回轉(zhuǎn)接頭測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙 樂(lè)，索雙富，張志強(qiáng)

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(dòng)密封裝置，在工程機(jī)械、深?？碧?、石油鉆井等多領(lǐng)域獲得廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)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(yùn)動(dòng)管路或設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力靈活傳遞。由于回轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)品可靠性要求高、維護(hù)難度大，做好其性能測(cè)試工作十分關(guān)鍵[5-7]。

文獻(xiàn)[8]針對(duì)工程機(jī)械回轉(zhuǎn)接頭自動(dòng)檢測(cè)裝置需求，設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)，縮短了裝置的研制周期。文獻(xiàn)[9] 提出一種中心回轉(zhuǎn)接頭的耐久性試驗(yàn)方法，可有效控制中心回轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部試驗(yàn)油溫，提高耐久性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[10-11] 設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速達(dá)1500 r/min的高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用AMESim對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析。文獻(xiàn)[12] 構(gòu)建了回轉(zhuǎn)接頭液壓加載系統(tǒng)，并采用壓降法測(cè)量回轉(zhuǎn)接頭的微小內(nèi)泄漏，推導(dǎo)了內(nèi)泄漏量計(jì)算公式，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。

由于現(xiàn)有測(cè)試裝置大多針對(duì)產(chǎn)品出廠檢測(cè)等方面進(jìn)行，針對(duì)性強(qiáng)、適用范圍有限。對(duì)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(duì)不足。采用新型材料是回轉(zhuǎn)接頭技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[13]，而組合密封對(duì)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(yàn)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)接頭測(cè)試平臺(tái)，并利用該平臺(tái)對(duì)采用新型組合密封件的回轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行了密封性能測(cè)試與研究。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

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

圖1 測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將待測(cè)回轉(zhuǎn)接頭通過(guò)工裝裝載至回轉(zhuǎn)臺(tái)與連接固定閥之間，通過(guò)PLC控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)接頭殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)連接固定閥向回轉(zhuǎn)接頭各通道加載，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)接頭靜、動(dòng)密封性能檢測(cè)，及不同壓力、轉(zhuǎn)速下摩擦力矩測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)可完成回轉(zhuǎn)接頭型式檢測(cè)相關(guān)內(nèi)容，并可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)接頭單通道或多通道的極限轉(zhuǎn)速、壓力過(guò)載等測(cè)試。

2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)重點(diǎn)測(cè)試回轉(zhuǎn)接頭在高壓低速下的性能，實(shí)現(xiàn)扭矩、壓力、溫度等參數(shù)測(cè)量。實(shí)際工況下，回轉(zhuǎn)接頭運(yùn)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(chǔ)備，測(cè)試平臺(tái)最高回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為30 r/min，最高過(guò)載壓力為30 MPa，最大扭矩為200 N·m。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

1) 驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式需重點(diǎn)考慮低速下的穩(wěn)定性?？蛇x擇擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是扭矩大、適宜頻繁正反轉(zhuǎn)，缺點(diǎn)是自身重、控制相對(duì)復(fù)雜。也可選擇變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、噪聲小等優(yōu)勢(shì)，但電機(jī)容易發(fā)熱。綜合考慮，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，而且省去液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制要求，有利于簡(jiǎn)化液壓站的設(shè)計(jì)。因此測(cè)試平臺(tái)最終采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，選擇相應(yīng)的變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速控制。

2) 驅(qū)動(dòng)功率

忽略傳遞功率損失，則系統(tǒng)所需驅(qū)動(dòng)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(jì)算得P1為0.628 kW。根據(jù)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)可知，傳動(dòng)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(jī)械效率以98%計(jì)算，則系統(tǒng)總機(jī)械效率η可近似為：

η=(98%)3≈94%

(2)

則系統(tǒng)實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)功率P2為：

(3)

綜合計(jì)算結(jié)果，選用750 W的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，采用電機(jī)與減速器一體的減速馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)單元。選擇立式減速馬達(dá)，型號(hào)為GV28750W50SDG4LDH0，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 減速馬達(dá)性能指標(biāo)

3.2 回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

回轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)支架連接固定于臺(tái)架，轉(zhuǎn)軸一端與扭轉(zhuǎn)傳感器連接，另一端通過(guò)工裝與待測(cè)回轉(zhuǎn)接頭殼體連接，驅(qū)動(dòng)其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于回轉(zhuǎn)接頭綜合性能試驗(yàn)工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(zhǎng)零件壽命。轉(zhuǎn)軸采用階梯軸設(shè)計(jì)，軸端開(kāi)有鍵槽，使用中可更換不同工裝以適應(yīng)不同型號(hào)的回轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

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(kāi)關(guān)信號(hào)的采集和處理。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)電機(jī)和回轉(zhuǎn)臺(tái)之間，扭矩測(cè)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(cè)量回轉(zhuǎn)接頭各通道內(nèi)油壓和溫度，壓力測(cè)量范圍為0～250 MPa，溫度測(cè)量范圍為0～100 ℃。信號(hào)經(jīng)變換處理后供PLC控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和記錄。

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括自動(dòng)加壓系統(tǒng)和手動(dòng)加壓系統(tǒng)。自動(dòng)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(shè)置4路獨(dú)立加載通道，由PLC電控系統(tǒng)控制高壓電磁球閥切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)接頭各通道的加載、保壓、卸載。手動(dòng)加壓系統(tǒng)由手壓泵、單向閥、快速接頭等組成。加載時(shí)，人工操作手壓泵向回轉(zhuǎn)接頭加載，進(jìn)行靜態(tài)加載等部分試驗(yàn)時(shí)可簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程，提高效率。使用中可通過(guò)蓄能器為系統(tǒng)補(bǔ)壓，以減少高壓泵工作次數(shù)，延長(zhǎng)其使用壽命。加熱器和冷卻器主要用于不同溫度試驗(yàn)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

液壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示。自動(dòng)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(shí)，啟動(dòng)高壓泵，加載時(shí)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(jìn)入回轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部通道1；當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力時(shí)，1YA和10YA斷電，電磁球閥10右位接入，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保壓，同時(shí)電磁球閥1右位接入，高壓泵空載運(yùn)轉(zhuǎn)。卸載時(shí)，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(dòng)加壓系統(tǒng)工作時(shí)，打開(kāi)球閥開(kāi)關(guān)，通過(guò)快速接頭將手動(dòng)加壓系統(tǒng)接入相應(yīng)通道，操作手壓泵實(shí)現(xiàn)加壓、卸載等功能。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

利用該測(cè)試平臺(tái)對(duì)已完成設(shè)計(jì)的海上風(fēng)機(jī)用高壓回轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行密封性能測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試平臺(tái)和回轉(zhuǎn)接頭實(shí)物如圖4所示。

為增加可靠性，該回轉(zhuǎn)接頭設(shè)有4路相同結(jié)構(gòu)的進(jìn)回油通道，以確保特殊情況下可互換使用?；剞D(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(hào)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(yàn)過(guò)程

回轉(zhuǎn)接頭安裝完成后，首先進(jìn)行開(kāi)機(jī)測(cè)試檢查，確保測(cè)試平臺(tái)工作正常，各部件連接可靠。然后按照靜態(tài)加載試驗(yàn)、跑合試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)等順序依次進(jìn)行測(cè)試。

1) 靜態(tài)加載試驗(yàn)

靜態(tài)加載試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試各通道保壓性能以檢測(cè)回轉(zhuǎn)接頭的靜態(tài)密封性能，同時(shí)通過(guò)靜態(tài)加載試驗(yàn)也可檢驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)液壓系統(tǒng)工作性能。

系統(tǒng)啟動(dòng)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(jìn)行卸壓操作，反復(fù)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(rùn)滑。完成上述步驟后，進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)。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(wú)泄漏情況，以此檢測(cè)回轉(zhuǎn)接頭的靜態(tài)密封性能。

2) 跑合試驗(yàn)

完成靜態(tài)加載試驗(yàn)后，再進(jìn)行跑合試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

首先進(jìn)行回轉(zhuǎn)接頭低速空載跑合試驗(yàn)，控制轉(zhuǎn)速在5 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)約5 min，逐步提高轉(zhuǎn)速至15 r/min，觀察測(cè)試平臺(tái)與回轉(zhuǎn)接頭運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，記錄密封圈摩擦力矩變化情況。完成上述試驗(yàn)后，再進(jìn)行回轉(zhuǎn)接頭低壓加載跑合試驗(yàn)。向回轉(zhuǎn)接頭相應(yīng)通道加載約1 MPa壓力，按照上述過(guò)程完成跑合后，逐步提高加載壓力重復(fù)跑合過(guò)程。

3) 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)采用4路通道同時(shí)加載的方式進(jìn)行，以測(cè)試回轉(zhuǎn)接頭的極限性能。通過(guò)改變加載壓力及轉(zhuǎn)速，記錄摩擦力矩變化情況。測(cè)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(yàn)結(jié)果

在靜態(tài)加載試驗(yàn)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(jiàn)泄漏現(xiàn)象，顯示靜態(tài)密封性能良好。

圖5為空載時(shí)，不同溫度下摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從試驗(yàn)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(shì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦力主要由處于過(guò)盈狀態(tài)的密封接觸面產(chǎn)生，因此回轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇合理的密封間隙，在確保其耐壓性能的同時(shí)減少摩擦損耗。試驗(yàn)結(jié)果也表明，回轉(zhuǎn)接頭具有較好的啟動(dòng)性能，測(cè)試平臺(tái)自身摩擦阻力低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)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?；剞D(zhuǎn)接頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，密封面難以建立穩(wěn)定的動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，因此使用時(shí)需要控制其承載壓力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以降低摩擦損耗，延長(zhǎng)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(dòng)態(tài)密封性能穩(wěn)定可靠，在高壓下保壓良好。同時(shí)回轉(zhuǎn)接頭摩擦阻力低，具有較好的啟動(dòng)性能；

(2) 回轉(zhuǎn)接頭運(yùn)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(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的密封間隙，需控制其承載壓力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以降低摩擦損耗。同時(shí)使用前需要進(jìn)行充分跑合，使密封面能更好地接觸配合，延長(zhǎng)密封使用壽命；

(3) 測(cè)試平臺(tái)工作可靠，操作簡(jiǎn)便，系統(tǒng)自身摩擦阻力低，各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，可較好完成回轉(zhuǎn)接頭綜合性能測(cè)試和試驗(yàn)研究。