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Oc t ．2 01 2 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e rin g V o 1 ． 4 0 N o ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 9 ． 0 0 7 The Ana l y s i s o f Pi s t o n Ba r r e l Le a k a g e i n a S u pe r h i g h Pr e s s u r e W a t e r Hy d r a ul i c Pi s t o n Pu mp YANG Z h e n ， W U D e f a ，C HE N J i n g y u e ，L I U Yi n s h u i S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g， Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e nce a n d T e c h n o l o g y ，W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， Chi na 1 ． I nt r o d u c t i o n Ab s t r a c t L e a k a g e is a n i mp o a n t p ar a me t e r t o e v a l u a t e t h e p er f o r ma n c e o f s e a l in a wa t er h y - dr a u l i c p u mp，e s p e c iall y i n a s u p e r h i g h p r e s s u r e o n e．A le a k a g e mo d e l o f p i s t o n b a r r e l s e a l s t r u c t u r e i n t h e s u p e r h igh p r e s s u r e wa t er h y d r a u l ic p i s t o n p u mp r a t e d 8 0 MP a p r e s s u r e a n d 8L ／ mi n f l o w wa s s e t u p i n t h i s p a p e r 。Th e in f l u e n c e s o f c le a r a n c e s iz e．c o n t a c t le n g t h a n d p r e s s u r e d r o p o f c l e a r a n c e o n t h e I e a k a g e we r e n u me r i c a l ly s t u d i e d ．T h e r e s u lt s s h o w t h a t t h is t y p e o f s e a l s t r u c t u r e p e rf o r ms we l l in t h e s u p e r h ig h p r e s s u r e wa t e r h y d r a u l ic p is t o n p u mp，wh ic h wi l l g u ide t h e o p t ima l d e s ig n o f t h e p u mp a n d p o i n t o u t t h e d i r e c t ion o f n e x t s t e p e x p e r i me n t s ． K e y wo r d swa t er h y d r a u l ic，s u p ei g h p r e s s u r e，p is t o n p u mp，l e a k ag e，AME s i m Axi a l pi s t o n pu mps a r e p r i n c i p a l c o mp o n e n t s o f fl u i d p o we r s y s t e m u s e d f o r h i g h p r e s s u r e s o u r c e s d u e t o t h e c o mpa c t s t r u c t u r e， s mall v o l u me， l i g h t ma s s a n d h i g h e ffi c i e n c y ． W a t e r h y d r a u l i c p i s t o n p u mps ha v e t he f e a t u r e s o f s a f e t y，e c o n o mi c a l e ffi c i e n c y a n d n o n- p o l l u t i o n，w h i c h d e t e r mi n e t h a t t h e y o wn b rig h t a p p l i c a t i o n p r o s p e c t ， Wa t e r h y d r a u l i c a x i a l p i s t o n p u mp s h a v e d o mi n a t e d i n mi d d l e o r h i g h p r e s s u r e a r o e a a t p r e s e n t ．T h e p i s t o n p u mp r a t e d 6 8 ． 5 MP a r e s e a r c he d a n d de v e l o p e d b y Ka wa s a k i He a v y I n d u s - t ri e s i n J a p a n i s a t y p i c a l p r o d u c t o f t h e s u p e r h i g h p r e s s u r e wa t e r pu mps a t a b r o a d． Me a n wh i l e，i t r e ma i a s b l a n k a t h o me i n t h i s fi e l d ． Pi s t o n ba r r e l i s a c r u c i al f ric t i o n p a i r i n a wa t e r p i s t o n p u mp ．Ho w t o r e d u c e t h e l e a k a g e fl o w i s a b i g i s s u e t o i mp r o v e the v o l u me t r i c e ffic i e n c y o f p u mp， e s pe c i all y o p e r a t i n g a t s u p e r h i g h p r e s s u r e c o n d i t i o n． Re c e i v e d2 0 1 2一o 70 6 N a t i o n a l H i s h t e e h R D 8 6 3 P r o g r a m ， T h i s R e s e a r c h are F u n d e d b y N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n s o f C h i n a 5 0 9 7 5 1 0 1 YANG Z h e n ． E ma i l Ra c h e l y z h 1 2 6 ． c o n J ． M． flo w t h e y c u l a r Be r g a d e t p u l s a t i o n o f s t u d i e d t h e l a l [ 1 ] ．a n al y z e d a x i a l pi s t o n p ump t h e l e a k a g e a n d o v e r al1 ．Ho we v e r e a k a g e p r o d u c e d b y pi s t o n wi t h c i r - g r o o v e for a r a n g e o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s w i t h o u t t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e f a c t o r s s u c h a s s e al c l e a r - a n c e a n d c o n t a c t l e n g t h ， wh i c h c o u l d i n fl u e n c e t h e l e ak a g e ．I n t h i s pa p e r ，a n e w t y pe o f wa t e r h y d r a u l i c p i s t o n pu mp o p e r a t i ng a t s u pe r h i g h p r e s s ur e h a s b e e n s t u d i e d a n d AMEs i m h a s b e e n u s e d t o r e s e a r c h t h e l e a k a g e o f p i s t o n b a r r e l p a i r ． 2．Th e s t r u c t ur e a nd wo r ki ng pr i nc i pl e o f t he p u m p T he p u mp s t r uc t u r e wi t h fiv e p i s t o n s i s s h o wn i n F i g． 1 ．I t i s l u b ric a t e d wi t h wa t e r a n d t h e flo w i S di s t r i b u t e d b y fia t v alv e ． Th e c o mp o n e n t c o mp o s e d by p i s t o n a n d s l i p p e r s e p a r a t e s t h e c h a mb e r i n t o h i g h p r e s s u r e p a r t a n d l o w p r e s s u r e p a r t i n d e p e n d e n t l y ． Th e hi g h p r e s s u r e c h a mb e r c o n ne c t s wi t h fia t v a l v e wh i l e t h e l o w p r e s s u r e o n e c o nn e c t s wi t h s u s t a i n i ng v a l v e 『 2 1 ． Th e s h af t m a k e s a r o t a r y m o v e m e n t w i t h i t s c e n t r a l ax i s c r e a t i n g r e c i p r o c a t i n g mo t i o n o f p i s t o n a n d s l i p pe r c o mpo n e n t ，wh i c h c o n t rib u t e s t o t h e c o o r d i n a t e d o p e r a t i o n o f fl a t v a l v e a n d s u s t a i n i n g v alv e Hy d r o me c h a t r o n i c s Eng i n e e rin g t o p r o c e e d t h e i n l e t a nd di s c h a r g e o f t h e p u mp a nd l u b ric a t e t h e r o t a r y u n i t ． T h e r e i s a c l e ara nc e b e t we e n p i s t o n a n d b a r r e l t o s e a l t h e p a i r i n wa t e r h y d r a u l i c a x i s p i s t o n p u mp ． Du ri n g t h e d i s c h arg e p r o c e s s， t h e hi g h pr e s s ur e wa t e r flo ws f r o m h i g h p r e s s u r e c h a mb e r i n t o l o w p r e s s u r e c ham b e r t h rou g h t h e c l e a r a n c e b y t h e p r e s s u r e d rop ．Th e p r e s s u r e o f thi s l e a k a g e p a r t d e c r e a s e s g r a d u a l l y i n t h e c l e a r a n c e b u i l d i n g c a r e a n d a c e r t a i n b e a r i n g c a p a c i t y t o s u p p o r t ，l u b r i c o o l t h e pi s t o n ba r r e l p a i r ． I t wi l l ag g r a v a t e the l e a ka g e i f t h e c l e a r a n c e s i z e i s e n l arg e d，whi c h l e a d s t o t h e d e c r e a s e o f v o l u me t r i c e 伍c i e n c y ．Ho w e v e r ．s ma l l c l e aran c e wi l l c a u s e s e i z u r e b e t we e n p i s ． t o n a n d b a r r e l mo r e e a s i l y[ 3 1 _ T h e r e f o r e ， i t i s n e c e s s a r y t o a s c e rta i n a f e a s i b l e r a n g e o f c l e ara n c e s i z e t h r o u g h t h e e v alua t i o n o f t h e l e ak a g e wi t h d i ffe r e n t c l e a r an c e s ． F i g ． 1 S c h e ma t i c o f t h e a x i a l p i s t o n p u mp 3．An a l y s i s o f t he i n s t an t a n e o u s f l o w a nd l e a k a g e o f p i s t o n- b a r r e l pa i r As s h o w n i n Fi g． 2，i t p r e s e n t s t h e s t r u c t u r e a nd r e l a t i v e p o s i t i o n o f p i s t o n b a r r e 1 ． 2 1 ． p i s t o n；2． b a r r e l F i g ． 2 S c h e ma t i c o f t h e p i s t o n b a r r e l s t r u c t u r e S t e p pe d p i s t o n wa s de s i g n e d i n t h e p u mp． T he fl o w d i s c h a r g e d f r o m c h a mb e r w i t h s mal l e n d p i s t o n i s u t i l i z e d t o b e a r e x t e r n a l l o a d，w h i l e t h e fl o w f r o m c ha mb e r wi t h bi g e n d pi s t o n n o t o n l y l u b ric a t e s t he r o t a r y u n i t b u t a l s o s u p p o rt s t h e thr u s t b e a r i n g ．T h u s t h e pr e s s u r e d r o p o f t h e s e a l c l e ara n c e d e c r e a s e s d u e t o t h e p r e s s u r e e x i s t i n g i n t he c h a mb e r wi t h b i g e n d pi s t o n，c o mpa r e d wi t h a t r a di t i o n a l n o n s t e p p e d p i s t on． T h e r e c i p r o c a t i o n mo v i n g s p e e d o f a s i ng l e p i s t o n i s e x pr e s s e d as f o l l o w to R t a n fl s i n t o t 1 W h e r e，c t J i s the a n g u l a r v e l o c i t y o f t he s h a f t ，R i s t h e r a d i u s o f t h e r e f e r e n c e c i r c l e ，口 i s t h e a n g l e o f the s wa s h p l a t e． Th e i n s t a n t an e o u s fl o w r a t e o f a s i n g l e p i s t o n a n d e r i d e al c o n d i t i o n w i t h o u t l e a k age s h o u l d b e q0 ． 7 8 5 d to R t a n fl s i n to t 2 W h e r e，d i s t h e di a me t e r o f s ma l l e n d o f t h e s t e p p e d p i s t o n． Man y f a c t o r s c o n t r i b u t e t o flo w i n t h e c l e aran c e s u c h a s R e y n o l d s n u mb e r ， t h e c l e a r a n c e s i z e， t } l e e c c e n t r i c i t y o f a x l e h o l e c e n t e r l i n e．t h e r e l a t i v e mo v e me n t o f a x l e an d h o l e，t he i n c l i n a t i o n o f c e n t r al s p i n ． d i e ，the c r o s s s e c t i o n c h a n g e o f i n l e t and d i s c h a r g e， t h e f o r m an d p o s i t i o n t o l e r a n c e an d s u r f a c e r o u g h ne s s o f p a r t ，t h e c h an g e o f wo r k i n g t e mp e r a t u r e a n d pres s u re．Th e flo w s t a t e i 8 d e t e r mi n e d b y Re y n o l d s h u m b e r a c c o r d i n g t o flu i d me c h a ni c s the o ry．1 ] h e f o l l o w i n g e q u a t i o n i s b ui l t i n thi s pi s t o n b a r r e l mo d e l Re 1 2 ． 0 8 ⋯ 3 Re f e r r e d t o s u b s e q u e nt s i mul a t i o n r e s ul t s ， 1 5 m／s a nd Re 1 8 3． 23．T he v a lu e o f Re i s s mall e r tha n the c ri t i c al Re y n o l d s n u mb e r for c i r c u l a r c l e ar a n c e r a t e d 1 1 0 0．Th e c o n c l us i o n t h a t t h e flo w s t a t e i s 1 a mi n ar fl o w c o u l d b e d r a wn i n t h i s c l e a r ． ant e ．T h e l am i n ar fl o w l e a k a g e c o n s i s t s t wo n o tin g t h e i n f l u e n c e o f fl u i d v i s c o s i t y d e f o rma t i o n o f p i s t o n [ 4 5 ] c h a n g e p a r t s i g - a n d t h e 1 L e a k a g e o f c o n c e n t r i c c i r c u l a r c l e a r a n c e c a u s e d b y pr e s s u r e d r o p i s 叮 T a hp q l 4 Wh e r e ， 6 i s t h e r a d i u s d i ff e r e n c e ，△ p i s t h e p r e s s u r e d r o p o f t h e c l e a r an c e ， ／ x i s t h e d y n a mi c v i s c o s i t y，l i s t h e c o n t a c t l e n g t h o f t h e p i s t o n b a r r e 1 ． 2 S h e a r i n g l e a k a g e o f c o n c e n t r i c c i r c u l ar c l e a r a n c e c a u s e d b y t h e mo v e me n t o f p i s t o n i s g 2 _ r d S v “t r d S toRt a n ，、 fl s i n to t 5 g 2 一 一 Th r o u g h O U S s h e a rin g 1 e v a l u a t i o n o f i n t e g r a l s o f t h e i n s t a n t a n e e a k a g e f o r a who l e wo r k i n g c y c l e c o n s i s t e d of i n l e t s t r o ke a n d d i s c h a r g e s t r o k e，i t c o u l d b e c o n c l ud e d t h a t t he a v e r a g e s h e a r i n g l e a k a g e i s e q u a l YANG Z h e n， e t a l T h e An a l y s i s o f P i s t o n B a r r e l L e a k a g e i n a S u p e r h i g h P r e s s u r e Wa 一 t e r Hy dr a u l i c P i s t o n P u mp t o z e r o d u rin g a c o mp l e t e c y c l e． q 2 u n 0一 _ _ _ 1 s l n W h e r e， i s e q u a l t o t a t 。 6 T h e r e f o r e，s h e a r i n g l e a k a g e h a s n o e ff e c t o n t h e me a n l e a ka g e o f t h e pi s t o n b a rre l p a i r ． 4 ． S i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e l e a k a g e T h e mo d e l o f p i s t o n ． b a r r e l l e a k a g e i n AMEs i m i s s h o wn i n Fi g．3． P i s t o n mo d e l wi t h v a ria b l e l e n g t h a n d l e a k a g e i n AMEs i m c o mp o n e nt b a n k wa s p r o po s e d a s t he c o r e p a r t i n t he mo d e 1 ． Si nc e t h e S US ． t a i n i n g v a l v e s a r e i r r e l e v a n t t o di s c h arg e fl o w o f t h e p ump，t h e y a r e n o t i nc l u de d i n t h e mo d e 1 ． Che c k V alV eS we r e c h o s e n t o r e p l a c e t h e m t o s i mpl i f y t h e mo d e 1 ．A c a m wa s s e r v e d t o s i mu l a t e r e c i p r o c a t i n g mo v e me n t o f t h e p i s t o n d ri v e n b y s w a s h p l a t e ． T h e p i s t o n g e t s s t a r t e d t o wo r k a t 0 s ． ④ F i g ． 3 T h e mo d e l o f p i s t o n b a r r e l i n AME s i m 1 I n fl u e n c e o f c l e a r a n c e s i z e T he l e a k a g e o f p i s t o n-- b a r r e l wi t h d i ffe r e n t c l e ar．． a n c e s i z e s i s s h o wn i n F i g ． 4． 0 ． 2 0 0 l 5 0 1 O 0 O 5 O ．0 0 5 0 0 02 0 0 4 0 06 0 O 8 O． 1 0 t ／ s Fi g． 4 Th e l e a ka g e a t di f f e r e n t c l e a r a n c e s Th e c u rv e s i n Fi g ． 4 p r e s e nt g e ne r a l c o n s i s t e n t t r e n d． T hi s c a n b e e x p l a i n e d t h a t d u rin g t h e d i s c ha r g e s t r o k e t h e p r e s s u r e i n t h e p i s t o n．． b a r r e l c h a m． ． b e r i nc r e a s e s s ha r pl y a n d ma k e s t h e i n c r e a s e o f l e a k ． a g e r e a c h t o a ma x i mum． Th e p r e s s u r e d r o p o f t wo e n d s o f t h e p i s t o n s t a y s a c o n s t a nt v alu e a f t e r t h e o ． p e n i n g o f d i s c h a r g e v alv e ．Al o n g wi t h t h e s u b s e q u e n t mo v e me n t o f t h e pi s t o n，c o n t a c t l e ng t h g r o ws l o ng e r， f o l l o w e d b y a d e c r e a s i n g l e a k a g e t h e i n l e t s t r o k e ，t h e l e a k a g e i s a s g r a d u all y ． 1 o w a s 1 ． Du ring 7 1 0 L ／ mi n． a n d i t i s a n e g a t i v e v alu e ．Th i s c a n b e e x p l a i n e d t h a t t h e a b s o l u t e v a l u e o f p r e s s u r e p r o d u c e d i n the l o w p r e s s u r e c h a mb e r i s s mall e r t h a n t ha t i n t he h i g h p r e s s u r e c h a mb e r ，wh i c h ma k e s the l e ak a g e d i r e c t i o n i s f r o m l o w p r e s s ur e c h a mb e r t o h i g h p r e s s u r e c h a mb e r ． Be s i d e s ， t h e c l e ara nc e s i z e i n flue n c e s l e a k a g e gre a t l y ．Th e l e a k a g e i n c r e a s e s o b v i o u s l y a l o n g w i th the i n c r e a s e o f c l e a r a n c e s i z e ． W he n t he s i z e i s 5 m， 7 m a n d 1 0 p , m， t h e p e r c e n t a g e o f v o l u me t r i c e ffi c i e n c y l o s s i s 0． 3 9％ ， 1． 1 ％a n d 3． 2％ ，r e s p e c t i v e l y． 2 I n f l u e n c e o f c o n t a c t l e n g t h T h e l e a k a g e o f p i s t o n - b a r r e l wi th d i ffe r e n t c o n ． - t a c t l e n gth i s s h o w n i n F i g ． 5 ． C u r v e l，c u r v e 2 a n d c u rve 3 r e pr e s e n t 3 mm ， 5 mm ， 1 0 mm mi n i mu m c o n t a c t l e ng t h a nd 2 0，2 2，2 7 mm ma x i mu m c o nt a c t l e n g t h，r e s p e c t i v e l y ． T h e c o n c l u s i o n c a l l b e d r a w n f r o m thi s fi g u r e tha t t h e l o n g e r c o n t a c t l e n gth，t h e s mall e r l e a k a g e ．Wh e n t h e maxi mu m c o n t a c t l e n gth i s 2 0 2 7 mm ， t h e p e r c e n t a g e o f v o l u me t ric e ffi c i e n c y l O S S c a u s e d b y p i s t o n b a r r e l i s l e s s t h a n 2 ％ ． O． 1 2 O ． 1 0 O ． O 8
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