迷宫密封式液压缸泄漏量建模与分析.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 V0 】 _ 4 2 No ．1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 3 0 迷宫密封式液压缸泄漏量建模与分析 李春风，吴松林 西京学院机 电工程 系，陕西西安 7 1 0 1 2 3 摘要针对液压缸直通式迷宫密封泄漏量分析困难的问题，基于 P H O E N I C S软件对采用k 湍流模型的活塞杆导向套 中的迷宫密封流场进行了计算 ，分析了缝隙中液压油为紊流时迷宫密封的凹槽数 目、凹槽深度、凹槽宽度及凹槽间距对泄 漏量的影响，并利用迷宫中凹槽的摩擦因数曲线验证了结论的正确性。结果表明凹槽宽度约为间隙的2 0～ 3 0倍 ，凹槽深 度约为间隙的3 5倍 ，凹槽间距大于间隙的5 0倍 ，凹槽深度宽度比为 0 ． 2 ，凹槽间距宽度 比大于 2 ． 5 ，为最佳防泄漏条 件 。 关键词直通式迷宫密封；泄漏量；液压缸；数值模拟 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 6 0 9 4 3 M o de l i n g a nd An a l y s i s o n Le a k a g e o f La by r i nt h Se a l s o f Hy dr a ul i c Cy l i nd e r LI Ch un n g，W U S o n g l i n S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i j i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 1 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e m t h a t i t wa s d i ffic u l t t o a n aly z e t h e l e a k a g e o f s t r a i g h t t h r o u g h l a b y r i n t h s e a l s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ，k - e t u r b u l e n t mo d e l wa s u s e d t o c alc u l a t e t h e l e a k a g e o f t h e l a b y r i n t h s e a l i n p i s t o n r o d g u i d e s l e e v e b a s e d o n P HOE NI C S s o ft wa r e ．Th e i n flu e n c e s o f g r o o v e n u mb e r ，g r o o v e d e p t h，g r o o v e wi d t h a n d g r o o v e di s t a n c e o n l e a k a g e we r e a n a l y z e d，whi c h c o r r e c t ne s s wa s v e r i fi e d b y u s i n g t h e gro o v e f r i c t i o n c o e ffi c i e n t c u r v e ．I t i s s h o wn t h a t gro o v e wi d t h i s a b o u t 2 0 3 0 t i me s o f c l e a r a n c e．g r o o v e d e p t h i s abo u t 3一 一 5 t i me s o f c l e a r a n c e，g r o o v e d i s t a n c e i s g r e a t e r t h a n 5 0 t i me s o f c l e a r an c e，t h e g r o o v e d e p t h t o w i d t h r a t i o i s a b o u t 0 ． 2 a n d t h e g r o o v e d i s t an c e t o w i d t h r a t i o i s gre a t e r t h a n 2 ． 5 h a v e b e t t e r e f f e c t o n p r e v e n t i n g l e a k a g e ． Ke y wo r d s S t r a i g h t t h rou g h l a b y r i n t h s e a l s ；L e a k a g e ；Hy d r a u l i c c y l i n d e r ；Nu me ri c al s i mu l a t i o n 迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程和空腔内 的动能耗散来实现密封的，采用迷宫密封可减少摩擦 损失，提高流体机械的可靠性⋯。因此，提高迷宫密 封的性能是目前流体机械领域研究的重要课题。要做 到合理有效 利用 迷 宫密 封 ，不 仅需 要掌 握 其泄 漏 特 性 ， 而且还要从 内部流动规律 的角度 深入研究其 密封 机制 一 。 过去迷宫式密封的泄漏量大多采用实验方法进行 分 析 ，且 大 多 是 针 对 于 旋 转 运 动 的 密 封 进 行 探 讨 一 。设计迷宫式密封装 置 ，最 为困扰 的问题 即为 如何选定适当的凹槽形状及其各相关尺寸来降低泄漏 量 。基于 P H O E N I C S软件 ，对采 用 k一占紊 流模型 的 不可压缩流体的迷宫密封流场进行了数值模拟，研究 了活塞杆导向套中直通式迷宫密封 ，其凹槽深度、凹 槽宽度及 凹槽间距对漏油量的影 响。在实 际产 品设计 时 ，可根据文 中结果按其 允许 的漏油量 ，选定适 当的 迷宫式密封结构参数，可减少产 品制造的失败率从 而缩短设计周期，提升行业技术层次并提高产业竞争 力 。 1 研究方法及步骤 1 ． 1 建立模型 液压缸研究模型如图 1 所示 ，活塞静止时为保压 状态，活塞杆导 向套迷宫式密封的左侧 油压 P 为 6 5 ． 6 M P a ，右侧油压力 P 为 0 M P a 。 6 5 ． 6 MP 日迷宫式密封 图1 活塞杆导向套迷宫式密封研究模型 图 2所示为迷宫密封结构 的分析模 型示意 图 ，压 差使液压油从左向右流经此间隙。为了解迷宫式密封 结构在紊流状态的特性，通过控制流量 、间隙高度及 流体性质，使雷诺数 R e 3 0 0 0 。以凹槽宽度 L O ． 6 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 9 基金项 目陕西省重点教改项 目 1 1 B Y 9 9 作者简介李春风 1 9 8 1 一 ，工学硕士，讲师，研究方向为机械创新设计与仿真分析。E ma i l 5 4 0 3 4 8 7 1 9 q q ． c o m。 第 1 6期 李春风 等 迷宫密封式液压缸泄漏量建模与分析 9 5 m m，凹槽深度 h 0 ． 1 5 m m、间隙高度h 0 ． 0 3 m m、 泄漏路径总长度 L1 0 m m为分析 的基准 尺寸 ，进 出 油 口压差 △ p6 5 ． 6 M P a ，分 别 以凹槽 宽度 、凹槽 深度 h 、凹槽间距 i 和 间隙 高度 h为变量 进行 泄漏 量分析。以煤油为分析流体，其密度 P 8 0 0 k g ／ m ， 运动黏度 2 m m ／ s 。为 简化 模拟 分 析过 程 的复 杂 性以缩短运算时间，假设流体为牛顿流体且不可压 缩，流体为稳态紊流。 pL 图 2 迷宫式密封模型 1 ． 2 边界条件设定 所 探讨问题 的边界条件设定如下 1 由于入 口的速度分布曲线是未知数 ，故以 压力设为入口的边界条件。为使迷宫中流体处于紊流 状态 R e 3 0 0 0 ，将进 口压力 P 设为 6 5 ． 6 MP a 。 2 出口边界的压力 P ． 设为 0 ，其余各变量设 定为纽曼边 界条件 N e u m a n n B o u n d a r y C o n d i t i o n ， 即 0 。 dn 3 导 向套边界设定为无滑移条件 ，u 0 。 4 活塞杆边界设定为无滑移条件，“ 0 ，即 活塞杆和导 向套相对静 止。 文中数值模拟使用 的湍流模型为 k一 占模型，其 收敛标准为各变量每次迭代 的总残余数小于 1 0 ～， 运算格点配 置采 用交错 式非均匀分布 的网格点 。 1 ． 3数 值模 拟 文中的数值模拟主要是以P H O E N I C S软件运算为 主 。 1 前处 理 开始 进行 数值 运算 前 ，必须 先撰 写 数据输人文件 Q 1 ，此文件是 由P H O E N I C S输入语言 构成 ，包含数值运算所需的各项数据。 2 执行 e a r t h e x e c u t i o n进行 主要 的数值运算 ， 待运算结束后 ，所有 的运算结果数据 如压力、速 度 、温度等物理量 将会储存在 p h i 文档 中。 3 P H O E N I C S的后 处 理 利 用 P H O T O N和 V R V I E WE R绘 图， P H O E N I C S的后处 理功 能无 法满 足 文 中需求，利用 F O R T R A N程序拾取 p h i 文件中的数据 后 ，再用 T e c p l o t 软件完成绘图。 F O R T R A N程序拾取 p h i 文件 中的资料计算泄漏 量 ，可 由下式表示 Q∑ d ‘ D d ‘ 竹。 d y g n d 式 中 U x g r id 为单一 网格 方 向速度 ，D 为单一 网格 Y 方向长度 ，d y e d 为单一网格 Y 方向中心至活塞中心的 距离 。 2结果 与讨 论 迷 宫 密 封 的 间隙 高 度 h0 ． 0 3 m m、凹槽 深 度 h 5 h时，凹槽宽度对泄漏量的影响如图 3所示。 泄漏量最小值出现在凹槽宽度为2 5 h的3个凹槽的迷 宫密封曲线上，凹槽越多泄漏量越小。 迷宫 密 封 的 间 隙高 度 h0 ． 0 3 m m、凹槽 宽 度 L 2 0 h时 ，凹槽 深度 对泄 漏量 的影 响 如 图 4所 示 。 凹槽深度在 3 ～ 5 范 围时迷 宫 内的泄漏量 最小 ，并 且凹槽越多泄漏量越小。 ● 目 6 - I 2 ． 2 4 2 ． 2 0 2 ． 16 2 ． 1 2 2． 08 2 ． 0 4 0 10 2 O 3O 40 I ， 图 3 凹槽宽度对泄 图 4 凹槽深度对泄 漏量 的影 响 漏量 的影响 迷宫密封 的间隙高度 h0 ． 0 3 m m、凹槽 宽度 L 2 0 h 、凹槽 深度 h 5 h时 ，凹槽 间距 对泄漏量 的 影 响如 图 5所示 。泄漏 量 随凹槽 间距 的增 大而减 小 ， 并且 凹槽 数越 多泄 漏量越 小 。凹槽 间距 为 5 0 h～ 6 0 h 时，其泄漏量变化很小 ，大约为41 0 m ／ s 。 凹槽深度宽度比对泄漏量的影响如图6所示，凹 槽 深宽 比大约为 l时泄 漏量最 大 ，深 宽 比大 约为 0 ． 2 ． 时泄漏量 最小。 车 、 n 昌 占 一 X 图 5 凹槽间距对泄 图6 凹槽深度宽度比 漏 量的影响 对 泄漏量 的影 响 3凹槽的摩擦 因数分析 为进一步分析各参数对泄漏量 的影响 ，对雷诺 数 R e 3 0 0 0时凹槽 的摩擦 因数进行 探讨 ，液体 流经迷 9 6 机床与液压 第 4 2卷 宫式密封 的压力损失 卸 方程式为 A 譬 叼 2 式中A为阻力系数， 。 为间隙长度，h为间隙高度， P为液体密度， 为流速，叼为凹槽摩擦因数。摩擦因 数 越大，压力损失却 越大，则泄漏量越小。 迷宫式密封中凹槽宽度对 凹槽 的摩擦因数 叼的 影响如图7 所示 ，凹槽越多 值越大，但 叼值与凹槽 数不成正比，叼的峰值出现在 为3 0 h处。 凹槽深度对摩擦因数 的影响如图8 所示 ，凹槽 越多 值越大，但 叩值与凹槽数不成正比，叼的峰值 出现在凹槽深度为 5 处，此时防漏效果最佳。 8 7 6 5 4 3 2 1 O 图7 凹槽宽度对凹槽摩 图8 凹槽深度对凹槽摩 擦因数 的影响 擦因数 的影响 凹槽 问距对 ’ 7 值的影响如图 9所示 ，凹槽越 多 7 7 值越大 ，但 叩值与凹槽数不成正比， 值随着凹槽间 距增大而增大。 0 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2 ． 5 3 3 ． 5 工 l 厄 E 图9 凹槽间距对凹槽摩擦因数 卵的影响 综上所述 凹槽摩擦因数 竹峰值出现在 凹槽宽 度和凹槽深度分别为 3 0 h和 5 ，表明此处迷宫引起 的压力损 失最 大 ，泄漏量最小 。同时图 9也表 明了凹 槽间隙越大迷宫引起的压力损失越大，泄漏量越小。 与泄漏量曲线给出的结果基本一致。 4结论 在液体为紊流状态下，迷宫密封中凹槽数越多， 泄漏量 越少 ；凹槽宽 度约 为间隙 的 2 0 3 O倍 ，凹槽 深度约为间隙的 3～5倍 ，凹槽 间距大于间隙的 5 0 倍 ，凹槽深度宽度 比为 0 ． 2 ，凹槽 间距宽度 比大于 2 ． 5 ，为最佳防漏效果的条件。 参考文献 [ 1 ]汤臣杭 ， 杨惠霞， 王玉 明． 直通式迷宫密封的数值分析 [ J ] ． 流体机械， 2 0 0 6 ， 3 4 1 2 2 1 2 4 ． [ 2 ]王松涛， 刘智勇， 王东林． 活塞速度对迷宫密封性能影响 的数值分析[ J ] ． 化工机械， 2 0 1 1 ， 3 8 1 9 1 9 3 ． [ 3 ]王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]林丽， 刘卫华． 齿型夹角对迷宫密封性能影响的数值研 究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 7 ， 3 2 3 4 75 0 ． [ 5 ]B R O WN E L L J B ， MI L L WA R D J A， P A R K E R R J ． N o n i n t r u s i v e I n v e s t i g a t i o n s i n t o L i f e s i z e L a b y rin t h S e a l F l o w F i e l d s [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 8 9， 1 1 1 2 3 3 5 3 4 2 ． [ 6 ]MO R R I S O N G L ， J O H N S O N M C， T A T r E R S O N G B ． 3 - D L a s e r A n e m o m e t e r Me a s u r e me n t s i n a L a b y ri n t h S e a l l J 1 ． J o u r n a l o f En g i n e e rin g for G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 9 1 ， 1 1 3 1 1 1 91 2 5 ． [ 7 ]WI T r l G S ， D O R R L ， K I M S ． S c al i n g E f f e c t s o n L e a k a g e L o s s e s i n L a b y ri n t h S e al s [ J ] ． A S ME J o u rna l o f E n g i n e e r - i n g fo r P o w e r ， 1 9 8 3 ， 1 0 5 2 3 0 53 0 9 ． [ 8 ]N I K I T I N G A， I P A T O V A M． D e s i g n o f L a b y r i n t h S e a l s i n H y d r a u l i c E q u i p m e n t[ J ] ． R u s s i a n E n g i n e e ri n g J o u rna l ， 1 9 7 3 ， 5 3 1 0 2 6 3 1 ． 上接 第 1 1 1页 3 总结 设计了一个简单的液压回路 ，在控制电路的配合 下可以在自行车上实现能量的回收再利用。这样人们 在骑车时，尤其是在启动、爬坡或者需要加速时就可 以少消耗自身的体力。体能消耗的减少将鼓励更多人 选择骑车。由于该系统通过实验选择了质量轻的标准 元件，因此 ，车身质量没有大的增加，系统出现问题 时，元件方便更换。 当然该系统也有缺点 ，它的价格相对比较贵 ，通 常是普通自行车的两到三倍 ，但是作者相信通过进一 步的开发和研究，一定可以降低其经济成本。 参考文献 [ 1 ]李芝． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ]王成福． 电器及 P L C控制技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ]谢正宽． 自行 车骑行宝典 单 车学校教你 的 5 2堂课 [ M] ． 北京 中国轻工出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 4]C L E G G S J ． A R e v i e w o f R e g e n e r a t i v e B r a k i n g S y s t e m s [ R] ． T h e U n i v e r s i t y o f L e e d s ， 1 9 9 6 ． [ 5 ]V u T r i V i e n ， C H E N C h i h K e n g ， HU N G C h i We i ． S t u d y o f Hy d r a u l i c R e g e n e r a t i v e B r a k i n g S y s t e m i n Hy d r a u l i c Hy - b r i d V e h i c l e s[ J ] ．J o u rnal of S c i e n c e a n d E n gin e e ri n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 7 4 9一l 8 ．