作用。在考虑变粘 度条件下，认为油液的流动是一个绝热过程，即根据能量守恒原理，油液所获得 的能量全部用于油液的温升。 静压滑环径向摩擦转矩为： 以= 孕 2 r r 3 d r ( 2 - 6 ) 以 径向油液温升分布公式： a t ：垒+ m r ( 2 - 7 ) c pc p q 式中c 一比热容，p 一液体密度，g 一泄露流量，卸一泄漏端口压力差，国一角速度。 1 0 第二章静压滑环密封缝骧流体流动特性理论分析 2 4 2 泄漏流量 ( 1 ) 由缝隙两端压力差作用引起的缝隙流量 首先讨论流体流过两平行平板时的相对运动作用。设h 为缝隙的高，b 和，分 别为缝隙的宽度和长度。一般情况下，b ，h 。取微小单元d x d y ，其受力如图 2 2 所示。图中a 为入1 2 1 压力，p ：为出1 2 1 压力，f 为作用在微单元体上的切向应 力，p 为作用在微单元体上的法向应力。 按力平衡并进行化简后可得平行平板间的流速分布“ y ：! 堡二塑p 2 彬 1 ( 2 - 8 ) 当流体在圆盘平面缝隙中流动时，如图2 - 3 所示，流体自圆盘中心沿径向辐 射流出，在任意半径r 处取宽度办的圆环，将其展开后相当于宽度b = 2 x r 的平行 板的缝隙，长度l = d r 。由式( 2 - 8 ) ，得半径为，高为z 处的径向速度为m ， i ，：z ( h - z ) 生 一 2 r l d r ( 2 - 9 ) 么么么么么么么么么么么么 则泄漏量为 d k 图2 - 2 平行平板受力示意图 r i g 2 - 2t h ef o r c ei l l u s t r a t i o no f p a r a u e lp l a t e 2 7 r r h 3 咖 q l 2 1 f 云 广东工业大学硕士学位论文 由此有 对上式积分得 咖：6 r 了 q l d r 石 r 吼2 石矗3 卸 ( 2 1 0 ) 图2 - 3 圆盘缝隙流量计算简图 f i g 2 3t h ed i a g r m m n a t i cs k e t c ho f c a l c u l a t i o nf l o wo f c i r c u l a r i t yp l a t e ( 2 ) 由离心力作用下引起的缝隙流量 如图2 - 4 所示，当圆盘以角速度旋转时，液体质量的离心惯性力将引起缝 隙的泄漏流量增大，缝隙压力下降。在缝隙中取一微单元体m ，径向宽度为咖， 距离中心为，+ d r 2 ，考虑离心力作用时的力平衡并代入边界条件后，得离心力作 用下的泄漏流量为n ” 铲裔础搿r ( 2 - 1 1 ) 第二章静压滑环密封缝隙流体流动特性理论分析 ) 圆 j 珍彩铴b 黝黝且一 z 图2 4 离心力平衡分析 f i g 2 - 4t h eb a l a n c ea n a l y s i so f c e n u i f i l g a lf o r c e 对于静压滑环密封缝隙，缝隙间的总流量为由于缝隙两端压力差作用引起的 流量和由于离心力作用引起的流量的叠加，即对于，7 为常数的情况，缝隙总流量 为： 口=吼+如=粤+等嵋一彳)6r t l n 2 “l j 1 ( 2 - 1 2 ) 面对于，7 为半径，函数的情况，缝隙总流量为 9 2g 工+ 2 耳h 3 p f f p 2 h 。3 玎e j zf 2 一彳) ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 可看出，运动部件旋转角速度与流道通流截 面改变程度( 吃，i ) 与泄漏流量的改变相关，当旋转角速度国增加，静压滑环因离心 力作用产生的泄漏流量增加，当流通截面变化大时，因缝隙两端压力差作用引起 的缝隙流量将发生变化。 一 出造b7 ： 出 广东工业大学硕士学位论文 2 5 静压滑环的特性分析 2 5 1 静压滑环自动调节的工作原理 ( 1 ) 图2 5 ( a ) 中所示状态。由静压滑环所传送压力为风的压力油，在槽 1 3 中产生一个压力f ，压力油经缝隙1 1 流入大气，同时部分经缝隙8 向缝隙6 流动，然后流入大气。在这两个缝隙间的油道处所形成压力以，所对应产生的力 是e 。件l a b 在力，和e 的共同作用下保持平衡，而对系统来说这是静压平衡。 ( 2 ) 图2 - 5 ( b ) 所示状态。当件l a b 从右侧受到一个作用力相对向左移动 后，图( a ) 中所示的平衡状态被破坏，变化后的情况见图( b ) 。这时缝隙1 1 和密封 缝隙8 的缝隙值增大，密封缝隙6 的值减少，从而使中间压力以增大，相应的力e 也增大。由于压力p 保持不变，则力f 也保持不变。这样在力只和f 差值的作用 下，件l a b 将向右运动，回到新的静压平衡位置。 ( 3 ) 图2 - 5 ( c ) 所示状态。当件l a b 从左侧作用一个外力向右移动，如图 ( c ) 所示，这时缝隙1 1 和密封缝隙8 的缝隙值减小，密封缝隙6 的值增大，从而 使中间压力风减小，相应的力只也减小。这时压力p 保持不变，力f 也保持不变。 这样在力f 和f 差值的作用下，件l a b 将向左运动，回到静压平衡位置。 图2 - 5 静压滑环自动调节原理 f i g 2 - 5t h ep r i n c i p l eo f s e l f - r e g u l a t i o no f h y d r o s t a t i cs l i p r i n g 将图2 - 1 中的缝隙卜2 、缝隙3 - 4 和缝隙5 - 6 放大，如图2 - 6 所示，我们假 定它的缝隙高度值为，它的实际工作调整过程如图2 5 所示，现分析调节过程 1 4 第二章静压滑环密封缝隙流体流动特性理论分析 中的力的平衡公式。设从迸油口流入的流量为q o ，因为液体是连续流动的，而 且认为是不可压缩的，所以流入和流出静压滑环缝隙的流量应该是相等的。即： 且+ 丛堡= ( 2 1 4 ) 3 41 2 当静压滑环受到一个轴向载荷，如图2 - 6 所示，根据力平衡公式可得： p o 。缸+ ( 岛一见) 如2 + + 风4 = 见屯+ 见x a c ( 2 1 5 ) 式中4 1 2 、4 。、4 s 6 、4 、4 一缝隙卜2 、缝隙3 - 4 、缝隙5 - 6 、进口油槽、油腔c 的等效面积。 2 5 2 承载能力 p f kk 图2 - 6 静压滑环密封缝隙的结构简图 f i g 2 6 t h es i m p l i f i e d d r a w i n g o f 血es e a l g a p o f s u p r i n g 承载能力，是指在一定油膜厚度下，油膜压力作用于被支承表面所能担负的 外载荷，油膜厚度必须使支承和被支承件的表面互不接触m ，。在力平衡状态下， 支承的液压推力，与载荷矿大小相等，方向相反。环行静压支承承载力是压力曲 广东工业大学硕士学位论文 线绕中心轴旋转所形成的体积。为了方便计算，我们将这个旋转体转化为一个体 积相等的假象空心圆柱体，其截面积4 称为有效面积。其表达式为： f 2 2f 胛2 砂2 r 胛2 等譬2 f 詈，町办 。：一。， 对上式进行计算得： = 鱼h 3l 阻2 以枷训 + 针等簖+ k ) 一6 q 3i a s s ，：2 一学) + 6 5 。( 一吩) 定义变粘度下静压滑环的有效承载面积： a c l 2 = a = a = ( 2 1 7 ) 4 曲2 4 1 2 + 4 “一4 ( 2 1 8 ) 则静压滑环在变粘度条件下的承载能力为： f = 4 曲匈 ( 2 1 9 ) 变粘度下静压滑环的有效承载面积表达式( 2 - 1 8 ) 可看出，由于液体粘度系 数即a 2 、吩岛、6 2 、6 3 是与油液、油液温度、油膜厚度及旋转速度有关的系数，因 此不同工况下静压滑环的有效面积不同，它是一个变量。 1 6 第二章静压滑环密封缝隙漉体流动特性理论分析 2 5 3 油膜压力分布 ( 1 ) 缝隙两端压力差作用时密封缝隙问的压力分布 静压滑环间隙间的流体在缝隙两端的压力差作用下沿半径方向向外泄漏，不 同半径的线速度不同，液流产生的热量不同，考虑液体粘度变化情况时，因而把 粘度看作半径的函数，参考公式( 2 - 2 ) 与流量公式( 2 - 1 1 ) ，则压力分布公式为： a 一见2 务l a l n r ，i 2 - b 学j。， ( 2 ) 离心力作用时密封缝隙中的压力分布 油腔压力因液体的离心作用而降低，设p 。为离心力作用在半径，处引起的压力 降，由公式( 2 - 1 0 ) 得出在离心力作用时，压力沿径向分布规律为： p w2 - 0 1 5 p a ，2 ( 哆一一) ( 2 2 1 ) ( 3 ) 密封缝隙总的压力分布 总压力分布是由缝隙两端压力差引起的压力分布和由离心力作用引起的压力分布以 及油流惯性压力分布的叠加，由公式( 2 1 8 ) 、( 2 2 ) 以及缝隙泄漏流量公式( 2 1 3 ) ，我 们求出静压滑环缝隙泄漏半径r 处的压力p 与缝隙宽度h 及半径，的关系表达式： p 1 2 2 讪，地一，) 一 ，iq 一 一一r 2 6 l ：( r t - r 2 ) 一 i，2一，i2，一c吃2一一2， ( p o p c ) + 见+ 等 + 1 7 ( 2 2 2 ) 一彳一千 一， 一矛器 广东工业大学硕士学位论文 p 2 ( ，：1 2 - 4 岛+ 等 2 7 p 谚 1 4 0 石2 屯4 2 j b - 6 = 他一 l 孑r j ( r 6 2 一孑) 2 7 p q ； 1 4 0 2 2 k 2 p + 3 p a ，2 。 2 0 r11 、 悟一一r 6 2 j + 一幢一 l ，22 j 一( 吃2 一，2 ) + rl1 、 弋7 一r 6 2 j ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 如果粘度为常数并忽略离心力以及油流惯性的影响，缝隙压力p 的表达式： l n 生 ， p 2 氏了 l n ! l n 鱼 p 。：p ( 2 - 2 5 ) 肌诅矗 弓 从式( 2 - 2 5 ) 中可知，考虑粘度为常数时，如果确定了进口油压，缝隙中的压力分布 就确定了，但考虑粘度变化时，缝隙压力分布还与转速，油膜厚度有关。 止吐气 鳓 = 一既 第二章静压滑环密封缝馥流体流动特性理论分析 2 5 4 油膜刚度 油膜刚度，是指油膜抗载荷变动的能力，也就是产生单位油膜厚度变化所需 要的载荷变动量m ，。当载荷发生变化时，静压滑环的密封缝隙高度和流量将发生 改变，载荷增大为w = + 形，油膜厚度将减小至h 。令e 代表油膜的减薄量。 h = d p = 0 一_ ) = 0 一占) (2-26) 式中占一相对位移率。 通过前面的分析，我们知道静压滑环缝隙的压力分布和缝隙高度及缝隙沿径 向方向的半径有关，当缝隙的结构尺寸确定后，压力分布只和缝隙高度有关，因 此，分析静压滑环油膜刚度的问题转化为分析压力分布随缝隙高度变化而变化的 问题。将式( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 对h 求导，得变粘度条件下，静压滑环密 封缝隙问压力分布变化与缝隙高度变化之闯的关系： 丑：2 7 p q 1 2 o h 7 0 石2 吐 丝：2 7 p q 2 3 4 融 7 盼2 聩 丝：2 7 p q z m 锄 7 0 万2 碡 一专薄1r _ b 1 2 ( r t - r ) 一( 一专 ( 专一爿差掣一 吩弓j 篱一( 专剖 ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 由上述油膜刚度公式可知，当静压滑环结构尺寸一定后，影响油膜刚度的因 素有密封缝隙的泄漏量以及密封缝隙的高度和液体粘度参数，通过前述分析，影 响密封缝隙泄漏流量和液体粘度参数的因数，得出以下几种情况将影响静压滑环 的承载能力和油膜刚度： 1 9 广东工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 主轴转动转速太快将使缝隙产生“掉压”现象。静压滑环高速旋转时， 密封缝隙的流体在过大的离心力作用下，加快了流动速度，致使缝隙压力下降偏 大。从而使油膜刚度变小。 ( 2 ) 不同材料间热膨胀使间隙变大从而油膜刚度变小。主轴部件的零件材料 不同，膨胀系数不同，当缝隙的厚度值变大时，静压滑环的密封间隙变大，从而 间隙泄漏量增加，缝隙压力下降，产生油膜刚度变小。 ( 3 ) 位置偏差造成油膜刚度变小。当安装位置不正确或者零件弹性变形造成 静压滑环的间隙平面和主轴不垂直，从而使静压滑环的平均间隙变大而降低密封 缝隙处的压力。 2 6 本章小结 1 建立了静压滑环的简化模型并对研究静压滑环密封缝隙提出了假设条件。 2 基于变粘度理论对静压滑环缝隙流体流动特性进行了理论分析，得到了考 虑粘度变化和油流惯性条件缝隙的压力、粘度、泄漏量的分布规律和计算公式。 3 对静压滑环的自动调节工作原理进行了详细的分析，并得出了变粘度条件 下静压滑环的有效承载面积计算公式，对静压滑环的承载力、油膜刚度进行了分 析，得出了相应的函数表达式。 2 0 第- - - - t 静压滑环结构设计及分析 第三章静压滑环结构设计及分析 目前国内对静压滑环的设计大多依靠经验，本章利用变粘度条件下缝隙流体 流动特性理论，对静压滑环的关键结构尺寸进行了详细的计算和分析。 3 1 设计要求 根据课题组与韶关市西马克液压缸有限公司合作研发项目要求，本文设计的 静压滑环( r o t o s t a ts m k ) 为单通道辐射卡盘式元件，它将被并列地安装于箱体和 轴杆之间，压力介质为液压油，其介质的传输是在静压滑环内部实现。主要技术 指标要求如表3 - 1 ： 表3 - 1r o t o s t a ts m k 技术指标要求 t a b3 一ld e m a n df o rr o t o s t a ts m ki 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 最高转速 转分 3 0 0 0 轴径 毫米 8 0 外径 毫米 1 5 0 可承受轴向载荷 n 1 2 1 0 5 摩擦转矩 n m 1 8 通道数目1 3 2 基本结构与材料选择 3 2 1 静压滑环的基本结构 静压滑环的结构如图3 - 1 所示。它主要由四个零件配流环l a 、调节环1 b 、静 广东工业大学硕士学位论文 压环2 a 和固定环2 b 组成。其中件l a 和1 b 以及件2 a 和2 b 分别用螺钉配对连接 在一起。配对件2 a 2 b 通过弹性密封5 和固定不动的接头体7 紧密地配合。从接 头体7 上引入的压力油经过配对件2 a 2