CN1082643C - 用于高压和高相对转速的旋转接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将加压工作流体从静止机器零件转送入转动机器零件中或反之的旋转接头，它具有一个外壳(11)、一轴(2)、至少一个装在外壳(11)内的衬套(3)，轴突入外壳(11)中并有选择地穿过所述外壳，衬套密封地套在轴上并密封地安装在外壳内。衬套(3)内表面和轴的基准面具有相对滑动的密封面(28，38)，衬套(3)有三个通过环行于轴的基准面上的和/或衬套(3)内表面上的环形槽(32)而与轴的径向孔(23)相连的孔(31)。根据本发明，衬套(3)有一个由入流孔(1)分开的径向孔(5)，径向孔通向设置在衬套(3)内表面上和/或在轴(2)的外表面上的溢流槽(34)，此溢流槽中可输入加压流体。

Description

用于高压和高相对转速的旋转接头

本发明涉及一种将加压工作流体从一个静止机器零件转送入一个转动机器零件中和/或反之的旋转接头，它具有一个配属于该静止机器零件的外壳、一根配属于该转动机器零件的轴、至少一个装在此外壳内的衬套，所述轴突入外壳中并有选择地穿过所述外壳，所述衬套密封地套在轴上且密封地安装在外壳内，而且该衬套可径向地弹性移动。其中，该衬套内表面和该轴外表面具有相对滑动的密封面，该衬套至少有三个通过环行于轴外表面上和/或衬套内表面上的环形槽而与至少一个轴径向孔相连的孔，以便穿过衬套将加压工作流体转送入一个轴向延伸于轴内的流体导槽中，所述导槽与所述轴径向孔相连。

例如，从德国公开说明书DE-3806931中公开了这种旋转接头。在已知的旋转接头中，对带径向缝隙的旋转接头进行改进，以使旋转接头在所有工作条件下、特别是在高速及高压下都能绝对可靠地工作并使旋转接头表现出尽可能低的泄漏程度。这是通过径向可移动地安装衬套而实现的。因此，在滑动密封面间未发生过大摩擦的情况下，补偿了制造公差、以及可能的振动或距两个滑动密封面的同心位置的偏差。尽管密封地且径向弹性地安装在外壳内的衬套的介入可增大转速和/或旋转接头的直径而不造成过量泄漏损失，但旋转接头在许多应用情况下仍然是受转速和/或轴径限制的部件。在已知的解决方案中，特别是当工作压力不定(确切地说是在最大值和最小值之间变化)时，不可能同时在不卡死且低泄漏速率的情况下获得可靠且低摩擦的工作状态。因此，在某些情况下，有将相应的旋转接头重新安装到轴延伸端部上的趋势，而所述延伸端部例如不传递转矩且只轻微受力并可相应地具有递减直径。但接着出现了适当地确定轴向延伸于轴中的导槽位置的问题或有效地连接轴向延伸于轴延伸部分内的槽段的问题。实际上，轴或转动机器零件由此变得更复杂。另外，经常需要在直径相应较大的转矩传递轴部中进行工作流体传送工作。

在这种旋转接头中，所谓的在轴和衬套间的滑动密封面并不是为了现有的相对摩擦滑动而设置的，而是如果可能的话，在这些假想同心的圆柱形密封面之间形成一个很小但均匀的缝隙，工作流体或润滑剂流过此间隙并在此间隙中流过尽可能少的溢出流体。但是，间隙越小，越可能出现轴与衬套直接接触的情况，更糟糕的是，轴与衬套卡死了。另一方面，特别是在高压和大轴径的情况下，缝隙越宽，溢流损失越严重，而这种损失是不可再容忍的了。

对照这种现有技术，本发明的目的是提供一种具有上述特征的旋转接头，它允许进一步增大轴径并加快相对滑动面的相对滑动和/或加大工作流体输送压力特别是变化的流体输送压力。

如此解决上述发明目的，即这样地设置一个溢流机构：衬套至少具有一个由入流孔分开的径向孔，此径向孔通向一条设置在衬套内表面和/或在轴外表面上的溢流槽并与经此入流孔输送工作流体无关地承受流体压力。

此外在本说明书中，工作流体是指用于各种目的的流体如高压油、冲洗介质、水或压缩空气。在这里，术语“工作流体”实质上是用于与溢出流体相互区别，但溢出流体可以和工作流体相同。从普通意义上讲，轴不必是一个转矩传递部件，而在此说明书中轴只是指一个旋转的圆柱形机器零件。此外，还可以掉换转动机器零件和静止机器零件所扮演的角色，从而轴将变成静止机器零件。

在这种旋转接头中，所谓的滑动密封面不是为了现有的相对摩擦滑动而设置的，而是如果可能的话，在这些假想同心的圆柱形密封面之间形成一个很小但均匀的缝隙，工作流体或润滑剂流过此间隙并在此间隙中流过尽可能少的溢出流体。但间隙越小，就越可能出现轴与衬套直接接触的情况，而更糟糕的是，轴与衬套卡死了。另一方面，特别是在高压和大轴径的情况下，缝隙越宽，则溢流损失越严重，而这种损失是无法再容忍的了。

与将工作流体输入轴中无关地在压力下给成型于衬套内表面和轴外表面间的压力腔供应流体。所述压力腔确保了一定的衬套膨胀并在未供应工作流体或在高压下供应流体的情况下降低了相对滑动的密封面之间的接触压力和摩擦力。在常见的旋转接头中尤其存在这样一个问题，即尽管在滑动密封面之间的摩擦在输送工作流体时还是可以接受的而同时所产生的摩擦热的一部分被工作流体带走，但如果中断工作流体的输送或显著降低工作流体压力，则摩擦和产生的摩擦热很快增加。但在许多应用情况下，工作流体的输送只是在某些通常短的期间内进行的，此时转动机器零件继续定速转动而滑动密封面相互摩擦。

由于在压力下独立地将流体送入以切口或槽的形式开设于一个或两个滑动密封面上的溢流腔中，所以不仅在滑动密封面之间永久地留有润滑膜，而且出现于溢流腔中和相邻滑动密封面之间的压力使衬套略微膨胀并使滑动密封面分开，从而滑动密封面几乎不接触，从而显著降低了摩擦和由此产生的摩擦热。就象在常见的旋转接头中那样，渗入滑动密封面间的流体在衬套外沿轴向被收集到为此而设的溢流贮藏腔中并被返回到排漏槽等中。与已知的旋转接头相比，可以制造出紧配合的衬套，这是因为供给溢流腔的流体抑制或减轻了衬套和转动机器零件间的摩擦。因此，即使在高压、轴直径较大和/或滑动面间的相对转速较高的情况下，泄漏损失也被降低到了可接受的程度。在可能的范围内，采用也用作工作流体的流体作为溢出流体是合适的。这特别适用于有润滑剂性能的流体。

在本发明的第一实施方式中，溢流腔被设计成一条环形槽。确切地说，它是开设在轴外表面或圆周面上的环形槽或优选地开设在衬套内表面上的环形槽。在此溢流腔中，出现在外周上的均匀压力确保了衬套均匀膨胀(如果膨胀很小的话)并在轴和衬套之间产生一定的对中效果，这也许和转轴使流出溢流槽而沿轴和衬套件的滑动密封面流入密封间隙中和/或宽缝隙中的流体的压力因泄漏而下降更快的事实有关。由此产生的压力分布具有使形成缝隙的轴和衬套的密封面对中的作用。

在本发明的另一个优选实施方式中，溢流槽被分成若干独立槽段，即设有若干溢出流体所用的径向入流孔，这些槽段分别与分布在一段外周上的各自的溢流腔或槽相通。最好设置至少三个这样的溢流腔，这些溢流腔的中心彼此间相互错开120度角并占据了例如约100或110度角的外周扇形段，而其余的外周段将各溢流腔隔断开。与此相似的，可使四个或四个以上的相同腔绕轴的外周均匀地分段分散开。分段式槽段偶尔也可以设置成位于衬套内表面的滑动密封面上和/或在轴的外表面上的切口。

就此而论，一个非常有效的旋转接头实施例是这样的，每条工作流体入流槽最好是径向的入流槽并具有一个节流阀，此节流阀是如此设置的，即溢出流体的输送极大程度地受到此节流阀的限制并且如果与溢出流体输入槽段相邻的、在滑动密封面间的密封间隙最宽，则与在节流阀上游的输入压力有关的压力积累发生在此槽段中；如果密封间隙最窄，则在相应槽段中的压力相应地较大。这样一来，利用节流阀确保了对在衬套中转动的轴产生良好的对中作用，这是因为在轴更紧密地靠在衬套的滑动密封面上的且潜在的较大的摩擦和摩擦热出现的位置上，分布在这一侧的槽段中的压力高于其它槽段中的压力，此压力迫使衬套远离轴侧。邻近其它槽段的密封间隙由此变窄，从而在那里也造成压力上升，于是在转轴的情况下，最后出现了动态平衡，轴也得到最佳对中且轴相对衬套的滑动密封面具有最小摩擦。

溢流槽或槽段最好成对地设置并在为工作流体配置的径向孔的两侧沿轴向开设于衬套和/或轴的滑动密封面上。

另外，退耦槽也开设在位于溢流槽或槽段和工作流体入流孔或入流槽之间的、最好是衬套的滑动密封面上，所述退耦槽与排漏槽或排漏口相通并确保了加压工作流体不经过密封间隙而渗入溢流机构的槽或槽段中。由此抑制或减弱了溢流槽的对中作用。退耦槽保证了在溢流机构的槽或槽段与退耦槽之间总存在压差，即相对溢流腔有压差。压差越大，密封面间的密封间隙在各槽段和溢流槽间的区域内越小。否则，由密封间隙形成的与工作流体压力的联系将减弱槽段的对中作用。从工作流体入流孔或入流槽中漏出而流向溢流槽的工作流体可被退耦槽收集并被送向溢流贮藏腔。否则，通过密封间隙形成的与工作流体压力的联系可能不利于槽段的对中作用。

退耦槽显然最好也成对地设置并将工作流体槽与溢流槽或槽段分开。

溢出流体的压力源原则上就是工作流体的压力源。与此相应的是，工作流体和溢出流体最好也一样。因此利用阀确保了不会中断向工作流体孔或槽输送流体，而与此同时在进行着向溢流槽或槽段的输送。必要的话，当转动机器零件静止时停止这种输送。

但是，为溢出流体配备一个独立压力源也许是适当的，特别是当工作流体的压力源不是设计用于稳定压力时或工作流体压力源是变化的或希望实现对溢流槽中压力的独立控制时，上述设计方案是适当的。

根据以下对优选实施方式的描述和所属附图，本发明的其它优点、特征和可能应用情况将变得清楚。其中：

图1出了本发明的一个完整旋转接头的含轴纵截面；

图2出了一个仅穿过一个衬套的轴向纵截面，图2比图1更具体；

图3出了一个穿过一垂直于其轴且在一个具有溢流槽的平面内的衬套的横截面。

图1出了一个静止机器零件1和一个轴形转动机器零件2。静止机器零件1主要由一个开有径向孔12、14和轴向孔13的外壳11构成，其中在所示横截面外开设有其它径向和轴向孔。外壳11还装有两个滑接衬套3、3’，所述衬套径向间隙很小地安装在外壳内并通过弹性O形密封圈6大致对中且密封地固定在外壳11中，但在O形圈轻微变形的情况下，衬套可径向地弹性移动。O形圈被安装在位于外壳11的圆柱形内壁中的相应槽中，但这些槽可以开设在衬套外表面上。

衬套3、3’通过一个未进一步示出的、在衬套之间向内凸出的突起和另外两个也未进一步示出的防护环而被固定在其轴向位置上。还在衬套外轴向地装有两个球轴承4，所述球轴承首先可以承受径向力，但也可以承受轴向力。两个利用弹性密封唇的滑动密封结构在径向上封闭了旋转接头，所述密封唇只用较小的力压靠在轴2表面上并由此未导致严重摩擦和大量摩擦热。

外壳11的径向孔12、14和衬套3、3’的径向孔31分别在外壳内侧以及衬套外侧和内侧与环形槽32、33相通，从而可以与外壳径向孔14、31的相对位置无关地通过这些孔和槽输送流体。同样可以通过槽32将流体从孔31中转送入轴2的径向孔和轴向孔22、23中，而这不由其在外周方向上的位置决定。

在工作流体的输送方面并根据迄今所述的全部特征，这两个衬套3、3’是完全相同的。但是，衬套3因有溢流机构而与衬套3’不同，此溢流机构由在衬套3中的槽34和附加的径向孔5构成，利用此溢流机构输送加压溢出流体。不言而喻的是，衬套3’也可以配有相应的溢流机构，但在某些情况下，即例如如果要在或必须在大大低于通过衬套3输送的工作流体(如液压油)的压力下传送经过孔12、31和衬套3’送至的工作流体(如作为冲洗介质的水)，则衬套3带溢流机构而衬套3’不带溢流机构的组合方案是适用的。即在这种情况下，在所述区域中间隙略大地形成了在衬套3’即其圆柱面38和轴2外表面28之间的滑动密封面，这是因为由于待输送流体的压力较低且在密封间隙较大的情况下只流走了少量泄漏流体，所以在这种情况下，出现的摩擦较轻而摩擦热较少。即使在工作流体压力一直很高的情况下，人们或许也可放弃单独溢流槽方案，这是因为通过渗入密封间隙中的流体具有与由单独的环形溢流槽输入的流体相似的作用。但是，当相对滑动面的转动很快且工作流体压力很高但也可能偶尔有较低值时，即可在高转速轴的情况下或在转速较快的大直径轴的情况下，溢流机构是必需的或至少是适用的，其中向所述轴供应液压油等类似物，液压油偶尔处于高压下但通常或有时也处于很低的压力下。溢出流体通过外壳中的径向孔13和轴向孔12被输给衬套3的径向孔5，其中在径向孔12连通处环绕于外壳11内表面上的槽3也确保了流体与孔5在周向上的定位无关地输送。

溢流孔又在衬套3内侧与环形槽34或槽段相通，其中通过各自的径向入流孔向各槽段供应流体。这种实施方式的其它特点在图2、3中示出了。在图2中，还可以象在图1所示那样(但不带外壳11和轴2)在其截面内看到衬套3，其中，所述截面穿过两个完全相反设置的工作流体入流孔31。入流孔31在衬套3内侧与环形槽32连通，流体可以从此环形槽中转流入图1所示的轴2的径向孔23中。

溢流机构可以在工作流体入流孔和输流槽两侧成对地设置，但在图2中只在右侧注明了标记并随后进行了描述。具体地说，溢流机构是由三个在周向上以120度角间隔地相对错开设置的孔5构成的，所述孔在内侧与槽段34’相通。在各孔5中可装有一个有选择地可调的节流阀机构7。

图3夸大地示出了在轴2的外圆柱面28和衬套3的内圆柱面38之间的密封间隙40。表面28、38实际上密封间隙很紧密地精确配合，但在槽段34’中的压力要顾及到孔3的所需膨胀并避免在表面24、38之间的摩擦接触。这是溢流机构的真实目的所在，其中即使在用唯一一个环形槽来取代许多槽段34’的情况下，溢流作用和降低摩擦也是显而易见的，与所述单个环形槽相应的是，只须设置一个入流孔5。于是也可以省去节流阀机构7。

三个槽段34’或在压力下输入其中的溢出流体还对轴2产生对中作用。不言而喻，分别如此调节节流阀机构7，即当在径向上与有关槽段34’相邻的密封间隙因轴径向移动而扩大时，因流体通过密封间隙40流走，所以在腔34’中出现明显压降。相反，如果在利用已有径向间隙的情况下，轴2移向槽段34’，则与此相应的少量溢出流体经密封间隙40漏走，在压力下经节流阀机构7补流入流体提高了在槽段34’中的压力，直到通过密封间隙流走的流体与经节流阀机构7补入的流体之间平衡为止。如果在其中一个槽段34’中的压力与另两个槽段34’成比例地增大，则在先述槽段34中的高压确保了轴2径向移向中心。于是，在先述槽段34’中的压力下降而在其它两个槽段34’中的压力上升并最终调至平衡，此时轴2得到最佳对中。尽管轴2可能略微绕标准对中位置摆动和振动，但通过这种对中作用整体降低了在表面28、38之间出现的摩擦。

另一个未在图1中示出的衬套3特征是设有一对退耦槽36，其中，在图2中仅用标记示出了图右侧的退耦槽并对其进行了描述。衬套3左侧结构与右侧结构成镜象对称。开设于衬套3内表面上的且具体地将作为切口设置在密封面38上的退耦槽36沿轴向设置在工作流体输流槽32和溢出流体槽段34’之间。退耦槽36与在衬套3内的轴向和径向延伸孔或导槽37连通，所述孔或导槽37通向图1所示的溢流贮藏腔26’，此溢流贮藏腔通过外壳1中的孔26通向排漏槽8。

如图2所示，溢出流体遍及约2/3的衬套3的滑动密封面38，溢出流体从槽段34’开始经过退耦槽36或经过衬套3端面而泄漏到溢流贮藏腔26’中。人们由此近似地假设，压力随着溢出流体从槽段34’转流向退耦槽36或槽3的自由端面而大致与距槽段34’间距成线性地下降，而在槽34或34’区域内表现为最高压力。在中部，约高于出现在槽段34’中的一半压力的压力作用于受溢出流体冲击的表面上。当通过孔31和输流槽32输入补充工作流体时，此工作流体的溢流通过位于表面38和轴之间的密封间隙而流向退耦槽36。这还有助于表面在滑动密封面38、24之间产生摩擦，其中由槽段34’和相邻的密封间隙40部分施加的压力还产生了对中轴2的作用。利用这样的设计结构，旋转接头就可以在转数或连接半径大以及传输压力非常高的情况下工作，而不会出现在密封间隙40中的工作流体过量损失现象。利用独立退耦槽或槽段的本发明的设计方案的效果是，公差较小的衬套可紧套在轴外周上，于是即使在传输压力高的情况下，也会使溢流量最小。同时，溢流机构仍然有助于避免出现过大的摩擦或摩擦热。显然，额外的减摩效果也可以通过传统措施如特殊的滑动面涂层而获得。因此，例如轴的外表面可涂有陶瓷层，而衬套内表面可特别地加衬有一层光滑的合金。

Claims (8)

1.一种用于将加压工作流体从一个静止机器零件(1)转送入一个转动机器零件(2)中和/或反之的旋转接头，它具有一个配属于静止机器零件(1)的外壳(11)、一个配属于转动机器零件的轴(2)、至少一个装在外壳(11)内的衬套(3)，所述轴突入外壳(11)中并有选择地穿过所述外壳，所述衬套密封地套在轴(2)上并密封地安装在外壳(11)内，该衬套可径向弹性移动地，其中，衬套(3)内表面和轴(2)的外表面具有相对滑动的密封面(28，38)，衬套(3)至少有一个通过环行于轴(2)的外表面上的和/或衬套(3)内表面上的环形槽(32)而与至少一个轴(2)的径向孔(23)相连的孔(31)，以便穿过衬套(3)将加压工作流体转送入一个轴向延伸于轴(2)内的流体导槽(22)，所述导槽与轴(2)的径向孔(23)相连，其特征在于，如此设置一个溢流机构，即衬套(3)至少具有一个由入流孔(31)分开的径向孔(5)，此径向孔通向一条设置在衬套(3)内表面上和/或在轴(2)的外表面上的溢流槽(34)且此溢流槽中可流入加压流体。

2.如权利要求1所述的旋转接头，其特征在于，将所述溢流槽设计成一条最好在衬套(3)内表面上的环形槽(34)。

3.如权利要求1或2所述的旋转接头，其特征在于，所述溢流机构具有许多径向孔(5)，它们分布在不同的外周位置上并分别与一个分布于外周段上的腔相通。

4.如权利要求3所述的旋转接头，其特征在于，在各腔(34’)的流体输入槽中设有一个节流阀机构(7)。

5.如权利要求2所述的旋转接头，其特征在于，沿轴向在为工作流体配置的径向孔(31)的两侧分别设有一个溢流机构。

6.如权利要求1所述的旋转接头，其特征在于，在溢流机构和工作流体输入槽(31、32)之间，在滑动密封区内设有一条环行退耦槽(36)，此退耦槽向外开口或通过孔(37)与溢流贮藏腔(8)相通。

7.如权利要求1所述的旋转接头，其特征在于，溢流腔接受为输入工作流体而设的同一压力源的供应。

8.如权利要求1所述的旋转接头，其特征在于，给溢流机构配有一个独立的压力源，此压力源最好输入与也供给工作流体入流孔(31)的工作流体相同的工作流体。

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