柱塞式液压缸内流场数值研究.pdf

ny d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ．2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 1 。 0 0 4 柱塞式液压缸内流场数值研究 张 瑞 ， 胡天威 ， 杨 晋 1 ． 兰州兰石能源装备工程研究 院有限公司 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 兰州交通大学 机 电工程学院 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘 要 针对柱塞式液压缸内液压油流场尺寸跨度较大， 流场模拟边界及湍流模型选取较难的问题， 提供了较优的边界条件及湍流模型 选择参考。建立柱塞式液压缸内流场模型， 采用 F l u e n t 软件对比分析不同边界类型、 边界位置、 湍流模型条件下液压油流场的压力、 速 度特性 ， 比较发现选择导向套与缸体间隙流域一侧为速度入口边界， 速度大小取柱塞运动速度， 液压缸进油 口为压力出口边界时能较 好反映液压油流场的流动特性。选用最优边界及湍流模型组合进行液压缸内流场模拟的结果表明， 在导向套与缸体间隙流域， 流场压 力沿流向线性减小， 而流动速度在该间隙流域相对较大， 为柱塞式液压缸组件的接触磨损及密封问题的流固耦合分析提供技术支持。 关键词 液压缸； 边界条件； 湍流模型； 流场特性； 数值模拟 中图分类号 T H1 3 7 ； T G 3 1 5 ． 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 1 1 0 0 0 9 0 5 Nu me r i c a l Re s e a r c h o n I n t e r na l Fl o w Fi e l d of Pl u ng e r Hy d r a ul i c Cy l i nd e r Z HANG Ru i ’ ， H U T i a n we i ’，Y ANG J i n 1 ． L a n z h o u L S E n e r g y E q u i p me n t E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e C o ． L t d ． ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y , L a n z h o u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t An o p t i mu m c h o i c e r e f e r e n c e f o r b o u n d a r y c o n d i tio n a n d t u r b u l e n t mo d e l f o r t h e s i mu l a t i o n o f i n t e rna l flo w fie l d o f p l un g e r h y - d r a u l i c c y l i n d e r i s p r o p o s e d a i mi n g a t t h e d i ffic u l t o f the b o u n d a r y a n d mO d e l s e l e c t i o n o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i n t e ma l f l o w fi e l d wh i c h h a s a b i g g i s h d i me n s i o n s p a n． Th e mo d e l o f i n t e r n a l flo w fi e l d o f p l un g e r h y dra u l i c c y l i n d e r i s c o n s t r u c t e d ． Wi t h Fl u e n t s o ftwa r e ， the p r e s - s u r e an d v e l o c i t y o f the fl o w fie l d a r e c o mp are d a m o n g d i f f e rent b o u n d a r y c o n d i t i o n s ， b o u n d a r y l o c a t i o n s an d t u r b u l e n c e mo d e l s ． W e fi n d tha t the fl o w c h ara c t e ris t i c s C an b e b e t t e r s i mu l a t e d b y c h o o s i n g t he s i d e o f t h e g a p b e t we e n the g u i d e b u s h a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r a s t h e v e - l o c i ty i n l e t ， a n d t a k i n g the c y l i n d e r v e l o c i ty, a n d the o i l e n t r an c e o f t h e h y dra u l i c c y l i n d e r a s the p r e s s u r e o u t l e t o f O MP a ． Be s i d e s ， the t u r b u - l e n t mo d e l i s a d o p t e d R e a l i z a b l e K- 8 t u r b u l e nt mo d e l ， c o mb i n e d wi th e n h anc e d w a l l t r e a t me n t ． The r e s u l t s by a d o p t i n g the o p t i mu m c h o i c e s h o w tha t ， t h e p r e s s u r e o f the g a p b e t we e n t h e g u i d e b u s h an d h y dra u l i c c y l i n d e r d e c r e a s e s l i n e arl y , an d the v e l o c i ty i n c r e a s e s e v i d e n t l y i n the g ap are a ． Th e s t u d y h a s p r o v i d e d s i g n i fi c a n t t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e a n a l y s i s o f the flu i d s t r u c t u r e c o u p l i n g o f c o n t a c t we ar and s e a l o f p l u n g e r h y dr a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s p l u n g e r h y d r a u l i c c y l i n d e r ； b o un d a r y c o n d i t i o n ； t u r b u l e n c e mo d e l ； f l o w c h a r a c t e ris ti c ； n um e ric a l s i mu l a t i o n O 引言 柱塞式液压缸因其结构简单、 运动平稳性好、 工艺 性好等优势而被广泛应用于石油化工、 工程机械、 船舶 机械等多个工程领域。液压缸工作中经常会发生密封 件磨损、 缸体划伤、 柱塞杆划伤、 液压油泄漏等故障n ， 直接影响了设备的使用性能， 且修复或更换零件成本 高费时长 。柱塞式液压缸的结构设计及制造工艺受 到 越来越多研究者的关注『4 _ 1 。 针对上述问题 ， 大量学者进行 了液压缸结构 的有 限元分析 埘 ， 发现液压缸内部组件磨损划伤 ， 大多是 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 4 基金项目 国家 自然科学基金项目 5 1 2 6 5 0 2 2 ； 国家科技支撑计划项目 2 0 0 7 B A F 2 8 B 0 1 ； 甘肃省科技重大专 项 1 4 3 G KD A 0 1 4 作者简介 张瑞 1 9 8 7 一 ， 女， 河南鄢陵人 ， 硕士， 从事流体传动与控制方 面的工作。 由于液压缸装配时压盖装偏、 柱塞与缸体定心不 良或 是加工工件的偏置等问题， 导致负载未通过缸体轴线 产生偏载而引起柱塞与缸体、 导向套、 密封圈发生接触 磨损， 最终导致组件损坏。 另一方面， 为便于安装与配合， 柱塞式液压缸在缸 体和导向套 ， 以及导向套和柱塞之间存在一定厚度的 间隙。在液压缸工作时， 该间隙内的液压油存在较高 的工作压力。当发生偏载时， 柱塞与缸体内壁间隙的 液压油压力沿周 向不再均匀分布 ， 将产生一定 的径 向 作用力n ” ， 缸体和导向套在承受偏载产生的侧推力作用 的同时， 也受到流体压力对其结构的作用。此时， 间隙 内液压油的流场对柱塞、 缸体与各组件间的接触磨损 问题必然产生影响， 进而影响到液压缸的密封、 液压油 泄漏问题及工作性能 ， 忽略流体对结构的耦合作用 ， 便 不能真实反映出结构的力学特性1 。因此 ， 液压缸 内液 压油流场特性分析显得十分必要 。 9 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 1 1 期 目前 ， 关 于液 压缸 中液 压 油流 场 的研究 非 常有 限 。由于柱塞式液压缸 同一个油孔在不同时段 ， 分别 作为进油 口和 出油 口， 液压缸工作时充油加压 ， 回程时 出油卸压 。而在进行 流场分析 时 ， 必须同时存在入 口 和出 口或恒压边界 。 1 ， 使得边界条件及模型的选取成为 影响液压缸 内流场模拟 的重要 因素 。在 C F D模拟 中， 流体的流动实际上是由边界条件驱动 ， 求解过程就是 将边界线或边界面上的数据 ， 扩展推算到内部计算域 的过程㈣， 因此 ， 边界条件的选取就直接关系到内流场 模拟的准确性 。在罗威n 的文章 中针对导向套在高频 、 大负载工况下产生的泄漏问题 ， 进行了液压缸间隙密 封流场的流动分析， 给出了不同压力下最佳间隙密封 的间隙厚度 ， 但其流场分析中直接将液压缸间隙流域 的两侧边缘定义为了压力入口和压力出口边界条件 ， 流场不能得以充分发展 ， 且人 口出口的压差控制并未 给出解释 。王勇等 采用有 限元软件 A N S Y S w0 r k ． b e n c h 对液压缸受到冲击荷载时冲击瞬间液压缸内部 流场压力的变化进行了模拟分析， 但未详细给出流场 模拟方法。陈昶龙 1借助F l u e n t 软件对伺服液压缸的 静压支承密封流场进行了仿真 ， 分析了其压力和速度 分布， 但其将液压缸流动模拟为层流流动。姚雪明等u q 通过 构建 描述 液压 缸碰撞 的流 固耦 合方 程组 ， 利用 A D I N A 有限元软件分析了有无流体及不同荷载下液压 缸碰撞位移、 速度、 应力的变化 ， 其结果表明流体对液 压缸碰撞具有明显的阻尼作用 ， 但并未对流体模拟过 程过多描述。 综上所述， 液压缸内液压油流场的分析研究中， 多 数边界条件及模型的选取并不合理， 也很少给出选取 依据且缺乏验证。而液压缸内流场的分析结果 ， 一般 应用于液压缸结构的流固耦合分析中， 直接关系耦合 分 析结 果 的准确性 。因此 ， 本 文拟采用 A N S YS Wo r k ． b e n c h 和F l u e n t 等软件， 对多种不同的边界条件及湍流 模型进行流场对比分析 ， 以得出较合适的边界条件及 湍流模型的组合 ， 为今后液压缸流固耦合分析及相关 研究提供技术储备。 l 流场模型 液压油流场模型的建立可采用直接通过流场尺寸 建模的方法， 也可采用先建立液压缸结构模型， 而后在 缸体 内部流域填充的方法 ， 对于下一步需要做液 压缸 结构分 析的 问题 ， 可采用后 者 。采用 S o l i d Wo r k s 建立 柱塞式液压 缸结 构模 型后 ， 在 A N S Y S Wo r k b e n c h中建 立 的液压缸流场的示意图如图 1 所示 ， 缸体内径为 1 2 6 0 m m， 柱塞直径为 1 2 4 0 m m， 柱塞与缸体间隙为 l 0 1 0 111 1“I1 ， 导向套与缸体之间间隙为0 ．5 m m。导向套与缸体 之间、 柱塞与缸体之 间的间隙流域 ， 以及液压缸 内腔流 域相互间尺寸相差较大 ， 流域厚度从 0 ． 5 m m到 1 0 m m 再到直径 1 2 6 0 m m， 尺寸跨度较大 ， 无疑增加 了网格划 分的难度。 1 0 1 一 缸体 2 一 柱塞 3 一 导 向套 图 1 液压缸流场示意 图 对于 C F D模拟过程 ， 如果流动出 口边界过于靠近 固体障碍物， 将使得边界处流体尚未达到充分发展的 状态 ， 最终导致相 当大的误差。所 以， 为准确模拟流场 发展过程 ， 需 要在原始 流域 的基础 上 ， 将 出 口适 当延 长， 一般取出口边界位于最后一个障碍物后 1 0 倍于障 碍物高度或更远的位置n 。同理， 对于人口处有尺寸变 化可能导致回流的问题， 也须将人 口边界设置为位于 尺寸变化区域相对较远的位置。这些 ， 是以往多数液 压缸流场分析研究所忽略的方面， 而这 ， 也直接影响到 流场模拟结果 的可靠性 。所 以， 对 于液压缸 流场分析 问题， 其建立的模型如图2 所示。由于液压缸内腔为对 称结构 ， 为节约计算成本 ， 取 1 1 4 流域进行网格划分和 流体分析。并且， 为得到合理的网格， 对流体区域进行 了适 当的切分。 u_ I_ 图2 液压 缸流场模型 2 网格划分及边界条件 2 ． 1 网格划分 对于液压缸流场模型 ， 由于液压缸 间隙内液压油 膜部分厚度仅有0 ．5 m m， 为提高流场模拟的精度， 使近 壁面处能快速求解， 必须保证流场边界层网格的质量， 控制第一层网格的高度及边界层内的网格层数。最 终 ， 流场模型网格数量控制在 1 4 5 万 ， 主要流域结构突 变 区域 网格局部 放大图如图 3 所示 ， 在 0 ． 5 m m厚度 区 域保证 了四层 网格 以提高求解精度。 2 ． 2 边界条件及湍流模型对 比 柱塞式液 压缸 在工作过 程 中， 空载 及工作阶段 内 流场 随时间不断变化 ， 流场的速度压力特性也不相 同， 液 压 气 动 ． 与 罐P 封 ／2 0 1 5年 第 1 1 期 场 的速度远大于柱塞的运动速度 ， 组合 3 和 4 速度大小 较为接近， 且与柱塞运动速度相当。可见， 综合考虑流 群 场的压力及速度及收敛性， 组合4 为最优组合。即， 选 蹬 用间隙端为速度人口， 且速度大小取为柱塞运动速度 ， 土 进油13 为压力出口， 并选用R e a l i z a b l e K 一 8 模型是相对 茹 最优的液压缸内流场模拟的设置组合。 堪 圣 i 磺 lM P a 5 M P S m ／ s m ／ s 0． 8 1 ． 0 J ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2．0 2 ．2 2 ．4 2 ． 6 2 ． 8 流 向／ m a 压力沿流 向的变化 0．8 1 ．0 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 2 0 2．2 2 4 2 ． 6 流知， 玎 1 b 速度沿流向的变化 图4流向变化 3 ． 2 结果分析 采用上述 的最优边界条件及湍流模型组合 ， 对液 压缸内流场特性进行了分析。 由于湍流流 动明显地受 到壁 面压力 的影 响 ， 边界 层流场的计算直接关乎模拟的精确性 ， 需对近壁面处 网格进行检验， 控制第一层网格的高度 ， 以使近壁面湍 流模拟得到合理 的结果 。对于近壁面网格 而言 ， 不 同 的近壁面处理方法对 网格要求也不 同。在 F l u e n t 中 ， 用参数， ， 来评估网格的有效性” 。此处 ， 壁面附近 ， 的值如图5 所示。壁面y 在y 5 范围内， 说明近壁处 网格 处在层 流底层 内 ， 这是可 以用边界层方法 进行较 精确计算的区域 ， 对于K 一 ￡ 模型能较好的模拟边界层 流场 。 由图6 液压缸内流场的速度矢量图可见 ， 由于流域尺 寸的突变， 导向套与缸体间隙流域的速度在间隙流域急 剧增大 ， 测得约0 ． 4 8 r r d s ， 在压力出口附近流速则较小。 12 僦 鬣／ m 图 5 壁面 y 分布图 图 6 速度矢量 图 单独分析导向套与缸体间隙流域的压力分布， 该 流域压力沿导向套长度方向的变化曲线如图7 所示。 可见 ， 导 向套与缸体间隙流域的压力分布在 3 1 ．O 8～ 3 1 ． 4 9 MP a 范围 内， 且沿流 向线性减小。而在液压缸 的 结构分析中， 多数研究者在缸体 、 导向套等组件的作 用面上直接施加同等大小的压力 ， 即液压缸的工作压 力 ， 显然会产生一定的误差 ， 尤其是由于液压缸实际 工作 中的振动 、 偏载等原因， 各组件表面压力必然不 再相等。因此 ， 对于柱塞式液压缸内流场模拟分析的 边界条件及湍流模型的选取 ， 本文提供的边界条件、 湍流模 型 最优 组合 ， 无论 在液 压油 流场 压力 的量 级 上 ， 还是间隙流域压力的变化趋势上， 都与实际情况 最为接近 。 享 逝 流 向／ m 图 7 导 向套与 缸体 间隙流域压力沿流 向的变化 4 结论 1 通过对 比柱塞式液压缸液压油流场 在不同边 ．～ ． 一 I ■ 一 一 一 B d 遵妇 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 1 1 ． 2 0 1 5 界类型、 边界位置及湍流模型时的模拟结果， 总结出了 模拟液压缸内流场的最优边界条件及湍流模型组合， 解决 了 目前液压缸流场模拟 中边界条件及湍流模型选 择不准确的问题， 为相关研究提供参考。结果表明， 选 择R e a l i z a b l e K 一 8 模型， 结合增强型壁面函数 ， 并选择导 向套与缸体间隙侧为速度人 口， 液压缸进油 口为压力 出口边界条件能较好模拟液压油流动特性。 2 液压缸内流场的流动速度在导向套与缸体的 间隙流域明显增大， 而在其他区域则速度较小。在导 向套与缸体间隙流域 ， 流场压力沿流向线性减小。 参考文献 【 1 】 常军． 液压系统常见故障现场诊断及处理方法[ J J ． 新技术新 工艺， 2 0 1 3 ， 3 3 5 1 0 2 - 1 0 5 ． 【 2 ] 王林鸿 ， 杜润生 ， 吴波 ， 等． 液压缸低速运动的动态分析f J 1 ． 中国机械工程， 2 0 0 6 ， 1 7 2 0 2 0 9 8 2 1 0 1 ． 【 3 】 高俊峰， 孙茂， 芦光荣， 等． 快速锻造液压机动载因数分析 [ J ] ． 锻压技术， 2 0 1 2 ， 3 7 6 5 7 6 0 ． f 4 1 刘艳妍， 杨晋． 双柱式锻造液压机工作缸球铰力学分析『 J 1 ． 机械科学与技术， 2 0 1 4 ， 3 3 6 7 8 9 - 7 9 1 ． 『 5 15 胡健， 李永亮， 张可平． 我国工程机械液压缸加工工艺及装 备解析[ J ] ． 科技视界， 2 0 1 3 ， 3 3 5 8 1 8 2 ． [ 6 】 文海 鹏． 柱塞加工工 艺改进分析[ J 】 ． 金属加工 冷加工 ， 2 0 0 9 ， 6 0 1 9 2 7 2 8 ． [ 7 】 张伟玮， 王仲仁， td , 松， 等． 厚壁半球形液压缸的强度计 算及其与圆筒形液压缸对比分析【 J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 2 ， 4 8 2 4 5 0 5 4 ． [ 8 】 姜峰， 杨晋， 马学鹏． 下拉式快锻压机工作缸缸体的参数化 设计研究[ J ] ． 锻压技术， 2 0 1 4 ， 3 9 3 8 6 9 0 ． [ 9 】 刘晓明， 叶玮． 液压缸结构设计及运行特性分析[ J ] ． 液压气 动 与密 封， 2 0 1 3 ， 3 3 f 7 1 7 2 1 ． [ 1 o ]胡旭林． 基于Wo r k b e n c h 的液压缸疲劳寿命分析[ J ] ． 煤矿机 械， 2 0 1 3 ， 3 4 6 9 4 9 5 ． [ 1 1 】陈昶龙． 基于F l u e n t 软件的伺服液压缸静压支承密封流场 仿真[ D 】 ． 武汉 武汉科技大学， 2 0 1 2 ． 【 1 2 ]宋学官 ， 蔡琳， 张华． AN S Y S 流固耦合分析与工程实例【 M】 ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 1 2 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