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液压旋转接头的应用及结构原理

发布时间:2021.11.07
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液压旋转接头用于向旋转设备之上的液压执行机构输送液压介质的设备,本文探讨液压旋转接头的原理及结构,如何正确安装、使用液压旋转接头。

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   由于液压传动相对于电气传动及机械传动有很多的优点,液压传动在各行业中使用越来越广泛。液压旋转接头的应用逐渐广泛。如果液压执行机构相对于介质源是固定的,可使用钢管向执行机构输送介质。  如果执行机构相对于介质源有小量运动(移动、转动、摆动)则可使用高压软管连接。如果在高速旋转的轴上有一个液压缸,向其输送介质则需要用到旋转接头。目前,旋转接头还没有形成标准化,生产厂家比较少,国内的产品还不是很成熟,相关的文章也很少。因此,本文希望对液压旋转接头的安装、使用、维护、设计及制造起到积极作用。
   冷轧厂的开卷机及卷取机的卷筒有涨缩功能,其目的是在缩径状态下装卸带钢卷,在涨径状态开卷或卷取。卷筒内部有一四棱锥心轴,通过左侧的液压缸使心轴沿卷筒作轴向运动,四棱锥的轴向运动推动四块扇形板沿卷筒作径向运动,从而实现了卷筒的涨缩。实现涨缩的液压缸和卷筒装配在一起,并和卷筒一起作高速旋转。向旋转中的涨缩液压缸输送液压油是通过最左端的液压旋转接头来实现的。旋转接头可大体分为两部分,外壳和心轴。从液压阀台来的三根油管连接在旋转接头的外壳上,外壳相对于油管和地面是不动的。旋转接头的心轴和卷筒涨缩缸是通过螺栓把合在一起的,它之间是相对不动的。相对转动在旋转接头的外壳和心轴之间产生。(如图1所示的结构示意图)。

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液压旋转接头原理及结构

   有三个油口和车间管路相连接,分别是A口、B口、和Y口中。三个油口与旋转接头的外壳是静连接的。外壳和开卷机或卷取机是保持相对不转动的。心轴的直径小于外壳的直径,其间隙与一般液压缸的缸筒与活塞之间的间隙相当。由于安装的原因使旋转接头在旋转过程中会产生摆动,两个轴承用于承受外壳摆动时产生的轴向力,并使心轴与外壳之间保持间隙。旋转密封的材料为耐磨的复合材料或金属材料,旋转密封安装心轴与外壳之间。旋转密封能承受高压,通常能达到200bar,材料较硬,密封性能不好。油封是骨架唇形密封,不能承受过高的压力,通常不能超过3bar,但是其在低压高速情况下有很好的密封性,其作用是封闭来自旋转密封的泄漏油。泄漏油必须在很低压力的情况下被排回油箱中,以保护油封不被损坏。在泄漏油管上不能安装过滤器。旋转接头通过最右端的法兰与涨缩缸把合在一起,旋转接头的油口与液压缸的油口对接。

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   旋转接头的旋转密封主要有两类,复合材料密封和机械密封。复合材料密封的密封性能相对要好一些,用在液压缸有中间定位的场合。使用复合材料密封的旋转接头由于密封本身的尺寸较小,可以使旋转接头制作的更加紧凑小巧。复合材料密封本身的成本也要比机械密封便宜很多。复合材料旋转密封由两部份组成,由一个PTFE材质的外环和一个NBR材质的O形圈组合而成。O形圈起到支承外环的作用,使整个旋转密封更容易安装。外环与旋转接头的外壳之间滑动。

   机械密封在理论上可以实现无接触滑动,可以达到很长的寿命。机械密封的制作比较复杂,精度要求也比较高,相对较贵。目前采用机械密封的旋转接头国内还没有生产。下图是贝内克公司的产品内部结构示意图。介质从外壳>部件1>部件3>心轴>液压缸。机械旋转密封套在心轴上,心轴与旋转接头之间的密封用的是上面提到复合材料旋转密封,当机械旋转密封卡死时,机械旋转密封与心轴之间可以存在相对转动,复合材料旋转密封启着保险作用,机械旋转密封与外壳之间的配合与密封也是通过复合材料旋转密封实现的。机械旋转密封主要由4个金属环组成,图中分别标记为部件1、部件2、部件3、部件4。部件1与部件2通过螺栓把合在一起,工作状态与外壳保持静止,部件1通过沿圆周均布的多个油道将介质输送到部件2,部件2通过沿圆周均布的多个油道将介质输送到部件3,部件3通过沿圆周均布的多个油道将介质输送到心轴。部件3和部件4通过螺栓把合在一起,工作状态与心轴保持静止。相对转动在部件2(1)和部件3(4)之间发生。机械旋转密封的结构使之能在滑动面之间总是有良好的静压油膜润滑,从而实现机械旋转密封的长寿命。

   如图a和d是两很小的环形间隙,间隙大约为0.005mm,b和c是两个环形液腔。c腔的压力约等于从外壳供给的压力,它的存在推动部件1和2向右运动,介质进入b腔,b腔的环形面积约等于2倍c腔,即是Sb=2Sc。当b腔压力为c腔压力二分之一时,将推动1和2向左运动。因此,介质压力自动将b腔压力平衡于外部供油压力的一半。流径间隙a与流径间隙d的流量是相等的,流径间隙a与流径间隙d的压差也是相等的,当满足Ld/La=Rd/Ra时,在平衡点间隙a的大小与间隙d相等,即Ha=Hd。因此,如果Ha+Hd=0.01mm,则在平衡点Ha=Hd= 0.005mm

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   与复合材料旋转密封发生滑动磨擦的金属面应该有较高的表面光洁度,表面镀铬并刨光到镜面光洁度。其光洁程度大至与液压缸的活塞杆光洁度相当。而机械式旋转密封的滑动面虽然是静态油膜润滑,但压力的变化会使滑动面有偶尔的接触,从而导致磨损,另外直径超过0.005mm的颗粒也会使滑动面磨损。因此,机械式旋转密封应当表面淬硬,对滑动表面烤瓷可以更加延长机械式旋转密封的运转寿命。

实际应用中应当注意的问题

    安装

    把液压旋转接头安装在转动的设备上时,应当注意使旋转接头与旋转设备保持良好的同轴。不好的同轴度使液压旋转接头转动时产生径向摆动,无论对复合材料的旋转密封或是机械式的旋转密封或旋转接头的轴承,摆动都是很有害的。对复合材料的旋转来说,周期变化的径向力使其发生径向滑动,密封的端面会被磨损,密封与旋转接头外壳之间的动态油膜不容易建立同样使密封易于磨损。对机械式旋转密封来说,径向摆动会破坏静压油膜的平衡点,还可能使机械旋转密封的动环与静环之间产生径向接触,使金属环磨损。

  旋转接头外壳的固定是为了使其不跟随心轴同步旋转,因此只要能阻止其作圆周转动即可。不要使用更多的约束,径向或轴向的力作用在外壳上会通过外壳传递给液压旋转接头的轴承和内部的旋转密封,迫使轴承或密封磨损或损坏。

  安装油管的时候,保持油口的清洁是非常重要的,也是容易被忽略的。安装的时候是非常容易将污染物带入油口的。颗粒总是使发生滑动磨擦零件易于磨损。由于机械式旋转密封的油膜间隙很小,污染物会划伤滑动面甚至将机械式旋转密封卡死,因此保持清洁对机械式旋转密封更为重要。

  旋转接头的油封是用来密封转动的心轴的,使旋转密封的泄漏油从泄漏油管排回油箱。油封的耐压通常不超过3bar,因此必须使泄漏油管顺畅回油。在安装时,决不能将旋转接头的泄漏油口堵死,如果泄漏油管上有阀门一定要在通入介质前确保开启,否则油封必然被挤出。也不能将泄漏油管并入回油管,因为回油管的压力通常会超过3bar。也不要在泄漏油管上安装过滤器。

   使用 

  旋转接头通常有泄漏,所以一般不能用于要求保压的场合,机械密封的旋转接头泄漏量更大。在要求控制液压缸的行程的时候可以考虑伺服控制,以便对泄漏量进行补偿。在液压缸没有中间定位的时候问题会简单一些,只要在液压缸运动到极限位置后持续供入介质即可。

   旋转接头一般是要用介质来润滑和冷却的,所以不能在未通入介质的情况下试车或开车。

   在对旋转接头或相关设备作检修之后要确保开启泄漏油管。

   可以通过对泄漏量的测量来估计液压旋转接头的磨损或损坏情况。应当定期对旋转接头的泄漏量进行检测跟踪,以监测旋转接头的运转状况。