旋轉(zhuǎn)接頭是完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下供氣、供油或供水等功能的主要部件，廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)制造、地質(zhì)、軍工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。目前旋轉(zhuǎn)接頭大都采用接觸式密封設(shè)計(jì)，普遍存在摩擦阻力大、壽命短以及容易產(chǎn)生密封件磨損顆粒進(jìn)而污染設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的問(wèn)題。

非接觸式間隙密封技術(shù)是指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用，在密封端面間充滿(mǎn)一層流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的密封方式。采用間隙密封技術(shù)則能在理論上減少金屬之間的黏著磨損，顯著提高旋轉(zhuǎn)接頭的使用壽命。

由于非接觸式間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭傳輸?shù)慕橘|(zhì)本身具有一定的壓力，并且能持續(xù)傳輸，因此可利用傳輸介質(zhì)在密封界面形成的靜壓和動(dòng)壓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸介質(zhì)本身的非接觸式密封，密封油膜一方面提供一定的承載力，另一方面阻止或減小流體泄露。非接觸式間隙密封技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)、流體、傳熱、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等多個(gè)環(huán)節(jié)和因素，同時(shí)結(jié)構(gòu)尺度和油膜尺度相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，多場(chǎng)耦合和跨尺度問(wèn)題給研究和設(shè)計(jì)工作帶來(lái)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

德威邇旋轉(zhuǎn)接頭技術(shù)考慮非線性油膜力、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和浮環(huán)振動(dòng)，建立了非接觸式間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析。

1 間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭原理和結(jié)構(gòu)

一種非接觸式間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭的具體形式如圖 1 所示，其工作原理是：油介質(zhì)進(jìn)入通道內(nèi)，同時(shí)充 滿(mǎn)浮環(huán)與外殼之間的間隙，從而形成對(duì)浮環(huán)外環(huán)面的 指向圓心的徑向壓力，同時(shí)油被密封圈封住不往外泄露；在浮環(huán)與轉(zhuǎn)子之間設(shè)計(jì)能產(chǎn)生密封油膜的小間 隙，油介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)接頭運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)滲入間隙內(nèi)并產(chǎn) 生承載油膜，從而形成對(duì)浮環(huán)內(nèi)環(huán)面的背離圓心的徑向壓力。浮環(huán)在內(nèi)外環(huán)面油膜壓力和密封圈彈性支撐作用下受力平衡，轉(zhuǎn)子在油膜力和不平衡力作用下 受力平衡，浮環(huán)通過(guò)油膜壓力和密封圈支撐力的動(dòng)態(tài) 調(diào)整與轉(zhuǎn)子保持同心，而介質(zhì)則被油膜封住不外泄， 如圖 2 所示。

圖 1 間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

 

 

圖 2 間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭工作原理

2動(dòng)力學(xué)建模

建立包含轉(zhuǎn)子、浮環(huán)、密封圈和油膜在內(nèi)的非接 觸式間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭物理模型，如圖 3 所示。

圖 3 旋轉(zhuǎn)接頭物理模型

假設(shè)轉(zhuǎn)子為剛體，且受到自身重力、不平衡力和油膜力的共同作用。假設(shè)浮環(huán)為剛體，且受到自身重力、油膜力和密封圈支撐力的作用，浮環(huán)與殼體之間的密封圈等效為彈簧阻尼器。

3結(jié)論

德威邇旋轉(zhuǎn)接頭建立了考慮非線性油膜力、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和浮環(huán)振動(dòng)在內(nèi)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)值仿真分 析了油膜間隙、轉(zhuǎn)速、密封圈剛度等因素對(duì)轉(zhuǎn)子和浮 環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響規(guī)律，獲得了對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)和關(guān) 鍵參數(shù)確定具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1）不同間隙下轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和幅值不同，間隙越大轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)幅值越大，轉(zhuǎn)子與浮環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移也越大，應(yīng)選擇較小的間隙以控制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)幅值和介質(zhì)泄漏量。

2）轉(zhuǎn)子和浮環(huán)的運(yùn)動(dòng)幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高先增大后減小，這一規(guī)律為旋轉(zhuǎn)接頭工作轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）轉(zhuǎn)子和浮環(huán)的運(yùn)動(dòng)幅值隨著密封圈剛度的增大先增大后減小，旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)上應(yīng)選擇合適的密封圈剛度以減小轉(zhuǎn)子和浮環(huán)的運(yùn)動(dòng)幅值