关于液压缸内泄漏的原因分析及理论研究.pdf

Hy dr a ul i c s Pne u ma t i c s Se a l s ／ No． 03．20 1 5 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 8 关于液压缸 内泄漏的原 因分析及理论研究 生 敏 ， 尹立松， 范华志， 李永奇 徐州徐工液压件有限公司 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 4 摘 要 液压缸是液压系统的重要组成部分， 是其主要的执行元件之一， 因其结构简单， 工作可靠 ， 在现代化大型机械系统中得到了非 常广泛的应用。而对于液压缸来说， 其质量的好坏又直接影响着整机的工作效率， 同时内泄漏又是其最突出的质量问题 ， 至今仍没有 得到很好的解决， 因此该文将针对液压缸内泄漏问题 ， 从泄漏原因、 理论计算两方面再结合间隙式活塞密封结构， 进行分析与研究， 并 提出相应的措施。其思路和方法可以为分析其他类密封结构的液压缸提供一定的借鉴， 同时也可以为液压缸的间隙设计和实际使用 提供一定的参考依据。 关键词 液压缸； 内泄漏； 原因分析； 理论研究 中图分类 号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 6 1 0 3 On t h e Hyd r a u l i c Cy l i n d e r I n t e r n a l Le a k a g e Re a s o n Ana l y s i s a nd Th e o r e t i c a l Re s e a r c h S HE NG Mi n ， Y I N Li s o n g , F AN Hu a - z h L L 1 Y o n g - q i XC MG Hy d r a u l i c s C o ． 。 L t d ． ， X u z h o u 2 2 1 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s a n i mp o r t ant p a r t o ft h e h y dra u l i c s y s t e m， i s o n e o f t h e ma i n a c t u a t o r ． Be c a u s e o fi t s s i mp l e s t r u c t u r e 、 r e 。 l i a b l e wo r k ， i n t h e m o d e rn i z a t i o n o f l a r g e m e c h an i c a l s y s t e m s a r e wi d e l y u s e d ．As f o r h y dr a u l i c c y l i n d e r , i t s q u a l i t y d i r e c t l y i n fl u e n c e s the wo r k i n g e ffi c i e n c y o f th e ma c h i n e ． At th e s a me t i me， i n t e rn a l l e a k a g e i s t h e mo s t o u t s t a n d i n g q u a l i t y p r o b l e m ， s t i l l h a s n o t b e e n s a t i s f a c t o r i - l y r e s o l v e d ． T h i s p a p e r a i me d a t the h y dra u l i c c y l i n d e r i m e ma l l e ak a g e p r o b l e ms ， f r o m l e ak a g e r e a s o n s an d the t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n， c o m‘ b i n e d g a p p i s t o n s e a l s t r u c t u r e ， an a l y s i s an d r e s e ar c h ， an d p u t f o r wa r d th e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e s ． T h e t r a i n o f t h o u g h t a n d me tho d f o r an a l - y s i s o f o the r t y p e s o f s e a l s t m c t u r e o f h y dra u l i c c y l i n d e r t o p r o v i d e a r e f e r e n c e ， b u t a l s o for the c l e a r a n c e o f h y dra u l i c c y l i n d e r d e s i g n an d the a c t u a l u s e o f a r e f e r e n c e ． Ke y wo r d s h y dr a u l i c c y l i n d e r ； i ut e ma l l e a k a g e ； c a u s e a n a l y s i s ； the o r e t i c a l r e s e a r c h 0 引言 随着 国内液压行业的快速发展 ， 作 为液压系统 中 实 现直线往 复运动 的液压缸也 取得 了 良好 的发展 态 势 ， 并 占稳 了一定 的市场 。与此 同时各主要应用机械 对液压缸的性能要求也变得越来越严格 ， 因为其性能 的优劣直接影 响到整机 的使用情况 ， 关系到整机 的工 作可靠性及其市场竞争力。为此 ， 各液压元件生产厂 家对液压缸质量问题 的研究也投入 了越来越多的人力 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 5 作者简介 生敏 1 9 6 5 一 ， 男， 江苏泰州人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 现从事工 程机械 和液压 传动领域 的研究 。 和财力 ， 但作为液压缸主要难题之一 的内泄漏问题 ， 至 今仍是没有得到十分有效的解决。 同时 ， 整个行业对 此方面的探索 ， 也是层 出不穷 ， 针对此种情况， 本文将在此对其产生原因及理论研究 进行一定程度的剖析。 1 内泄漏的危害及产生原因 作为液压 系统 的执行元件 ， 严格控制 内泄漏量对 液压缸使用极其重要， 因为一旦在工作过程中， 液压缸 产生内泄漏情况 如果在伸缩运动过程 中， 轻则会影响 其工作效率， 重则直接导致整机无法正常工作； 而如果 是在保压过程时， 轻则会导致活塞杆缓慢回缩 ， 严重时 [ 6 】 桑建兵 ， 邢素芳 ， 刘宝会 ， 周婧， 卢宸华． 旋转轴唇形密封圈 的有限元分析与仿真[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 5 l 1 8 1 2 1 ． [ 7 】 张唏 ， 任丹丹． 液压支架立柱 Y形密封圈的有限元分析[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 3 ， 6 1 0 1 1 0 3 ． [ 8 ] 纪永超． 钻井稳定器Y形密封圈的数值仿真研究[ J ] ． 液压气 动与密封 ， 2 0 1 1 ， 1 1 1 0 - 1 2 ． 【 9 ] 高伟贤， 邓立营 ， 张瑞临． 盾构机主轴承密封结构研究 矿 山机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 3 2 1 - 2 3 ． 【 1 O ]李兵， 何正嘉 ， 陈雪峰． A N S YS Wo r k b e n c h 设计 、 仿真和优化 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 1 1 1 7 1 3 0 ． [ 1 1 ]左亮 ， 肖绯雄． 橡胶 Mo o n e y R i v l i n 模型材料系数的一种确 定方法[ J ] ． 机械制造， 2 0 0 8 ， 4 6 5 2 7 3 8 - 4 0 ． [ 1 2 ]吴 晓玲 ， 袁丽娟． 密封设计AI - J [ M ] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 1 3 6 7 - 6 9 ． 6 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 5年 第 0 3期 会造成如吊重急落、 主机倾翻等重大事故。 因此有必要对其进行深人 的研究 ， 而影响液压缸 内泄漏的因素是多方面的， 如由于磨损、 变形等造成的 密封间隙的改变 ， 密封件的磨损老化 ， 气体、 水及颗粒 状杂质对液压油的污染 ， 液压缸工作 温度 和密封两端 压力差 的极化 ， 结构设计 的合理程度以及零部件 的加 工装配精度等等。 2 理论分析 在此 ， 以间隙式密封结构 的液压缸为例 。其活塞 与缸筒配合结构如图 1 所示 。 工 l l I 图 1 间隙式活塞 密封 结构 2 ． 1 内泄漏的计算方法 根据流体在环形缝隙中流量 的计算公式 ， 可有 间隙式密封结构液压缸的内泄漏量 9 1 △ p 丁w d u o 1 式 中 d缸筒内径 ； 液压油的动力粘度 ； 活塞密封长度 ； 活塞与缸筒同轴时的单侧间隙值 ； _ 1 扁心 比， 其大小为 e， g 偏心距 ； △ p 密封两端的压力差 ； u 。 活塞与缸筒 的相对速度 ； 当速度方向和压 差方 向相同时， 取“ ” 号 ， 相反时取“ 一 ” 号。 由 1 式分析 ， 易知 ， 对于基本参数 已定 的液压缸 来说， 影响其内泄量的主要因素有间隙 、 液压油动力 粘度 、 压差 以及相对速度 ‰， 其中尤以间隙 影 响最大。 而对于这些变量 ， 本文将从弹性 变形 、 工作温度 、 混人气体 以及液压冲击等方面进行分析 。 2 ． 2 弹性变形对 内泄漏的影响 由于油压的存在 ， 将必然导致缸筒 内径 的变形 ， 从 而将改变密封间隙。假设工作时缸筒只发生弹性变 形 ， 可有如下的分析 假设密封设计间隙为 ， 由于液压缸大多为薄壁 缸筒 ， 在液压油高压 的作用下 ， 其密封间隙的弹性变化 量可 由如下推 出 假想薄壁缸筒展开成薄板 环 向 图 2 薄壁缸筒展开示意 图 根据胡克定律 ， 圆周方 向上的弹性应变为 环 环 一 ／ x x 轴 2 由于壁薄 ， 圆周方 向的拉应力可 以看作均匀分布 的， 且有 轴 ， 环 亩 所以有 轴 环 将此式代人上式得 一 圭 3 环 旆 卜 主 ／ 所以弹性应变为 2 - ／x 4 因此 ， 缸筒圆周方向的变形量为 As s 环 叮 T d 占 环 所 以缸简直径的变形量 A s 2 - ／ z “ 4 E X 5 订 l I J 可得工作时的密封间隙为 5 8 。 6 ” 6 2 7 式 中 泊 松 比 ， 钢 取 0 ． 2 5～ 0 ． 3 3 ， 铁 取 0 ． 2 3 0． 27； E 弹性模量 ； P液压油压力 ； 磨损造成的间隙变化值； d 缸筒 内径 ； t 壁 厚 。 由以上过程 ， 可见油压 的增大将 直接导致缸筒 的 变形 ， 进而加大密封 间隙 ， 而适 当的改变缸筒的弹性模 量和壁厚 ， 可 以减小 变形 ， 从而控制液 压缸 内泄漏 的 大小 。 2 ． 3 温度和气体对内泄漏的影响 工作时的温度和混入气体对 内泄漏的影 响主要体 现在密封元件和液压油两方面。 1 对密封件来说 ， 长期处 于高温或低温环境 中的 Hy d r a u l i n e c 墨 型 Q 密封件通常会出现硬化 、 破裂等现象； 而混入气体在高 压的状态下 ， 容易造成气穴现象， 导致密封件发生气爆 等物理性破 坏 ， 有 时还会导致 液压缸 的爬 行 、 异 响等 情况。 2 对于液压油来说 ， 温度和混人气体 主要影响其 粘 度值 的改变 混入 气 体还 影 响到液 压油 的弹性模 量 。 ①温度与液压油动力粘度之间的关系 “ 8 式 中 温度为4 0 C 时液压油 的运动粘度 ； n 指数 可查表 。 显而易见 ， 工作时 的温度 与液压油 动力粘度之间 成反比关系， 温度的升高， 致使粘度降低 ， 从而泄漏增 大。且 由于存在指数形式 ， 温度的影响还算较为显著。 ②含气量与动力粘度之间的关系 。 1 0 ． 0 1 5 B 9 式中 混入空气的体积百分比； 含有混人空气 ％时的液体动力粘度； 。 不含气时液体的动力粘度。 从上式 ， 可知含气量与液压油粘度之 间成 正 比关 系 ， 对 比温度于液压油粘度的影 响相 比甚小 ， 但其危害 仍不容忽视， 因其破坏力主要体现在对密封元件及缸 体部件等的破坏上。 2 ． 4 液压冲击对内泄漏的影响 液压冲击的直接结果是油压的瞬时升高， 对于含 有密封元件 的结构来 说 ， 会造成对密封件 的高压脉 动 冲击； 对于间隙式密封结构来说， 会造成两端压差的瞬 时增大。 存在惯性 冲击时的两端压力差 A p A p o 却 1 0 而 A p p c u 1 1 式 中 卸 。 稳定时压差 ； 由液压冲击导致的压力升高值 ； P 流体密度； 12 ,。 流体原来的流速； c 冲击波的传播速度 ， 当缸筒为绝对刚 体时 广i c c f垒 1 2 P 对液压油来说 ， c 。 8 9 0 ～ 1 2 7 0 m ／ s； K液压油体积压缩系数。 由上式分析 ， 易知 ， 冲击造成的压差与流体速度、 惯性 密度 及其体积压缩系数等有关。针对三者 ， 优 先也是较易实现 的控制因素为流体的速度。 3 改善措施 通过以上对液压缸内泄漏原因及其理论的分析 ， 可以找到泄漏量与各主要影响因素之问的大致关系， 从而提出如下几方面的改善措施 1 液压缸在设计初期 ， 应考虑油压造成的缸筒变 形 ， 可以适当的减小密封设计间隙或者加大缸筒壁厚 ； 2 缸筒材料的选择， 在考虑生产能力及经济成本 的前提下， 尽量提高材料的弹性模量； 3 选择液压油时 ， 不仅要考虑液压缸工作时的温 度范围， 并且增加排气孔等装置 ， 严格控制液压油的含 气量及水分 ； 4 尽可 能增加改 善缓 冲装置 ， 减缓 速度变 化强 度 ， 尤其是对动作频繁 的液压缸 ， 以此减小其 冲击造成 的压力增大 ； 5 根据速度方向与压差方向的关系， 在主机上使 用时适 当地调整活塞伸 出与缩 回的速度大小 。 4 结束语 本文通过 间隙式密封结构和环形缝 隙流量公式 的 结合 ， 从弹性变形、 温度、 含气量、 液压冲击等方面进行 了简要的分析 ， 从而得出一些初步的改善对策 ， 可以为 以后进一步的研究 ， 打下一定 的基础 。同时也可为液 压缸的密封结构设计 ， 主机上 的合理应用提供些许 依据 。 参考文献 [ 1 】 路甬祥． 液压气动技术手册[ M】 ． 北京 北京机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 廖家璞． 液 压传动 [ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 3 ] 刘鸿文． 材料力学[ M】 ．北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 雷天觉． 液压工程手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． 【 5 ] 周一届， 蒋国华． 油缸密封的失效及压力补偿【 J 1 ． 江南大学学 报 ， 2 0 0 2 ， 3 ． 【 6 ] 周志鸿 ， 张康雷． 工程机械油缸活塞杆密封的进展[ J 】 _ 工程机 械 ， 2 0 0 5 ， 1 1 ． [ 7 】 邹俊 ， 王陈向， 傅新． 液压油在线除气装置设计与试验[ J 】 ． 液 压气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 8 ． [ 8 】 熊四昌， 等． 基于模糊P I D控制的气体泄漏检测系统的容积 补偿【 J ] ． 机电工程， 2 0 1 2 ， 1 2 ． [ 9 】 金晓宏 ， 等． 基于动网格技术的理想液压缸运动数值计算[ J ] ． 机 电工程 ，2 0 1 3 ， 1 2 ．