超高壓液壓缸活塞間隙密封的數值模擬

田小靜，李慧，董華軍，譚曉東

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

超高壓螺栓拉伸機要求液壓缸承受超高壓，運動速度低，精度要求高.因此對超高壓液壓缸的密封要求特別高［1］，國產高壓液壓缸存在的問題是內泄大，不能長時間保壓及使用壽命低等［2］.目前核電用液壓缸主要依靠進口，費用極高且不利于螺栓拉伸機的國產化研究進程.因此，研究超高壓液壓缸的密封特性，對于加快螺栓拉伸機的國產化進程具有重要的意義.

超高壓液壓缸工作在低速狀態，動靜摩擦系數之差是低速液壓缸產生爬行現象的主要原因.密封分為靜密封和動密封，動密封又分為往復動密封和旋轉動密封.活塞和缸筒之間的密封是對密封裝置要求較高的動密封，包括接觸式密封和非接觸式密封.目前，在液壓缸的高端產品中，廣泛采用間隙密封方式［3］.采用環狀間隙密封，活塞整個外圓均被壓力油包圍，支承面積大，油膜剛度較高，能保證活塞與缸筒有很高的同軸度，運動平穩性和精度均得到提高.同時，靜壓油膜有良好的吸振效果，運動均勻平穩，振動很小［4］.而對于此類液壓缸來說，間隙寬度的確定是首要問題.

計算流體力學(CFD)是目前國際上研究流體問題的一個強有力的手段，是解決上述問題的有效途徑［5］.應用CFD仿真技術，可以從對流場的分析中發現產品或工程設計中的問題，縮短產品設計周期，降低設計經費，為預測產品的整體性能提供可靠依據.

本文應用Gambit軟件對某螺栓拉伸機超高壓(200 MPa)液壓缸建立了簡化的模型，以Fluent軟件建立了液壓缸活塞的動網格模型，并用UDF技術編譯活塞運動方式，賦予模型與實際相匹配的入口和出口壓力邊界條件，以模擬活塞與缸筒間縫隙內的壓力場和速度場的變化規律.

1 液壓缸模型建立

在利用FLUENT進行數值仿真計算之前，首先在Gambit中建立液壓缸二維模型，如圖1所示.液壓缸尺寸:長200 cm，寬100 cm，進口、出口、活塞桿直徑均為10 cm.活塞與液壓缸內壁處的縫隙大小直接影響著泄漏量的大小，本文以0.3 mm和0.5 mm的間隙為例進行對比分析.

圖1 液壓缸模型

2 動網格模型的建立

FLUENT劃分網格的途徑有兩種:一種是用FLUENT提供的專用網格軟GAMBIT進行網格劃分，另一種則是由其他的CAD軟件完成造型工作，再導入GAMBIT中生成網格.

活塞和缸筒之間存在相對運動，因此屬于多體做相對運動或變形運動的非定常問題，在每個時刻都要更新網格，需采用動網格技術解決此非定常問題［6］.故采用 Fluent軟件建立動網格模型，將液壓缸內流場分為運動的活塞區域和不運動的流體區域，在網格劃分中分別劃分為動網格和靜止網格區域，兩者之間通過滑動網格進行連接.活塞為動壁(move-wall)，屬于剛體運動，其運動方式通過自定義函數UDF進行定義.Fluent軟件可以根據每個迭代步中邊界的變化情況，自動完成網格的更新.

導入的C語言代碼如下:

JHJ include＂udf.h＂

JHJ include＂unsteady.h＂

JHJ include＂stdio.h＂

real current_time=0.0;

Domain*domain;

Thread*thread;

Real NV_VEC(origin)，NV_VEC(force)，NV_

VEC(moment);

DEFINE_CG_MOTION(throttle，dt，vel，omega，time，dtime){

current_time=CURRENT_TIME;

vel［0］=0.00003;

Message(＂time=%fomega=%f ＂，current_time);

}

3 仿真結果

仿真條件:入口壓力為200 MPa，出口壓力為0.8 MPa，活塞移動速度為0.000 3 m/s.

3.1 密封間隙對壓力的影響

圖2不同間隙下活塞運動過程中流場壓力變化過程.其中圖2(a)為液壓缸內部活塞和內壁間隙為0.3 mm在各時刻流場壓力情況;圖2(b)為液壓缸內部活塞和內壁間隙為0.5 mm時，各時刻流場壓力情況.

由圖可見間隙為0.3 mm在200 MPa下的壓力分布在入口與出口處產生了漩渦.比間隙為0.5 mm下產生的漩渦更明顯.驗證了間隙密封的間隙值不是一直滿足越小越好，要有一個合理的間隙值.

圖2 不同間隙下流場壓力變化過程

3.2 密封間隙對速度矢量的影響

圖3為不同間隙下流場速度矢量對比圖.間隙為0.5 mm下流速約在200 m/s，流速比間隙為0.3 mm下的600 m/s降低了很多，且速度穩定.

圖3 不同間隙下流場速度矢量對比

4 結論

本文借助FLUENT軟件，對螺栓拉伸機液壓缸進行了建模及基于動網格及UDF技術的流場仿真.解決了液壓缸活塞運動過程中網格的實時變化問題.得出了不同密封間隙的情況下，壓力場及速度矢量變化對比.為確定合理的活塞與缸筒間的間隙值奠定了基礎.

［1］金兆光，田華蕊.超高壓油缸活塞密封設計與研究［J］.鞍鋼技術，1997，5:50-56.

［2］陳勇.高壓液壓缸受力變形研究［J］.中國新技術新產品，2011，13:146-147.

［3］葛如海，楊工作，吳云騰，等.基于三維動網格技術的氣缸動態響應特性研究［J］.機床與液壓，2011，39(17):57-59.

［4］葛如海，王桃英，許棟，等.基于動網格和UDF技術的氣缸動態特性研究［J］.機床與液壓，2010，38(21):12-15.

［5］王軍利，白俊強，詹浩.非結構動網格在可動邊界問題中的應用研究［J］.力學季刊，2006，27(2):227-232.

［6］張來平，鄧小剛，張涵信.動網格生成技術及非定常計算方法進展綜述［J］.力學進展，2010，40(4):424-447.