基于ANSYS和MATLAB的液压滑环端面油膜密封的摩擦转矩研究

　　我国工业发展需要的一些大型、高精度数控机床大部分依赖进口,在国内的市场占有率高达60%,一旦没有了进口,中国的工业竞争力将大受影响[1].因此国内急需开发研制高水平、高技术含量的新型动力卡盘来装备机床行业.“十一五”国家科技支撑计划重点项目“关键基础件和通用部件”的课题七是功能部件关键技术研究,研究内容是最高转速7 000 r/min,重复夹持精度20μm,夹持次数12 000次中空自定心液压动力卡盘的创新结构与优化设计技术回转液压缸高速高压配流技术,自锁技术,动态夹紧力检测技术.研制高速、高精度又具有良好动态特性的液压动力卡盘,必须解决以下几个关键问题:夹紧力损失[2-3]、液压回转油缸的配流与冷却、夹持精度和检测监视技术[4].在液压回转油缸的配流和冷却关键问题中,配流副的温升是制约回转液压缸转速提高的最重要因素.配流副间隙一般只有几十微米,配流元件过大的热变形会导致配流副粘附磨损,甚至抱轴咬死.国外的动力卡盘传动机构种类多[5-7],高速回转液压缸产品已比较成熟, Phillip等在2006年对一种轻材料的7 000 r/min液压回转油缸申请了专利[8];BUCK公司和ITW公司都有自己系列的液压回转油缸或气压回转气缸产品;德国GMN公司研究了迷宫和间隙密封技术.但是其技术是保密的,因此有关配流副的研究文献报道极少[9].所以,解决动力卡盘的关键技术,开发具有自主知识产权的国内产品具有重大的意义.该文针对回转油缸用液压滑环的端面油膜密封摩擦转矩进行研究.

　　1　液压滑环在动力卡盘中的应用

　　从目前国内对液压动力卡盘的需求看,最高转速超过6 000 r/min的液压动力卡盘都需要从国外进口.主要原因是国内还没技术生产与液压动力卡盘配套的中空回转油缸,回转油缸中固定部件和旋转部件之间的密封是限制此技术发展的瓶颈,鉴于其密封处于高界面滑速、高边界压差及高环境温度的工况,普通的接触式机械端面密封因高的pV值而难于胜任[10-11],因而这些部位的密封,应采用非接触型的动密封形式.液压滑环则能够满足这个应用要求.

　　液压滑环的主要功能是将液压油或其它流体传送到回转油缸中去,使活塞杆左右移动,带动楔块驱动卡爪,从而实现卡盘的径向松开和夹紧.并保证在此传递过程中,能量损失尽量小.由于其本身的结构特点,它也可以承载一定的轴向力.同时液压滑环本身是一个自平衡元件^[12].

　　液压滑环的工作原理如图1所示.

　　它主要由4个零件1a、1b、2a和2b组成.其中件1a和1b以及件2a和2b分别用螺钉配对连接在一起.配对件1a/1b(1ab)通过弹性密封5和固定不动的壳体7紧密地配合.从壳体7上引入的压力油经过配对件2a/2b(2ab)和密封平面上的槽13相通,并通过件1a上的管道来把压力油传输到旋转轴9的中空孔道10中去.密封缝隙6、8和11处于同一平面上.在密封缝隙6和8之间的压力油,以及油槽13中的压力油分别建立起压力平面及压力区,从而构成了静压调节机构.压力油通过旋转轴中心的孔道被继续传输给需要液压能的执行元件.密封缝隙6、8和11构成了3个可变节流器.密封缝隙值的自动调节就是由这3个可变节流器组成的半桥回路来实现的.