迷宮密封式液壓缸泄漏量建模與分析

李春風(fēng)，吳松林

(西京學(xué)院機(jī)電工程系，陜西西安 710123)

迷宮密封是依靠節(jié)流間隙中的節(jié)流過程和空腔內(nèi)的動(dòng)能耗散來實(shí)現(xiàn)密封的，采用迷宮密封可減少摩擦損失，提高流體機(jī)械的可靠性［1］。因此，提高迷宮密封的性能是目前流體機(jī)械領(lǐng)域研究的重要課題。要做到合理有效利用迷宮密封，不僅需要掌握其泄漏特性，而且還要從內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的角度深入研究其密封機(jī)制［2-4］。

過去迷宮式密封的泄漏量大多采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，且大多是針對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的密封進(jìn)行探討［5-7］。設(shè)計(jì)迷宮式密封裝置，最為困擾的問題即為如何選定適當(dāng)?shù)陌疾坌螤罴捌涓飨嚓P(guān)尺寸來降低泄漏量?；赑HOENICS軟件，對(duì)采用k-ε紊流模型的不可壓縮流體的迷宮密封流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了活塞桿導(dǎo)向套中直通式迷宮密封，其凹槽深度、凹槽寬度及凹槽間距對(duì)漏油量的影響。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)文中結(jié)果按其允許的漏油量，選定適當(dāng)?shù)拿詫m式密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，可減少產(chǎn)品制造的失敗率從而縮短設(shè)計(jì)周期，提升行業(yè)技術(shù)層次并提高產(chǎn)業(yè)競爭力。

1 研究方法及步驟

1.1 建立模型

液壓缸研究模型如圖1所示，活塞靜止時(shí)為保壓狀態(tài)，活塞桿導(dǎo)向套迷宮式密封的左側(cè)油壓pH為65.6 MPa，右側(cè)油壓力pL為0 MPa。

圖1 活塞桿導(dǎo)向套迷宮式密封研究模型

圖2所示為迷宮密封結(jié)構(gòu)的分析模型示意圖，壓差使液壓油從左向右流經(jīng)此間隙。為了解迷宮式密封結(jié)構(gòu)在紊流狀態(tài)的特性，通過控制流量、間隙高度及流體性質(zhì)，使雷諾數(shù)Re=3 000。以凹槽寬度Lg=0.6 mm，凹槽深度hg=0.15 mm、間隙高度h=0.03 mm、泄漏路徑總長度L=10 mm為分析的基準(zhǔn)尺寸，進(jìn)出油口壓差Δp=65.6 MPa，分別以凹槽寬度Lg、凹槽深度hg、凹槽間距Li和間隙高度h為變量進(jìn)行泄漏量分析。以煤油為分析流體，其密度ρ=800 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度ν=2 mm2/s。為簡化模擬分析過程的復(fù)雜性以縮短運(yùn)算時(shí)間，假設(shè)流體為牛頓流體且不可壓縮，流體為穩(wěn)態(tài)紊流。

圖2 迷宮式密封模型

1.2 邊界條件設(shè)定

所探討問題的邊界條件設(shè)定如下:

(1)由于入口的速度分布曲線是未知數(shù)，故以壓力設(shè)為入口的邊界條件。為使迷宮中流體處于紊流狀態(tài) (Re=3 000)，將進(jìn)口壓力pH設(shè)為65.6 MPa。

(3)導(dǎo)向套邊界設(shè)定為無滑移條件，ui=0。

(4)活塞桿邊界設(shè)定為無滑移條件，ux=0，即活塞桿和導(dǎo)向套相對(duì)靜止。

文中數(shù)值模擬使用的湍流模型為k-ε模型，其收斂標(biāo)準(zhǔn)為各變量每次迭代的總殘余數(shù)小于10-3，運(yùn)算格點(diǎn)配置采用交錯(cuò)式非均勻分布的網(wǎng)格點(diǎn)。

1.3 數(shù)值模擬

文中的數(shù)值模擬主要是以PHOENICS軟件運(yùn)算為主。

(1)前處理開始進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算前，必須先撰寫數(shù)據(jù)輸入文件Q1，此文件是由PHOENICS輸入語言構(gòu)成，包含數(shù)值運(yùn)算所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

(2)執(zhí)行earth execution進(jìn)行主要的數(shù)值運(yùn)算，待運(yùn)算結(jié)束后，所有的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù) (如壓力、速度、溫度等物理量)將會(huì)儲(chǔ)存在phi文檔中。

(3)PHOENICS的后處理利用PHOTON和VR VIEWER繪圖，PHOENICS的后處理功能無法滿足文中需求，利用FORTRAN程序拾取phi文件中的數(shù)據(jù)后，再用Tecplot軟件完成繪圖。

FORTRAN程序拾取phi文件中的資料計(jì)算泄漏量，可由下式表示:

式中:vxgrid為單一網(wǎng)格x方向速度，Dygrid為單一網(wǎng)格y方向長度，dygrid為單一網(wǎng)格y方向中心至活塞中心的距離。

2 結(jié)果與討論

迷宮密封的間隙高度h=0.03 mm、凹槽深度hg=5h時(shí)，凹槽寬度對(duì)泄漏量的影響如圖3所示。泄漏量最小值出現(xiàn)在凹槽寬度為25h的3個(gè)凹槽的迷宮密封曲線上，凹槽越多泄漏量越小。

迷宮密封的間隙高度h=0.03 mm、凹槽寬度Lg=20h時(shí)，凹槽深度對(duì)泄漏量的影響如圖4所示。凹槽深度在3h～5h范圍時(shí)迷宮內(nèi)的泄漏量最小，并且凹槽越多泄漏量越小。

圖3 凹槽寬度對(duì)泄漏量的影響

圖4 凹槽深度對(duì)泄漏量的影響

迷宮密封的間隙高度h=0.03 mm、凹槽寬度Lg=20h、凹槽深度hg=5h時(shí)，凹槽間距對(duì)泄漏量的影響如圖5所示。泄漏量隨凹槽間距的增大而減小，并且凹槽數(shù)越多泄漏量越小。凹槽間距為50h～60h時(shí)，其泄漏量變化很小，大約為4×10-7m3/s。

凹槽深度寬度比對(duì)泄漏量的影響如圖6所示，凹槽深寬比大約為1時(shí)泄漏量最大，深寬比大約為0.2時(shí)泄漏量最小。

圖5 凹槽間距對(duì)泄漏量的影響

圖6 凹槽深度寬度比對(duì)泄漏量的影響

3 凹槽的摩擦因數(shù)分析

為進(jìn)一步分析各參數(shù)對(duì)泄漏量的影響，對(duì)雷諾數(shù)Re=3 000時(shí)凹槽的摩擦因數(shù)進(jìn)行探討，液體流經(jīng)迷宮式密封的壓力損失Δplab方程式為［8］:

式中:λ為阻力系數(shù)，Leff為間隙長度，h為間隙高度，ρ為液體密度，v為流速，η為凹槽摩擦因數(shù)。摩擦因數(shù)η越大，壓力損失Δplab越大，則泄漏量越小。

迷宮式密封中凹槽寬度對(duì)凹槽的摩擦因數(shù)η的影響如圖7所示，凹槽越多η值越大，但η值與凹槽數(shù)不成正比，η的峰值出現(xiàn)在Lg為30h處。

凹槽深度對(duì)摩擦因數(shù)η的影響如圖8所示，凹槽越多η值越大，但η值與凹槽數(shù)不成正比，η的峰值出現(xiàn)在凹槽深度為5h處，此時(shí)防漏效果最佳。

圖7 凹槽寬度對(duì)凹槽摩擦因數(shù)η的影響

圖8 凹槽深度對(duì)凹槽摩擦因數(shù)η的影響

凹槽間距對(duì)η值的影響如圖9所示，凹槽越多η值越大，但η值與凹槽數(shù)不成正比，η值隨著凹槽間距增大而增大。

圖9 凹槽間距對(duì)凹槽摩擦因數(shù)η的影響

綜上所述:凹槽摩擦因數(shù)η峰值出現(xiàn)在凹槽寬度和凹槽深度分別為30h和5h，表明此處迷宮引起的壓力損失最大，泄漏量最小。同時(shí)圖9也表明了凹槽間隙越大迷宮引起的壓力損失越大，泄漏量越小。與泄漏量曲線給出的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

在液體為紊流狀態(tài)下，迷宮密封中凹槽數(shù)越多，泄漏量越少;凹槽寬度約為間隙的20～30倍，凹槽深度約為間隙的3～5倍，凹槽間距大于間隙的50倍，凹槽深度寬度比為0.2，凹槽間距寬度比大于2.5，為最佳防漏效果的條件。

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