低摩擦高频响变间隙密封液压缸研究.pdf

第 5 1 卷第 2 4期 2 0 1 5 年1 2 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG Vb1 ． 51 De c． NO ． 2 4 2 O 1 5 Do I 1 O ． 39 01 ／ J M E． 2 01 5 ． 2 4 ． 1 61 低摩擦高频晌变间隙密封液压缸研究珠 湛从昌 邓江洪 陈奎生 武汉科技大学机械 自动化学院武汉4 3 0 0 8 1 摘要液压缸是液压系统重要元件，其动静态特性直接影响液压系统正常工作性能。由于具有密封件的第一代液压缸摩擦力 大、动态性能差，不适应高频工作的液压伺服系统，制约了液压缸向高速方向发展，第二代间隙密封液压缸采用恒间隙密封 技术，摩擦力减小，动态响应提高，但容积效率降低 。为此，在第一代和第二代基础上，经过多年努力，研发出无密封件并 采用压力自补偿变间隙密封技术的第三代液压缸，通过理论分析、数学建模、仿真研究、试验验证及应用，第三代液压缸动 静态性能好，容积效率高，工作寿命长，适用于高频响、高速度的液压传动及液压伺服系统。压力 自补偿变间隙密封技术可 以推广到其他具有微小变形要求的液压元件中，使制造业和液压技术在创新上前进一步。 关键词液压缸；高频响；低摩擦力；无密封件；变间隙密封 中图分类号T H1 3 7 Re s e a r c h o n Lo w- f r i c t i o n a nd Hi g h-- r e s p o n s e Hyd r a u l i c Cy l i nd e r wi t h Va r i a bl e Cl e a r a nc e Z HAN Co n g c h a n g DE NG J i a n g h o n g C HE N Ku i s h e n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l Au t o ma t i o n ， Wu h an Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 8 1 Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c y l i n d e r i s a n i mp o r t a n t c o mp o n e n t o f t h e h y dra u l i c s y s t e m．I t d i r e c t l y a ffe c t s the s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m．T h e fi r s t g e n e r a t i o n o f h y dra u l i c c y l i n d e r wi t h r u b b e r s e a l s h a s g r e a t f ric t i o n a n d p o o r d y n a mi c p e rfo r ma n c e ．He n c e ，i t i s n o t a d a p t e d t o the h y dra u l i c s y s t e m wi th h i g h f r e q u e n c y a n d r e s t r i c t s the d e v e l o p me n t o f h i g h s p e e d h y dra u l i c c y l i n d e r ．T h e s e c o n d g e n e r a t i o n o f h y dra u l i c c y l i n d e r wi th c l e a r an c e g a p s e a l s u s e s c o n s t a n t g ap s e a l i n g t e c h n o l o g y t o d e c r e a s e the f r i c t i o n a n d i mp r o v e t h e d y n a mi c r e s p o n s e ，b u t t h e v o l u me e ffi c i e n c y i s r e d u c e d ．Af t e r y e a r s o f r e s e a r c h e s ， the t h i r d g e n e r a tio n o f h y dr a u l i c c y l i n d e r wi tho u t s e a l s u s i n g p r e s s u r e s e l f - c o mp e n s a t i o n an d v a r i a b l e c l e a r a n c e t e c hn o l o gy i s d e v e l o p e d o n the b a s i s o f the fi r s t and s e c o n d g e n e r a t i o n o f h y dra u l i c c y l i n d e r s ．Aft e r t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， ma t h e ma t i c a l mo d e l i n g ，s i mu l a t i o n r e s e a r c h ，e x p e r i me n t a l v e rifi c a t i o n an d a p p l i c a t i o n s ，i t i s p r o v e d tha t the t h i r d g e n e r a t i o n o f h y dra u l i c c y l i n d e r h a d p e r f e c t s t a t i c a n d d y n a mi c c h ara c t e ris ti c s a n d l o n g wo r k i n g l i f e ． I t i s we l l a p p l i e d t o h i g h f r e q u e n c y r e s p o n s e an d h i g h s p e e d h y dra u l i c t r a n s mi s s i o n an d h y dra u l i c s e r v o s y s t e m．Th e s e t e c hn o l o g i e s C an b e e x t e n d e d t o o t h e r h y d r a u l i c c o mp o n e n t s t h a t r e q u i r e s ma l l d e f o r m a t i o n ， an d c a n ma k e the ma n u f a c t u r i n g an d t h e h y dra u l i c t e c hn o l o gy g o f o r wa r d ． Ke y wo r d s h y dra u l i c c y l i n d e r ；h i g h f r e q u e n c y r e s p o n s e l o w f r i c t i o n；wi tho u t s e a l s ；v a r i a b l e c l e aranc e s e a l 0 前言 液压缸在液 压传动与控 制系统担 负着 将液压 能转换为机械 能而对外做功的重要任务【 l J ， 是液压 传动与控制系统 的重要元件 。液压缸 自研究成功和 应用 以来的近百年历程中，采用密封件进行密封 的 结构一直没有改变，这种结构泄漏量少，容积效率 高，但摩擦 阻力大，严重影响动态性能 J ，若在高 频条件下工作，易使金属与密封件接触处磨损，降 国家 自然科学基金 5 1 1 7 5 3 8 8 ， 5 1 4 7 5 3 3 8 和广东省教育 部产学研合作 2 0 1 0 A0 9 0 2 0 0 0 4 7 资助项目。2 0 1 4 1 2 1 6收到初稿，2 0 1 5 0 9 2 2 收到修改稿 低液压缸寿命 J 。如图 1所示 ，该 图的磨损位置是 活塞杆与密封件接触处，因高频振动其摩擦面产生 高温而损坏的。为此，C Y NT HI At 4 j 对密封件 的材料 进行 了深入研究，采用金属与非金属密封件 ，如聚 四氟 乙烯等 ，尽可能降低摩擦力，减小磨损 ，但并 未解决根本 问题 。这种结构的液压缸称为第一代液 压缸 。大约在 2 0世纪末 ，2 1世纪初 ，GO R DO N 等L 5 - 6 ] 研制出间隙密封液压缸 ， 我国个别技术先进 的 液压件厂于 2 1 世纪初也成功研制间隙密封液压缸， 并应用于连铸机结晶器振动液压伺服系统中，提高 了连铸坯质量 。间隙密封液压缸的动态特性 明显提 高，延长使用寿命，但泄漏量大，特别是在高压条 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 2 机械工程学报 第 5 1 卷第 2 4期 件下工作，泄漏量迅速增大，容积效率降低 。这种 结构液压缸为第二代液压缸。在分析第一代和第二 代液压缸基础上，应用金属材料弹塑性变形理论 ， 流体在间隙中流动理论 ，提出压力 自动补偿变间隙 密封技术 ，并应用于液压缸中，其密封间隙随压力 变化而变化，使液压缸在工作中，当压力变化时仍 保持泄漏量基本不变，从而保持较高容积效率，这 种液压缸称为第三代液压缸，能克服第一代和第二 代液压缸不足 ，并能进一步提高频率特性 ，使液压 缸在高速运动中保持较长工作寿命 。 图 1 磨损活塞杆 1 变间隙密封液压缸原理简介 本文中提 出的压力 自适应变间隙液压缸，原理 如图 2所示，变间隙密封结构是在活塞两端做特殊 结构唇边，液压缸根据允许的最大泄漏量设计活塞 与缸筒 内壁的初始间隙 1 0 “ - 5 0 r t m 。初始状态下， 唇边保持原形，活塞与缸筒内壁间隙为初始间隙， 当工作腔压力升高时，唇边内侧压力为均匀压力， 外侧压力沿活塞轴 向逐渐下降，导致 内侧压力大于 外侧压力， 唇边在 内外侧压差作用下产生微小变形， 向外扩张，减小活塞与缸筒 内壁间隙。低压 时，泄 漏在允许范围内，高压 时，间隙量随着工作压力增 大逐渐减小， 根据环状缝隙流量公式， 压差增大时， 泄漏量随之增大 J ，而此时压差增大，变间隙密封 结构的间隙量减小，以补偿因间隙两端压差增大导 致的泄漏量增加 。 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ l／ ／ ／ ／ ⋯ c 1 I厂 十 _ _ 1 『 - _ 1 。 lL _ I U j ＼ 一 ＼ ＼ l／／ ／／ ／／ 图 2 变间隙密 封液 压缸 原理 图 1 ． 缸筒2 ． 活塞3 ．变形结构4 ．导向套5 ． 活塞杆6 ．缸盖 2 活塞唇边变形数学模型 变 形活塞唇边是变间隙密封液压缸 的关键 部 位，在油压的作用下，变形活塞唇边内表面受到均 匀压力作用，外表面受到递减压力作用 J ，因而变 形活塞唇边产生径向往外变形，为简化计算，从唇 边截取一段宽度为 b的轴 向单元体 ，将图 2中 3处 的变形简化成悬臂梁 的变形来进行求解 。忽略轴 向 力对活塞唇边变形影响 ，利用积分法对其最大位移 进行求解 J 。连续积分二次，可得到变截面梁挠 曲 线方程的一般表达式 ∽ 』 [ 』 C 2 1 式中，X为唇边轴 向距原点距离；Y为唇边挠度 ；E 为弹性模量； 为对 X轴 的惯性矩 ； 为弯矩；C 、 为积分常数，可根据边界条件来确定 。 对应于几种不 同的载荷 ，根据液压力弯矩可叠 加特点，将挠 曲线的近似微分方程叠加 ，即当梁上 同时作用多个载荷时，分别求出每个载荷单独作用 时引起的变形量，再将变形量叠加，即为载荷共 同 作用的变形量 。 对变形结构进行优化后，将变形活塞唇边截面 设为矩形， 则受力如图 3 a所示 ， 唇边变形合力如图 3 b所示， 惯性矩 I x 为常数 ⋯ ， 并用上述方法分析 、 计算、化简后，挠度变形为 ，、 一 - p 上 一 I 5 L 4 一 三 一 l 一十 Jiz I f 2 1 5 、 l 刍 】 b 图 3 矩形唇边 受力分 析 囫 -l L I 囫 -I L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 l 2月 湛从昌等低摩擦高频响变间隙密封液压缸研究 1 6 5 液压系统采用两台主泵 6 3 S C Y 和一台控制泵 1 0 S C Y 供 油 ， 采 用 R OE X T O H 的 比 例 溢 流 阀 DB E ME系Y U 精确调节油源压力， 通过控制阀块上 的 R E XR T O H三通 比例减压阀 3 DR E ME系列 提供 背压。 控制阀块上的 MO OG D6 6 1伺服阀 响应频率 大于 1 0 0 Hz 1 0 ％开 口 与旁路节流装置 D VP 6 S 1 配合使用 ，在较大范围内调控通过旁路节流装置的 流量 ，使油压能从 0 MP a起步 ，测试压力调节灵敏 度 高，连续可调 。 电控系统采用 WI NC C界面监控与控制，控制 器采用西 门子 P L C 3 0 0 ，外接元件为继电器、交流 接触器、软启动器、蝶阀、过滤器、液位计、温度 传感器、压力传感器 压力传感器分两种量程 ，0 ～ 1 ． 6 MP a和 0 ～4 0 MP a ，以满足在高、低压时测量 时精度要求 。 测试系统采用 DE L L计算机与研华采 集卡 P C I 1 7 4 2 U，多通道采样率达 8 0 0 k S ／ s ，测试程 序采用 V C 编程 ， 可 自动对液压缸动态响应频宽、 启动摩擦力、带载动摩擦力、偏摆进行测量 ，并 出 示被试报告。 由于该测试系统流量大 、压力调节范围广、测 试精度高、被试缸安装方便的特 点，所 以应用本系 统测试变 间隙密封液压缸的工作压力与泄漏量的关 系，由于不对液压缸总体性能分析 ，所 以未采用该 试验 台其他功能。 5 ． 2 测试原理及测试结果分析 测试液压系统原理如图 】 4所示。试验时，液 压缸唇边一侧通液压油 ，通过调节伺服阀开 口，以 0 ． 0 1 5 0 ． 0 2 0 MP a ／ s 速率， 每 1 MP a 为 1 级逐级升 压，每级持压 5 mi n后 ，开始测量泄漏量 ，测量时 间为 5 mi n ，计算每分钟泄漏平均值 ，升压至最大 测 试压力后 ，再 以连续均匀 的速率逐 级降压至 0 MP a ，并测量降压过程 中各级泄漏平均值 。5 mi n 后进行下一次测试循环。测试循环连续进行 5次，测 量结果取5 次循环的平均值。 测量时监测油温在 4 0 -J 6 ℃范围内，采用量筒标称容量为 2 5 m L、2 5 0 mL 。 图 1 4 测试液压系统原理图 1 ． 油箱2 ， 1 1 ．液压泵3 ， l O ．过滤器4 ， 9 ． 溢流 阀5 ． 节流阀 6 ．被试液压缸7 ． 量筒8 ．伺服阀 将制作 的活塞分别装入缸筒 内，按上述测试方 法进行测量，活塞变形与泄漏 的关系最为理想的为 3 j fj} 活塞 。图 1 5为 3 ≠ } 活塞泄漏量 曲线 ，为了与恒间 隙密封液压缸比较，将同尺寸恒间隙密封缸泄漏量 按圆柱环形间隙流量公式计算，并将无偏心和完全 偏心两种理论计算值在 同一图中表示。为防止加工 误差 导致初始间隙与设计不一致 ，采 用压差为 1 MP a时的实测泄漏量 ，根据 同心环形间隙泄漏公 式 ，计算环形间隙大小，将该值作为初始间隙。 ．g ＼ 蛔l 赡 靼 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 l 3 1 4 l 5 1 6 l 7 1 8 压力 ／ MP a 图 1 5 3 j fj} 活塞 泄漏 量． 压力 曲线 测 曲线显示在低压时 1 ～1 0 MP a ， 泄漏量随压 力升高而变大 ，变化趋势与同心圆环间隙理论泄漏 量变化趋势一致，实测数值略低于理论值；当压力 大于 1 0 MP a后，随压力升高泄漏量减小，这是唇 边往外扩展，使间隙减小造成的。 由 AN YS YS仿真变形云图可知，当唇边内外 出现如图 1 1 所示压力作用时， 唇边 向外扩展 ， 活塞 唇边部分为曲率渐变的圆台，因此将唇边与缸内壁 间隙近似为有锥度 的圆环间隙密封 。泄漏量公式为 Q d 了 h o “ k 3 D f k 式中 1 ． t , o ； 。 Ii23 d活塞直径 唇边末端间隙； 流体黏度； ， 间隙长度； 唇边最大变形处间隙 k唇边变形系数； A p唇边两端压差。 由于活塞非唇边部分变基本不变形，则唇边末 端间隙等于初始间隙。由式 3 可知，当k 1 时， 泄 漏量增大，当k1 时，泄漏量减小 。当压力小于等 于 1 0 MP a时，变形量不足 以抵消压力增加导致的 泄漏量增大 ，所 以实测降压过程泄漏量曲线和升压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 5 1卷第 2 4期 过程泄漏量 曲线存在上升趋势。 当压力大于 1 0 MP a 时，变形量对泄漏量的影响大于压力对泄漏量的影 响，导致实测曲线下降。 由图 1 5比较可知 ，上述叙述 3 荐 活塞变间隙密 封液压缸泄漏量最大值为 3 0 ． 8 mL ／ mi n ， 低于无变形 液压缸泄漏量理论计算公式，说明设计变形活塞能 提高液压缸的密封效果，为了进一步证明上述结论 的正确性，排除泄漏量的变化是受油液黏度或其他 因素的影响， 对 5 撑 活塞进行测试， 该活塞唇边与 3 群 活塞相 比，唇边厚度变为 3 mm，其余尺寸相同， 将 5 撑 活塞实测泄漏量 曲线、 理论计算泄漏量 曲线 5 ≠ } 活塞初始间隙计算方法与上文所述 3 群 活塞初始间 隙计算方法一致1 、 3 } } 活塞实测泄漏量 曲线在 同一图 中显示，见图 l 6 。 压力／ MP a 图 1 6 两种活塞泄漏量实测曲线 5 ≠ } 活塞实测泄漏量与完全偏心泄漏量近似，大 于无偏心泄漏量。分析认为，由于试验活塞无活塞 杆，且均压槽被导通，失去活塞 自对中作用 ，活塞 出现 了完全偏心。 3 ≠ ≠ 活塞实测泄漏量 曲线与 5 ≠ } 活塞实测泄漏量 曲线比较 ，5 群 活塞泄漏量明显大于 3 ≠ } 活塞泄漏量 。 上述测试 曲线证明了 3 ≠ } 活塞设计 的唇边结构 具有减少泄漏量的作用 。 6 结论 1 本文应用弹塑性理论和流体流经缝隙流动 理论，研发了液压缸活塞两侧为薄唇边环结构，试 验结果表明，当油液压力上升到一定时，液压缸内 泄漏减少 ，从而证明活塞与缸筒 内壁之间的间隙减 小，克服 了恒间隙密封液压缸随压力增大而泄漏量 增大的技术难题。 2 在变 间隙密封液压缸 的变形 间隙密封区域 内，压力场变化采用阶梯而加速下降技术，使唇边 变形近似为弧形结构 ，并通过仿真试验得到证实 ， 其最大变形位置在变形唇边中心附近。这种变形结 构，有利于保护油膜和防止损伤缸筒 内壁 。 3 推导出变间隙密封活塞变形唇边 的数学模 型，该模型反映出变形唇边结构、活塞结构以及压 力变化，这些研究成果可以推广到其他有微小变形 要求的液压元件中。 目前，某型号结晶器振动液压缸 ，应用变 间隙 密封技术，振幅在 0 ． 1 m i d时，频率为 8 ～1 0 H z ， 阶跃响应为 4 0 6 0 ms ，其他性能 良好。这种第三 代液压缸大大降低摩擦力，减小磨损 ，提高动态特 性，容积效率高 ，具有较强的理论和应用价值。 参考文献 【 1 】陈奎生．液压与气压传动【 M】 ． 武汉武汉理工出版社， 2 0 0 1 ． C H E N K u i s h e n g ．H y d r a u l i c a n d p n e u ma t i c d r i v e [ M] ． Wu h a n Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y P r e s s ，2 0 0 1 ． [ 2 ]2 吴瑞民，周晓军，雷良育． 液压缸密封工艺分析[ J ] ．机 床与液压 ，2 0 0 3 6 3 0 6 ． 3 2 4 ． WU R u i mi n g ， Z HO U Xi a o j u n ， L E I L i a n g y u ． R e s e a r c h o f o i l c y l i n d e r ’ s a i r p r o o f t e c h n o l o g y [ J ] ．Ma c h i n e T o o l H y dra u l i c s ，2 0 0 3 6 ；3 0 6 - 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p r e c i s i o n t e s t me tho d s o f t h e d y n a mi c f r i c t i o n o f s e r v o h y dra u l i c c y l i n d e r [ J ] ． Ma c h i n e r y De s i g n a n dManu f a c t u r e ，2 0 1 1 3 1 1 6 - 1 1 8 ． 作者简介湛从昌，男，1 9 3 7年出生，教授。主要研究方向为液压可靠 性与故障诊断研究以及液压元件开发等，获国家技术发明二等奖。 E - ma i l z h 0 7 8 a l i y u n ．t o m．c r l 邓江洪 通信作者 ，男，1 9 8 6年出生，博士研究生。主要研究方向为流 体传动与控制。 E ma i l ．．d e n g fi a n g h o n g 3 2 5 1 6 3 ．c o l T I ．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m