间隙密封液压缸泄漏量仿真分析.pdf

2 0 1 3年 7月 第 3 8卷 第 7期 润滑与密封 L UBRI CAT I ON ENGI NEERI NG J u l y 2 0 1 3 V0 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 1 6 间隙密封液压 缸泄漏量仿真分析 蒋俊 郭媛 曾良才 湛从昌 付曙光 1 ．武汉科技大学机械 自动化学院湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ． 武汉冶金管理干部学院湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要针对间隙密封液压缸，采用 C F D技术对不同结构的间隙内部流场进行仿真分析，得出流场分布及速度分布， 并计算出液压缸的泄漏量，以寻求间隙密封液压缸的最优结构。液压缸的泄漏量随活塞速度、间隙的增大而增大，在加 工精度允许条件下，可通过减小间隙来减小泄漏量。 关键词液压缸；间隙密封；泄漏量 中图分类号 T H1 3 6 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 3 7 0 7 5 5 S i mul a t i o n a n d Ana l y s i s o f Le a ka g e f o r Cl e a r a n c e S e a l o f Hy dr a u l i c Cy l i n de r J i a n g J u n Gu o Yu a n Ze n g L i an g c a i Zh a n Co n g c h a n g F u Sh u g u a n g 1 ． C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d Au t o ma t i o n ， Wu h a n U n 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 Hu b e i 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 Wu h a n C o l l e g e o f M e t a l l u r gy a n d P e o n n e l A d m i n i s t r a t i o n ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e s e a l l e a k a g e p r o b l e m o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r wi t h c l e a r a n c e s e al， t h e fl o w fie l d i n t h e c l e a r a n c e wi t h d i f f e r e n t s t r u c t u r e wa s a n aly z e d b y CF D me t h o d． T h e d i s t r i b u t i o n o f fl o w fi e l d a n d v e l o c i t y f i e l d wa s o b t a i n e d， a n d t h e l e a k a g e o f d i f f e r e n t t y p e s o f c l e a r a n c e s e a l wa s c a l c u l a t e d i n o r d e r t o fin d t h e o p t i mal s t ruc t u r e o f c l e ara n c e s e a 1 ． Th e l e a k a g e i s i n c r e ase d wi t h t h e i n c r e a s i n g o f p i s t o n v e l o c i t y an d g a p s i z e， S O t h e l e a k a g e c a n b e r e d u c e d t h r o u g h r e d u c i n g t h e g a p s i z e u n d e r t h e c o n d i t i o n p e r mi t t e d i n ma c h i n i n g a c c u r a c y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ；c l e a r a n c e s e a l ；l e a k a g e 在液压系统 的机械密封中，摩擦会使液压缸 、 滑阀在起动时产生爬行 、振荡现象，甚至会使系统进 入无序运动的混沌状态 ，极大地降低了系统 的性能。 所 以 ，对 于一些要 求低摩擦 力 、快速响应的液压缸及 液压元件 ，均希望 取消密封 圈而采用 间隙密封形 式⋯。尤其是伺服液压缸，其要求低摩擦力 、无爬 行、频率响应高、寿命长、高可靠性，应采用间隙密 封以满足液压伺服系统的静、动态性能要求 。 间隙密封在间隙中有一层薄的油膜 ，对运动副起 到润滑作用 ，从而降低摩擦力 ，提高动态性能 。但 是，间隙密封结构不能保证泄漏 ，特别是环形 间隙， 泄漏量与间隙量成三次方的关系，因此密封间隙结构 必然带来泄漏量的增加 ，所以控制密封间隙量非常重 要。若间隙过大，泄漏增大；若间隙过小，缸筒内表 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 1 作者简介 蒋俊 1 9 8 5 一 ，女，研究方 向为液压传动与控制 E m a i l j i a n g j u n j j 2 0 0 6 1 2 6 ． c o rn ． 面容易磨损。而且液压缸在工作过程中，由于间隙量 一 定，泄漏量随压差升高而增大 。为此 ，本文作 者应用 C F D技术 ，对不同结构的间隙密封形式的内 部流场进行仿真分析研究。 1 模型建立 在液压缸中缸体与活塞之间是轴向往复运动 ，活 塞和缸在结构上都是轴对称的，且两者之间采用间隙 密封 。工作 时 ，间隙 内充 满 的液 压油 形成 一 环形 流 场 ，将活塞与缸筒隔开，使两接触面在运动过程中不 发生接触 摩擦 。 建模时只选取间隙中的环状流体进行研究。环状 间隙的结构如图 1所示 ，其参数为环形间隙内径 d 6 2 ． 5 m m；环形 间隙 h分别取 8 、1 0 、1 5 、1 8 、 2 0 、2 5 、3 0 m；环形间隙外径 Ddh ；平衡槽的 槽宽 W 0 ． 8 m m；平衡槽 的槽 深 h 1 m m；两平衡 槽间的间距为 8 m m。 7 8 润滑与密封 第 3 8卷 3 ． 1 ． 2 ． 2 活塞速度对节流 口速度的影响 图9示出了间隙中流体的速度分布。可以看出 随着活塞速度的增大，节流 口处的流体速度增大 ，靠 近活塞处的液流速度也越来越大。这是因为当活塞运 动时 流体受剪切作用时 ，由于流体与固体接触 时，固体边界上的流体质点必然会贴附在边界上，不 会与缸筒内壁面发生相对位移，所以，缸筒内壁上的 ● 确 ● 昌 量 0 f 砷 ● 目 宣 箸 P o s i t i o nx ／ m m a 活塞速度为 0 ． 0 5 m ／ s 时 Po s i t i o n x ／ mm C 活塞速度为 0 ． 5 m ／ s 时 流体质点速度必定为0 ，在其附近的流体质点由于黏 性的作用 ，流速也有不同程度的减小 ，离缸筒越远流 速越接近活塞壁面处的流速。当活塞速度大于 0 ． 5 m／ s 时 即液流在压差和剪切力作用下运动 ，液流 速度曲线为一条递减 曲线 即环形间隙从 内到外， 速度依次递减 ，即靠近活塞壁面的流体速度最大， 靠近缸筒壁面的流体速度最小。 b 活塞速度 为 0 ． 1 m ／ s 时 P o s i t i o nx ／ mm d 活塞速度 为 1 m ／ s 时 图9 不同活塞速度下节流 口流体速度分布 F i g 9 F l u i d v e l o c i t y p r o fil e o f r e g u l a t o r o r i fi c e a t d i ffe ren t p i s t o n s p e e d 3 ． 2 泄漏量分析 3 ． 2 ． 1 速度 对泄漏量的影响 图 1 0示出了环形间隙为 1 0 m时，活塞以不同 速度运行时 ，活塞速度与密封间隙出口流体质量流量 的关 系。 ’ 活 塞速 度v ／ m s - 1 图 1 0 间隙为 1 0 k L m时活塞速度与泄漏量 的关系 F i g 1 0 Re l a t i o n s h i p o f p i s t o n s p e e d a n d l e a k a g e i n 1 0 um g a p 可以看出随着活塞速度的增大，环形间隙的出 口质量流量值也随之增大。即在密封间隙一定时，泄 漏量与活塞速度成正比关系，这是因为随着速度的增 大，间隙中流体速度也随之增大，那么单位时间内密 封间隙出口的流体质量就会增大 ，即就是液压缸的泄 漏量增大 。 3 ． 2 ． 2间隙大小对泄漏量的影响 图 1 1 示 出了活 塞 以 0 ． 5 m ／ s 的速度 运行 时 ，环 形间隙与出口流体质量流量的关系。可以看出随着 密封间隙的增大，泄漏量也随之增加。因为随着间隙 的增大 ，即节流间隙越大，流体流经节流间隙时获得 的速度就越小 ，则在节流间隙后的空腔内的涡流就越 弱，动能耗散得就越少 ，则密封腔出口速度就越大， 即泄漏 量越大 。 4结论 1 活塞静止时，间隙中液流速度呈抛物线分 布，活塞与缸筒壁面处速度为0 ，间隙中部液流速度 最大；均压槽内，上部出入口处流体速度大，下部流 体速度极小 。 0 O 0 O O 6 ∞ 鲫 一 魄． 量曼v ， d皇删 笤 I a 叻．昌冒 置一 譬 l a 一 ∞． 卜 o _【 ‘ ．暮爆咖 噬Ⅱ丑 2 0 1 3年第 7期 蒋俊等间隙密封液压缸泄漏量仿真分析 q - , 竹 ● l。 删 壤 _ 删 曙 Ⅱ 葺 了 间 隙 c ／ la m 图 1 1 活塞速度 0 ． 5 m ／ s 时间隙与泄漏量的关系 F i g 1 1 Re l a t i o ns hi p o f g a p s i z e a n d l e a k a g e a t t h e p i s t o n s p e e d o f 0． 5 m／ s 2 活塞开始运行时，间隙中液流速度随着活 塞速度增大而增大，均压槽处液流随着活塞速度的增 大 ，其涡流作用增强。泄漏量随活塞速度增大呈正比 增 加。 3 随着密封间隙的增大 ，泄漏量也随之增加 ， 因此在加工精度允许的条件下，可通过减小间隙来减 小泄漏 量。 参考文献 【 1 】金振邦， 刘良臣． 工程机械密封技术的应用与展望[ J ] ． 工程 机械与维修 ， 1 9 9 9 4 3 0 3 1 ． 【 2 】黄志坚． 现代密封技术应用[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 o o8 ． 【 3 】G o r d o n S B ， V o l d e n D o n g ． U p s t r e a m p u m p i n g a n e w c o n c e p t i n m e c h a n i c a l s e a l i n g t e c h n o l o g y [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 0， 4 21 32 1 7 ． 【 4 】周梓荣， 彭浩舸， 曾曙林． 环形间隙中泄漏流量的影响因素 研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 5 ， 3 0 1 7 9 ． Zh o u Zi r o n g，Pe n g Ha o k e，Z e n g S h u l i n．Re s e a r c h o n t h e i n f l u e n c e f a c t o r s o f l e a k a g e i n a n n u l a r c l e a r a n c e s e a l s『 J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 3 0 1 7 9 ． 【 5 】侯煜． 基于C F D环形间隙泄漏量及摩擦力的仿真计算[ D] ． 太原理工大学机械工程学院 ， 2 0 0 7 ． 【 6 】何大钧， 王孝培． 液压泄漏控制[ M] ． 重庆 科学技术文献出 版社重庆分社 ， 1 9 8 9 ． 【 7 】K塔鲁达纳夫斯基． 非接触密封[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 6 【 8 】戴维奇． 液体静压式收敛间隙密封流场特性研究[ D ] ． 北 京 北京化工大学机 电工程学院， 2 0 0 8 ． 上接第4 0 滑膜的局部最高压力峰和温度峰，由于局部压力峰的存 在，使单个粗糙峰被迫压平，峰值变小，膜厚减小。 3 随着速度的增加，水基磁流体润滑膜的局 部压力峰减小 ，膜厚增大，温度增大。随着载荷的增 加，局部压力峰增大，膜厚减小 ，温度增大。 参考文献 【 1 】高良凤， 傅晓炜， 王瑞金． 磁流体润滑技术[ J ] ． 新技术新工 艺， 2 0 0 5 7 2 9 3 1 ． G a o L i a n g f e n g ，F u X i a o w e i ， Wa n g R u i j i n ． T h e l u b r i c a t i n g t e c h n o l o gy o f m agn e t o fl u i d[ J ] ．N e w T e c h n o l o g y ＆ N e w P r o c e s s ， 2 0 0 5 7 2 93 1 ． 【 2 】耿全荣， 蒋荣立． F e O 水基磁流体的制备与研究[ J ] ． 实验 科学与技术 。 2 0 0 6 4 1 1 1 4 ． G e n g Q u a n r o n g ， J i a n g R o n g l i ． P r e p a r a ti o n a n d r e s e a r c h o f F e 3 O 4 w a t e r b a s e d m agn e t i c fl u i d [ J ] ． E x p e ri m e n t a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 4 1 1一l 4 ． 【 3 】王学锋， 刘晓玲， 杨沛然， 等． 数率非牛顿流体线接触时变热 弹流润滑分析[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 ， 3 1 1 2 6 3 6 4 ． W a n g Xue f e n g， Li d Xi a o l i n g， Ya n g P e i r a n， e t a1． An a l y s i s o f t he l i n e c o n t a c t t h e r ma l EHL o f the p o we r l a w n o n- Ne wt o n i a n flu i d u n d e r t r a n s i e n t c o n d i t i o n s [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 2 6 36 4． 【 4 】刘晓玲， 杨沛然． 指数率流体热弹流润滑分析[ J ] ． 润滑与密 封， 2 0 0 7 ， 3 2 8 1 9 2 3 ． L i u Xi a o l i n g， Ya n g Pe i r a n ．An aly s i s o f p o we r l a w flu i d the r ma l e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b ri c a t i o n[ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 3 2 8 1 9 2 3 ． 【 5 】刘岩， 谢友柏， 温诗铸． 关于磨粒在磁场探测器中沉降运动 的研究[ J ] ． 西安交通大学学报， 1 9 9 9 ， 3 3 1 0 5 7 5 9 ． L i u Ya n，Xi e Yo u b a i ，We n S h i z h u．De p o s i t i o n mo t i o n o f p a r t i c l e s i n a m a g n e t i c fi e l d d e t e c t o r [ J ] ． J o u rnal o f X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 1 9 9 9 ， 3 3 1 0 5 7 5 9 ． 【 6 】Y a n g P ， We n S ． A g e n e r al i z e d R e y n o l d s e q u a t i o n f o r n o n Ne w t o n i a n the r ma l e l a s t o h y d r o d y n a mi c l u b ri c a t i o n『 J ] ． AS ME J o u r n a l o f T r i b o l o gy， 1 9 9 0， 1 1 2 6 3 16 3 6 ． 【 7 】温诗铸． 摩擦学原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 0 ． 【 8 】杨沛然． 流体润滑数值分析[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 9 8 ． 上接第 6 0页 F e r I g J u n j u n ， L i u L i n ， G u l ll n ． E ff e c t o f e x t e r n a l b e n d i n g mo me n t a n d c r e e p o n fl u i d m a c h i n e r y w i th bel t e d fl a n g ed c o ane c t i o n s [ J ] ． M a c hi n e ry D e s i g n M a n u f a c t u r e ， 2 0 1 1 5 1 8 8 1 9 0 ． 【 1 0 】S u n z G， G u B Q ． P r e d i c t i o n o f t i m e - c o r r e l a t e d l e a k a g e r a t e s o f b o l t e d fl an g e d c o n ne c t i o n s b y c o n s i d e rin g t h e c o nn e c t i o n s b y c o n s i d e ri n g th e m a x i m u l n g a s k e t c o n t a c t s t i [ j ] ． J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o gy A S M E ，2 0 1 2 ， 1 3 4 0 1 1 2 1 1 1 - 7 ． 【 1 1 】罗迎社， 杨柳， 余敏， 等． 粘塑性金属材料蠕变实验及流变 模型研究[ J ] ． 固体力学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 4 2 1 4 8 ． Lu o Yi n g s h e，Ya n g L i u， Yu Mi n，e t a 1 ．Re s e arc h o n c r e e p e x p e ri m e n t s a n d r h e o l o gi c al m o d e l o f v i s c o p l a s t i c m e t a l m a t e ri al s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f S o l i d M e c h a n i c s ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 4 21 4 8 ．