液压缸直通式迷宫密封泄漏量数值模拟.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 1卷 第 2 1期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 3 5 液压缸直通式迷宫密封泄漏量数值模拟 刘 守法 ，王 引卫 西京学院机 电工程 系，陕西西安 7 1 0 1 2 3 摘要为解决移动式液压缸直通式迷宫密封泄漏量分析困难的问题，提出一种数值模拟研究方法，基于 P H O E N I C S软 件对采用 k s湍流模型的不可压缩流体的迷宫密封流场进行了计算，分析了缝隙中液压油为层流时迷宫密封的凹槽数 目、 凹槽深度、凹槽宽度及边界相对运动速度对泄漏量的影响。研究发现缝隙中液压油在层流状态下，迷宫式密封结构并没有 起到防漏效果 ，反而带来负面影响。与其他方法相比，该数值模拟方法比较经济实用，可供液压密封设计研发人员参考。 关键 词 直通式迷宫密封 ；泄漏量 ；数值模拟 中图分 类号 T H1 3 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 11 2 6 3 Nume r i c a l S i mu l a t i o n o n Le a k a g e o f St r a i g h t - t hr o u g h La b y r i nt h Se a l s f o r Hy dr a u l i c Cy l i n de r L I U S ho u f a．W ANG Yi n we i S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i j i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 1 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e l e a k a g e a n a l y s i s p r o b l e m o f s t r a i g h t t h r o u g h l a b y ri n t h s e a l s f o r h y d r a u l i c c y l i n d e r ， a n u me r i c a l a n a l y s i s me t h o d w a s p r e s e n t e d ．i n wh i c h 一 t u r b u l e n t mo d e l o f i n c o mp r e s s i b l e fl u i d wa s u s e d t o c a l c u l a t e t h e l e a k a g e o f t h e l a b y ri n t h s e a l i n p i s t o n e d g e b a s e d o n P HOE NI C S s o f t wa r e ，t h e i n fl u e n c e s o f g r o o v e n u mb e r ，g r o o v e d e p t h，gro o v e wi d t h a n d l i n e a r v e l o c i t y o n l e a k a g e we r e a n a l y z e d．I t i s s h o wn t h a t un d e r l a mi n a r c o nd i t i o n，t h e l a b y rint h s e a l no t o nl y c a nn o t p r e v e n t l e a k i ng，bu t a l s o bring s n e g a t i v e i n fl u e n c e ． Co mp a r i n g wi t h o t h e r me t h o d s ，t h e s i mu l a t i o n me t h o d i s mo r e e c o n o mi c a l a n d p r a c t i c a l ，a n d i t s u p p l i e s v a l u a b l e r e f e r e n c e for h y d r a u l i c c o mp o n e n t d e s i g n e r ． Ke y wo r dsS t r a i g h t t h r o u g h l a b y rin t h s e a l s；Le a ka g e； Nu me r i c a l s i mul a t i o n 液压缸漏油会造成泵送能耗损失和环境污染等问 题 ，因此泄漏 量是评价液压 系统各组件性能优劣 的重 要指标 。为防止或减 少泄漏 ，大部分液压组件 中均设 有密封装置。一般对于高速运动的液压缸 ，多使用非 接触式密封 ，其 中最常用的为迷宫式密封装置 。迷宫 密封具 有结构 简单 、对各种工作介质适应 性强以及使 用寿命 长等特点 ， 因此被 广泛应 用于离心压缩机 、透 平膨胀机 、汽轮机等机械 中 。 由于迷宫式密封装置 凹槽 间的流场极为复杂 ，无 法利用简化的分析方法获得精确 的结果 ，因此过去对 于迷宫式密封的泄漏量 大多采用实 验方法 进行分 析 ， 且对于高速直线运动件的迷宫式密封的研究则更为缺 『 2 4 、 之 。 基 于 P H O E N I C S软件对 采用 k 湍流模 型 的不 可压缩流体的迷宫密封流场进行了数值模拟，研究了 活塞边缘的迷宫密封中液压 油为层流状态 时，迷宫的 凹槽数 目、凹槽深度 、凹槽 宽度及边界相对运动速度 对漏油量 的影 响。 1 数学模型 迷宫密封 中的流体采用 N a v i e r S t o k e s 方程 和 k s 湍流模型来描述。迷宫密封内泄漏流体的流动规律服 从连续性方程 、动量方程 、湍动能方程 、耗散率方程 以及能量守恒方程 。对 以上各方程进行统一求解 ，则 可表示成 以下通用形式 d i v p d i v Fg r a d q S 1 将其展开得 巳 2 鱼 一 Ot ’ Ox 。 Oy O z o r l y＼F 3y 、 ／ 厂 S 其中 、厂和 s分别代表通用变量 、广义扩散系数 和广义源项 ，当 取不同的值时，方程 1 分别代 表连续性方程 、动量方程、湍动能方程 、耗散率方程 和能量方程。 在此基 础上 ，通过一系列 的推导后 ，采用迭代计 收稿 日期 2 0 1 21 1 0 9 基金项目陕西省教育厅 2 0 1 2年科学研究项目计划 1 2 J K 1 0 7 5 作者简介刘守法 1 9 8 0 一 ，工学硕士，研究方向为机械创新设计仿真分析及新材料加工工艺研究。Em a i l l i u s h o u f a 8 0 7 45 6 1 6 3． c o n。 第 2 1 期 刘守法 等液压缸直通式迷宫密封泄漏量数值模拟 1 2 7 算程序，得出泄漏量计算方程 ] 辱 A 1 令 A 贝 0 g A 一3 ． 0 4 9 5 7 ． 5 9 9 A 一7 ． 0 1 4 A 2 ． 9 4 5 A 一0 ． 4 6 2 A 其 中 i 1 ，2 ，3 ，⋯ ，n 。 2 研究方法及步骤 2 ． 1 建立模型 液压缸 模 型 如 图 1所示 ，活 塞左 侧 的压 力 为 5 M P a ，缸体固定 ，活塞以速度 匀速向右运动。为方 便分析 ，文 中的分析模型是将惯性 坐标 系固定在 缸体 上 的。 迷 宫式 密 封 图 1 活塞边缘迷宫式密封研究模型 图2所示为迷宫式密封结构的分析模型示意图， 液压油从左 向右 流经此 问隙 ，且液 压油出入 口间具有 一 定压差 ，上表 面带 有矩形 凹槽 ，分析此迷宫式密封 结构 中的流场 ，并 进行泄漏量分析 。定义 凹槽宽度为 ，凹槽 深度为 h ，间隙高度 为 h 。定 义泄漏 路径 总 长度 L1 0 0 m m，下边界以速度 匀速 向左运动 ，出 人口压降为 a p 5 M P a 。以 H L 6 8号液压油为分析流 体 ，其密度P 0 ． 8 9 k g ／ L ，运动黏度 6 7 ． 8 3 m m ／ S ，为简化模拟分析过程的复杂性以缩短运算时问， 假设 流体为牛顿流体且不可压缩，流体为稳态湍流。 pL 图2 矩形凹槽迷宫式密封装置 2 ． 2 边界奈件设定 文中所探讨问题的边界条件设定如下 1 由于入 口的速度 分 布 曲线是 未知 数 ，故 以 压 力 设 为 人 口 的 边 界 条 件 。 在 层 流 状 态 分 析 时 R e 3 ． 1 7 ，将入 口压力 P 设 为 5 MP a ，则入 口的 流速可计算 出来 。 2 出口边界的压力 P 设为 0 ，其余各变量设 定 为 纽曼 边 界 条件 N e u m a n n B o u n d a r y C o n d i t i o n ， O q ／ O n 0。 3 活塞边界设定为无滑移条件 ，It 0 。 4 缸体内壁边界设定为无滑移条件 ，u ， 为活塞杆或缸壁 的运动速度 。 数值模拟使用的湍流模型为 k一 模型，其收敛 标准为各变量每次迭代的总残余数小于 1 0 ～，运算 格点配置采用交错式非均匀分布 的网格点 。 2 ． 3数值 模拟 数值模拟主要是以 P H O E N I C S软件运算为主 。 1 前处理 开始 进行 数值 运算 前 ，必 须先 撰 写 数据输入文 件 Q 1 ，此文 件是 由 P H O E N I C S输入 语 言 构成，它包含数值运算所需的各项数据。 2 执行 e a r t h e x e c u t i o n进行主要的数值运算 ， 待运算结束后 ，所有 的运算 结 果数 据 如压 力 、速 度、温度等物理量将会储存在 p h i 文档中。 3 P H O E N I C S的后 处 理 利 用 P H O T O N 和 V R V I E WE R绘 图， P H O E N I C S的后处理 功能 无法 满足 文 中需求，利用 F O R T R A N程序拾取 p h i 文件中的数据 后 ，再用 T e e p l o t 软件完成绘 图。 F O R T R A N程序拾 取 p h i 文件 中 的资料 计算 泄 漏 量 ，可 由下式表示 Q ∑ d 。 D yg rid 。 1 T ’ d 式中 x g r id 为单一网格 方向速度，D 为单一网格 Y 方 向长度 ，d 为单一 网格 Y方 向 中心至 活塞 中心的 距离 。 3结果与讨论 3 ． 1 活塞与缸体相对静止时迷宫密封分析 图 3所示为压差 a p 5 M P a 、L h 5 h且 边界 相对静止 时 ，凹槽 内液压油 速度 向量 图 ，流体 以速度矢 量 为 3 0 。～3 5 。 向 上倾 斜 流 进 凹槽 ，流入 凹槽时速度逐 渐减小 ，流体在 出 口处 以 一 3 0 。 ～一 3 5 。 方 向倾 斜 流出 凹 槽 ，其流速在 出 口处逐渐增 加 ，且 在凹槽 内无 涡流产 牛 图 3凹槽 内液压油 速度 向量 图 根据流量、间隙高度及流体性质计算，得出间隙 内流动的雷诺数约为 3 ． 1 7 ，由于雷诺数较低，其流 动模式为层流 ，流动主要能量消耗是 由间隙边界与流 体的摩擦力引起。 1 2 8 机床 与液压 第 4 1 卷 图 4所示为迷宫的凹槽数及 凹槽深宽 比 ／ 对 泄漏 量 的影 响分 析 图 。可 看 出 泄 漏量 Q随着 凹槽 数增 加 而 增 大 ，凹槽 深 宽 比 ／ 0 ． 2 5时 ，泄漏量 随着 凹槽 ／L 增 大 而 急 剧减小 ；当 0 ． 2 5 ／ L 0 ． 5时 ，泄 漏量 E g 图4 活塞与缸体间迷宫 密封漏油量 曲线 基本不变；泄漏量最小值出现在 ／ L 0 ． 2 5处。 由于泄漏路径的总长度为定值，凹槽数增加或凹 槽宽度增加均会使间隙的有效长度减小 ，流体经由摩 擦损失的能量减少而使泄漏量增加 ，故泄漏量随凹槽 数及 凹槽宽度增加而增加 。且此 结果与文献 [ 7 ] 的实 验结果 一致 。 3 ． 2 活塞与缸体相对运动时迷宫密封分析 图 5为压差 却 5 M P a 、L 2 0 h 、h 3 0 h 、活 塞速度 一1 m ／ s 时 ，迷 宫 凹槽 内流体 的速度 向量 图。在凹槽入 口处 ，靠近缸体内壁附近区域，流体白 凹槽向外流出，而上方区域流体是 自间隙向凹槽流 入，而在凹槽出口处下方缸体内壁附近区域的流体 自 间隙向凹槽流 入 ，而上 方 区域 流体 是 自凹槽 向外 流 出 ；由于速度 的影响 ，流体以较大的角度流入和流 出凹槽 ；流体流入凹槽时其速度减小，流体速度在出 口处增大，由于压力差所引起的流动方向与缸体边界 运动引起 的流动方 向相反 ，故在 凹槽下半部分形成一 顺 时针旋转 的回流 ，且 由于边界运动的影响 ，凹槽 的 进 口及 出 口处流场不对称 ，该顺时针旋转的 回流略向 凹槽进 口处方向偏移，与文献[ 8 9 ] 分析结果一致。 根据流量、间隙高度及流体性质计算，可得在间隙内 流动的雷诺数约为 0 ． 3 3 ，故其流动模 式为层 流。 图 5 活塞边缘迷宫凹槽内液体速度向量图 当间隙高度 h 0 ． 1 m m，凹槽深度 h 5 h ，凹槽 宽度 L 3～ 6 0 h时 ，凹槽 数量 和凹槽宽度 对泄漏 量的影响如图 6所示 ，可看 出泄漏量大致 随凹槽数 的 增加而增大，且随凹槽宽度的增大而增大。由于流体 在 间隙内流动为层 流 ，由湍流部 分消耗 的能量 极少 ， 流动主要能量消耗是由间隙边界表面与流体摩擦力引 起 。由于泄漏路 径 的总长 度 L1 0 0 m m 固定 ，当凹 槽数增加或 凹槽 宽度增 大均 会使 间 隙 的有 效 长度 减 小 ，流体经 由摩擦损失的能量减少 而泄漏量增大 ，故 泄漏量 随凹槽数增加及 凹槽宽度增大而增大。 图 7所示为 压差 △ p 5 M P a ， 2 0 h ，h 5 h 时，活塞移动速度对泄漏量的影响，活动移动速度越 大泄漏量越小 ，且泄漏量是随运 动速度增加而呈现线 性减小 。 1． 8 1 ． 7 1 ． 6 1． 5 1 ． 4 支1 ． 3 1 ． 2 1 ． 1 1 ． O L g ／ h ’ 砷 n ‘ 吕 0 图 6 煮 宫 油 图 7活 塞 运 动 速 度 对 量 曲 线 △ p M 凹 溢 重 1 一 m／ s ，h 5 h N 4结论 迷 宫密封 的凹槽无法达到消耗能量的 目的 ，故 当 凹槽数或凹槽宽度增加时，均会使泄漏量增加，泄漏 量最小值出现在凹槽深宽比 ／ L 0 ． 2 5处 ；泄漏量 随边界运动速度 的增加而呈现线性减小 ；缝 隙中液体 为层流状态时 ，该迷 宫式结 构并不会 增加 防漏效果 ， 反而存在负面影响。 参考文献 【 1 】高光藩 ， 张牢牢． 迷宫密封性能影响因素分析[ J ] ． 风机 【 2 】E L G A MA L H A， A WA D T H， S A B E R E ． L e a k a g e f r o m L a b y rin t h S e a l s u n d e r S t a t i o n a r y a n d R o t a t i n g C o n d i t i o n s [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 6 ， 2 9 4 2 9 1 2 9 7 ． 【 3 】M O R R I S O N G L ， J O H N S O N M C ， T A rI T E R S O N G B ． 3 - D L a s e r A n e m o m e t e r M e a s u r e me n t s i n a L a b y ri n t h S e a l [ J ] ． J o u rnal o f En g i n e e rin g f o r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 91 ， 【 4 】MO R R I S O N G L， J O HN S O N M C， T A T Y E R S O N G B ． E x p e r i me n t a l V e ri f i c a t i o n o f a S e c o n d a r y Re c i r c u l a t i o n Z o n e 1 9 9 2 ， 8 5 1 0 6 41 0 7 0 ． 【 5 】V E R S T E E G H K， MA L A L A S E KE R A W． A n I n t r o d u c t i o n t o C o mp u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s T h e F i n i t e Vo l u me Me t h o d [ M] ． N e w Y o r k Wo r l d P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n ， 1 9 9 5 ． 【 6 】朱高涛， 刘卫华． 迷宫密封泄漏量计算方法的分析[ J ] ． 润滑与密 封 ， 2 0 0 6 ， 3 1 4 1 2 31 2 6 ． 【 7 】N I K 1 T I N G A， I P A T O V A M． D e s i g n o f L a b y ri n t h S e a l s i n H y d r a u l i c E q u i p m e n t [ J ] ． R u s s i a n E n g i n e e ri n g J o u r n a l ， 1 9 7 3 ， 5 3 1 0 2 6 3 1 ． 【 8 】D E MK O J A， M O R R I S O N G L， R H O D E D L ． T h e P r e d i c t i o n a n d Me a s u r e me n t o f I n c o mp r e s s i b l e F l o w i n a L a b y r i n t h S e a l [ J ] ． J o u r n al o f E n g i n e e ri n g fo r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 8 9， 1 1 1 4 6 9 7 7 0 2 ． 【 9 】D E M K O J A， MO R R I S O N G L ， R H O D E D L ． E f f e c t o f S h a f t R o t a t i o n o n t h e I n c o mp r e s s i b l e F l o w i n a L a b y r i n t h