超高壓柱塞液壓缸自適應(yīng)變間隙密封技術(shù)研究

曾永龍，趙曉斌，鄧攀，劉念，陳軍

(1.寶鋼股份中央研究院武鋼有限技術(shù)中心，湖北武漢 430080；2.寶鋼股份武鋼有限煉鋼廠，湖北武漢 430080)

0 前言

近年來，礦山機(jī)械、航空航天、海洋工程等大型裝備制造領(lǐng)域?qū)Τ邏阂簤焊椎氖褂眯枨蟛粩嘣黾樱ぷ鲏毫呌诟邏骸⒊邏悍较虬l(fā)展[1-2]。國內(nèi)外專家學(xué)者對大型重載柱塞缸、高壓海水柱塞密封副及間隙密封等超高液壓密封技術(shù)進(jìn)行了深入研究[3-7]，柱塞與缸體之間的泄漏是影響液壓缸性能提升的重要因素[8-9]。為解決超高壓柱塞液壓缸密封問題，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)變間隙密封超高壓柱塞液壓缸。

1 超高壓液壓缸密封結(jié)構(gòu)

超高壓柱塞液壓缸自適應(yīng)變間隙密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括端蓋、缸體、襯套、變形柱塞、動(dòng)密封圈等。液壓缸采用二級組合動(dòng)密封，第一級是依靠柱塞彈性形變的變間隙密封，第二級是接觸式組合密封件。其中，變間隙密封原理如圖2所示，柱塞的一端是在承受內(nèi)外壓差時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性形變的腔體結(jié)構(gòu)，高壓缸體與柱塞之間設(shè)置銅質(zhì)襯套，且在高壓缸體的近接觸式密封圈端安裝有直動(dòng)式溢流閥，可使襯套與變形柱塞間形成間隙節(jié)流，腔體內(nèi)壁面承受工作壓力，外壁面承受間隙節(jié)流壓降，腔體內(nèi)外壓差作用使柱塞腔體產(chǎn)生徑向彈性形變，柱塞腔體的徑向形變隨壓差大小自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)整柱塞與襯套間的密封節(jié)流間隙。

圖1 超高壓柱塞液壓缸結(jié)構(gòu)

圖2 間隙變形示意

2 圓筒形柱塞間隙變形理論分析

2.1 變形量理論推導(dǎo)

柱塞腔體的一側(cè)是不受約束的自由端，柱塞腔體部分屬于開口厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。油缸工作時(shí)，腔體外圓面受到節(jié)流間隙壓力作用，間隙入口處壓力與工作壓力相等，間隙出口處壓力等于直動(dòng)式溢流閥設(shè)定壓力，間隙內(nèi)的壓力隨間隙大小和間隙位置不同而變化。柱塞腔體部分同時(shí)承受內(nèi)外壓差作用會(huì)產(chǎn)生徑向形變，這里假定柱塞變形段的腔體內(nèi)徑為r1、外徑為r2，腔體內(nèi)側(cè)壓力也就是工作壓力為p1，腔體外側(cè)壓力也就是沿X軸方向節(jié)流間隙內(nèi)的壓力是關(guān)于坐標(biāo)x的函數(shù)p(x)。根據(jù)彈性力學(xué)，柱塞的腔體受內(nèi)外壓力差引起的外徑徑向位移變形量w1(x)為

(1)

式中：E是柱塞材料的彈性模量；μ是材料的泊松比。

柱塞腔體與柱塞實(shí)體端連接的封頭部位除受內(nèi)外壓力差作用，還承受實(shí)體端阻止腔體變形的應(yīng)力。如圖3所示，主要包括作用在橫截面上的剪力Qx及彎矩Mx和作用在縱截面上的環(huán)向彎矩Mθ及環(huán)向力Nθ，封頭邊界的應(yīng)力效應(yīng)引起撓度的變化。

圖3 封頭部位柱塞腔體截面單元體受力分析

根據(jù)彈性力學(xué)平衡方程[10]可得：

其中：t是圓筒體壁厚；r是圓筒體半徑。采用特征方程方法求解，封頭區(qū)域力矩引起的相對于X軸線的撓度微分方程為

w2(x)=e-βx(k1cosβx+k2sinβx)+eβx(k3cosβx+k4sinβx)

(2)

式(2)中：k1、k2、k3、k4是任意常數(shù)，且存在邊界條件：

βMx=l1+l2cosβ(l1+l2-x)-Qx=l1+l2cosβ(l1+l2-x)]

(3)

腔體受內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的徑向位移和封頭邊界應(yīng)力引起的撓度二者作用方向相反，故柱塞圓筒腔體沿x軸線產(chǎn)生的徑向位移w(x)為

[cosβ(l1+l2-x)-sinβ(l1+l2-x)]+

(4)

式(4)中，柱塞圓筒內(nèi)半徑r1由X軸位置確定：當(dāng)0≤x

2.2 變形量迭代計(jì)算

間隙內(nèi)的高壓流體將引起柱塞的彈性變形和流體黏度的增加，采用變間隙流場差分迭代計(jì)算法計(jì)算柱塞徑向形變量。計(jì)算基本過程主要包含：先假定密封間隙不變，壓力分布函數(shù)p(x)式中間隙內(nèi)壓力值隨位置線性遞減，由積分彈性變形方程，求出柱塞表面徑向位移w(x)；利用邊界條件，求出高壓液體厚度h(x)；通過積分雷諾方程得到新的壓力分布p(x)；根據(jù)給定的p(x)需要互相比較修正，再反復(fù)循環(huán)計(jì)算，直到得出的結(jié)果達(dá)到預(yù)定誤差內(nèi)。

變間隙密封液壓缸部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，迭代法計(jì)算時(shí)，間隙出口壓力p0取30 MPa，初始間隙值h取20 μm，柱塞材料的彈性模量E取206 MPa、泊松比μ取0.27。當(dāng)柱塞變形段內(nèi)徑d1取16 mm時(shí)，腔體變形段的承壓壁厚為6 mm，圖4是系統(tǒng)工作壓力p1分別為200、400、800 MPa的柱塞徑向變形量。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力p1取400 MPa，柱塞變形段內(nèi)徑d1分別為12、16、20 mm，也就是變形段壁厚分別為8、6、4 mm時(shí)，柱塞徑向變形量如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明：柱塞徑向變形量與工作壓力成正比，與變形段壁厚成反比；在入口段，柱塞徑向變形量與位置x近似于線性關(guān)系，變形量隨位置值x增大而增大；在變形段,柱塞徑向變形量隨位置值x先增加后減小，并在變形段中間處達(dá)到最大變形。這是因?yàn)槿肟诙芜h(yuǎn)離封頭固定端，彎曲應(yīng)力對形變的影響趨于零，形變主要是由柱塞內(nèi)外壓差作用引起。

表1 變形柱塞結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 不同工作壓力柱塞徑向變形量(d1=16 mm) 圖5 變形段不同壁厚的徑向變形量(p1=400 MPa)

3 間隙密封數(shù)值計(jì)算分析

3.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

柱塞腔體變形段徑向形變量與節(jié)流間隙內(nèi)壓力分布相互影響，屬于雙向流固耦合關(guān)系。為準(zhǔn)確分析計(jì)算變間隙密封相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用Workbench 平臺上的Geometry、Fluent、Transient Structural和System Coupling 4個(gè)模塊搭建超高壓缸變間隙密封流固耦合仿真系統(tǒng)，如圖6所示，其中System Coupling模塊用于Fluent與Transient Structural的流固耦合。

圖6 超高壓液壓缸變間隙動(dòng)密封流固耦合仿真模型

在Geometry模塊中創(chuàng)建流體與固體仿真模型，為提高計(jì)算速度和網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對稱取分析域的1/4體積，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的固體域和流體域分別如圖7、圖8所示。仿真計(jì)算時(shí)對流體域和固體域分別進(jìn)行模型禁用處理，柱塞面左側(cè)定義為壓力入口邊界條件，壓力值分別設(shè)為100、200、400、600、800 MPa；柱塞與缸體之間的間隙右側(cè)定義為壓力出口邊界條件，出口壓力大小與直動(dòng)式溢流閥設(shè)定壓力相等；耦合接觸面是柱塞外圓流體載荷所作用的變形區(qū)域表面，在動(dòng)網(wǎng)格中設(shè)定為System Coupling類型。高壓流體動(dòng)力黏度取0.893 7×10-3Pa·s。計(jì)算初始化時(shí)，假定柱塞不變形，其與襯套之間的初始間隙屬于恒間隙，初始間隙量h分別取10、20、50 μm。高壓水沿柱塞與襯套之間的間隙流入，由于間隙節(jié)流作用和柱塞變形段的形變引起的間隙變化，壓力會(huì)呈遞減趨勢。柱塞結(jié)構(gòu)、流場間隙、工作壓力等相關(guān)參數(shù)參照表1。

圖7 柱塞固體域網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在壓力作用下，彈性柱塞發(fā)生變形，初始間隙h為20 μm，工作壓力p1分別為100、600 MPa的柱塞變形仿真云圖如圖9(a)、(b)所示，柱塞腔體變形段徑向膨脹產(chǎn)生的形變使得柱塞與襯套內(nèi)壁面之間的間隙減小，壓力越大柱塞腔體變形段的徑向變形量也就越大，變形段外壁面與襯套內(nèi)壁面貼合就越緊，間隙密封面之間的節(jié)流間隙就越小。

沿X軸方向以間隙節(jié)流入口段為零點(diǎn)，入口長度20 mm，變形段長度30 mm，封頭部位長度15 mm，間隙密封總長度為65 mm，將間隙截面分為65小段，每段長度為1 mm。液壓缸工作壓力p1分別為100、200、400、600、800 MPa，初始間隙h為20 μm時(shí)，其對應(yīng)的節(jié)流間隙內(nèi)的流體壓力分布和節(jié)流間隙值分布分別如圖10、圖11所示；初始間隙為50 μm時(shí)，間隙內(nèi)流體壓力和節(jié)流間隙值分布如圖12、圖13所示。初始間隙為50 μm與初始間隙為20 μm的壓力和間隙值分布趨勢相同。高壓流體從間隙入口至間隙出口的壓力呈遞減趨勢分布，間隙入口壓力等于液壓缸工作壓力，間隙出口通過溢流閥調(diào)定壓力p0為30 MPa。在入口段(x=0～20 mm)區(qū)域柱塞徑向變形量不大，間隙壓力呈線性遞降趨勢。由于柱塞圓筒變形量均隨工作壓力的增大而增大，高壓力下柱塞徑向變形量大，對應(yīng)的節(jié)流間隙就小，在變形段(x=20～50 mm)區(qū)域壓力較入口段下降梯度增大，特別是工作壓力大于400 MPa時(shí)。在間隙出口(x=50～65 mm)區(qū)域壓力基本接近節(jié)流間隙出口壓力。

圖10 間隙內(nèi)流體壓力分布(h=20 μm)

圖11 節(jié)流間隙值分布(h=20 μm)

圖12 間隙內(nèi)流體壓力分布(h=50 μm)

圖13 節(jié)流間隙值分布(h=50 μm)

4 密封性能測試

根據(jù)表1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)用變間隙密封液壓缸，高壓缸體內(nèi)徑28 mm，柱塞行程160 mm，高壓柱塞直徑加工成不同規(guī)格，其外表面與高壓缸體內(nèi)壁面之間采用不同間隙值配合。采用低壓活塞驅(qū)動(dòng)高壓柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度通過節(jié)流閥控制為0.015 m/s，高壓柱塞與高壓缸體的配合間隙值也就是初始間隙分別為10、20、50 μm時(shí)，測試高壓缸變間隙密封在不同壓力下的動(dòng)態(tài)泄漏量情況如圖14所示，初始間隙越小，最小節(jié)流間隙量也越小，其泄漏量也越小。同一初始間隙值下，泄漏量先隨工作壓力的增加而增大，當(dāng)工作壓力達(dá)到一定數(shù)值后，泄漏量隨工作壓力的增大而減小。結(jié)合仿真數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)工作壓力達(dá)到一定值時(shí)，工作壓力升高使得最小節(jié)流間隙量變小，且最小間隙的軸向密封長度變大，間隙內(nèi)的壓力降主要發(fā)生在間隙值最小的喉部，導(dǎo)致間隙節(jié)流泄漏量減小，能夠在超高壓下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)間隙密封，利用柱塞的變形基本可以達(dá)到減壓節(jié)流預(yù)期。

圖14 變間隙密封動(dòng)態(tài)泄漏量

5 結(jié)論

通過理論分析、數(shù)值計(jì)算可得，高壓柱塞腔體的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)在超高工作壓力作用下，在圓筒徑向方向可產(chǎn)生近50 μm級彈性變形，且能夠根據(jù)工作壓力的大小自動(dòng)調(diào)整徑向彈性變形量大小和間隙密封寬度，可使800 MPa級超高壓狀態(tài)下的間隙泄漏量得到有效控制。進(jìn)一步研究可解決吉帕級超高壓狀態(tài)下接觸式密封元件的高壓燒損等問題。