間隙密封液壓缸摩擦力分析

蔣俊，曾良才，湛從昌，付曙光

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

0 前言

液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其工作性能好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作效率。尤其是伺服液壓缸要求低摩擦力、無爬行、頻率響應(yīng)高、壽命長、可靠性高，以滿足液壓伺服系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求［1］。所以，活塞與缸體之間的密封形式和材料選用，以及導向套設(shè)計與密封材料的選用都十分重要。

應(yīng)用較為成功的是采用方形或矩形截面的非金屬材料環(huán)與O形橡膠圈組成一體的橡塑復合密封圈，它具有良好的耐磨性、耐油性和耐熱性，而且摩擦因數(shù)小［2］。但其裝配工藝復雜、密封圈兩側(cè)各裝有一個支承環(huán)，增加了摩擦力，影響液壓缸動態(tài)特性［3］。目前在一些液壓伺服系統(tǒng)中，要求低摩擦力，快速響應(yīng)的液壓缸及液壓元件均希望取消密封圈而采用間隙密封形式［4］。間隙密封在間隙中有一層薄的油膜，對運動副起到潤滑作用，有利地降低摩擦力，提高動態(tài)性能［5-6］。

1 模型建立

在液壓缸中缸體與活塞之間是軸向往復運動，活塞和缸在結(jié)構(gòu)上都是軸對稱的，且兩者之間采用間隙密封。工作時，間隙內(nèi)充滿的液壓油形成一環(huán)形流場，將活塞與缸筒隔開，使兩接觸面在運動過程中不發(fā)生直接接觸，從而減小摩擦。

為了解間環(huán)形間隙的流體特性，建模時只選取間隙中的環(huán)狀流體進行研究。環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)圖 (圖1)及參數(shù):環(huán)形間隙內(nèi)徑d＝62.5 mm;環(huán)形間隙h分別取8、10、15、18、20、25、28、30、35μm;環(huán)形間隙外徑D＝d＋h;平衡槽的槽寬W＝0.8 mm;平衡槽的槽深h1＝1 mm;兩平衡槽間的間距為8 mm。

圖1 環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)圖

圖2 環(huán)形間隙剖面圖

2 流體在間隙中的流動特性理論分析

液壓缸缸筒與活塞間的環(huán)形間隙中流體的速度與壓力差、間隙、活塞運動速度等因素有關(guān)?？p隙中產(chǎn)生的流動有兩種:一種是由于縫隙兩端的壓力差造成的流動，稱為壓差流動;另一種是由于構(gòu)成縫隙的兩壁面間的相對運動而產(chǎn)生的流動。由于間隙大小相比于其他尺寸可忽略，故將環(huán)形間隙簡化為如圖3所示的平行平面，對流體流動狀況進行研究。

圖3 平行平板縫隙中流體受力分析

下平板以速度u0朝x方向的正向運動，設(shè)間隙進口處壓力為p1，出口處壓力為p2，所以沿縫隙L的長度內(nèi)壓力由p1降至p2，根據(jù)微元體x方向的受力平衡方程可得間隙中的流體速度為

潤滑膜作用在固體表面的摩擦力可以將表面接觸的流體層中的剪應(yīng)力沿整個潤滑范圍內(nèi)積分而求得，即

在文中z＝0代表活塞表面，z＝h代表缸筒表面。

3 摩擦力仿真分析

仿真時，設(shè)流場入口條件為壓力入口，出口條件為壓力出口，壓差為18 MPa，間隙中的流體流動模型為層流狀態(tài)。

3.1 速度對摩擦力的影響

3.1.1 剪切力分布

在文中，以10μm間隙為例，對兩壁面處的速度和剪切力進行分析，圖4—8圖為缸筒壁面與活塞表面處的速度與剪切力分布圖。

圖4 活塞靜止時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖5 活塞速度為0.05 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖6 活塞速度為0.13 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖7 活塞速度為0.52 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖8 活塞速度為1 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

由圖4(a)可以得出:活塞靜止時，缸筒內(nèi)壁上的黏性力和活塞表面上的黏性力幾乎相等，靠近活塞壁面的速度大于液壓缸缸筒內(nèi)壁處的流體速度。設(shè)密封間隙入口處為位置1，均壓槽為位置2，參照不可壓縮黏性流體的伯努利方程:

從位置1到位置2的過程中，壓力下降，由于活塞壁面處的流體在流動過程中的能量損失很小 (由于黏性力存在，流體內(nèi)部產(chǎn)生摩擦力，流體運動時因為克服摩擦阻力而消耗掉部分機械能，所以沿流線方向微元流體的總機械能逐漸減小)，故將微元流體的壓力能轉(zhuǎn)換為動能，即v2＞v1，也就是速度圖中所表現(xiàn)出來的那一條遞增的斜線。但是隨著活塞速度的遞增，這條斜線的斜率發(fā)生變化。

由圖4(b)可以看出，活塞靜止時，缸筒內(nèi)壁和活塞表面上的剪切力基本相等，這是因為活塞靜止時，兩個壁面處的速度基本上相等，且最小。但是由于活塞表面上開有均壓槽，在均壓槽處流體流態(tài)為渦流，且速度在均壓槽兩側(cè)壁面上的速度越向下越小，所以在均壓槽的兩個側(cè)壁面上的剪切力急劇減小。

如圖5—8所示:缸筒壁面上的流體速度隨著活塞速度的增大而增大。剪切力是活塞處流體速度的正比例函數(shù)，隨著流體速度的增加而增加。而活塞壁面上的速度與剪切力變化量先減小后增大。

(1)活塞速度小于0.13 m/s時，活塞壁面沿程液流速度的變化率逐漸遞減;當活塞速度大于0.13 m/s時，活塞壁面沿程液流速度的變化率逐漸遞增。這是因為從位置1到位置2的過程中，當活塞速度小于0.13 m/s時，p1-p2不變，隨著活塞速度的增加，hw1-2hw1-2＞0，所以圖中的上升直線斜率越來越小;當活能全部損耗掉，故沿程液流速度基本不變;當活塞速逐漸減小，即圖中的下降直線斜率越來越大。

(2)活塞速度小于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸減小;活塞速度大于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸增大。這是因為當活塞速度小于0.52 m/s時，壓差作用下的剪切力大于活塞運動時引起的剪切力，但是由于活塞速度的增大，兩者之差越來越小，所以剪切力變化越來越小;活塞速度大于0.52 m/s時，活塞運動時引起的剪切力大于壓差作用下的剪切力，所以隨著活塞速度的增大，活塞速度引起的剪切力亦隨之增大，即總的剪切力呈遞增趨勢。

3.1.2 活塞速度與壁面黏性力

圖9是通過report查到間隙為10μm時，活塞以不同速度運行時，活塞速度與兩壁面的黏性力關(guān)系圖表。＞0，且隨著活塞速度的增加，hw1-2增加越來越快，

圖9 密封間隙10μm時活塞速度與黏性力的關(guān)系圖

可以看出:隨著活塞速度的增大，缸筒內(nèi)壁處的黏性力是一條遞增曲線;活塞壁面的黏性力是一條遞減曲線。這是因為隨著活塞速度的增加，活塞液流速度也越來越大，即壁面對其的黏性力越來越小;而缸筒內(nèi)壁上的速度還是很小，幾乎無變化，也就是說缸筒內(nèi)壁對液流的阻力很大，而這個阻力來自于缸筒內(nèi)壁對液流的黏附作用，所以隨著活塞速度的增大，缸筒內(nèi)壁處的黏性力越來越大。

3.2 間隙大小對摩擦力的影響

圖10、11為間隙大小與活塞 (缸筒)壁面的黏性力關(guān)系圖?？梢钥吹皆诨钊俣葹榱銜r，活塞與缸筒的黏性力幾乎相等，基本上成正比例關(guān)系，缸筒壁面處的黏性力稍大于活塞壁面處的黏性力;活塞以0.5 m/s運行時，黏性力與間隙大小基本上也是呈一次函數(shù)關(guān)系，但是此時缸筒壁面處的黏性力大于活塞壁面處的黏性力。

圖10 活塞靜止時密封間隙與黏性力的關(guān)系圖

圖11 活塞速度為0.5 m/s時密封間隙與黏性力的關(guān)系圖

活塞速度為零時，液流僅受壓力作用，前面得知:活塞壁面上的速度稍大于缸筒內(nèi)壁處的的液流速度，而流速越小即壁面對液流的黏附作用越強，所以此時，缸筒壁面處的黏性力稍大于活塞壁面處的黏性力;活塞以0.5 m/s運行時，液流受壓差與剪切雙重作用力，活塞壁面上液流速度遠大于缸筒壁面上的液流速度，所以此時，缸筒壁面處的黏性力遠大于活塞壁面處的黏性力?；钊?.5 m/s運行時缸筒壁面處的黏性力大于活塞靜止時缸筒壁面上的黏性力;而活塞壁面上的黏性力則小于活塞靜止時活塞壁面上的黏性力。

4 結(jié)論

(1)活塞速度小于0.13 m/s時，活塞壁面處液流速度的變化率逐漸遞減;當活塞速度大于0.13 m/s時，活塞壁面處液流速度的變化率逐漸遞增。活塞速度小于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸減小;活塞速度大于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸增大。

(2)隨著活塞速度的增大，缸筒內(nèi)壁處的黏性力是一條遞增曲線;活塞壁面的黏性力是一條遞減曲線?；钊o止時，間隙大小與黏性力成正比例關(guān)系;活塞運動時，活塞表面的黏性力小于活塞靜止時的黏性力，而缸筒壁面上的黏性力大于靜止時的黏性力。

該結(jié)構(gòu)屬間隙型密封，大大地降低由于活塞與缸筒相對運動時產(chǎn)生的摩擦力，從而提高液壓缸的動態(tài)特性。

［1］黃志堅.現(xiàn)代密封技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］金振邦，劉良臣.工程機械密封技術(shù)的應(yīng)用與展望［J］.工程機械與維修，1999(4):30-311.

［3］侯煜.基于CFD環(huán)形間隙泄漏量及摩擦力的仿真計算［D］.太原:太原理工大學，2007.

［4］(聯(lián)邦德國)K，塔魯達納夫斯基.非接觸密封［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1986

［5］GORDON SB，VOLDEN Dong.Upstream Pumping:A New Concept in Mechanical Sealing Technology［J］.Lubrication Engineering，1990(4):213-217.

［6］戴維奇.液體靜壓式收斂間隙密封流場特性研究［D］.北京:北京化工學院，2008.