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液压旋转接头_导热油旋转接头_高速高压旋转接头-滕州市鑫宏机械有限公司
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2019旋转接头发展趋势

来源: 浏览次数: 日期:2019-06-26 17:07:25

 

2019旋转接头发展趋势

 

 
 
 
  第一作者简介:朱斌(1968-),男,安徽蚌埠人,高级工程师,主要从事旋转接头和相关机械密封的研发制造及标准化研究,工作于福建省闽旋科技股份有限公司。

  摘 要:介绍了国内外旋转接头的发展史、著名公司典型产品结构及性能特点、应用情况,根据现代科学技术的进步,在总结国内外产品结构和应用情况的基础上,提出了旋转接头的产品结构设计和应用相关材料及智能制造等方面的发展趋势。

  关键词:旋转接头;应用现状;发展趋势;产品结构

  1 概述

  旋转接头是将流体介质由固定管道输送到旋转或摆转一个角度的管道、设备中去的流体动密封装置[1],是机械设备关键的密封基础件。旋转接头1931年由美国Johnson公司研发成功并生产。最早的旋转接头采用填料式密封,用麻绳或石棉绳类的填充物缠绕在旋转轴上,然后用调节压紧填料的压盖来阻止烘缸内的流通介质外泄,达到密封的目的。此种密封结构要定期压紧和不断更换填料,导致设备启停频繁,生产效率不高,后来发明了对磨密封件材料作为旋转接头密封件,进而提高了生产效率。这一时期的旋转接头主要通两种介质,即蒸汽和水。后来导热油加热形式旋转接头的出现,密封件开始使用浸渍石墨材料,用合成树脂浸渍碳石墨材料密封件,机械强度高,密封性能好,但在高温状态下球面与平面结构的碳石墨密封件摩擦磨损会导致浸渍树脂软化,致使密封泄漏,后来出现了金属浸渍石墨、碳化硅、碳化钨、合金等多种密封材料,密封材料逐渐多样化。在产品结构上,相继出现了单通路、双通路以及多通路式旋转接头,平面密封、球面密封、柱面弹性体密封、迷宫式密封等多种的旋转接头。放眼全球,制造旋转接头的发达国家主要有美国、德国、意大利、日本和法国、韩国等。

伍彩彩票官网  我国于上世纪80年代开始成套引进设备中的旋转接头,主要有通蒸汽的Q型和通水的H型,属于国外早期的产品。借鉴引进的产品技术,80年代后期以张家鑫为主的老一代科技工作者编写了《旋转接头》一书[2],科技带动了山东滕州地区旋转接头生产规模的发展,国内产品多应用于线速度在450~700m/min之间,幅宽5m以下的低速造纸机蒸汽接头和钢铁厂方坯连铸机冷却水接头以及部分印染、纺织设备用接头,当时产品技术含量低,可靠性差,缺乏自主知识产权,多以价格竞争为主,大多数行业的中高端旋转接头仍然依靠进口。21世纪以来,随着机械科学技术的发展,市场空间的扩大,中国旋转接头在结构、型式、品种、质量、标准等方面都有了创新性的发展[3],结构设计水平、制造技术和生产工艺及产品质量、检测仪器设备均得到了提高,大中型企业更加注重产品开发、制造设备实力增强,同时引进较先进的加工中心等数控设备,自动化生产程度以及加工精度明显提高,产品质量和产量有了显著提升,应用范围逐渐渗入到三十多个行业的近千种设备中,从而减少了对进口旋转接头的依赖性。同时规范了行业技术标准JB/T 8725-2013,在注重产品质量、技术、标准化、安全生产的同时,也注意到了高性能产品的创新发展,据不完全统计,国内旋转接头现有发明专利76项。

  2 著名公司典型产品结构及性能特点

  旋转接头发展至今,已形成一批知名度较高的旋转接头制造企业,例如美国Deublin、Kadant,德国Maier,日本昭和、韩国Rmkorea等,他们产品的典型结构及性能特点如下:

  (1)美国Deublin产品系列通用性好,密封结构采用硬密封材质及双密封组合设计,抗摩擦磨损性能好,使用寿命长。高速系列产品最大转速可达46000r/min,适用于空气、水等介质;高温系列产品最高温度可达450℃;高压系列产品压力可达450bar。产品型号已达7000多种,适用于机床加工中心、冶金、造纸-印刷-包装-纺织、半导体IC-风力发电-太阳能-光伏、橡胶-塑料-轮胎、汽车、机械工程、石油机械等行业的发展需要。其典型产品见图1。

  图1 美国Deublin旋转接头典型产品

伍彩彩票官网  (2)Kadant研发的蒸汽旋转接头设计独特、采用先进的密封结构形式,并配套有虹吸器;烘缸内壁上安装有扰流棒,能够降低形成水环的临界转速;运用过程中采用计算机监控软件进行实时监控;先进的密封技术以及蒸汽冷凝水控制系统能够很好的排除冷凝水。总体来说,Kadant不仅研制旋转接头,还为食品干燥行业和其他加工制造行业提供基于先进流体技术的系统[3]。所研发的PTX高速旋转接头和CSS悬臂固定式虹吸器,不仅能满足更高的工作压力和线速度要求,还能避免因烘缸轴颈的热膨胀现象造成的危害。密封环的平衡式密封设计减少了密封环的磨损,是高速造纸机的首选配套产品。其典型产品见图2。

 

  图2 Kadant PTX高速旋转接头和CSS悬臂固定式虹吸器典型产品

  (3)德国Maier主要生产高温导热油类高端产品,其旋转接头构造复杂,加工精度高,使用寿命长,产品尺寸范围广(DN3~500mm)[4],输送介质多为:水、蒸汽(250℃内)、导热油(400℃内)、液压油(350bar内)、压缩空气(40bar内)和真空等[3]。其中典型的 DQ 系列导热油最高温度可达400℃,旋转速度可达2000r/min的工况,广泛应用于如喷涂、压模、纸张、纺织等行业的干燥和旋转反应器,在一些化学反应的过程中,如果热油进入与空气中的氧气接触后,热油和油蒸汽的散发会损坏密封层,而DQ系列设计有冷却循环单元,能够隔绝空气中的氧气,避免发生氧化反应造成结焦,并保证轴承和密封件换热和润滑,起到很好的冷却效果,总体设计结构先进,具有低摩擦转矩、容易维修和维护的特点。其典型产品见图3。

 

  图3 德国Maier DQ典型产品

  国内制造旋转接头的企业主要有:江苏腾旋、福建闽旋、滕州天旋、滕州亚东、台湾杨桄等公司。典型结构及性能特点如下:

  (1)江苏腾旋,引进国外人才和技术,研发团队实力雄厚,一直在造纸生产线、冶金、工程机械领域占据主要地位;同时在原有产品的基础上新推出了太阳能节热器用旋转接头、盾构机用中央回转接头、高速G系列旋转接头、军工用旋转接头等,产品形式多样,密封性能稳定,应用领域广阔,在国内外均占有一定的市场份额,处于行业领先地位。其新品见图4。

  (2)福建闽旋,对不同形式的旋转接头均有研究,可提供大多数行业所需旋转接头及其配套的相关产品,

 

  图4 江苏腾旋重点新产品

  所研发的高温导热油旋转接头最高温度350℃,最大转速可达3000r/min,同时研发了集温度、压力、转速、泄漏量、同轴度的检测设备,再现用户设备的实际工况模拟试验,对各种高温高速、瞬间温差及压差产生的变化进行实时监测。近几年,又相继研发了高温、高速、高压旋转接头检测设备,以满足各种高温高速高压等不同工况的测试需要,并且在冲床、深孔加工及自动化控制、玻璃、塑料、包装、合成革等机械行业的旋转密封技术上有了新突破。产品技术、标准等方面也做到了同步提升。典型产品见图5。

 

  图5 福建闽旋重点产品

伍彩彩票官网  (3)滕州亚东,应用于化工设备PT项目的超大型旋转接头接口尺寸可达28英寸,工作介质为过热蒸汽,温度为300℃,压力2.8MPa,同时对旋转接头整体材质及加工工艺都提出了更高的要求。

伍彩彩票官网  国内其余旋转接头企业技术和主营业务领域不一、各有侧重,例如,有的以高温系列产品为主;有的以高转速旋转接头为主要产品;还有的侧重于钢铁、工程机械、橡塑、纺织印染等各行业专用的旋转接头产品,以生产D型、梅花型、H型、埋入式等产品为主,产品种类多,价格不等,可满足不同用户生产设备的需求。

  总体来说,我国旋转接头行业经过三十多年的发展,目前品种规格较为齐全,基本可以满足我国各种装备的需求,具有一定的国际竞争力。但是目前国内旋转接头生产企业中小型居多,只有少数企业能生产高参数旋转接头。虽然国内旋转接头产品正在直趋迈向国际高端市场,然而与发达国家先进的旋转接头产品比较仍有一定的差距,主要表现在:①结构设计的合理性和稳定性;②密封材料优于国产;③加工设备和加工技术先进于我国;④基础材料和热处理工艺技术能够稳定产品质量等方面[3]。

  3 国内外旋转接头的应用现状

  旋转接头标准内涵中:凡是用蒸汽、水、油、煤气、空气、盐水、氨等气体和液体用于加热、干燥和冷却的圆筒形、鼓形、圆台形、球形转动设备和往复运动或摆(转)动任意一个角度的设备,以及用于夹紧、制动、抓牢的气、液动有关设备均可配用旋转接头。如今,旋转接头是跨行业最多的产品之一,但是我国旋转接头结构设计、构件材料及材料性能等方面的多学科知识综合利用理论研究和应用研究较发达国家的技术水平有明显的差距,因此也导致了产品应用领域使用效果和工作寿命的差别,发达国家旋转接头的使用寿命根据不同工况使用要求分等级为1、2、3、5年,而国产旋转接头的使用寿命要求为1年或2年。例如国内的BOPP薄膜行业,2008年之后国内BOPP迎来了发展高峰,新增计划多采用德国布鲁克纳BOPP生产线为主,生产线最大速度可达550m/min,工作宽度达10.4m,但其所配套的旋转接头主要以美国Deublin为主,且占据了国内市场的绝对份额,纸板生产线、高速造纸机则主要配套以Kadant的旋转接头为主。

  近年来,工程机械、风力发电、橡塑、机床以及食品等行业发展迅速,给旋转接头带来了广阔的发展空间,而传统性的钢铁、制革、造纸等基础性行业,由于产能升级以及节能降耗等要求,有大量生产线需要升级改造,也为旋转接头企业带来新的市场机会。根据旋转接头目前的应用现状主要可分为两大类:

  (1)原始机械生产设备的配套或整体技术方案供应商,即为造纸机械、纸加工及纸箱机械、纺织机械、化纤机械、钢铁设备、橡塑机械、印刷机械、食品与加工机械、工程机械、太阳能芯片材料机械、其它轻工及化工机械、风力发电及机床行业等设备制造商提供产品配套业务,或根据其设备的技术参数,参与或共同开发达到该设备技术要求的旋转接头及其相关产品;

  (2)终端生产企业的设备技术改造或维修市场,即为这些设备的最终产品制造商提供产品及技术支持。

  从以上市场分析,国际上以美国Deublin、Kadant、德国Maier为代表的外资或合资企业,这些企业生产旋转接头的历史悠久,占据了国内造纸、钢铁等高端市场的较大份额。二是以江苏腾旋、福建闽旋、滕州天旋、滕州亚东、滕州宇航、滕州力得、台湾杨桄等为代表的中国本土企业,目前这些企业的下游客户主要集中在造纸、包装、钢铁、工程机械、橡塑、印染、无纺布、化工、机床、食品和药品等行业,国内大型钢铁、造纸、轻工、机械制造等企业对旋转接头质量要求很高,目前国内旋转接头企业占领高端市场的份额较少,但是相关企业正创新产品发展,尽快满足高端市场需求。工程机械用旋转接头主要由江阴长龄和日韩等旋转接头企业供货,近年来,江苏腾旋也进军工程机械旋转接头,市场反映效果较好。其余大部分国内旋转接头企业则集中在橡塑、包装、化工等行业用户产品的制造与研发。

  旋转接头结构中使用多种金属材料,不仅结构本体是金属材料制造而且金属也作为密封构件的一部分,如壳体、旋转轴、弹簧等等,常用的金属材料主要有:①不锈钢②优质碳素钢③合金钢④铜合金⑤铝合金⑥铸铁⑦铸钢⑧镍基耐蚀合金⑨钛⑩锆及锆合金软金属复层材料等。根据不同工况,壳体材料主要选用不锈钢、优质碳素钢、合金钢、铜合金、铝合金、铸铁、铸钢及特殊工况条件下,选用镍基耐蚀合金钢。旋转轴材料主要选用不锈钢、优质碳素钢、合金钢、铸铁、铸钢、镍基耐蚀合金、钛、锆及锆合金等。弹簧材料主要选用不锈钢、优质碳素钢、合金钢、铜合金、镍基耐蚀合金等[4-6]。其他附件根据实际工况要求作正确选用。

  旋转接头的摩擦副材料有碳石墨、硬质合金、碳化硅、氮化硅、氧化铝、铜合金、球墨铸铁、合金钢、填充聚四氟乙烯、氧化铬、陶瓷、工程塑料等。碳石墨是旋转接头常用的密封材料之一,采用它与其他硬质材料配对是旋转接头、机械密封中理想的摩擦副材料。机械用碳是高技术含量材料,但属于小品种,我国缺乏创造性的技术发展,仍处于落后的生产模式,生产中所用原材料、磨粉粒度、配料技术水平、压制焙烧工艺及设备、毛坯密度,在浸渍材料质量标准要求、工艺产品加工设备、工艺粉尘处理等方面较发达国家先进水平有较大差距,已成为碳密封材料基础产品的薄弱环节[7-9]。目前,重要设备所用高端机械用碳石墨材料主要由德国西格里、逊克、英国摩根、日本东洋等公司提供。

  旋转接头密封圈(垫)等常用的橡塑材料有:氟橡胶、全氟醚橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氢化丁腈橡胶、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯等[10-14]。对高温高压及特殊工况条件用的橡塑密封件建议选择全氟醚橡胶、氟化乙丙橡胶、聚四氟乙烯、聚醚醚酮等符合实际工况要求的橡胶、塑料品种及其复合结构的橡塑产品。

  经过对国内外旋转接头的应用现状分析,我们认为除较发达国家应用基础理论研究和应用技术研究水平差距外,其应用的金属材料和对磨副材料也有一定的差距,其中最薄弱的环节是金属材料的表面强化技术和碳石墨材料的落后生产工艺、产品的精加工水平及相关的技术标准没有达到国外先进水平、设备后处理的材料及工艺等。

  4 发展趋势

  针对我国当前旋转接头产品技术水平落后于美、德、日等发达国家的现状,紧紧围绕国家经济建设急需的机械设备和工艺并结合行业优势,从基础研究和应用研究方面开展研发工作,以期在较短的时间内提升研发水平,研发具有知识产权的高新产品。利用现代科学技术知识发展前沿的物理、化学、力学、材料学、结构学、摩擦磨损学、润滑学、传热学等多学科的理论基础来研究旋转接头的新结构、密封、失效泄漏与寿命、安全、节能、环保要求,并利用现代数值模拟仿真技术及试验结果指导结构设计,以实现旋转接头工作的高稳定性、高可靠性、长寿命使用的愿望。为此提出旋转接头发展趋势如下:

伍彩彩票官网  4.1 旋转接头结构发展趋势[14]

  目前旋转接头结构设计以平面、球面、柱面弹性体密封相结合的新的结构形式出现,从传统单一球面设计到双球面密封的创新形式,可实现设备旋转轴与旋转接头旋转轴同心度的相适应调节,并增强稳定性;多弹簧结构形式可使弹簧弹力、压力分布均匀,保证密封面得到稳定的补偿效果;而反球面结构形式设计则在增强稳定性的同时也能够使旋转接头承受更高的转速;高温旋转接头增加冷却系统单元以使高温状态下旋转接头能通过自循环冷却功能达到降温的效果,从而提高了旋转接头的使用寿命和安全系数,避免了安全事故发生的可能。除以上结构形式变化之外,油电、气电、水电互换等多用途形式以及结构轻便化、紧凑美观是未来旋转接头的发展趋势。

  4.2 旋转接头用材料发展趋势

  材料是产品的基石,决定了产品的技术发展和质量水平。旋转接头制造商应与相关单位密切合作开展各部件用金属材料、碳石墨材料、橡胶材料、塑料、陶瓷(氧化物、氮化物、碳化物、锆化物)材料、组合填料(橡胶、塑料、金属)等绿色环保材料的性能研究,并做到配对合理、物美价廉。当前旋转接头产品最关键的环节是密封材料的选择。希望有关企业能尽快提供如:碳化物陶瓷(SiC、TiC、WC、ZrC)、碳化钨炭炭高性能复合材料等产品,以满足旋转接头的快速发展需要[3]、[15]。

  4。3 高参数旋转接头的发展趋势

  国内高温、高压、高速旋转接头的应用是国民经济发展需要研究的重点, 2016年已列入中国液压气动密封行业“十三五”发展规划。其中“两高”或“三高”技术一体化,将成为高参数旋转接头的发展趋势。

伍彩彩票官网  4.4 智能制造旋转接头发展趋势[16-17]

  以自动化、智能化提高旋转接头制造和应用过程中的技术含量,通过创新结构设计、机械设备和辅助设计自动化、智能化元素的提高,实现旋转接头在线监测、自动报警等多项技术功能的转换,提升技术含量。随着居民对高新装备的需求以及医疗、健康等行业对旋转接头产品的发展需要,旋转接头自动化和智能化功能技术在未来市场中将具有很高的应用价值。

  4.5 开展石墨烯新材料在旋转接头中的应用研究[18-20]

  石墨烯是最新发展的新型碳基材料,指的是单层石墨薄片,其厚度为0。34nm,约为头发丝的二十万分之一,石墨烯片层中每个碳原子以SP2杂化的方式与周围碳原子形成正方形碳环结构,具有蜂窝状结晶特性,是目前已知的最薄、最硬、最具有韧性的材料,其表面积大、良好的光学性能、杨氏模量和断裂强度高,面内导电能力和导热性能优异,有着奇特的电学、光学和力学性能,是21世纪开发应用的最具前景的功能新材料。石墨烯及其衍生物材料用作纳米填料性能出色有着广泛的高性能应用价值。橡胶、塑料、碳石墨等多种材料和产品科学合理使用,都有一定功能性作用。开展石墨烯材料在碳石墨产品中的应用研究,将会为高性能碳石墨制品的应用提供突破性的技术进展。目前,成都中超碳素科技有限公司正联合相关企业开展这方面的性能研究和应用工作。

  5 展望

  制造业是一个国家的“兴国之器”、“强国之基”,在日新月异的时代发展背景下,中国已成为新世纪的“世界工厂”。“大众创业,万众创新”、“一带一路”及“互联网+”,标志着经济建设已进入新时代。与此同时,围绕集成化、数字化、智能化为方向,一场以材料、信息、能源、节能、环保、生物、服务等为代表的科技革命和产业革命正在轰轰烈烈地展开。制造业面临着前所未有的机遇,也面临着生死存亡的挑战。我们必须紧跟时代步伐,不断“引进、吸收、再创造”,不断提高企业的加工制造水平,逐渐建立起信息化制造系统,用柔性制造系统替代刚性制造系统,提升科技创新水平。

  我们倡议,在中国液压气动密封件工业协会指导协调下,贯彻落实国家有关产业集群建设发展精神,旋转接头制造、应用、材料、科研、检测等有关企业联手共谋良策,共建创新产品团队,拥有了优秀的人才团队,就能占据该领域的制高点,就能迎来新市场、新商机,就可以用新理论、新技术、新工艺、新模式,共创中华民族旋转接头的产业品牌,共赢创新带来的品牌产品成果和红利。

  参考文献

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  该文刊登于我刊2018年第12期 www.kangaguru.com


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