间隙密封旋转接头流场特性仿真分析

间隙密封旋转接头流场特性仿真分析

周栋栋;陈奎生;湛从昌;余广

【摘要】间隙密封旋转接头在高速旋转过程中,密封间隙大小容易受到外界干扰而变化,从而引起接头体和芯轴的磨损以及泄漏量加剧.通过采用CFD技术对内部环形间隙进行仿真,分析了均压槽分布在芯轴表面和接头体内壁面两种不同形式以及芯轴转速对泄漏量的影响,得出了间隙流场内流体压力、速度分布和泄油口的流量.结果显示:间隙流场的压力呈线性分布;均压槽两种不同分布形式对旋转接头的泄漏量无影响,均压槽分布在芯轴表面具有更好的抗磨损作用;旋转接头的泄漏量随着转速的提高而减小.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2016(000)010

【总页数】3页(P63-65)

【关键词】旋转接头;间隙密封;泄漏量;均压槽

【作者】周栋栋;陈奎生;湛从昌;余广

【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081

【正文语种】中文

【中图分类】TH16;TH137

旋转接头是一种在360°旋转过程中输送液体或气体介质的密闭连接器，并作为专

用机床、深孔钻机、板材卷曲机等机械设备上的关键部件被广泛使用。为满足现代机械设备高速、高压的使用条件，通常旋转接头采用间隙密封技术。间隙密封是一种简单而应用广泛的密封方法，它是依靠相对运动零部件配合面间的微小间隙来防止泄漏［1-3］。均压槽通常在旋转接头间隙密封中，起到保证芯轴与接头体同心的作用，其改变了其密封间隙的结构，同时对泄漏量也有一定的影响［4-5］。间隙密封旋转接头在实际应用中决定了它允许存在一定泄漏量和压力损失［6］。对此，通过商用软件Fluent对旋转接头密封间隙内部流场特性进行了仿真分析。

在旋转接头工作过程中，接头体静止不动，芯轴高速旋转，液压油充满两者间微小间隙，产生静压以及减磨自润滑的“膜轴承”效应［2］。以典型的二通道间隙密封旋转接头为研究对象，选取产生外泄漏的单侧油口压力的环状间隙进行建模，如图1所示。

环状间隙截面，如图2所示。其参数为：环状间隙内径d= 88mm，高度

h=15μm，长度L=30mm，均压槽深h0=0.3mm，进油口压力p1=14MPa，泄油口压力p0=0.5MPa，转速n=（500～2000）r/min。

在Fluent中，建立流场模型，设置进油口为压力入口，压力为14MPa；泄油口

为压力出口，压力为0.5MPa。流动模型为标准k-ε模型，采用Simpler算法进行计算，收敛精度设置为10-5。

3.1 环形流场压力与速度分布

3.1.1 环形流场压力分布

压力云图及壁面直线压力变化图，如图3、图4所示。以芯轴表面开有均压槽为例，研究了单侧油口环形间隙流场的压力变化。从图3和图4中可以看出流体经过环

形间隙时，压力呈线性变化，当流体流至均压槽时，由于流场间隙瞬间增大，导致均压槽进出口处流体压力急剧下降；均压槽内环形流场形成的阻力使得流体的比动

能转化为热能，流体的比压能不变，故在均压槽内部压力基本保持不变。

3.1.2 环形流场速度分布

如图5、图6所示，以芯轴表面开有均压槽为例，分析了单侧油口环形间隙流场的速度分布。环形间隙沿圆周方向速度矢量图，如图5所示。环形间隙处速度变化图，如图6所示。

从图5中看出，环形间隙流场的速度沿圆周方向，与芯轴旋转速度方向一致。从

图6中看出，随着环形间隙内流体高度的变化，速度呈现半抛物线变化。在芯轴

表面处，速度最大，在接头体内壁处，速度最小。由于采用的流体介质为46号抗磨液压油，具有一定的黏性，当芯轴以一定的角速度作旋转运动时，必然带动其周围流体转动［7］，使得靠近芯轴表面处流体的速度最大；而接头体是静止不动的，因此靠近接头体内壁面处流体的速度最小。这也符合牛顿内摩擦定律［8］。

3.2 均压槽分布形式对流速的影响

均压槽分布在芯轴表面和接头体内壁面时的流体速度云图，如图7所示。从图7

中可以看出，当均压槽分布在芯轴表面时，均压槽边缘处的流速最大；而当均压槽分布在接头体内壁面时，均压槽边缘处的流速最小。旋转接头在高速旋转过程中会产生大量的热能，需通过热传导与热对流的方式散热［9］。当均压槽分布在芯轴表面时，高速流体区域比其分布在接头体内壁面时大，在过流面积相同时，流速越高，流量越大［10］，通过对流和传导所散发的热量越多，有利于保持油液黏度

的稳定性，使得旋转接头不容易产生摩擦磨损，从而提高旋转接头的使用寿命。3.3 泄漏量分析

不同分布形式均压槽在不同转速下旋转接头泄油口泄漏量变化曲线图，如图8所示。从图8中可看出，在一定转速下，芯轴表面开有均压槽和接头体内壁面开有

均压槽时，泄漏量是一致的，因此两种形式的均压槽分布对旋转接头泄漏量没有影响。同时，在生产加工方面，芯轴表面上加工均压槽相对于接头体内壁更容易，故

在实际应用中，往往将均压槽加工在芯轴表面。

图8还反映了在所研究的速度范围内，随着转速的增大，旋转接头泄油口的泄漏

量逐渐减小，泄油口的流量变化与泄油口的速度呈线性比例关系。故转速越高，泄漏量越小。

（1）芯轴旋转时，旋转接头环形间隙中均压槽内流体压力基本保持不变，均压槽内靠近芯轴表面速度最大，靠近接头体内壁面速度最小，旋转接头环形间隙处，其速度呈半抛物线分布。（2）均压槽开在芯轴表面比开在接头体内壁面具有更好的散热、抗磨损作用。（3）随着转速的增大，旋转接头的泄漏量减小，而均压槽的不同分布形式对旋转接头泄漏量没有影响。为了便于加工，一般将均压槽加工在芯轴表面。

【相关文献】

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