端面油膜密封縫隙變粘度流體流動(dòng)特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、端面密封是一種軸向密封，又稱機(jī)械端面密封，簡(jiǎn)稱機(jī)械密封，是流體機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸密封最為主要的類型，是常用的旋轉(zhuǎn)軸密封，與壓蓋軟填料密封相比，具有泄漏量低，摩擦磨損小，使用壽命長(zhǎng)、工作可靠、不需要日常維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　動(dòng)力卡盤屬于自動(dòng)定心卡盤，配以不同的動(dòng)力裝置（氣缸、油缸或電機(jī)），便可組成氣動(dòng)卡盤、液壓卡盤或電動(dòng)卡盤。氣缸或油缸裝在機(jī)床主軸后端，用穿在主軸孔內(nèi)的拉桿或拉管，推拉主軸前端卡盤體內(nèi)

2、的楔形套，由楔形套的軸向進(jìn)退使3個(gè)卡爪同時(shí)徑向移動(dòng)。這種卡盤動(dòng)作迅速，卡爪移動(dòng)量小，適于在大批量生產(chǎn)中使用。從目前國(guó)內(nèi)對(duì)液壓動(dòng)力卡盤的需求看，最高轉(zhuǎn)速超過(guò)6000rpm的液壓動(dòng)力卡盤都需要從國(guó)外進(jìn)口。主要原因之一是國(guó)內(nèi)還不具備生產(chǎn)與液壓動(dòng)力卡盤配套的中空旋轉(zhuǎn)油缸的技術(shù)。旋轉(zhuǎn)油缸中固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間的密封是限制此技術(shù)發(fā)展的瓶頸，鑒于其密封處于高界面滑速、高邊界壓差及高環(huán)境溫度的工況，普通的接觸式端面密封因高的pV值而難于勝任，因而這些

3、部位的密封，應(yīng)采用非接觸型的動(dòng)密封形式。
　　在西方發(fā)達(dá)國(guó)家動(dòng)力卡盤占據(jù)了很大的市場(chǎng)，手動(dòng)卡盤雖有一定市場(chǎng)，但需求不斷下降，動(dòng)力卡盤在國(guó)外特別在歐洲已被大量采用，主要應(yīng)用在加工中高精度數(shù)控機(jī)床，普通機(jī)床采用數(shù)量也不斷增加。我國(guó)在上世紀(jì)80年代中期，由于受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)條件限制，只能生產(chǎn)一種短圓柱型的具有普通轉(zhuǎn)速、精度低的鑄鐵盤體的低檔次產(chǎn)品。由于我國(guó)數(shù)控技術(shù)迅速發(fā)展要求將高速楔式動(dòng)力卡盤和高速回轉(zhuǎn)油缸配套使用在數(shù)控機(jī)床上。液壓回轉(zhuǎn)油缸是

4、液壓動(dòng)力卡盤的動(dòng)力源。當(dāng)前，高速液壓回轉(zhuǎn)油缸的研究和產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道，針對(duì)這一全新技術(shù)，作者進(jìn)行了大量地理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，在查閱大量國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)外端面油膜密封、變粘度流體流動(dòng)特性和液壓動(dòng)力卡盤的研究與應(yīng)用情況，指出了研究液壓回轉(zhuǎn)油缸的重要意義，明確了研究液壓回轉(zhuǎn)油缸的主要技術(shù)難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，提出了解決液壓回轉(zhuǎn)油缸技術(shù)難點(diǎn)所需的關(guān)鍵技術(shù)，確定了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　在考慮粘度函數(shù)為常數(shù)

5、和不為常數(shù)的兩種情況下，給出了平面端面油膜密封縫隙流體的壓力分布和摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式，從而可以確定端面密封的開啟力，并可以計(jì)算出功率損失。在不考慮粘度變化和考慮粘度變化兩種情況下，對(duì)影響平面端面油膜縫隙流體的泄漏特性、粘性摩擦損失進(jìn)行對(duì)比分析后，采用功率損失最小原則對(duì)平面端面油膜密封的端面間隙進(jìn)行了優(yōu)化，為液壓回轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　介紹了深槽端面密封的工作機(jī)理，給出了圓弧深槽端面油膜密封的結(jié)構(gòu)形式，在不

6、考慮粘度變化和考慮粘度變化兩種情況下，對(duì)影響圓弧深槽端面油膜縫隙流體的壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析后，得到了圓弧深槽端面油膜密封縫隙流體的流體動(dòng)力特性，為液壓回轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)槽的數(shù)量在6個(gè)及以上時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響變得不太明顯，而且泄漏量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，從而符合了“上游泵送”的理論。在動(dòng)力粘度η不為常數(shù)，槽的數(shù)量為6，未開槽區(qū)域油膜厚度不變，轉(zhuǎn)速在1000~10000rpm的情況下，當(dāng)槽深度達(dá)到1mm的時(shí)候?qū)?/p>

7、摩擦轉(zhuǎn)矩的影響不再明顯。
　　在不考慮粘度變化和考慮粘度變化兩種情況下，對(duì)影響圓弧淺槽端面油膜縫隙流體的壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析后，得到了圓弧淺槽端面油膜密封縫隙流體的流體動(dòng)力特性，為液壓回轉(zhuǎn)油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)槽的數(shù)量在6個(gè)及以上時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響變得不太明顯，而且泄漏量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，從而符合了“上游泵送”的理論。在動(dòng)力粘度η不為常數(shù)，槽的數(shù)量為6，未開槽區(qū)域油膜厚度不變，轉(zhuǎn)速在1000~10000r

8、pm的情況下，當(dāng)槽深度達(dá)到0.05mm的時(shí)候?qū)δΣ赁D(zhuǎn)矩的影響不再明顯。
　　仿真分析研究是現(xiàn)代各行業(yè)運(yùn)用較多的研究手段，特別是數(shù)值仿真技術(shù)，它具有節(jié)約成本、節(jié)省時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)回轉(zhuǎn)部件進(jìn)行了模態(tài)分析，為液壓回轉(zhuǎn)油缸樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)；運(yùn)動(dòng)ADINA軟件分析了平面、圓弧深槽、圓弧淺槽端面油膜密封縫隙流體的流體特性，驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　在端面油膜密封縫隙流體流動(dòng)特性理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)