趙 樂，索雙富，張志強

(1.清華大學機械工程學院，北京 100084； 2.蕪湖市銀鴻液壓件有限公司，安徽蕪湖 241100)

引言

回轉(zhuǎn)接頭是液壓系統(tǒng)中重要的動密封裝置，在工程機械、深?？碧?、石油鉆井等多領(lǐng)域獲得廣泛開發(fā)應用[1-4]。利用回轉(zhuǎn)接頭可將流體介質(zhì)由固定管路輸送至運動管路或設備中，實現(xiàn)動力靈活傳遞。由于回轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)品可靠性要求高、維護難度大，做好其性能測試工作十分關(guān)鍵[5-7]。

文獻[8]針對工程機械回轉(zhuǎn)接頭自動檢測裝置需求，設計了由高低壓兩部分組成的液壓系統(tǒng)，結(jié)合仿真完成集成油路閥塊的開發(fā)，縮短了裝置的研制周期。文獻[9] 提出一種中心回轉(zhuǎn)接頭的耐久性試驗方法，可有效控制中心回轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部試驗油溫，提高耐久性試驗的準確性。文獻[10-11] 設計了轉(zhuǎn)速達1500 r/min的高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭試驗系統(tǒng)，并利用AMESim對試驗系統(tǒng)進行了建模與仿真分析。文獻[12] 構(gòu)建了回轉(zhuǎn)接頭液壓加載系統(tǒng)，并采用壓降法測量回轉(zhuǎn)接頭的微小內(nèi)泄漏，推導了內(nèi)泄漏量計算公式，提高了測量準確度。

由于現(xiàn)有測試裝置大多針對產(chǎn)品出廠檢測等方面進行，針對性強、適用范圍有限。對于回轉(zhuǎn)接頭的性能研究較少，特別是采用新型組合密封件的回轉(zhuǎn)接頭研究相對不足。采用新型材料是回轉(zhuǎn)接頭技術(shù)發(fā)展趨勢[13]，而組合密封對于提升密封性能具有重要作用[14]。本研究圍繞回轉(zhuǎn)接頭的試驗需求，設計開發(fā)了回轉(zhuǎn)接頭測試平臺，并利用該平臺對采用新型組合密封件的回轉(zhuǎn)接頭進行了密封性能測試與研究。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

回轉(zhuǎn)接頭測試平臺主要由驅(qū)動單元、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、回轉(zhuǎn)臺、工裝、固定連接閥、臺架等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動單元提供回轉(zhuǎn)驅(qū)動力，通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)臺通過工裝與回轉(zhuǎn)接頭殼體固定連接，驅(qū)動回轉(zhuǎn)接頭殼體轉(zhuǎn)動。連接固定閥用于連接回轉(zhuǎn)接頭芯軸限制其轉(zhuǎn)動，并連通液壓系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部的油道。

圖1 測試平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖

試驗時，將待測回轉(zhuǎn)接頭通過工裝裝載至回轉(zhuǎn)臺與連接固定閥之間，通過PLC控制電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)接頭殼體轉(zhuǎn)動，并通過連接固定閥向回轉(zhuǎn)接頭各通道加載，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)接頭靜、動密封性能檢測，及不同壓力、轉(zhuǎn)速下摩擦力矩測試。測試平臺可完成回轉(zhuǎn)接頭型式檢測相關(guān)內(nèi)容，并可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)接頭單通道或多通道的極限轉(zhuǎn)速、壓力過載等測試。

2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)重點測試回轉(zhuǎn)接頭在高壓低速下的性能，實現(xiàn)扭矩、壓力、溫度等參數(shù)測量。實際工況下，回轉(zhuǎn)接頭運轉(zhuǎn)速度低，最大回轉(zhuǎn)速度為15 r/min，液壓系統(tǒng)額定壓力15 MPa?？紤]性能儲備，測試平臺最高回轉(zhuǎn)速度設計為30 r/min，最高過載壓力為30 MPa，最大扭矩為200 N·m。

3 設計計算

3.1 驅(qū)動單元設計

1) 驅(qū)動方式

回轉(zhuǎn)接頭工作中需要頻繁正反轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)驅(qū)動方式需重點考慮低速下的穩(wěn)定性?？蛇x擇擺動液壓缸或液壓馬達驅(qū)動，其優(yōu)點是扭矩大、適宜頻繁正反轉(zhuǎn)，缺點是自身重、控制相對復雜。也可選擇變頻電機驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、噪聲小等優(yōu)勢，但電機容易發(fā)熱。綜合考慮，電機驅(qū)動控制簡單、維護方便，而且省去液壓執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制要求，有利于簡化液壓站的設計。因此測試平臺最終采用電機驅(qū)動方式，選擇相應的變頻器實現(xiàn)電機調(diào)速控制。

2) 驅(qū)動功率

忽略傳遞功率損失，則系統(tǒng)所需驅(qū)動功率P1為：

(1)

式中，Tmax為最大扭矩，N·m；n為最大轉(zhuǎn)速，r/min。

由技術(shù)參數(shù)計算得P1為0.628 kW。根據(jù)測試平臺結(jié)構(gòu)可知，傳動中功率損失主要發(fā)生在減速器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、回轉(zhuǎn)支承上，上述機械效率以98%計算，則系統(tǒng)總機械效率η可近似為：

η=(98%)3≈94%

(2)

則系統(tǒng)實際所需驅(qū)動功率P2為：

(3)

綜合計算結(jié)果，選用750 W的驅(qū)動電機。

3) 驅(qū)動電機

為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，采用電機與減速器一體的減速馬達作為驅(qū)動單元。選擇立式減速馬達，型號為GV28750W50SDG4LDH0，其性能指標見表1。

表1 減速馬達性能指標

3.2 回轉(zhuǎn)臺設計

回轉(zhuǎn)臺主要由殼體、轉(zhuǎn)軸、軸承、前端蓋、后端蓋等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.前端蓋 2.圓柱滾子軸承 3.殼體 4.圓錐滾子軸承5.后端蓋 6.轉(zhuǎn)軸圖2 回轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)圖

回轉(zhuǎn)臺通過支架連接固定于臺架，轉(zhuǎn)軸一端與扭轉(zhuǎn)傳感器連接，另一端通過工裝與待測回轉(zhuǎn)接頭殼體連接，驅(qū)動其做回轉(zhuǎn)運動。由于回轉(zhuǎn)接頭綜合性能試驗工況復雜，設計中采用一組圓錐滾子軸承支撐轉(zhuǎn)軸，以減小回轉(zhuǎn)阻力，延長零件壽命。轉(zhuǎn)軸采用階梯軸設計，軸端開有鍵槽，使用中可更換不同工裝以適應不同型號的回轉(zhuǎn)接頭進行測試試驗。

3.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括力矩、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度以及開關(guān)信號的采集和處理。為簡化結(jié)構(gòu)設計，扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器采用扭轉(zhuǎn)一體傳感器，布置于驅(qū)動電機和回轉(zhuǎn)臺之間，扭矩測量范圍為0～200 N·m。壓力和溫度傳感器布置于連接固定閥上，以測量回轉(zhuǎn)接頭各通道內(nèi)油壓和溫度，壓力測量范圍為0～250 MPa，溫度測量范圍為0～100 ℃。信號經(jīng)變換處理后供PLC控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行，并將數(shù)據(jù)實時顯示和記錄。

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括自動加壓系統(tǒng)和手動加壓系統(tǒng)。自動加壓系統(tǒng)由高壓泵、高壓電磁球閥、蓄能器、單向閥、加熱器、冷卻器、高壓管路等組成。系統(tǒng)共設置4路獨立加載通道，由PLC電控系統(tǒng)控制高壓電磁球閥切換，實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)接頭各通道的加載、保壓、卸載。手動加壓系統(tǒng)由手壓泵、單向閥、快速接頭等組成。加載時，人工操作手壓泵向回轉(zhuǎn)接頭加載，進行靜態(tài)加載等部分試驗時可簡化試驗流程，提高效率。使用中可通過蓄能器為系統(tǒng)補壓，以減少高壓泵工作次數(shù)，延長其使用壽命。加熱器和冷卻器主要用于不同溫度試驗時對溫度進行調(diào)節(jié)控制。

液壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示。自動加壓系統(tǒng)4路通道工作原理及操作順序相同，以通道1為例。系統(tǒng)工作時，啟動高壓泵，加載時1YA和10YA通電，高壓油液經(jīng)單向閥01、電磁球閥10左位、單向閥1、電磁閥11右位進入回轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部通道1；當達到系統(tǒng)設定壓力時，1YA和10YA斷電，電磁球閥10右位接入，系統(tǒng)實現(xiàn)保壓，同時電磁球閥1右位接入，高壓泵空載運轉(zhuǎn)。卸載時，11YA通電，電磁球閥11左位接入，油液經(jīng)電磁球閥11左位返回油箱。手動加壓系統(tǒng)工作時，打開球閥開關(guān)，通過快速接頭將手動加壓系統(tǒng)接入相應通道，操作手壓泵實現(xiàn)加壓、卸載等功能。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

4 試驗研究

4.1 試驗對象

利用該測試平臺對已完成設計的海上風機用高壓回轉(zhuǎn)接頭進行密封性能測試試驗，測試平臺和回轉(zhuǎn)接頭實物如圖4所示。

為增加可靠性，該回轉(zhuǎn)接頭設有4路相同結(jié)構(gòu)的進回油通道，以確保特殊情況下可互換使用。回轉(zhuǎn)接頭各通道均采用旋轉(zhuǎn)組合密封圈作為密封件，具體型號為TG320100外軸用格萊圈，性能參數(shù)如表2所示。

表2 密封件性能參數(shù)

4.2 試驗過程

回轉(zhuǎn)接頭安裝完成后，首先進行開機測試檢查，確保測試平臺工作正常，各部件連接可靠。然后按照靜態(tài)加載試驗、跑合試驗、動態(tài)性能試驗等順序依次進行測試。

1) 靜態(tài)加載試驗

靜態(tài)加載試驗主要通過測試各通道保壓性能以檢測回轉(zhuǎn)接頭的靜態(tài)密封性能，同時通過靜態(tài)加載試驗也可檢驗測試平臺液壓系統(tǒng)工作性能。

系統(tǒng)啟動后，首先依次向回轉(zhuǎn)接頭各密封通道加載1 MPa左右的較低壓力，然后再進行卸壓操作，反復多次以排出密封通道內(nèi)空氣，并使回轉(zhuǎn)接頭各部件得到充分潤滑。完成上述步驟后，進行靜態(tài)加載試驗。按照0～30 MPa逐步增加加載壓力，觀察通道壓力在5 min內(nèi)變化情況，以及回轉(zhuǎn)接頭外部有無泄漏情況，以此檢測回轉(zhuǎn)接頭的靜態(tài)密封性能。

2) 跑合試驗

完成靜態(tài)加載試驗后，再進行跑合試驗，以此檢驗測試平臺工作性能，并使回轉(zhuǎn)接頭各部件及組合密封圈得到充分跑合，提高測量的準確性。

首先進行回轉(zhuǎn)接頭低速空載跑合試驗，控制轉(zhuǎn)速在5 r/min運轉(zhuǎn)約5 min，逐步提高轉(zhuǎn)速至15 r/min，觀察測試平臺與回轉(zhuǎn)接頭運轉(zhuǎn)狀況，記錄密封圈摩擦力矩變化情況。完成上述試驗后，再進行回轉(zhuǎn)接頭低壓加載跑合試驗。向回轉(zhuǎn)接頭相應通道加載約1 MPa壓力，按照上述過程完成跑合后，逐步提高加載壓力重復跑合過程。

3) 動態(tài)性能試驗

試驗時采用4路通道同時加載的方式進行，以測試回轉(zhuǎn)接頭的極限性能。通過改變加載壓力及轉(zhuǎn)速，記錄摩擦力矩變化情況。測量不同壓力下摩擦力矩的大小，以及不同溫度、壓力下摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化情況。

4.3 試驗結(jié)果

在靜態(tài)加載試驗中，回轉(zhuǎn)接頭各通道在0～30 MPa壓力下保壓良好，通道壓降均小于0.1 MPa，外部未見泄漏現(xiàn)象，顯示靜態(tài)密封性能良好。

圖5為空載時，不同溫度下摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從試驗結(jié)果可知，空載摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，特別是在低溫情況下，上升趨勢更為明顯，這與組合密封圈材料性能在不同溫度下的差異性相關(guān)?；剞D(zhuǎn)接頭空載運轉(zhuǎn)時，摩擦力主要由處于過盈狀態(tài)的密封接觸面產(chǎn)生，因此回轉(zhuǎn)接頭設計時需要選擇合理的密封間隙，在確保其耐壓性能的同時減少摩擦損耗。試驗結(jié)果也表明，回轉(zhuǎn)接頭具有較好的啟動性能，測試平臺自身摩擦阻力低，結(jié)構(gòu)設計合理。

圖5 不同溫度下空載摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6為不同壓力下，摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從試驗結(jié)果可知，摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，隨壓力增加而增加。回轉(zhuǎn)接頭運轉(zhuǎn)速度較低，密封面難以建立穩(wěn)定的動壓潤滑油膜，因此使用時需要控制其承載壓力和運轉(zhuǎn)速度，以降低摩擦損耗，延長密封使用壽命。

圖6 不同壓力下摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

5 結(jié)論

(1) 采用旋轉(zhuǎn)組合密封的回轉(zhuǎn)接頭具有較好的密封性能，其靜態(tài)和動態(tài)密封性能穩(wěn)定可靠，在高壓下保壓良好。同時回轉(zhuǎn)接頭摩擦阻力低，具有較好的啟動性能；

(2) 回轉(zhuǎn)接頭運轉(zhuǎn)摩擦力矩隨壓力增加而增加，隨轉(zhuǎn)速提高而增加?；剞D(zhuǎn)接頭設計時選擇合理的密封間隙，需控制其承載壓力和運轉(zhuǎn)速度，以降低摩擦損耗。同時使用前需要進行充分跑合，使密封面能更好地接觸配合，延長密封使用壽命；

(3) 測試平臺工作可靠，操作簡便，系統(tǒng)自身摩擦阻力低，各項性能參數(shù)均滿足設計要求，可較好完成回轉(zhuǎn)接頭綜合性能測試和試驗研究。