应用圆弧深槽端面油膜密封的液压回转油缸摩擦转矩

　　国内一些大型、高精度数控机床大部分依赖进口,其市场占有率高达60%[1]。“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 rpm,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、良好动态特性的液压动力卡盘,必须解决以下关键问题:夹紧力损失[2-3];液压回转油缸的配流和冷却;夹持精度;检测监视技术[4]。端面油膜密封缝隙流体的温升是制约回转液压缸转速提高的最重要因素。端面油膜密封缝隙一般只有几十微米,密封元件过大的热变形会导致密封副粘附磨损,甚至抱轴咬死;另外温升过高会使得黏度降低,泄漏量增大,导致回转液压油缸的压力建立不起来。Phil-lip等在2006年对一种轻材料的7 000 rpm液压回转油缸申请了专利[5];BUCK公司[6]和ITW公司[7]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[8]。由于技术保密,有关研究文献报道极少。本文针对回转油缸中的非接触圆弧深槽端面油膜密封技术进行研究,为解决液压回转油缸的配流问题提供一定的参考。

　　1　液压滑环在动力卡盘中的应用

　　图1是液压动力卡盘[9]的结构示意图,该方案结构简单,回转液压缸性能稳定可靠。

　　目前最高转速超过6 000 rpm的液压动力卡盘都需从国外进口,国内还没技术生产与液压动力卡盘配套的中空旋转油缸。旋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,普通的接触式机械端面密封因高的pV值而难于胜任[10-11],这些部位的密封,应采用非接触型的圆弧深槽端面密封形式。液压滑环则能够满足这个应用要求。

　　液压滑环的工作原理如图2 (a)所示,缝隙处(图2(b))进行了局部放大。它主要由四个零件1a(配油环)、1b(调节环)、2a(静压环)和2b(固定环)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12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。缝隙6、8和11处于同一平面上,它们的缝隙值h由结构设计来确定。

　　使用液压滑环为液压回转油缸配油,压力油通过液压滑环从液压动力卡盘的外壳(固定不动)引入到旋转油缸中去,使活塞在压力油的作用下克服弹簧力以及阻力运动,带动楔块驱动卡爪松开工件。回程时将压力油卸荷,靠弹簧复位作用,带动楔块驱动卡爪径向卡紧工件[12],如图3所示。