间隙密封液压缸的UDF有限元分析.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS F e b ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 4 7 问隙密封液压缸的 U D F有限元分析 周文驰 ，傅连 东，苏杰 武汉科技 大学机械 自动化 学院 ，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 应用 F l u e n t 软件 中的 U D F方法 ，对 间隙密封伺 服液压缸进行动态仿真 ，并通 过编程对温度 、压力与 液压油黏度 之 间的关 系进行定义 ．分析 了活塞周期运动过程 中 ，温黏 ，压黏对液压 缸间隙流 场的影 响。结果表 明 间隙流 场中流体 的 平均温度逐渐升高使得黏度发生变化温度升高时，液压油黏度降低，流体阻力减小，液压降减小，反之液压降增大；黏 度不断降低，间隙泄漏量会不断升高，但泄漏量增加的速度会逐渐变慢 ，最终达到一种稳定的状态 ；当黏度变化时，间隙 流场内壁面壁面摩擦力大小随时问逐渐增大，当液压缸运行到一定时间，内壁面壁面摩擦力大小都将趋于稳定状态。 关键词 U D F ；黏度 ；间隙密封 ；温度 ；压力 ；摩擦力 ；泄漏量 中图分类号 T H1 6 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 3 - 1 7 9 - 3 UDF Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o f Se a l Cl e a r a n c e Hy dr a ul i c Cy l i nd e r Z H0U We n c h i ． F U L i a n d o n g．S U J i e C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d Au t o ma t i o n ，Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a Abs t r a c tThe me t h o d o f UDF i n F l u e n t s o f t wa r e wa s u s e d f o r t h e d yn a mi c s i mu l at i o n o f s e a l c l e a r a n c e s e r v o hy d r a u l i c c y l i n de r ． T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e mp e r a t u r e，p r e s s u r e a n d t h e h y d r a u l i c o i l v i s c o s i t y wa s d e fi n e d t h r o u g h p r o g r a mmi n g ，a n d t h e i n fl u e n c e o f p i s t o n p e r i o d i c mo t i o n，t e mp e r a t u r e a s w e l l a s p r e s s u r e o n i n t e r s t i t i a l fl u i d fl o w o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r c l e a r a n c e wa s a n a l y z e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o i l v i s c o s i t y c h a n g e s w i t h t h e a v e r a g e t e mp e r a t u r e o f fl u i d i n c r e a s e d g r a d u a l l y ． T h e ris i n g i n t e mp e r a t u r e ，t h e d e c r e a s e i s i n h y d r a u l i c o i l v i s c o s i t y，t h e fl u i d r e s i s t a n c e a n d h y d r a u l i c p r e s s u r e r e d u c e d a s we l l ，o n c o n t r a r y，t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e i s i n c r e a s e d ．Vi s c o s i t y d e c r e a s e s c o n t i n u o u s l y ，l e a k a g e f l o w r a t e wi l l c o n t i n u e t o r i s e ，b u t t h e i n c r e a s i n g o f l e a k a g e s p e e d w i l l b e s l o w d o wn g r a d u a l l y ，fi n a l l y r e a c h e d a s t e a d y s t a t e ．W h e n t h e v i s c o s i t y c h a n g e s ，t h e i n t e r s t i t i a l fl u i d fi e l d i n n e r w a l l f r i c t i o n i s i n c r e a s e d gra d u a l l y a l o n g wi t h t i me ．Wh e n t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r r u n n i n g u p t o a c e r t a i n t i me，i n n e r wa l l f ri c t i o n wi l l t e n d t o b e s t a b l e s t a t e ． Ke y wo r d s UDF；Vi s c o s i t y；S e a l c l e a r a n c e ；Te mp e r a t u r e ；P r e s s u r e ；F ric t i o n；L e a k a g e 0前言 随着现代工业技术 的发展 ．泄漏 问题 越来越受到 人们 的关注_ 1 ] ，为 了尽可能地 消除泄漏的影响 ，密封 技术应 运而生 。 目前 ．在企业 中应用 最广泛的密封方 式是接触式密封，但这种密封方式存在易发热、寿命 短 、动 态性 能差等问题 ，已经远远不 能满 足高性 能液 压缸 的性能要求 。伴 随着制造业 的不断发展 ，接触密 封的种类越来越多 l 2 ] ，间隙密封形 式应运而生 ，得到 了越来 越多学者 的关 注 ] 。本文 作者 主要应 用 F l u e n t 软件 中 的 U D F方 法 ，对 特 殊 边 界 条件 如 运 动 壁 面 、动 网格 、滑移 网格 、动态变化压力进 口、动态变 化压力 出 口、变黏度材料属性 等编程设定 ，对间隙密 封伺 服液压缸进行动态仿真 ，得 出了黏度与温度 、压 力之 间的关系 ，通 过 C F D动 态仿 真得 出液压 缸往 复 运 动过程 中间 隙流场 的特性 ，在考 虑黏度变化时 ，间 隙流场各种性质的变化规律。 1 U D F程序 的编 写 作为 目前市场上最流行 的 C F D软件 ，F l u e n t 不仅 拥有先进的数值计算方法 ，具有强大的后处理能力 ， 在世界范 围里得到 了广泛 的应用 ] 。该论 文中的模 型 为一个 矩形均压 ．所涉及 的特殊边界条件有 运动壁 面 、动网格 、滑移 网格 、动态变化压力进 口、动态 变 化压力出口、变黏度材料属性等。对液体的黏度影响 较大的因素主要有温度和压力。虽然在一般情况下 ， 压力对黏度的影响比较小 ，但是当压力很高或者压力 变化很大 的情况下 ，压 力对 黏度 的影 响就 十分显著 。 取压黏系数 A为 0 ． 0 4 6 5 ；温 黏系 数 O t 为 0 ． 0 0 2 3 1 5 ； 4 5号 液 压 油 在 常 压 、4 0 ℃ 下 的 黏 度 取 0 ． 0 3 9 7 9 P a S由于 F l u e n t 软件 中的 温度 默认 为 开 氏温度 ， 因此取 t 为 3 1 3 ． 1 5 K；常数 e 取 2 ． 7 1 8 2 8 。 由压力 、 温度与液体黏度之 间的关 系 ．U D F程序如下 d e ft n e IT I ]t l 1 0 ． 0 3 9 7 9 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 0 作者 简介 周文驰 1 9 8 6 一 ，男 ，硕 士研究生 ，研究方 向为复杂液压 系统研究 。E m a i l 6 1 7 7 9 2 5 0 7 q q ． c o n。 1 8 0 机床 与液压 第 4 3卷 d e f i n e t 1 3 1 3 ． 1 5 d e f i n e n a md a 0 ． 0 4 6 5 d e f i n e e 2． 71 8 2 8 d e f i n e a r f a 0． 0 0 2 31 5 DEF I NEP RO P E R T Y c e l l v i s c o s i t y ， C ， t { r e a l mu l new ； d o u b l e m， n， P； r e a l t e mpC T C ， t ； r e a l p r e s C P C ， t ； n d o u b l e t e m p； P d o u b l e p r e s ； I 1 1 a ri a p ／ 1 0 0 0 0 0 一 n a m d a n t 1 ； mu l n e w r e a 1 m u l p o w e ， m ； r e t u r n mu l ne w ； } 2黏度变化对间隙流场的影响 通常情况下 ，液压油 的黏度会随着流场 中温度和 压力 的变化而变化 ，即温黏效应和压黏效应 。当液压 油温度升高 时，油 的内聚力减小 ，油的黏度减小 ；当 液压油压 力 升高 时 ，油 的 内聚力 增 大 ．油 的 黏度 增 大。仿真模 型的边界条件为 活塞运动速度为 0 ． 4 m ／ s 间隙流场 的初始温度和液压油进 1 3 温度都为 3 0 0 K 即 2 6 ． 8 5 o c ；间隙流场进 口压力为 2 0 MP a ； 出 口压 力 为 2 M P a ；模 型运 动 时 间 为 4个 周 期 ，即 0 ． 4 S 。仿真模 型都 是带 有一 个矩 形 均压槽 情 况 ，并 且考 虑温黏 、压黏效应 。 2 ． 1 间 隙流场 温度 的 变化 如图 1 所示 ，当黏度变化时 ．间隙 内流场 的平均 温度随着时间逐渐升高。在活塞换向的瞬间 ，间隙内 流场 的平均温度的升高速度会有 所减小 。并且 在每个 单 向运动时间区域内 ，平均温度的升高速度都会呈现 出先快后慢的规律。平均温度的这一变化是黏性耗散 所引起的。由于液压油在流动过程中，黏性摩擦力做 功，将液压油的机械能 势能和动能转换成热能， 因此 ．间隙 中流场的平均温度会 出现随时间逐渐升高 的趋势 。 赠 图 1 间隙流场 平均温度随时间变化情况图 2 ． 2间隙流场 压 力的 变化 图 2为考虑黏度 变化时 ，间隙流场在 0 ． 4 S 时 的 压力轴向分布所示，在 0 ． 4 S 时，间隙流场中的压力 都是从高压区到低压区 ，沿轴线 方向逐 渐减小 。在均 压槽 中压力基本保持 不变 。问隙 中从 人 口到 均压槽 ， 再从 均压槽到 出口处 ，压 力下 降速度 先减小 后增 大 ， 这是由间隙中黏度分布造成的。当温度升高，液压油 黏度降低 ，流体阻力减小 ．因此 液压 降减小 当温度 降低，液压油黏度变大，流体阻力增大，因此液压降 增大 1 4 2 4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 间隙， mm 图 2 流场压 力轴向分布情 况 2 ． 3 间 隙流场黏 度 的 变化 图 3 为 间隙流场 平均黏 度随 时间变 化情况 0 ～ 0 ． 4 S 。间 隙流场 中流体 的平 均黏 度 随时 问 逐渐 降 低 ，在活塞 换向瞬间 ，会有小 幅升高。黏度变化 的主 要影响因素是温度和压力。由于流场平均温度随时间 逐渐升高 ，平均压力变化幅度很 小 ，因此 ，流场 中液 压油的平均黏度随时间逐渐减小。 0． 0000 0． 100 0 0． 200 0 0． 30 0 0 0． 4000 时间， s 图 3 流场平均黏度变化情况 2 ． 4黏 度 变化对 间隙泄 漏量 的影响 如 图 4所示 ，当考虑黏度变化时 ，间隙流场进 出 口的泄漏量大小逐渐增大 ，泄漏方 向随活塞往复运动 而呈周期 变化 _ 7 ] 。除在换 向瞬间 ，间隙泄漏量会小 幅 下降外 ，泄漏量大小整体呈现增大的趋势 ，并且泄漏 量的增 长速度 慢慢 变小。以此 可以推测 ，当液压缸运 行到一定时间，泄漏量大小将趋于稳定状态。由于液 压油的黏度耗 散和均压槽 中涡 流会产 生大量 的热 量 ． 所以液压油的平均温度会 不断升高 ，因此 液压油 的黏 度会不断降低，根据间隙泄漏量与黏度成反 比的关 系 ，间隙泄漏量会不断升高 。但泄漏量增 加的速度会 逐渐变慢 ，最终达到一种稳定的状态 。活塞运动方 向 改变后 ，泄漏方 向反 向。 O 5 O SO 5 0 50 S 0 S 2 O7 5 2 07 5 2 0 9 9 9 8 8 8 87 7 7 7 0 O 0 OO 0 0 00 0 O O O O O O 0 O O0 0 O s ． 目 d 、 5 譬 咖咖 咖咖咖咖 。 7 6 5 4 3 2 l O 第 3期 周文驰 等间隙密封液压缸的 U D F有限元分析 1 8 1 0． 0． 墓 爱 一 0 0． 0． 0O0 0 0． 1O0 0 0 ． 2000 0． 30 0 0 0． 4000 时 间， s 图 4 黏度变 化时泄漏量变化情况 2 ． 5 黏度变化对壁面摩擦 力的影响 如 图 5所示 ．当黏度变化 时 ，问隙流场 内壁壁面 摩擦力大小 随时间逐 渐增 大 ，摩擦 力方 向随活塞往复 运动而呈周期变化 。在换 向瞬间 ，内壁面壁面摩擦力 大小都会小幅下降，整体呈现逐渐增大的趋势，并且 壁面摩擦力增大 的速度慢慢 变小。以此可以推测 ，当 液压缸运行到一定 时间 ，内壁面壁 面摩擦 力大小都将 趋于稳定状态 。 0 ． 0 00 0 0． 100 0 0． 200 0 0． 30 0 0 0． 4000 时 间， s 图 5 黏度变化 时壁 面摩 擦力变化情况 3结论 应用 F l u e n t 软件 中的 U D F方 法 ，对 间隙密 封 伺 服液压缸活塞 的运动 和温度 、压力 与液压油黏度之 间 的关 系进行 定 义 ，然 后仿 真 得 出活 塞周 期 运动 过 程 中 ，温黏和压黏对液压缸 间隙流场 的影 响 ，当黏度变 化时 ，活塞在周期运动过程 中，间隙流场 中流体 的平 均温度逐渐升高。当温度升高，液压油黏度降低 ，流 体阻力减小 ，因此液压 降减小 ，当温度 降低 ，液压油 黏度变大 ，流体阻力增大 ，因此液压 降增大 。间隙流 场进 出口的泄漏量大小逐渐增 大 ，壁 面摩擦力 大小 随 时间逐渐增大等 。文 中只在一个矩形 均压槽 的情况 下 进行仿真分析 ，在 以后 的研究工作 中 ，可 以依此原 理 在仿真平 台上 ，得到不 同均压槽形状 以及不 同均压槽 个数对间隙流场的影响。运用计算流体力学软件 ，对 设计出的间隙密封结构进行了大量的仿真，为结构的 设 计优化提供 了有力 的支撑 。 参考文献 [ 1 ]余建平， 宋鹏云． 静压气体润滑机械密封技术研究进展 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 7 ， 2 7 4 2 1 - 2 3 ． 『 2 ]孙见君， 魏龙， 顾伯勤． 机械密封的发展历程与研究动向 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 4 ， 2 9 4 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g h Ac t i v e R e a r S t e e r i n g [ J ] ． A S ME P a p e r N o ． D E T C 2 0 0 5 8 5 3 5 0 ． [ 2 ]D A I L， H A N Q ． S t a b i l i t y a n d H o p f B i f u r c a t i o n s o f a N o n l i n e a r Mo d e l f o r a F o u r Wh e e 1 ． S t e e r i n g Vc h i c l e S y s t e m l J 1 ． Co mmu n． No n l i ne a r S c i ． Nume r ． S i mu l 。 2 0 04 331 3 41 ． 『 3 ]L I U L， P AYRE M G． Gl o b a l B i f u r c a t i o n A n a l y s i s o f a No n l i n e ar Ro a d Ve h i c l e S y s t e m『 J ] ． AS ME J ． C o mp u t ． No n l i n e a r D y n ， 2 0 0 7 ， 2 4 3 0 8 3 1 5 ． [ 4 ]S HE N S ， WA N G J ， S HI P ， e t a 1 ． N o n l i n e a r D y n a mi c s a n d S t a b i l i t y A n a l y s i s o f V e h i c l e P l a n e Mo t i o n s I J 1 ． V e h ． S y s t ． D y n ， 2 0 0 7， 4 5 1 1 5 - 3 5 ． [ 5 ]杨放梁． 四轮车辆二 自由度转向模型研究 [ J ] ． 机械与电 子 ， 2 0 0 7 8 7 1 - 7 3 ． [ 6 ]N G U Y E N V． V e h i c l e H a n d l i n g ， S t a b i l i t y ， a n d B i f u r c a t i o n A n a l y s i s for No n l i n e r Ve h i c l e Mo d e l s 『 D] ． MS t h e s i s ． Un i v e r - s i t y o f Ma r y l a n d， C o l l e g e P a r k， MD， 2 0 0 5 ． O O O O 0 0 0 O 0 O 0 0 O O O 0 O 0 0 0 O O O O 0 O 0 5 0 5 O 5 0 5 O 5 9 9 8 8 7 7 6 6 5 j 驿 避