液压冲击器迷宫密封的设计研究与仿真分析.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 1 4 液压冲击器迷宫密封的设计研究与仿真分析 李传 昌，杨 国平 上海工程技 术大学汽车工程学院，上海 2 0 1 6 2 0 摘要针对液压冲击器密封泄漏问题，利用数值计算方法对活塞与中缸体的各种迷宫密封形式进行仿真研究，确定其 流场 和速度场分布 ，计算 出各种 迷宫形式的泄漏量 ，从 而找出最优 的迷宫设 计方法以指导设计改进 。 关键词液压冲击器；迷宫密封 ；泄漏量 中图分类号T H1 3 6 文献标识码 A 文章编号l O O 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 3 73 De s i g n a n d Si mul a t i o n f o r La b y r i n t h Se a l o f Hy dr a u l i c I mp a c t o r L I Ch u a n c h a n g， YANG Gu o p i n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e s e a l l e a k a g e p r o b l e m o f t h e h y d r a u l i c i mp a e t o r ，CF D me t h o d wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e d i f f e r e n t t y p e s o f l a b y r i n t h s e a l b e t w e e n t h e p i s t o n a n d t h e mi d d l e c y l i n d e r b l o c k t o a s c e r t a i n t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e fl o w f i e l d a n d v e l o c i t y fi e l d ． T h e P a k g e q u a l i t i e s o f t h e d i f f e r e n t t y p e s o f l a b y r i n t h s e a l w e r e c a l c u l a t e d ． T h e o p t i mal d e s i g n c o u l d b e f o u n d t o g u i d e d e s i g n a n d i m- pmv eme n t o f l a b y r i nt h s e a 1 ． Ke ywor ds Hy dr a u l i c i mp a c t o r； La b y r i nt h s e a l ； Le a k a g e q ua l i t y 各国学者长期 以来对迷 宫密封做 了广泛而深入 的 研究 ，取得 了大量有意义 的成果 。其 工作主要集 中在 迷宫 密封 泄漏 量 的计算 及 密 封性 能 影 响 因素 的分 析 上，所用的方法主要有热力学分析方法、计算流体力 学数值分析 方法以及泄漏量测量和 流动显 示等实验研 究方法 ⋯。 在液压冲击器中，中缸体与活塞之间是轴向往复 运动 ，采用迷宫密 封 ，既能保证活塞 的径 向平衡 ，防 止磨损延长使用寿命 ，又能起到很好的密封作用，阻 止不必要 的能量损 失 ，达到节能环保 的作用 。作 者在 分析液压冲击器工作原理的基础上 ，设计出不同的活 塞与 中缸体 的迷 宫密 封 形式 ，并 对其 内部流 体 进行 C F D分析处理 ，得 出相对 良好 的密封形式 。 1 往复活塞在液压破碎锤 中的间隙密封 1 一 氮气 室2 一配 流换 向阀3 一 后腔4 一 迷宫密封 5 一 中腔6 一迷宫 密封7 一前腔8 一活塞9 一钎杆 图 1 液压破碎锤 的结构及间 隙密封位 置 以国外某 品牌 液压破碎锤为例 ，运 动活塞在其 中 有两段 间隙密封 ，分别是前腔与 中腔 、后腔与 中腔之 间 的液压 密封。其 结构与位置如 图 1 所示 。 其 中前腔是 高压腔 ，其压力一般在 1 8 MP a 左右 ， 中间的常压腔压 力一般 在 0 ． 3 MP a 左右 ，后腔 的高压 油压力在 1 6 M P a 与 0 ． 3 MP a之 间交替转 换 ，利用 其 中的面积差及氮 气室的蓄能推动活塞往复运动 ，进 而 以较大 的动 能冲击钎 杆 ，钎杆 以较大 的冲击能打击待 破碎体。活塞与中缸体之问合适的间隙宽度与良好的 密封形式对正常持久 的工作至关重要 ，迷宫密封在其 中主要有 两个作 用 1 环 形 的密封槽起 到平衡 槽 的作用 ，使活塞与 中缸体有很好 的同轴性 ，活塞与缸 体之间存在一定的均匀间隙，防止它们之间的摩擦磨 损 ，起 到 良好的 隔离作 用 ； 2 利用 较 小 的环形 间 隙产生的流体压力降来达到密封的作用，同时通过若 干个在 槽道 内的湍流进一步消耗 能量 降低压 力 ，起 到 很好 的能量阻隔效果 。 2 不可压缩薄膜数学模型的建立 1 密封 间隙雷诺数 的计算 。 不可压缩薄膜流从层流过渡到紊流，层流计算的 数学模 型以及 紊 流计 算 的数 学模 型 均 与流体 雷 诺有 关 ，过渡 一 般 用 雷 诺 数 舶 表征 ，流体 的流 动 参 数 几何形状 、压力 、速 度和黏度 通过 雷诺方 程相互 关联。考虑含有密度 P和动力黏度 卵 或运动黏度 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 0 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 7 5 1 6 9 ／ E 0 5 0 6 0 3 ；上海高校知识创新工程 0 8 5工程建设资助项目 J Z 0 9 0 1 作者简介李传昌 1 9 8 2 一 ，男，江苏连云港人，在读硕士，研究方向为机 电液一体化设计，车辆液压与控制技术。电 话 1 3 6 4 1 6 3 6 5 5 9 ，Em a i l l i c h u a n c h a n g 1 2 6 ． c o n。 3 8 机床与液压 第 3 8卷 叩 、以匀速 瓦流动的流体 间隙为 h的密封间 隙，其雷诺数定义为 Re 田 根据经 验 ，当端 面有 凹槽 时 临 界 雷诺 数 R e 5 0 0 ～1 0 0 0，层流向紊流过渡。在 此设计里 ，控 制层 流何时何地发生紊流、以便起到很好的阻尼作用非常 重要 。 2 泄漏量的计算 虽然迷宫密封在工程中得到了广泛的采用，但基 于其复杂性，必须有丰富的试验资料，作者简单介绍 了代表性 的 S t o d a l a计算法 ，并 且该公 式适 用于轴 向 迷宫密封。该计算法把介质通过迷宫的流动视为通过 一 系列锐边 口的流动，考虑动能载越效应，其泄漏量 公式为 GC A g T ㈦ 式 中C l ／ h ， R e 为节流流量 系数 ， 为密封 间隙 面 积 ， ，为 膨 胀 系 数 ， n 为动能载越效应修正系数 ， P 。 为进 口压力， P 。 为进口工作介质密度，n为齿数。 、T及节流流量 系数 C可依据 文献进 行选取 ，当 h ／ l 在 1 ． 3 ，2 ． 3 范围时 C可取 0 ． 7 1 。E g l i 公 式 虽然通 过试 验得 出一 些经验数据绘制成图表 ，方便实际计算，但其适用范 围有限，读取时易受人为因素影响。 3 利用 C F D确定影响迷宫密封的主要参数 作者应用成熟 的商用软件 C F D软件进行数值分 析，离散格式采用二阶迎风格式 ，数值分析使用标准 两方程湍流模型 ，并且 采用不可压缩流动的雷诺数 时 均方程组 N a v i e r - S t o k e s ，构成 基本 的控制方 程组 。首 先使用 G A M B I T前处理软件进行网格的划分 ，然后导 入 F L U E N T并用 S I M P L E算法求解 。 从影响迷宫密封性能的几个参数出发，优选设计 出合理的齿形构造、间隙尺寸 、间隙宽深比等参数。 迷宫密 封 的基 本 模 型 如图2所示，其主要的参 数为空腔宽度 W 2 m lT l ， 齿厚度 D 4 T n I T 1 ，齿高度 H2 ，钎 杆半 径 R4 0 图 2 迷宫密封基本模型 I T J lT I ，间隙 c o ． 3 n l I T l ，温度为常温，假设进 口压力 P 0 3 a r m，出口压力P 】 1 a t m，工作介质为 L - H M 6 8 液压油 。 1 齿形构造的模 拟与选择 介质从较高压力 P 。 处经过一系列收缩 节流 口流 到较低压力 P 处 ，在数 目为 n的节流 口中 ， 压力能转换成速动能，每当流过一个节流 口时，在 下一个空 腔压力作用 下 ，由于 涡流 和碰 撞 ，速 动能 就充分转换成 摩擦热 ，空 腔 的优劣 对密封 效果 非常 重要 。 根据 图 3压力分 布图 ，分析流场分布情况 ，可 以 得到如下结论 对 于不 同的齿形壁 面，由于形成 的凹 槽不同，产生的湍流是不一样的，不同的涡流伴有不 同的湍流耗散 ；同时过大或过小的凹槽空间反而不流 于湍流 的形成 。 1 ． 0 3 e 7 9 5 3 e 6 ∞ 8 ． 7 6 t a 齿 形1 b 齿形2 c 齿形3 d 齿 形4 图3 不同齿形的凹槽内的流场分布 随齿形的变化其泄 流量如表 1 所示 ，齿形 4的泄 流量最小 ，齿形 1的泄流量最大 ，从 图 3可 以看 出齿 形 4形成了良好的湍流，增加了能量的耗散，对流体 产生 了明显 的阻力 ，齿形 1 没有 明显没有产生 良好 的 涡流 ，没有对流体产生很好 的阻碍 ，齿 形 2和齿形 3 介于前两者之间 。所 以选择齿形 4作为活塞迷宫密封 的基本形式。 表 1 不 同齿形 的泄漏■对 比 齿形 齿形 卫拥 2 ． ／ 5 ． 1 6 8 4 ． 7 8 0 4 ． 8 9 1 4 ． 2 1 5 k g 。 s 2 间隙高度的模拟与选择 流体从轴的一侧流过间隙孔口，就在间隙的另一 侧形成一道 自由射流 ，由于垂直于流出方 向的流动介 质在孔 口附近流动方 向发生偏转并 出现射流收缩 ，即 出现通常的节流现象 ，同时介质在壁面上 由于摩擦 而 减速。这两方面的效果如何和间隙高度有密切关系， 下面仅考虑间隙高度变化就 c0 ． 2 、c 0 ． 3 、c 0 ． 4 、c 0 ． 5 m m做数值模拟。 图4显示了对应不同的间隙时迷宫空腔内流场分 布 。可 以看出流体 在迷宫 空腔 内的流动分为上部的层 流区和下部 的紊流 区 ，上部 的层流 区流量大于下部紊 第 1 2期 李传昌 等液压冲击器迷宫密封的设计研究与仿真分析 3 9 图4 不同的间隙时迷宫空腔内流场分布 流 区流 量。流 体 主要 是通 过 上 部 的层 流 区 泄漏 ，而 下部 的紊 流区则起 到了增大流动 阻力 的作用 。从流体 压力分布也 可以看出 ，空腔上部层流 区的压力 明显大 于空腔下部紊流 区的压 力 ，并且越靠近上壁 面压力越 大，这是因为越靠近上壁，下部紊流区对它的影响就 越小。当增大间隙宽度 c 时 ，上部层 流 区的宽度 随着 增大，而下部紊流区对流动的影响相对减少 ，使得泄 漏 量随之增加 。随着间 隙高度 的 加 ，泄 漏 量 与 间 隙 之 间 的 线 性关 系如 图 5所示 。从 S t o d a 一皇 l a 计算 法 中 也 可 以看 出，问 隙面积 与 泄 漏 量 成 正 比。这 种影响是不可压缩流体迷宫 尊 嚣 季 耋 柔 图 5 鐾 翥 泄 因 现 实 的 设 计 、 制 造 和 工 作 ，工 时 的 困 难 ， 间 隙 高 度 也 不 能 ⋯ ⋯ ⋯ ’ 3 空腔宽深 比的模 拟与选 择 ]厂 一 图6 不同的宽深比迷宫空腔内流场分布 图 6显示 出 了对应 于各 、 个空 腔 宽 深 比 K2 1 、童5 ． ∞ ／空 腔 内 流 场 分 布 情 况 ， 可 看 藁 图8 不同的齿数流场分布图 ” ” 町 ” ” 撕 ”峙 硅 帏 * 帏*幡 幡恃峙 胁胁 ；薹 耆 l 惭渤 脚晰 一 _ ～ ■_ ■ l一 驯 _ I 覃 ． 蛊 邑、 唧嘿 黎 中 列 个 腔 与 系一 空 塞一 ， 胀 活 由 成 膨 器 封 组 个 击 密 齿一 冲 宫 流 和 压 迷 节 隙 液 的 和 齿 体 腔 流 缸 空 节 ■l l l _一 6 2 机床与液压 第 3 8卷 K p e ㈤ 等 如 ／ pr 1 其中 为采样周期 。式 1 为位置 P I D控制离散 算式，为了增加控制系统的可靠性 ，采用增量式 P I D 控制算式，即让 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A只输出M k 的增量 △ “ 。假设式 1 为第 k 次 P I D控制器的输 出量 ， 那么第 一1 次 P I D控制器输出如式 2 所示 7 1 一 1 u k一 1 K p e k 一1 i 2 所以增量式 P I D控制算式如式 3 所示 A u k “ k 一 u k I K p [ e 后 一 e k一1 ] 等 e盟型号 K p K K d e 七 一 K p 一 2 e k一 1 K d e k 一 2 3 令 A 磊 K i K d 一 B 一 K p 一 2 K d C K d 则结果如式 4 所示 △“ 后 e 后 一 e k一1 C e 七一2 H 后 M k 一1 a u k 4 图 5为增量式数字 P I D控制算法 的程序流程图。 输入 ， 五 ， ， I ● 计 、 、c I ● 计算 实 际的速 度 主 ＼／ N● 计算偏差量e t ● 计算控 制 增量d 口 0 t I H 1 d P 输 出控制 量 ● e k 2 P - 1 e k - 1 P t u k - 1 u k 图5 数字 P I D控制算法的程序流程图 3 ． 3 系统数据 传输 协议 的设计 上 、下位机采用 R S ． 2 3 2通信 ，其数 据格式为 1 个停止位，使能奇偶校验 ，8位数据位，波特率为 9 6 0 0 b ／ s 。此外 ，由于上 、下位机之间需要进 行多种 数据的通信 ，为了识别所接受到的数据的种类 ，必须 设计好 数据传输 协议。文 中主 要用 到的数据种类 有 双动液压实验机的动作顺序命令 、P I D参数设置命 令 、位移速度 参 数命令 和 压力 位 移数 据 等。图 6是 P I D参数设置命令的数据传输格式上位机首先发送 参数设置命令的标志 “ O F ” ，然后依次发送压边动作 的K D 、 ， 、 和冲压动作的 K 。 、K、 ，最后发送 数据传输结束标志 “ E D ” 。 i 竺 I 垫 l 塑 l 垫 l 些I 些 i 图6 P I D参数设置命令的传输协议 4结束语 采用 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A作 为控 制 系统 的核心 ，充 分利用它的运算速度和丰富的外设资源，大大简化了 系统电路 ，同时系统的控制质量显著改善。P c机做 为上位机为用户提供了友好的人机交互界面，方便操 作者使用 。 参考文献 【 1 】田家林， 陈利学， 寇向辉． 基于 A R M与 F P G A的嵌入式 数控系统的设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 2 9 3 9 4． 【 2 】刘和平． T M S 3 2 0 L F 2 4 0 x D S P C语言开发应用[ M] ． 北 京 北京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】T MS 3 2 0 F ／ C 2 4 x D S P C o n t r o l l e r s C P U a n d I n s t r u c t i o n S e t r e f e r e n c e g u i d e [ M] ． T a x a s I n s t r u m e n t s ， 1 9 9 9 ． 【 4 】李希文． 传感器与信号调理技术[ M] ． 西安 西安电子科 技 大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 5 】 季昱， 林俊超， 余本喜． D S P 嵌入式应用系统开发典型实 例[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 5 ． 上接 第3 9页 的考虑 ，又需要在活塞 与缸体 间 留一个 安全 的间隙。 因此只能在保证安全的情况下尽量减小间隙宽度。 3 迷宫空腔过深过 浅都不 能形成 良好的紊 流， 所 以选择合适的宽深 比非 常重要 。 4 迷宫空腔的增加 ，将产生更大的流体阻力， 进一步消耗压力 能 ，但过 度 的增加将增加 生产成 本 ， 所以针对液压冲击器迷宫密封特性需要选择合适的密 封齿数量 。 参考文献 【 1 】刘卫华， 林丽， 朱高涛． 迷宫密封机理的研究现状及其展 望[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 7 ， 3 5 2 3 5 3 9 ． 【 2 】 顾文泉． 流体动密封[ M] ． 东营 石油大学出版社， 1 9 9 0 ． 8 ． 【 3 】毕明树． 迷宫密封泄漏量设计计算综述[ J ] ． 风机技术， 1 9 9 4 5 2 3 2 4 ． 【 4 】江帆， 黄鹏． F l u e n t 高级应用与实例分析[ M] ． 北京 清 华大学出版社 ， 2 0 0 8 ． 5 ． 【 5 】丁学俊 ， 杨彦磊， 肖国俊 ， 等． 迷宫密封流场与泄漏特性 研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 6， 3 4 4 1 41 8 ．