基于CFD的變間隙密封泄漏量仿真研究

郭小玲

摘 要：為分析伺服液壓缸泄漏量，建立FLuent仿真軟件的建立模型，以獲取伺服液壓缸的性能，從而量化伺服液壓缸的參數，以確保伺服液壓缸的工作的可靠性。為此分析下列模型對系統的影響恒間隙七道均壓槽、恒間隙三道均壓槽、恒間隙無均壓槽、變間隙三道均壓槽，變間隙七道均壓槽，五種密封方式下在唇邊長度為18mm下，其檢測液壓缸中泄漏量隨壓力的變化。其結果表明均壓槽的數量越多，泄漏量增大，均壓槽的數量越少，泄漏量也相對減少，偏心對泄漏量的影響也很大，在對活塞進行設計時應充分考慮均壓槽的數量。活塞唇邊有槽結構與其它結構相比密封效果較好。

關鍵詞：液壓缸;FLuent仿真軟件;泄漏量;參數模型

1 前言

伺服液壓缸要求動態響應快，摩擦力小，因此活塞與缸筒間采用了間隙密封技術，但是無密封圈密封技術，易導致容積效率下降，學者提出采用變間隙密封技術，即利用金屬材料隨兩側壓力升高產生微小變形抵消因節流口兩側壓差升高導致的泄漏量增大，本文對變間隙密封泄漏的特點、影響因素進行仿真分析。

2 基于fluent的變間隙密封流場流動的仿真分析

為了進行數據的對比分析，本文首先了建立恒間隙無均壓槽密封模型進行仿真分析，并與環形間隙理論值進行對比，驗證FLUENT流場仿真方法的準確性。然后，建立恒間隙七道均壓槽密封、恒間隙三道均壓槽密封、變間隙七道均壓槽模型（活塞唇邊有槽）和變間隙三道均壓槽模型（活塞唇邊無槽），進一步分析變間隙密封流場泄漏量、壓差與結構的關系。

2.1流場幾何模型建立

本文建立的液壓缸活塞模型參數如下：液壓缸變形活塞直徑為125mm，活塞的軸向密封長度為63mm，理想化后，其一側唇邊長度為18mm，唇邊的厚度為2.5mm，活塞與缸筒內壁的裝配間隙為50μm。

文中研究活塞同心裝配在2-20工作壓力下（壓力間隔為2MPa）的泄漏量，建立了恒間隙3個模型;由于在不同壓力下的變間隙的模型會不同所以需要建立不同壓力下的變間隙模型20個。

2.2 流場流動幾何模型的網格劃分

由于活塞模型密封間隙尺寸遠小于活塞徑向和軸向的尺寸，且密封間隙的高度尺寸與均壓槽的尺寸也相差較大，按常規采用四面體或六面體劃分網格，以間隙高度為網格劃分單元，網格數量和節點數巨大，不利于計算分析，且活塞幾何結構對稱，為減少計算量，本文采用了六分之一模型進行分析。

若以流場的間隙高度劃分，則流場間隙高度方向只劃分了一層網格，無法反映流場內部流體流動狀態，因此本文采用結構化的網格劃分方式。考慮流場的三維模型在不同方向的尺寸各不相同在各面上的劃分間隔也不相同，文中采用從線到面、由面及體的網格劃分順序。

節點的數量共設置200個，均勻分布，比例系數為1。活塞與缸筒內壁間的環形間隙是為研究重點，網格加密，密封間隙高度尺寸為50μm，在間隙高度方向上設置了5層網格，壓力入口和壓力出口的網格單元設置為0.01。活塞的直徑為125mm，1/6弧長仍然較長，因此將弧長進行200等份的劃分，相應的活塞的軸向長度為63mm，因此需要將軸向長度進行250等份劃分，將每段長度設置為0.252mm。

平衡槽的軸向寬度尺寸為1.5mm，在帶平衡槽的模型中，平衡槽軸向方向上節點的間距取0.3mm，將平衡槽進行5等分的同時設定平衡槽在徑向長度為0.6mm尺寸上節點數量為20，節點間距設置為0.03mm。

面網格劃分部分中，將選中的面的面網在體網格劃分中選擇六面體網格，選擇需要生成網格的源面，最后，點擊創建網格。

劃分好模型網格以后，設置邊界類型，將壓力入口和壓力出口分別定義為IN和OUT，其它的面設置為壁面WALL。最后導出生成的.mesh網格文件。

2.3 FLUENT仿真計算

（1）啟動FLUENT軟件，導入網格文件;

（2）網格檢查，通過操作Grid中Cheak進行網格質量檢查;

（3）確定長度的單位，選用mm作為計算單位，材料設置將油液的動力粘度為0.03915kg/ms，油液的密度為870kg/m3，設置邊界屬性，設定入口壓力值與出口壓力值。設置求解控制參數，中設置壓力因子為0.2，設置松弛因子0.15，Computer From項中選擇all.zones，其它項保持默認設置不變，用平均值的方法對所有邊界區域進行初始化;

（4）設置殘差監視器。設置殘差為0.0001，設置迭代次數為300次。

分別對恒間隙無均壓槽、恒間隙三道均壓槽、恒間隙七道均壓槽，變間隙七道均壓槽和變間隙三道均壓槽的間流場模型進行仿真分析，設置入口壓力從2MPa到20MPa變化，壓力梯度設置為2MPa。由于在變間隙模型中每個壓力下的模型不同，因此需要導入不同的流場模型進行仿真計算。仿真的活塞唇邊長度為18mm。

3 結論

（1）均壓槽的數量越多，相當于減少了活塞的密封長度，使得泄漏量增大，均壓槽的數量越少，泄漏量也相對減少。

（2）均壓槽又有使活塞對心的效果，偏心對泄漏量的影響也很大，在對活塞進行設計時應充分考慮均壓槽的數量。

（3）活塞唇邊有槽結構與其它結構相比密封效果較好。

參考文獻

[1]蔣俊，郭媛，曾良才，等.間隙密封液壓缸泄漏量仿真分析[J].潤滑與密封，2013（7）：75-79.

[2]陳亮.變間隙密封液壓缸靜態內泄漏量理論分析與試驗研究[D].武漢科技大學，2016.

[3]閆躍山，唐歡.液壓缸內泄漏復合檢測系統的研究[J].現代制造技術與裝備，2014（3）：35-36