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旋轉接頭是完成旋轉機械在運轉狀態下供氣、供油或供水等功能的主要部件，廣泛應用于電力、機制造、地質、軍工等國民經濟的各個領域。目前旋轉接頭大都采用接觸式密封設計，普遍存在摩擦阻力大、壽命短以及容易產生密封件磨損顆粒進而污染設備運行環境的問題。

非接觸式間隙密封技術是指由于流體靜壓或動壓作用，在密封端面間充滿一層流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的密封方式。采用間隙密封技術則能在理論上減少金屬之間的黏著磨損，顯著提高旋轉接頭的使用壽命。

由于非接觸式間隙密封旋轉接頭傳輸的介質本身具有一定的壓力，并且能持續傳輸，因此可利用傳輸介質在密封界面形成的靜壓和動壓效應實現對傳輸介質本身的非接觸式密封，密封油膜一方面提供一定的承載力，另一方面阻止或減小流體泄露。非接觸式間隙密封技術涉及結構、流體、傳熱、旋轉運動等多個環節和因素，同時結構尺度和油膜尺度相差幾個數量級，多場耦合和跨尺度問題給研究和設計工作帶來相當大的挑戰。

德威邇旋轉接頭技術考慮非線性油膜力、轉子旋轉運動和浮環振動，建立了非接觸式間隙密封旋轉接頭系統動力學模型，并進行了仿真分析。

1 間隙密封旋轉接頭原理和結構

一種非接觸式間隙密封旋轉接頭的具體形式如圖 1 所示，其工作原理是：油介質進入通道內，同時充 滿浮環與外殼之間的間隙，從而形成對浮環外環面的 指向圓心的徑向壓力，同時油被密封圈封住不往外泄露；在浮環與轉子之間設計能產生密封油膜的小間 隙，油介質在旋轉接頭運轉過程中會滲入間隙內并產 生承載油膜，從而形成對浮環內環面的背離圓心的徑向壓力。浮環在內外環面油膜壓力和密封圈彈性支撐作用下受力平衡，轉子在油膜力和不平衡力作用下 受力平衡，浮環通過油膜壓力和密封圈支撐力的動態 調整與轉子保持同心，而介質則被油膜封住不外泄， 如圖 2 所示。

圖 1 間隙密封旋轉接頭結構

 

 

圖 2 間隙密封旋轉接頭工作原理

2動力學建模

建立包含轉子、浮環、密封圈和油膜在內的非接 觸式間隙密封旋轉接頭物理模型，如圖 3 所示。

圖 3 旋轉接頭物理模型

假設轉子為剛體，且受到自身重力、不平衡力和油膜力的共同作用。假設浮環為剛體，且受到自身重力、油膜力和密封圈支撐力的作用，浮環與殼體之間的密封圈等效為彈簧阻尼器。

3結論

德威邇旋轉接頭建立了考慮非線性油膜力、轉子旋轉運動和浮環振動在內的系統動力學模型，并通過數值仿真分 析了油膜間隙、轉速、密封圈剛度等因素對轉子和浮 環運動狀態的影響規律，獲得了對旋轉接頭設計和關 鍵參數確定具有指導意義的結論。

1）不同間隙下轉子的運動形態和幅值不同，間隙越大轉子運動幅值越大，轉子與浮環的相對運動位移也越大，應選擇較小的間隙以控制轉子的運動幅值和介質泄漏量。

2）轉子和浮環的運動幅值隨著轉速的升高先增大后減小，這一規律為旋轉接頭工作轉速設計提供了理論依據。

3）轉子和浮環的運動幅值隨著密封圈剛度的增大先增大后減小，旋轉接頭設計上應選擇合適的密封圈剛度以減小轉子和浮環的運動幅值