背压下旋转分配器间隙流场特性分析

唐华存，陈占福

(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240;2．宝钢热轧厂，上海 200941)

1 前言

宝钢股份2050热轧卷取机旋转分配器是实现卷取的关键部件，其主要功能是将压力油在旋转件和固定件之间进行传输，使流体动力不断地传递下去。其中浮动衬套是一个静压控制系统，当受到外载荷的作用时容易磨损失效，研究背压下浮动衬套间隙流场特性变化对改善旋转分配器使用寿命有很好的参考价值。

2 旋转分配器工作原理

如图1所示，1a、1b由螺钉连在一起，经密封圈4与转动轴3相连，随轴一起回转;2a、2b由螺钉连在一起，经密封圈7与外壳9相连，固定不动。压力油从进油孔8通入，经2a、2b上的孔道进入密封平面上的环形槽15，再通过1a、1b上的孔道流入轴中心孔道14。间隙5、6、13间的压力环带形成静压反馈控制机构。

图1 旋转分配器Fig.1 Rotary distributor

1a.配流环;1b.调节环;2a.固定环;2b.静压环;3.旋转轴;4、7.密封圈;5、6、13.密封间隙;8.进油孔;9.外壳;10.补偿环;11.补偿沟槽;12.静压环道;14.中心孔道;15.环形槽

3 浮动衬套模型

旋转分配器浮动衬套的模型如图2所示，假定液压油是不可压缩、稳定、轴对称的层流。其边界条件:

式中，p0、pa、pb分别为进油口压力、回油背压、静压环道(油腔)压力。

图2 浮动衬套模型Fig.2 Floating bushing model

3.1 压力分布

浮动衬套密封间隙流体压力受进出口压力、压力油离心力和流动惯性的影响。本文忽略由流动惯性引起的泄漏量，则由压差和旋转引起的缝隙2－1中的泄漏量为(缝隙位置参考图2)

积分得缝隙2－1间的压力为

3.2 间隙泄漏量

由q21=q56和边界条件，并根据压力方程求得间隙2－1的泄漏量为

式中，h为间隙2－1间油膜的厚度;δ为间隙5－6间油膜的厚度。

3.3 油膜刚度和承载力

油膜刚度是指油膜抗载荷变动的能力，也就是产生单位油膜厚度变化所需的载荷变动量。油膜刚度的表达式为

式中，P为间隙油膜的承载力，n为间隙油膜的厚度。

静压平衡机构在左右液压的作用下处于平衡状态，P为液压作用在组件1a/1b上向左的力。油膜压强沿整个面积的积分，得到油膜的承载力

式中，F1为作用在环形槽上的力，F1=);F2为作用在外密封带上的力，F2=］;F3为作用在内密封带上的力，F3=))2］。

求导得静压平衡机构的油膜刚度为

4 有限元计算及分析

运用流体分析软件fluent对旋转分配器浮动衬套静压控制间隙流场进行分析，验证理论计算，比较增加背压前后的流场变化。本文以静压平衡控制区域2－1、5－6和静压环道来建立三维有限元分析模型如图3所示，忽略材料特性的影响。所取的尺寸为r0=12 cm、r1=12.1 cm、r2=12.373rcm、r5=14.254 cm、r6=14.808 cm，液体密度 ρ=900 kg/m3，液体动力粘度 η=0.073 Pa·s，进口压力为13 MPa，初始泄露口压力为0 MPa，增加背压后的泄露口压力为1 MPa，浮动衬套的转速为n=3600 r/min。

图3 静压控制机构模型Fig.3 Model of static pressure control mechanism

从图4、图5可知理论压力分布与有限元分析的基本一致，其中r1、r5处的压力基本相等，即静压环道内部压力没有变化。图1中序号10，11密封间隙中的流动属于层流，符合理论计算假设。由fluent计算得增加背压前出口流量为0.005978604 kg/s，增加背压后出口流量为0.005369723 kg/s，随着背压的增加流量减小，压力增大，数值比理论值偏大一点是由于忽略了流动惯性的影响。

5 结论

由所得背压条件下浮动衬套密封间隙间压力、泄漏量、承载力和油膜刚度表达式可知增加背压能够增大间隙的压力、减小间隙泄漏量和增大承载能力，但是油膜刚度变小，削弱了静压控制系统抵抗变载荷的能力，所以背压必须在满足旋转分配器工作变载荷的情况下适当提高。

［1］ 姜继海．液体变粘度缝隙流动理论与解析［M］．北京:国防工业出版社，2005．

［2］ 孙恭寿，冯明．液体动静压混合轴承设计［M］．北京:兴界图书出版公司，1993．

［3］ 唐拥林，吴百海，凌玲等．静压滑环缝隙流场特性研究［J］．机电工程技术，2008(37):46－49．