回轉接頭測試平臺設計與試驗研究

趙 樂，索雙富，張志強

(1.清華大學機械工程學院，北京 100084； 2.蕪湖市銀鴻液壓件有限公司，安徽蕪湖 241100)

引言

回轉接頭是液壓系統中重要的動密封裝置，在工程機械、深海勘探、石油鉆井等多領域獲得廣泛開發應用[1-4]。利用回轉接頭可將流體介質由固定管路輸送至運動管路或設備中，實現動力靈活傳遞。由于回轉接頭產品可靠性要求高、維護難度大，做好其性能測試工作十分關鍵[5-7]。

文獻[8]針對工程機械回轉接頭自動檢測裝置需求，設計了由高低壓兩部分組成的液壓系統，結合仿真完成集成油路閥塊的開發，縮短了裝置的研制周期。文獻[9] 提出一種中心回轉接頭的耐久性試驗方法，可有效控制中心回轉接頭內部試驗油溫，提高耐久性試驗的準確性。文獻[10-11] 設計了轉速達1500 r/min的高速液壓旋轉接頭試驗系統，并利用AMESim對試驗系統進行了建模與仿真分析。文獻[12] 構建了回轉接頭液壓加載系統，并采用壓降法測量回轉接頭的微小內泄漏，推導了內泄漏量計算公式，提高了測量準確度。

由于現有測試裝置大多針對產品出廠檢測等方面進行，針對性強、適用范圍有限。對于回轉接頭的性能研究較少，特別是采用新型組合密封件的回轉接頭研究相對不足。采用新型材料是回轉接頭技術發展趨勢[13]，而組合密封對于提升密封性能具有重要作用[14]。本研究圍繞回轉接頭的試驗需求，設計開發了回轉接頭測試平臺，并利用該平臺對采用新型組合密封件的回轉接頭進行了密封性能測試與研究。

1 結構和工作原理

回轉接頭測試平臺主要由驅動單元、扭矩轉速傳感器、回轉臺、工裝、固定連接閥、臺架等組成，整體結構如圖1所示。驅動單元提供回轉驅動力，通過扭矩轉速傳感器驅動回轉臺轉動。回轉臺通過工裝與回轉接頭殼體固定連接，驅動回轉接頭殼體轉動。連接固定閥用于連接回轉接頭芯軸限制其轉動，并連通液壓系統與回轉接頭內部的油道。

圖1 測試平臺整體結構示意圖

試驗時，將待測回轉接頭通過工裝裝載至回轉臺與連接固定閥之間，通過PLC控制電機驅動回轉接頭殼體轉動，并通過連接固定閥向回轉接頭各通道加載，實現回轉接頭靜、動密封性能檢測，及不同壓力、轉速下摩擦力矩測試。測試平臺可完成回轉接頭型式檢測相關內容，并可實現回轉接頭單通道或多通道的極限轉速、壓力過載等測試。

2 技術參數

系統重點測試回轉接頭在高壓低速下的性能，實現扭矩、壓力、溫度等參數測量。實際工況下，回轉接頭運轉速度低，最大回轉速度為15 r/min，液壓系統額定壓力15 MPa。考慮性能儲備，測試平臺最高回轉速度設計為30 r/min，最高過載壓力為30 MPa，最大扭矩為200 N·m。

3 設計計算

3.1 驅動單元設計

1) 驅動方式

回轉接頭工作中需要頻繁正反轉，因此系統驅動方式需重點考慮低速下的穩定性。可選擇擺動液壓缸或液壓馬達驅動，其優點是扭矩大、適宜頻繁正反轉，缺點是自身重、控制相對復雜。也可選擇變頻電機驅動，具有結構緊湊、自重輕、噪聲小等優勢，但電機容易發熱。綜合考慮，電機驅動控制簡單、維護方便，而且省去液壓執行機構的驅動控制要求，有利于簡化液壓站的設計。因此測試平臺最終采用電機驅動方式，選擇相應的變頻器實現電機調速控制。

2) 驅動功率

忽略傳遞功率損失，則系統所需驅動功率P1為：

(1)

式中，Tmax為最大扭矩，N·m；n為最大轉速，r/min。

由技術參數計算得P1為0.628 kW。根據測試平臺結構可知，傳動中功率損失主要發生在減速器、扭矩轉速傳感器、回轉支承上，上述機械效率以98%計算，則系統總機械效率η可近似為：

η=(98%)3≈94%

(2)

則系統實際所需驅動功率P2為：

(3)

綜合計算結果，選用750 W的驅動電機。

3) 驅動電機

為使系統結構緊湊、工作可靠，采用電機與減速器一體的減速馬達作為驅動單元。選擇立式減速馬達，型號為GV28750W50SDG4LDH0，其性能指標見表1。

表1 減速馬達性能指標

3.2 回轉臺設計

回轉臺主要由殼體、轉軸、軸承、前端蓋、后端蓋等組成，整體結構如圖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.轉軸圖2 回轉臺整體結構圖

回轉臺通過支架連接固定于臺架，轉軸一端與扭轉傳感器連接，另一端通過工裝與待測回轉接頭殼體連接，驅動其做回轉運動。由于回轉接頭綜合性能試驗工況復雜，設計中采用一組圓錐滾子軸承支撐轉軸，以減小回轉阻力，延長零件壽命。轉軸采用階梯軸設計，軸端開有鍵槽，使用中可更換不同工裝以適應不同型號的回轉接頭進行測試試驗。

3.3 數據采集處理系統

數據采集處理系統包括力矩、轉速、壓力、溫度以及開關信號的采集和處理。為簡化結構設計，扭矩和轉速傳感器采用扭轉一體傳感器，布置于驅動電機和回轉臺之間，扭矩測量范圍為0～200 N·m。壓力和溫度傳感器布置于連接固定閥上，以測量回轉接頭各通道內油壓和溫度，壓力測量范圍為0～250 MPa，溫度測量范圍為0～100 ℃。信號經變換處理后供PLC控制調節系統運行，并將數據實時顯示和記錄。

3.4 液壓系統

液壓系統包括自動加壓系統和手動加壓系統。自動加壓系統由高壓泵、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。系統共設置4路獨立加載通道，由PLC電控系統控制高壓電磁球閥切換，實現對回轉接頭各通道的加載、保壓、卸載。手動加壓系統由手壓泵、單向閥、快速接頭等組成。加載時，人工操作手壓泵向回轉接頭加載，進行靜態加載等部分試驗時可簡化試驗流程，提高效率。使用中可通過蓄能器為系統補壓，以減少高壓泵工作次數，延長其使用壽命。加熱器和冷卻器主要用于不同溫度試驗時對溫度進行調節控制。

液壓系統工作原理如圖3所示。自動加壓系統4路通道工作原理及操作順序相同，以通道1為例。系統工作時，啟動高壓泵，加載時1YA和10YA通電，高壓油液經單向閥01、電磁球閥10左位、單向閥1、電磁閥11右位進入回轉接頭內部通道1；當達到系統設定壓力時，1YA和10YA斷電，電磁球閥10右位接入，系統實現保壓，同時電磁球閥1右位接入，高壓泵空載運轉。卸載時，11YA通電，電磁球閥11左位接入，油液經電磁球閥11左位返回油箱。手動加壓系統工作時，打開球閥開關，通過快速接頭將手動加壓系統接入相應通道，操作手壓泵實現加壓、卸載等功能。

圖3 液壓系統原理圖

4 試驗研究

4.1 試驗對象

利用該測試平臺對已完成設計的海上風機用高壓回轉接頭進行密封性能測試試驗，測試平臺和回轉接頭實物如圖4所示。

為增加可靠性，該回轉接頭設有4路相同結構的進回油通道，以確保特殊情況下可互換使用。回轉接頭各通道均采用旋轉組合密封圈作為密封件，具體型號為TG320100外軸用格萊圈，性能參數如表2所示。

表2 密封件性能參數

4.2 試驗過程

回轉接頭安裝完成后，首先進行開機測試檢查，確保測試平臺工作正常，各部件連接可靠。然后按照靜態加載試驗、跑合試驗、動態性能試驗等順序依次進行測試。

1) 靜態加載試驗

靜態加載試驗主要通過測試各通道保壓性能以檢測回轉接頭的靜態密封性能，同時通過靜態加載試驗也可檢驗測試平臺液壓系統工作性能。

系統啟動后，首先依次向回轉接頭各密封通道加載1 MPa左右的較低壓力，然后再進行卸壓操作，反復多次以排出密封通道內空氣，并使回轉接頭各部件得到充分潤滑。完成上述步驟后，進行靜態加載試驗。按照0～30 MPa逐步增加加載壓力，觀察通道壓力在5 min內變化情況，以及回轉接頭外部有無泄漏情況，以此檢測回轉接頭的靜態密封性能。

2) 跑合試驗

完成靜態加載試驗后，再進行跑合試驗，以此檢驗測試平臺工作性能，并使回轉接頭各部件及組合密封圈得到充分跑合，提高測量的準確性。

首先進行回轉接頭低速空載跑合試驗，控制轉速在5 r/min運轉約5 min，逐步提高轉速至15 r/min，觀察測試平臺與回轉接頭運轉狀況，記錄密封圈摩擦力矩變化情況。完成上述試驗后，再進行回轉接頭低壓加載跑合試驗。向回轉接頭相應通道加載約1 MPa壓力，按照上述過程完成跑合后，逐步提高加載壓力重復跑合過程。

3) 動態性能試驗

試驗時采用4路通道同時加載的方式進行，以測試回轉接頭的極限性能。通過改變加載壓力及轉速，記錄摩擦力矩變化情況。測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速變化情況。

4.3 試驗結果

在靜態加載試驗中，回轉接頭各通道在0～30 MPa壓力下保壓良好，通道壓降均小于0.1 MPa，外部未見泄漏現象，顯示靜態密封性能良好。

圖5為空載時，不同溫度下摩擦力矩隨轉速變化曲線。從試驗結果可知，空載摩擦力矩隨轉速增加而增加，特別是在低溫情況下，上升趨勢更為明顯，這與組合密封圈材料性能在不同溫度下的差異性相關。回轉接頭空載運轉時，摩擦力主要由處于過盈狀態的密封接觸面產生，因此回轉接頭設計時需要選擇合理的密封間隙，在確保其耐壓性能的同時減少摩擦損耗。試驗結果也表明，回轉接頭具有較好的啟動性能，測試平臺自身摩擦阻力低，結構設計合理。

圖5 不同溫度下空載摩擦力矩隨轉速變化曲線

圖6為不同壓力下，摩擦力矩隨轉速變化曲線。從試驗結果可知，摩擦力矩隨轉速增加而增加，隨壓力增加而增加。回轉接頭運轉速度較低，密封面難以建立穩定的動壓潤滑油膜，因此使用時需要控制其承載壓力和運轉速度，以降低摩擦損耗，延長密封使用壽命。

圖6 不同壓力下摩擦力矩隨轉速變化曲線

5 結論

(1) 采用旋轉組合密封的回轉接頭具有較好的密封性能，其靜態和動態密封性能穩定可靠，在高壓下保壓良好。同時回轉接頭摩擦阻力低，具有較好的啟動性能；

(2) 回轉接頭運轉摩擦力矩隨壓力增加而增加，隨轉速提高而增加。回轉接頭設計時選擇合理的密封間隙，需控制其承載壓力和運轉速度，以降低摩擦損耗。同時使用前需要進行充分跑合，使密封面能更好地接觸配合，延長密封使用壽命；

(3) 測試平臺工作可靠，操作簡便，系統自身摩擦阻力低，各項性能參數均滿足設計要求，可較好完成回轉接頭綜合性能測試和試驗研究。