密封槽结构形式对液压缸内泄漏的数值分析.pdf

Ma r ．2 01 3 机床与液压 Hy d r o me c ha t r o n i c s En g i n e e r i n g Vo 1 ．41 No．6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 1 5 Nume r i c a l An a l y s i s a b o u t Ef f e c t o f t h e Di f f e r e nt Cl e a r a n c e S e a l o n Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Le a k a g e Ra t e T ANG J i e ， WANG L i w e n ， C HAI Xi a o mi n g 。 ， L I U J i n g J ． A v i a t i o n G r o u n d S p e c i a l E q u i p m e n t s R e s e a r c h B a s e ， C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 0 ， C h i n a 2 ． H e b e i S t e e l G r o u p C h e n g d e B r a n c h， C h e n g d e o 6 7 l o 2， C h i n a ． 1 ． I nt r o du c t i o n Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a c c o r din g t o t h e in t e r n a l l e a k a g e o f t h e l o w- f r ic t i o n h y dr a u l ic c y l i n d e r ，i t h a s b e e n c o mp a r e d t h a t t h e le a k a g e r a t e o f t h e s e a l i n g gr o o v e o f t h e t h r e e d i ff e r e n t s t r u c t u r e s b y u s i n g CFD s o f t wa r e ．An d t h e o p t i ma l s t r u c t u r e f o r m o f t h e c l e a r a n c e s e a l i s o b t a i n e d．Th e r e f or e． t h i s p a p e r p r o v i d e s a b a s i s f or t h e r a t i o n a l d e s i g n a n d s e le c t i o n o f t h e h y dr a u l i c c y l i n d e r s e a 1 ． K e y wo r d s s e a l in g g r o o v e，i n t er n a l l e a k a g e，n u me r i c a l a n a ly s i s，h y d r a u l ic c y l i n d e r I n t h e h y d r a u l i c s y s t e m ，t h e e ffi c i e n c y o f t he h y ． d r a u l i c c y l i n de r i s c r u c i a 1 ． Us u a l l y we c a n u s e t h e r i n g s e a l a n d c l e a r a n c e s e a l t o i mp r o v e t h e e ffic i e n c y． F o r a c y l i n d e r wi t h c l e ara n c e s e a l ，t h e v o l u me t ric e ffi c i e n c y wi 1 1 b e d e c r e a s e d a s t h e i n c r e a s e o f wo r k i n g p r e s s u r e a n d g a p．On t h e c o n t r a r y，t h e me c h a n i c a l e f - fic i e n c y wi l l be j nc r e ase d．Th e r e f o r e．a c c o r d i n g t o t he t h e o r y o f e n e r g y l o s s ，t h e r e i s a r e a s o n a b l e c l e a r a n c e a n d wo r k i n g p r e s s u r e whi c h c o r r e s p o n d s t o t h e o p t i ma l e f f i c i e n c y ． S i mu l t a n e o u s l y，t h e c y l i n d e r wi 1 1 be c o me l o w f r i c t i o n a s t h e e x i s t e n c e o f h y d r a u l i c c e n t e ri n g f o r c e a s s h o w n i n F i g ． 1 ．C l e a r a n c e s e a l c y l i n d e r c a n mi n i mi z e f r i c t i o n t o t h e ma x i ma l e x t e n t a n d i m p r o v e t h e me c h a n i c al e ffic i e n c y ． I t wi l l als o e n h a n c e t he l o w s p e e d p e r f o r ma n c e ．Th e r e f o r e，c r e e p i n g p h e no me no n c a n be a v o i d e d ． I n t hi s a r t i c l e，CF D s o f t wa r e i s u s e d t o a n aly z e t he h y d r a u l i c c y l i n d e r l e a k a g e o f t h r e e k i n d s o f c l e ar- a n e e s e a l s t r u c t u r e s ．An d t h e e mc i e n c i e s o f t h e o o r r e ． s p o n d i n g s t ruc t u r e s a r e o b t a i n e d． Th r o u g h t h e c o mp a r i s i o n，t h e o pt i ma l c l e ara n c e s e al s t ruc t u r e ha s b e e n d e - t e r mi ne d a n d t h e i n flu e n c e o f s e a l c l e a r a n c e o n l e a k ． a g e a n d t h e v alu e r a n g e o f g a p h a v e b e e n d i s c u s s e d ． Re c e i v e d2 01 21 029 T A N G J i e ．E m a i l t a n g j _ f i r s t y a h o o ． a n Al l the wo r ks me n t i o n e d a b o v e p r o v i d e t he b a s i s f o r t h e r e a s o n a b l e d e s i g n i n g o f c l e a r a n c e s e al[ 1 ] ． Fi g． 1 Lo w f r i c t i o n h y d r a u l i c c y l i n de r 2． The l e a k a g e o f t he c l e a r a n c e s e a l As s h o wn i n F i g ． 2，t h e b a s i c c a u s e o f l e a k a g e i s t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e t we e n A a n d B s i d e s ． Th e p r e s s u r e d e c r e a s e s fro m P1 t o P2 ， a n d t h e p r e s s u r e d r o p i s P P1一P2 ．Th e p r e s s u r e d r o p i s c a u s e d b y fri c t i o n d u rin g t h e mo v e me n t o f l i q u i d， whi c h i s c a l l e d flo w r e s i s t a n c e f o r s h o r t ．I f p a r t b i s e x p o s e d t o a t mo s p h e r e，t he p r e s s ur e d r o p i s e q ua l t o t he p r e s s u r e o f w o r k i n g c h a m b e r P p 1 ．I f t h e l e a k a g e c o e ffi c i e nt i s s ， t h e l e a k a g e qu a n t i t y i s e v a l u a t e d b y [ 2 3 ] Q s P． S i mi l a r t o t h e s p a c e b e t we e n p i s t o n a n d c y l i n d e r c a s i n g，t h e s p a c e b e t we e n p i s t o n r o d a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r i s a n a n n u l a r c ha n n e 1 ． Fo r s i mp l i fic a t i o n， t h e i n fl ue n c e o f t e mp e r a t ur e a n d p r e s s u r e a r e i g n o r e d．Th e e q u a t i o n s o f l e a k q u a n t i t y a r e a s f o l l o ws TANG J i e，e t al Nu me r i c a l An a l y s i s a b o u t Ef f e c t o f t h e Di f f e r e n t Cl e a r a n c e S e a l o n Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Le a k a g e Ra t e 7 9 l o ws Q 1 0 。 L ／ mi n 1 Th e e q ua t i o n o f p r e s s u r e d r o p i s d e fi ne d a s f o l p 1 0 8 k g 2 Th e e q u a t i o n o f s e a l l e n g t h i s d e fine d a s fol l o ws ．_ 1 。 c m Wh e r e， s l e a k l e n gth， a n d 6 u p pe r de v i a t i o n o f h o l e - l o we r d e v i a t i o n o f t h e Ax i s 2 ’ a nd／3 i s ki n e ma t i c v i s c o s i t y o f t h e h y d r a u l i c me d i u m 1 0 m ／ s ． 口 尸 b Fi g ． 2 Cl e a r a nc e s e a l 3． Nume r i c a l c o mpu t a t i o n o f di ffe r e n t s e a l s t r u c t ur e s 3． 1 ． Ana l y s i s o f t he m o d e l s t r u c t ur e I n t he F i g ． 3，t he l i ne r e p r e s e n t s t he wa l l o f c y l i nd e r a n d t h e l o we r h a l f o f t h e s e fi g u r e s r e p r e s e n t s t he d y na mi c a l p r e s s ur e s l o t ． As s u me t h a t P 1 0 MP a， t h e k i n e ma t i c v i s c o s i t y o f t h e h y d r a u l i c me d i u m i s 0 ． 0 1 0 6 2 5 p a s ， L e a k a g e F l o w R a t e Q 2 L ／ mi n ， t h e l e a k l e n gt h f o r mu l a 3 ，t h e p i s t o n 4 0 mm． 0 ． 3 m m ．A c c o r d i n g t o l e n g t h o f c l e a r a n c e s e a l i s L 皿 a T r i a n g l e s t r u c t u r e b Re c t a n g u l a r s t r u c t u r e c Tr a p e z o i d s t r u c t u r e Fi g ． 3 s e a l g r o o v e s 3． 2． Co n di t i o n a nd m e t hod s o f c a l c ul a t i o n 3． 2． 1． As s u mp t i o n o f n ume r i c a l a n a l y s i s 1 L i q u i d i s u n d e r f u l l l u b ri c a t i o n c o n d i t i o n ， a nd t h e l i q u i d me mb r a n e i s c o nt i n uo u s ． 2T u r b u l e n t fl o w． 3、 T he v i s c o s i t y i s c o n s t a n t ． S e a l r e ma i n s n o n c o n t a c t ． T he g e n e r a t e d h e a t i s r e l a t i v e l y s ma l l ， s o t he c ha n g e o f flu i d t e mpe r a t u r e c o u l d b e i g n o r e d ． 4 Th e s e a l i s rig i d． 3． 2． 2． Co n t r o l e q ua t i o n 1 Ma s s c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n 塑 生 0 a t a x a a z 2 Mo me n t u m c o n s e rva t i o n e q u a t i o n 4 塑 o x CO T x x 一 一 ～ 5 O y O Z 、 p u V 塑 O y O T x y 一 Fy co p w 一 p 一 co r x z 一 CO y一 CO z 6 7 W he r e，P i s pr e s s u r e； ， 7 - v a nd we r e t h e c o rn p o n e n t s o f v i s c o us s t r e s s T o n t h e mi c r o u n i t F ， F y a n d F z r e pr e s e n t t h e c o mpo n e n t f o r c e s o f e x t e r n al f o r c e a t t h e t h r e e d i me n s i o nal s p a c e ． 3 E n e r g y c o n s e rva t i o n e q u a t i o n Th e e n e r gy c o n s e r v a t i o n i s a b a s i c l a w t ha t t h e flu i d s y s t e m mus t me e t ．Th i s l a w c a n be s t a t e d a s f o 1 ． 1 o wst h e e n e r gy i nc r e a s e o f a mi c r o un i t i s e q u al t o t h e t o t a l n e t i n c r e a s e o f mi c r o u n i t ，wo r k d o n e b y b o d y f o r c e a n d s u r f a c e f o r c e 『 4] ． p e 孚 r V T p f V PV 8 4．Ana l y s i s o n t he r e s u l t o f n u m e r i c a l c a l - c ul a t i o n Whe n t h e p r e s s u r e i n hi g h p r e s s ur e c h a mb e r i s 1 0 MP a a n d t h e l o w p r e s s ur e i s 0 MPa，CFD s o ftwa r e wa s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e flui d flo w wi t h i n s e a l c l e a r a n c e ． And t h e ma i n pa r a me t e r s o f t h r e e d i f f e r e n t k i n d s o f s t r uc t u r e s c o u l d b e o b t a i n e d．Th e s e pa r a me ． t e r s c o u l d r e fle c t t h e flu i d flo w c o nd i t i o n s wi t h i n g a p s Fi g． 4 d e mo n s t r a t e d t h e v e l o c i t y di s t r i b u t i o n s f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t ki n d s o f s e a l i n g g r o o v e s ．As s h o wn 8一 一 5一 l一 一 8 0 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g i n t hi s F i g u r e．t he r e i S v o r t e x l o c a t e d a t t h e c e n t e r o f t he g r o o v e ． T r a pe z o i d’ S v o rte x i s t he mo s t o b v i o u s ， a n d t ria n g l e’S v o rte x i s t h e we a k e s t o n e ． The s e a l pe r f o r ma nc e i s i n v e r s e l y p r o p o rti o n a l t o t u r bu l e n t e x t e n t ． T he r e f o r e， t h e s e a l i n g a b i l i t y o f t r a pe z o i da l s t r u c t u r e i S t h e b e s t o n e f o r t he s e t hr e e s t ruc t ur e，a n d t he t r i a ng u l a r s t ru c t u r e i S t he wo r s t ． a T r i a n g l e b Re c t a n g l e c T r a p e z o i d F i g ． 4 Ve l o c i t y flo w fie l d Fi g ．5 i s t h e s pe e d c u r v e o f s e a l i n g c u r v e ． As s h o wn i n F i g ．5，t h e s p e e d o f r e c t a n g l e c l e a r a n c e i s t h e f a s t e s t o n e ．Th e s p e e d o f t r i a n g l e i s t h e l o we s t o n e． O0 24 0O 2 2 0O 2 0 00 1 8 ． 01 6 0 ．0 1 4 曼00 1 2 0． 01 0 Oo 08 O 0 6 00 0 4 Oo 0 2 O 0 0． 01 0 O2 0 03 0 04 L／ m Fi g ． 5 Ve l o c i t y c ur v e T he l e a k a g e r a t e s o f t he s e t h r e e k i n d s g r o o v e s we r e s h o wn i n T a b． 1．Th e l e a k a g e o f s e a l r a t e o f t r i a n g u l a r i s t h e l a r g e s t ， a n d t h e t r a p e z o i d i s t he l a s t o n e ． Ta b ． 1 L e a k a g e r a t e s e a l s t r u c t u r e s T h e l e a k a g e r a t e s k g ／ s t ria ng l e r e c t a n g l e t r a p e z o i d 0． 2 2 0． 2 0 0．1 6 5 ． Co nc l us i o ns By c o mp a r i n g t h e p e rfo rm a n c e s o f t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f s e a l s t ru c t u r e s， t h e f o l l o wi n g c o n c l u s i o n c o u l d b e d r a wn 1 T r i a n g l e h a s t h e l o w e s t t u r b u l e n t e x t e n t ．I t a l s o me a n s t ha t t h e d i s s i p a t e d e n e r g y i s t h e l o we s t ． Th e r e f o r e t h e s e a l i n g p e rfo rm a n c e o f t r i a n g l e i s t he wor s t ． 2 I f t h e g a p s i z e s a r e e q u a l ， t h e l e a k a g e r a t e o f t ria n g l e i s t h e l a r g e s t ， a n d t h a t o f t r a p e z o i d i s t he s ma l l e s t ． 密封槽结构形式对液压缸内泄漏的数值分析 唐 杰 ， 王立文 ， 柴小明 ， 刘 静 1 ． 中国民航大学 航空地面特种设研究基地， 天津3 0 0 3 0 0 ； 2 ． 河北钢铁集团承德分公司， 承德0 6 7 1 0 2 J I Ya n f e i ． L I U Z h i y o n g ． T h e n u me ri c a l a n a n y s i s o f t h e i n fl u e n c e o f s e a l g a p o n l e a k a g e r a t e J ] ． C o m p r e s s o r t e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 4 91 0 ． T I A N C h u n y u ． Z H A N G Q i u x i a n g ．S i m u l a t i o n o f L i n e G r o o v e D y n a m i c S e al B y U s e o f F l u e n t [ J ] ． H y d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s 。 2 0 0 8 4 2 73 0 ． L I U Yu n y u， Z HANG K e y u ． Th e s t u d y o f I n t e r n a l s p r a y fl u i d’ s d y n a mi c s e al s p i n d l e s t r u c t u r e a n d s e a l f o r c e 『 J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s p n e u m a t i c s ， 2 0 0 9 1 1 3 1 3 4 ． MA S h i mi n， C HE N Xi ． N u me r i c a l s i mu l a t i o n o f f r e e p i s t o n S t i r l i ng r e f rig e r a t o r c o mp r e s s i o n pi s t o n c l e a r a nc e s e a l l e a k a g e [ J ] ． C r y o g e n i c s ， 2 0 1 1 3 2 4 2 8 ． WA N G F u j u n ． C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a mic s A n al y s i s [ M] ． P e k i n g T s i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 4 ． 摘要 针对低摩擦液压缸间隙密封的结构形式， 通过 C F D软件对3种不同结构的密封槽泄露情况进 行 分析 ， 得到 3种不 同结构时液压缸的效率。通过 对比分析得 出间隙密封 的最优 结构形式 ， 为液压 缸 密封 形式的合 理设 计和选用提供 了依据 。 关键 词 密封槽 ； 内泄漏； 数值分析 ； 液压缸 中图分 类号 T H 1 2 1 √ √ 、 。