冶金行業間隙密封液壓缸泄漏量研究

張槐祥 (首鋼水城鋼鐵集團公司，貴州 六盤水 553028)

冶金行業間隙密封液壓缸泄漏量研究

張槐祥 (首鋼水城鋼鐵集團公司，貴州 六盤水 553028)

簡要推導了開有均壓槽的密封間隙泄漏量計算公式，并通過仿真分析了均壓槽數量、分布、深寬比等對間隙泄漏量的影響，為設計、優化開有均壓槽的間隙密封提供幫助。

均壓槽；泄漏量；活塞；仿真

液壓技術越來越廣泛的應用于冶金行業，液壓缸作為液壓系統的關鍵執行元件，其品質和性能(尤其是泄漏量)對系統的整體性能有著重要的影響，進而影響主機的工作性能。隨著加工工藝水平的提高，國外大型液壓缸生產企業開始加大對非接觸式密封液壓缸的研究與應用[1]。在液壓缸活塞上一般開有3～7條均壓槽以保證活塞與缸筒的同心，減小液壓缸的摩擦力。均壓槽對密封間隙內流場具有重要影響，一方面均壓槽減小了密封長度，使泄漏增大，另一方面油液在均壓槽內進行能量交換，使泄漏量減小。

1 間隙密封液壓缸結構分析

注：1-活塞桿；2-保護蓋；3-防塵圈；4-耐磨環；5-缸頭；6-支承環；7-泄漏口；8-油口；9-活塞；10-缸體；11-缸底；12-壓蓋；13-活塞桿密封間隙；14-泄油槽；15-支承環均壓槽；16-活塞密封間隙；17-活塞均壓槽。

間隙密封伺服液壓缸的結構如圖1所示。該液壓缸的活塞桿與支承環，以及活塞與缸筒的配合處沒有使用密封圈，而是通過配合面之間的微小間隙形來實現密封；在活塞及支承環上開有均壓槽，以平衡活塞和活塞桿受到的徑向不平衡力，保證活塞和活塞桿始終處于與缸筒同心的位置；在活塞桿與缸頭的配合處開有泄油槽，將活塞桿密封間隙的泄漏油導入油箱，防止產生外泄漏。

活塞上開設均壓槽后，密封間隙被分為2個部分：節流間隙(活塞外壁面與缸筒內壁面之間的間隙)與均壓槽，如圖2所示。油液在間隙內的流動也被分解為2個過程(見圖3)：節流過程，即液壓油在節流間隙中的流動，此時液壓油的壓力能轉化為動能；動能耗散過程，即液壓油在均壓槽內的流動，此時液壓油的動能一部分轉化為熱能耗散，一部分流入下一個節流間隙[2]。

2 間隙泄漏量計算

圖2 節流間隙與均壓槽

圖3 液壓油在密封間隙內的流動

工程中常用的方法是將均壓槽密封件系當作粗糙間隙來計算，并依照計算流過粗糙管的流量計算方法來計算泄漏量。根據重量連續方程，穩態下通過每一個間隙截面的同一時刻的重量相等，即：

(1)

式中，G為泄漏重量流量，kg/s；F為泄漏橫截面面積,m2；u、u1、u2為不同間隙面的流速，m/s；vb、vb1、vb2為不同間隙面的比容(單位質量的物質所占有的容積稱為比容，其數值是密度的倒數，m3/kg)。

對于圓環形間隙，F為常數，則：

(2)

其作功方程為：

(3)

式中，p為間隙中的壓力，kg/m2；h為間隙寬度，m；λ為阻力系數；x為沿間隙方向的截距，m。

根據連續方程G/F=u/vb=常數C1有：

(4)

因而:

(5)

(6)

此方程即為密封間隙內任一點的流動狀況變化方程。假定λ和n是不變，當極限值為x=0和x=l時：

(7)

其中，p1和p2分別為x=0和x=l處的壓強。

(8)

(9)

3 均壓槽對泄漏量影響的仿真分析

3.1仿真模型及邊界條件設置

圖4 矩形均壓槽的幾何 圖5 邊界設置結構示意圖

筆者對開有均壓槽的密封間隙內部流場進行數值模擬，均壓槽的結構如圖4所示。均壓槽形狀為矩形、等腰三角形、等腰梯形，h為間隙量；h1為均壓槽深度；b為均壓槽開口寬度(等腰梯形槽大邊)；b1為槽間節流間隙長度；b2為梯形槽底部寬度(等腰梯形槽小邊)；n為均壓槽數量；l為間隙長度；di為活塞直徑；α為三角形槽或梯形槽腰與豎直方向的夾角。

邊界設置如圖5所示，由于在建模和劃分網格時將均壓槽封閉，因而形成了一個內壁面和均壓槽公用的面，設置邊界條件時，將此面定義為內部面。

3.2仿真結果

圖6 均壓槽數量對泄漏量的影響

圖6所示為均壓槽數為0、3、5、7時的間隙泄漏量，由圖6可知，活塞速度為0時，間隙泄漏量隨均壓槽數量增加而增大；活塞速度不為0時(0.2m/s和0.5m/s)，均壓槽數越多，間隙泄漏量越大，但開3條槽時的泄漏量比不開槽時小，開5條槽時與不開槽時相差不多，開7條槽時大于不開槽時。

圖7所示為均壓槽在不同間距時的泄漏量，由圖7可知，無論活塞是否運動，均壓槽間距對泄漏量的影響極小，可以忽略不計。此外，對均壓槽偏向間隙一側時的仿真結果表明，均壓槽的分布對間隙泄漏量的影響極小。

圖8所示為不同深寬比時的間隙泄漏量，由圖8可知，隨著深寬比的減小，間隙泄漏量先減小后增大，在深寬比為5時出現最小泄漏量。也就是說，對于某一間隙，存在最佳深寬比使得泄漏量最小。但在深寬比同為5時，槽深2mm的間隙泄漏量小于槽深為0.5mm的泄漏量。

4 結 語

運用仿真手段，分別研究了均壓槽數量、分布及深寬比對密封間隙泄漏量的影響。由仿真結果可知均壓槽數量越多，泄漏量越大，但有可能小于不開槽時的狀況；均壓槽的分布幾乎不影響活塞的泄漏量；對于某一間隙，存在最佳深寬比使泄漏量最小。但均壓槽深度并非越大越好，過度增加均壓槽深度無益于減小泄漏量和摩擦力。

圖7 均壓槽間距對泄漏量的影響 圖8 均壓槽深寬比對泄漏量的影響

[1]Etsion I.deas and tendencies in future mechanical seal development [J].Lubrication Engineering，1990：122-125.

[2]金秋穎，劉趙淼，葉紅玲，等.迷宮密封機理在靜壓支撐系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2010(2)：33-36.

[3]K.塔魯達納夫斯基. 非接觸密封(間隙密封與迷宮密封的原理和應用)[M]. 北京:機械工業出版社，1986.

[編輯] 洪云飛

TH137.51

A

1673-1409(2013)25-0097-04

2013-06-26

張槐祥(1957-)，男， 高級工程師，現主要從事機械制造工藝方面的研究工作。