壓力補(bǔ)償變間隙密封液壓缸研究

， 　， 　， 　

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京　100076)

引言

恒間隙密封伺服液壓缸雖然有摩擦力小、頻率響應(yīng)高、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其泄漏量會(huì)隨著壓力的上升而迅速增大，容積效率低，為了解決這一矛盾，我們提出了一種壓力補(bǔ)償變間隙密封伺服液壓缸。

1　壓力補(bǔ)償變間隙密封液壓缸原理

壓力補(bǔ)償變間隙密封伺服液壓缸結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在活塞和導(dǎo)向套上設(shè)計(jì)有微小唇邊，當(dāng)工作腔壓力升高時(shí)，唇邊在內(nèi)外壓差作用下產(chǎn)生微小變形，使間隙量減小，從而達(dá)到減小泄漏量的目的。

活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受周期性高低壓液壓油作用，在液壓油作用下，活塞唇邊內(nèi)表面受到恒定壓力的作用， 外表面受到遞減壓力作用[1]。 根據(jù)材料力學(xué)、 彈塑性力學(xué)原理，若活塞唇邊內(nèi)表面受力大于外表面，則活塞唇邊向外部擴(kuò)張， 間隙量減小。 且在彈性變形范圍內(nèi)，活塞唇邊的變形量隨內(nèi)、外表面受力差值的增大而增大，從而實(shí)現(xiàn)密封間隙的壓力補(bǔ)償。

1.缸體　2.活塞　3.活塞均壓槽　4.活塞桿　5.導(dǎo)向套　6.泄油孔7.缸蓋　8.導(dǎo)向套均壓槽　9.活塞唇邊　10.導(dǎo)向套唇邊圖1　壓力補(bǔ)償變間隙密封液壓缸結(jié)構(gòu)原理圖

2　變間隙密封液壓缸活塞唇邊變形數(shù)學(xué)模型

為方便計(jì)算，從唇邊截取一段軸向單元，將其變形簡(jiǎn)化成懸臂梁的變形來(lái)進(jìn)行求解[2]，其受力分析如圖2所示?？紤]到活塞的運(yùn)動(dòng)特性，在分析唇邊變形時(shí)，忽略其軸向受力[3]。

圖2　變形活塞唇邊受力分析

圖3　活塞唇邊受力的合力

X處截面慣性矩：

(1)

線(xiàn)性載荷最大處為：

(2)

式中：L1為密封間隙長(zhǎng)度；p1為工作腔壓力；p2為非工作腔壓力。

固定端的支反力：

(3)

固定端彎矩：

(4)

X截面的彎矩：

(5)

由撓曲線(xiàn)的近似微分方程在此線(xiàn)性載荷作用下引起的撓度為：

(6)

在固定端，轉(zhuǎn)角和撓度均為零，即x=0時(shí)，y(0)=0，y′(0)=0，因此可確定積分常數(shù)：

(7)

(8)

整理得：

y(x)=-(p1-p2)(L-x)(5L4-(L-x)4)/

(9)

3　自補(bǔ)償變形活塞的仿真分析

活塞唇邊受力變形時(shí)，密封間隙的形狀發(fā)生改變，間隙內(nèi)的壓力分布也發(fā)生變化。壓力的變化又反作用于唇邊，從而對(duì)唇邊的變形產(chǎn)生影響。因而間隙泄漏量的變化是唇邊變形和間隙內(nèi)流場(chǎng)相互作用并達(dá)到平衡后的結(jié)果。因此可以通過(guò)采用階梯壓力下降技術(shù)，獲得合理的壓力分布，從而得到理想的變形，獲得合理的泄漏量。

對(duì)間隙密封液壓缸變形活塞進(jìn)行仿真分析，三維模型如圖4所示?；钊睆紻為50 mm，密封面長(zhǎng)度L1為40 mm,活塞唇邊長(zhǎng)度L為10 mm,唇邊厚度h2為2 mm。為得到合適的壓力分布，密封面開(kāi)有6個(gè)1.5 mm×0.8 mm的均壓槽，第一道均壓槽距唇邊端面3.5 mm，第二道均壓槽距唇邊端面15 mm，其余均壓槽均布，并且用一條相同寬深的軸向槽將均壓槽連通，間隙量設(shè)為15 μm，p1=20 MPa，p2=0 MPa。

圖4　仿真模型

對(duì)間隙內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，活塞外表面所受壓力如圖5所示。

將圖5所示壓力曲線(xiàn)施加到仿真模型上進(jìn)行ANSYS有限元分析。結(jié)果顯示，壓差為20 MPa時(shí)，活塞唇邊的總變形量最大約為8 μm，如圖6所示。沿活塞徑向方向的最大變形量約為7.1 μm，如圖7所示。

圖5　密封間隙內(nèi)的壓力分布

圖6　活塞唇邊總變形量

圖7　活塞唇邊徑向方向的變形量

由圖可知，唇邊的最大變形發(fā)生在中部附近，并且活塞除去唇邊之外的其他部分變形量與唇邊相比很小，可以忽略。這說(shuō)明變形活塞密封間隙的密封效果，主要由活塞唇邊的變形性能決定。

4　變間隙密封液壓缸試驗(yàn)研究

對(duì)壓力補(bǔ)償變間隙密封液壓缸的泄漏量進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)用液壓缸簡(jiǎn)圖如圖8所示，變形活塞結(jié)構(gòu)與圖4所示模型一致，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

1.進(jìn)油口　2.缸蓋　3.缸體　4.變形活塞　5.回油口圖8　變形活塞間隙密封液壓缸

圖9　泄漏量-壓差曲線(xiàn)

由于試驗(yàn)設(shè)備限制，試驗(yàn)結(jié)果并不能精確驗(yàn)證活塞變形量的大小，但可以根據(jù)間隙泄漏量隨壓力升高的變化，推斷活塞的變形趨勢(shì)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著試驗(yàn)壓力的升高，間隙泄漏量逐漸減小，表明活塞唇邊隨壓力的升高，變形量增加。該種結(jié)構(gòu)的變形活塞，能夠有效減小間隙密封液壓缸的泄漏量。

分析認(rèn)為，間隙兩端壓差小于2 MPa時(shí)，活塞唇邊變形量極其微小，泄漏量隨間隙兩端壓差的增大而增加；壓差大于2 MPa后，活塞唇邊產(chǎn)生明顯變形，密封間隙厚度減小，由間隙減小導(dǎo)致的泄漏量減少大于間隙兩端壓差增大導(dǎo)致的泄漏增加量；當(dāng)壓力達(dá)到11 MPa以后，間隙減小導(dǎo)致的泄漏量減少與間隙兩端壓差增大導(dǎo)致的泄漏增加量基本持平，間隙泄漏量基本恒定。

5　結(jié)論

壓力補(bǔ)償變間隙密封液壓缸，其內(nèi)泄漏量隨間隙兩端壓差的增大而減小，并最終趨于恒定。通過(guò)采用階梯壓力下降技術(shù)得到合理的活塞變形量，將泄漏量控制在合理的范圍內(nèi)。壓力補(bǔ)償變間隙密封技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他需要微小變形的液壓元件中，以提高液壓元件的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]H. 歐特爾，等[德]. 普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].朱自強(qiáng)，錢(qián)翼稷，李宗瑞譯．北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]聶毓琴，孟廣偉．材料力學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]Vivek Kumar，Mani Mehra. Wavelet Optimized Finiter Difference Method Using Interpolating Wavelets for Self-adjoint Singularly Perturbed Problems[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics,2009,230(2):803-812.

[4]楊桂通．彈性力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2010．

[5]楊文軍,陳新元,鄧江洪.間隙密封液壓缸的活塞卡緊力分析[J].液壓與氣動(dòng),2012,(9):107-109.

[6]魯臘福,陳昶龍,曾良才,等.間隙密封液壓缸活塞桿靜壓支承特性仿真分析[J].液壓與氣動(dòng),2012,(12):126-129.