间隙密封液压缸摩擦力分析.pdf

2015年 10月 机 床 与 液 压 Oct. 2015 第 43 卷第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 19. 021 间隙密封液压缸摩擦力分析 蒋俊，曾良才，湛从昌，付曙光 武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081 摘要间隙密封是一种非接触密封结构形式，可以实现自润滑、减小摩擦力，提高液压缸的动态特性。对不同结构的 间隙内部流场进行数鋪拟， 探讨了流场速度、 摩擦力与活塞速度、间隙大小的变化规律。结果表明缸筒内壁处的黏性 力与活塞速度呈正比例关系，活塞壁面的黏性力与活塞速度呈反比；活塞静止时间隙大小与黏性力成正比例关系并基本相 等， 但活塞表面的黏性力小于活塞静止时的黏性力，而缸筒壁面上的黏性力大于静止时的黏性力。 关键词 液压缸；间隙密封； 摩擦力 中图分类号TB42 文献标志码 A 文章编号1001-3881 2015 19-91-4 Analysis of Friction for Clearance Seal of Hydraulic Cylinder JIANG Jun， ZENG Liangcai， ZHAN Congchang，FU Shuguang College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology， Wuhan Hubei 430081，China Abstract Gap seal is a non-contacting seal structure， not only can realize self-lubrication， but also help to reduce friction force， and greatly improve the dynamic characteristic of the hydraulic cylinder. UFD was used to simulate the velocity， friction of dif ferent structure to obtain and the relationship between the velocity， friction and the piston speedgap size. The results show that thie vis cous force of thie cylinder surface is directly proportional to the velocity of piston speed， but viscous force of the piston surface is in versely proportional to the piston speed. The viscous force of botli are equal and proportional to the gap size when the piston is static. The viscous force of both are increased along with piston speed increase， but the viscous force of cylinder surface is higher than the vis cous force of the piston surface when piston moves. Keywords Hydraulic cylinder； Clearance seal； Friction 〇 前言 液压缸是液压系统的执行元件，其工作性能好坏 直接影响整个液压系统的工作效率。尤其是伺服液压 缸要求低摩擦力、无爬行、频率响应高、寿命长、可 靠性高，以满足液压伺服系统的静、动态性能要 求[1]。所以，活塞与缸体之间的密封形式和材料选 用，以及导向套设计与密封材料的选用都十分重要。 应用较为成功的是采用方形或矩形截面的非金属 材料环与0 形橡胶圈组成一体的橡塑复合密封圈， 它具有良好的耐磨性、耐油性和耐热性，而且摩擦因 数小[2]。但其装配工艺复杂、密封圈两侧各装有一个 支承环，增加了摩擦力，影响液压缸动态特性[3]。目 前在一些液压伺服系统中，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[4]。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，有利地降低摩擦力，提高动态性 能[5-6]。 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 收稿日期 2014-07-21 基金项目武汉科技大学校基金资助项目（2013XZ006 作者简介蒋 俊 （1985， 女，助教，主要研究方向为液压传动与控制。E-mail jiangjunjj2006126. com。 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 发生直接接触，从而减小摩擦。 为了解间环形间隙的流体特性，建模时只选取间 隙中的环状流体进行研究。环形间隙结构图（ 图 1 及参数环形间隙内径2 62. 5 mm; 环形间隙G分 别取 8、10、15、18、20、25、28、30、35 m; 环形 间隙外径/ 2G; 平衡槽的槽宽C0.8mm; 平衡 槽的槽深Gi 1 mm; 两平衡槽间的间距为8 mm。 图1环形间隙结构图 92 - 机床与液压 第 43 卷 0.2 0 -0. 0.4 0.01 0.02 0- 1 「 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 活塞位置/ m b壁面处的剪切力曲线图 0.01 0.02 图4活塞静止时壁面处的速度图与剪切力图 下平板以速度F。 朝 4 方向的正向运动，设间隙 进口处压力为1 , 出口处压力为1 , 所以沿缝隙* 的 长度内压力由1降至1 , 根据微元体4 方向的受力 平衡方程可得间隙中的流体速度为 ⑴ 润滑膜作用在固体表面的摩擦力可以将表面接触 的流体层中的剪应力沿整个润滑范围内积分而求得， 即 B 67 6 2 0 7 令 5 6 6 2 0 * 〇 F。 G F。 dd5 6 -- 2 G 2/x* G 在文中j0 代表活塞表面，jG代表缸筒表面。 3摩擦力仿真分析 仿真时，设流场入口条件为压力入口，出口条件 为压力出口，压 差 为 18 MPa，间隙中的流体流动模 型为层流状态。 3 . 1 速度对摩擦力的影响 3. 2 1剪切力分布 在文中，以 1。％m间隙为例，对两壁面处的速 度和剪切力进行分析，图 48 图为缸筒壁面与活塞 表面处的速度与剪切力分布图。 1 - - iL I r 卜1 i- f | M tij -0.02 -0.01 0 活塞位置/ m a壁面速度图 活塞位置/ m a壁面速度图 ]z1 r i □ 1 if、I I 1 位置1 2 位置2 r i1 1 05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 活塞位置/ m b壁面处的剪切力曲线图 液压缸缸筒与活塞间的环形间隙中流体的速度与 压力差、间隙、活塞运动速度等因素有关。缝隙中产 生的流动有两种 一种是由于缝隙两端的压力差造成 的流动，称为压差流动；另一是由于构成缝隙的两 壁面间的相对运动而产生的流动。由于间隙大小相比 于其他尺寸可忽略，故将环形间隙简化为如图3 所示 的平行平面，对流体流动状况进行研究。 图3平行平板缝隙中流体受力分析 4 2 1 8 6 4 2 . 1 . 1 0 . . 0 . 0 . 0 . 0 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . C S/姻铟 置置 位位 0 . 6 - . 4 - . 2 - . 0 - . 8 - . 6 - . 4 - . 2 - X 1 111 o o o o 0 Q H 5I/ -R P铽 ---1-------1-------1 8 6 4 000 0 . 0 . 0 . C S/鹋锻 图5活塞速度为0. 05 m/s时壁面处的速度图与剪切力图 第 1期蒋 俊 等 间隙密封液压缸摩擦力分析 93 - 图7活塞速度为0.52 m/s时壁面处的速度图与剪力图 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 活塞位置/ m a壁面速度图 -0.05 -0.04 -0.03-0.02 -0.01 活塞位置/ m a壁面速度图 0.01 0.02 图 活塞速度为0.3 m/s时壁面处的速度图与剪切力图 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 活塞位置/ m a壁面速度图 图8活塞速度为1 m/s时壁面处的速度图与剪切力图 由图4 a 可以得出活塞静止时，缸筒内壁 上的黏性力和活塞表面上的黏性力几乎相等，靠近活 塞壁面的速度大于液压缸缸筒内壁处的流体速度。设 密封间隙入口处为位置1，均压槽为位置2 , 参照不 可压缩黏性流体的伯努利方程 i f2 i f2 7 “l “2 7 Gu1 - 2 “2P 2P 式中“ 为位能；为压力能；「为动能 Gu1_2为流 2P 动过程中损耗的机械能。 从位置1 到位置2 的过程中，压力下降，由于活 塞壁面处个体在流动过呈巾的能量损失艮小（ 由 于黏性力存在，流体内部产生摩擦力，流体运动时因 为克服摩擦阻力而消耗掉部分机械能，所以沿流线方 向微元流体的总机械能逐渐减小） ，故将微元流体的 压力能转换为动能，即HH，也就是速度图中所表 现出来的那一条递增的斜线。但是随着活塞速度的递 增 ，这条斜线的斜率发生变化。 由图4 b 可以看出，活塞静止时，缸筒内壁 和活塞表面上的剪切力基本相等，这是因为活塞静止 时，两个壁面处的速度基本上相等，且最小。但是由 于活塞表面上开有均压槽，在均压槽处流体流态为涡 流，且速度在均压槽两侧壁面上的速度越向下越小， 所以在均压槽的两个侧壁面上的剪切力急剧减小。 如图58 所示缸筒壁面上的流体速度随着活 塞速度的增大而增大。剪切力是活塞处流体速度的正 比例函数，随着流体速度的增加而增加。而活塞壁面 上的速度与剪切力变化量先减小后增大。 ⑴ 活 塞 速 度 小 于 0.13 m/s时，活塞壁面沿程 液流速度的变化率逐渐递减；当活塞速度大于0.13 b壁面处的剪切力曲线图 b壁面处的剪切力曲线图 b壁面处的剪切力曲线图 r m/侧铟 B P H 5I/ *R 辟寐 置置 位位 1\ . 9 . 8 . 7 . 6 . S . 4 . 3 . 2 0000000 d € IU/姻销 cl rnr/■ 94 - 机床与液压 第 43卷 ms寸，活塞壁面沿程液流速度的变化率逐渐递增。 这是因为从位置i到位置2 的过程中，当活塞速度小 于 0.13 m /s时， 1 - 1 不变，随着活塞速度的增加， I也在增加，所以 - 太1_2的值递减，但-- Gu1_20,所以图中的上升直线斜率越来越小当活塞 速度等于0 13 m /s时，------Gu2 _j。 ，即压力能全 部损耗掉，故沿程液流速度基本不变；当活塞速度大 于 0. 13 m S 时， 1 - 1 不变，Gu1-2_ -----0，且 随着活塞速度的增加，G u p增加越来越快，所以 Gu1-2_-----的值递增，所以沿程液流速度逐渐减 小，即图中的下降直线斜率越来越大。 2 活塞速度小于0.52 m /s时，剪切力变化量 随着活塞速度的增大逐渐减小；活塞速度大于0.52 ms寸，剪切力变化量随着活塞速度的增大逐渐增 大。这是因为当活塞速度小于0.52 m /s时，压差作 用下的剪切力大于活塞运动时引起的剪切力，但是由 于活塞速度的增大，两者之差越来越小，所以剪切力 变化越来越小；活塞速度大于0.52 m /s时，活塞运 动时引起的剪切力大于压差作用下的剪切力，所以随 着活塞速度的增大，活塞速度引起的剪切力亦随之增 大，即总的剪切力呈递增趋势。 3. 2 2活塞速度与壁面黏性力 图 9 是通过[port查到间隙为1。％ m时，活塞以 不同速度运行时，活塞速度与两壁面的黏性力关系 图表。 图9密封间隙1。 ％ m时活塞速度与黏性力的关系图 可以看出随着活塞速度的增大，缸筒内壁处的 黏性力是一条递增曲线；活塞壁面的黏性力是一条递 减曲线。这是因为随着活塞速度的增加，活塞液流速 度也越来越大，即壁面对其的黏性力越来越小；而缸 筒内壁上的速度还是很小，几乎无变化，也就是说缸 筒内壁对液流的阻力很大，而这个阻力来自于缸筒内 壁对液流的黏附作用，所以随着活塞速度的增大，缸 筒内壁处的黏性力越来越大。 3. 2间隙大小对摩擦力的影响 图 10、11为间隙大小与活塞（ 缸筒）壁面的黏 性力关系图。可以看到在活塞速度为零时，活塞与缸 筒的黏性力几乎相等，基本上成正比例关系，缸筒壁 面处的黏性力稍大于活塞壁面处的黏性力；活塞以 0.5 m /s运行时，黏性力与间隙大小基本上也是呈一 次函数关系，但是此时缸筒壁面处的黏性力大于活塞 壁面处的黏性力。 图1 1 活塞速度为0. 5 m/s时密封间隙与黏性力的关系图 活塞速度为零时，液流仅受压力作用，前面得 知 活塞壁面上的速度稍大于缸筒内壁处的的液流速 度 ，而流速越小即壁面对液流的黏附作用越强，所以 此时，缸筒壁面处的黏性力稍大于活塞壁面处的黏性 力 ；活塞以0.5 m /s运行时，液流受压差与剪切双重 作用力，活塞壁面上液流速度远大于缸筒壁面上的液 流速度，所以此时，缸筒壁面处的黏性力远大于活塞 壁面处的黏性力。活塞以0. 5 m /s运行时缸筒壁面处 的黏性力大于活塞静止时缸筒壁面上的黏性力；而活 塞壁面上的黏性力则小于活塞静止时活塞壁面上的黏 性力。 4结论 ⑴ 活 塞 速 度 小 于 0.13 m /s时，活塞壁面处液 流速度的变化率逐渐递减；当活塞速度大于0.13 m/s寸，活塞壁面处液流速度的变化率逐渐递增。活 下转第131页） 第 1期李 硕 等 基于变形技术的反求建模再设计 131 3. 3 Free变形设计 将在ThinkDesign中整体变形之后的模型导入到 Free系统进行局部变形。首先在系统中将模型整 体生成黏土格式文件，然后，在鼠标的顶面采用 Free系统中图片映射浮雕功能，形成logo “ 323” 图案，即将图片上的信息映射到虚拟黏土上面，在黏 土模型上以浮雕的形式显示出来，并且可以设定浮雕 的高度。具体的效果如图 所示。 然 后 应 用 “ Construct Clay ”工 具 栏 中 “Inflate” 命令在鼠标的底部膨胀生成三个矩形条，然后应用 “Wire Cut clay”命令将三个矩形条切平，得到的设 计结果如图10所示。 图鼠标浮雕变形 图1 0 添加矩形条后模型 待所有工作完成之后，将处理之后的模型保存为 STL格式，并将整理后的文件进行切片，输入到3D 打印机中进行成形制造。 4结论 提出了基于ThinkDesign软件和Free系统的 变形设计，首先将扫描之后的鼠标点云在Geomagic studio中进行前处理之后拟合成NURBS曲面，进而 导入到ThinkDesign和Free中进行模型整体和局 部变形设计，最后导入到3D成型机中进行快速制 造。在对两个软件分析的基础上，根据各自的优势提 出了技术路线，即将两种变形技术融合到反求工程 中，进而对反求模型进行了相应的再设计，将有利于 提高产品再设计效率和缩短产品开发周期。 参考文献 [1] 成思源.逆向工程技术综合实践[M].北京 电子工业出 版社， 201010-12. [2] 方昊佳.面向产品创新设计的CAD造型关键技术研究 [D].广州广东工业大学， 2013. [3] 曹振雨， 刘万林， 郭建峰， 等.基于ThinkDesign及Auto- fom的汽车高强板制件参数化的回弹补偿解决方案 [J].模具制造， 20131280-81. [4] 吴艳奇， 成思源， 张湘伟， 等.基于FreeFom的CAD模型 细节添加与修改[J].机械设计与制造， 2010593-95. [5] 马路科技顾问有限公司.最新设计工具FreFom触觉 式设计系[Z.CAD/CAM与制造业信息， 2006 1 44-46. [6] 董黎敏， 刘霞， 茅波， 等.RE/RP技术的现状及集成方式 [J].组合机床与自动化加工技术， 20087 1-5. [7] 胡影峰.Geomagic studio软件在逆向工程后处理中的应 用[J].制造业自动化， 20099135-137. [8] 王青.反求工程中基于变形的自由形状特征重构[D].杭 州浙江大学， 2006. 上接第9 4 页） 塞速度小于0. 52 m/s时，剪切力变化量随着活塞速 度的增大逐渐减小；活塞速度大于02 m/s时，剪 切力变化量随着活塞速度的增大逐渐增大。 2 随着活塞速度的增大，缸筒内壁处的黏性 力是一条递增曲线；活塞壁面的黏性力是一条递减 曲线。活塞静止时，间隙大小与黏性力成正比例关 系；活塞运动时，活塞表面的黏性力小于活塞静止 时的黏性力，而缸筒壁面上的黏性力大于静止时的 黏性力。 该结构属间隙型密封，大大地降低由于活塞与缸 筒相对运动时产生的摩擦力，从而提高液压缸的动态 特性。 参考文献 [1] 黄志坚.现代密封技术应用[M].北京 机械工业出版 社， 2008. [2] 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， 1999430-311. [3] 侯煜.基于CFD环形间隙泄漏量及摩擦力的仿真计算 [D ].太原太原理工大学， 2007. [4] 联邦德国）K， 塔鲁达纳夫斯基非接触密封[M].北京 机械工业出版社， 1986 [5] GORDON S B，V0LDEN Dong.Upstream Pumping A New Concept in Mechanical Sealing Technology [ J ]. Lubrication Engineering， 19904 213-217. [6] 戴维奇.液体静压式收敛间隙密封流场特性研究[D]. 北 京北京化工学院， 2008.