液压缸活塞变间隙密封结构形状研究

, ㊀㊀㊀ W a n u o b i a o S o n i a n l i ． D e v e l o m e n tH i s t o r gG gJ p y a n dP r e s e n tS i t u a t i o nA n a l s i so ft h eS t a t eK e y y ] L a b o r a t o r i e s i nM e c h a n i c a lE n i n e e r i n J ． C h i n a g g[
u １ ＝ ρ
活塞组件 ㊀６． 密封件 ㊀７． 压盖 ㊀８． 缸底 ５． 缸头 ㊀２． 导向套 ㊀３． 缸体 ㊀４． 活塞杆 １．
q q a２ b( １ a － b) [ １＋μ) －( ＋ ２ ２ E b －a
２ q a２ －q b a b ] b( １－μ) ２ ２ b －a
图 １㊀ 变间隙密封液压缸结构简图
量 也 随 之 升 高, 逐 渐 难 以 满 足 应 用 工 况 的 需 求.
间隙的变化主要体现在活塞唇边变形上 . 本文应 用弹性力学中悬臂梁结构的应力函数解对唇边变 形进行理论 分 析 , 推 导 出 了 唇 边 变 形 公 式.利 用 有限元软件仿真模拟不同的唇边结构在不同压力
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作者简介 : 王国彪 , 男, １ ９ ６ ４ 年 生. 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 工 程与材料科学部副 主 任 ㊁ 教 授㊁ 博 士 研 究 生 导 师. 研 究 方 向 为 现 女, １ ９ ６ ９ 年生 . 国家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 工 程 与 材 料 科 学 部 工 程科学二处项目主任 , 北 京 信 息 科 技 大 学 光 电 工 程 学 院 教 授㊁ 博 士研究生导师 . 代设计理论与方 法 ㊁ 车 辆 工 程 等. 发 表 论 文 １ ０ ０ 余 篇 . 宋建丽 ,
０㊀ 引言
件 . 因其要实现 运 动 元 件 平 稳 地 往 复 运 动 , 所以 液压缸需严格控制油液泄漏问题 . 第一代液压wk.baidu.com 活塞与缸筒内壁 采 用 机 械 密 封 , 在一定程度上适 应了生产的需求 , 但是随着密封件的磨损 , 泄漏会 越来越大 ; 第二代液压缸采用间隙密封 , 但是由于 其密封间隙恒定不变 , 所以负载压力会升高 , 泄漏 对比第一代㊁ 第二代液压缸, 综合金属弹塑性理
液压缸活塞变间隙密封结构形状研究
高 ㊀ 雨 ㊀ 傅连东 ㊀ 湛从昌等
液压缸活塞变间隙密封结构形状研究
高 ㊀ 雨 ㊀ 傅连东 ㊀ 湛从昌 ㊀ 朱 ㊀ 兵
性力学中悬臂梁结构的应力函数解对唇边变形进行理论分析 , 推导出 了 唇 边 变 形 公 式 . 利 用 有 限 元 软 件仿真模拟不同的唇边结构在不同压力工况下的变形情况 , 找到了变间隙 密 封 活 塞 唇 边 变 形 特 点 和 影 响因素 . 比较了实验测试变间隙密封液压缸内泄漏量与理论变形曲线 计 算 的 泄 漏 量 , 结果显示两者误 差在允许范围内 , 证实了仿真的正确性 . 中图分类号 : TH １ ３ ７ 关键字 : 液压缸 ; 变间隙密封 ; 活塞唇边变形 ; 流体环形间隙流动 摘要 : 变间隙密封液压缸的核心部位是活塞唇边 , 间隙的变化主要体现在活塞唇边变形上 . 应用弹
２ ９ ０ ９．
,２ :２ M e c h a n i c a lE n i n e e r i n ０ １ ５,２ ６( ２ １) ９ ０ １ ������ g g ( 编辑 ㊀ 卢湘帆 )
������ ３ ３ ４ ５ ������
中国机械工程第 ２ ７ 卷第 ２ ４期２ ０ １ ６年１ ２ 月下半月
式中 , E 为材料弹性 a㊁ b 分别为 内 外 表 面 的 均 布 载 荷 ; q q 模量 ; μ 为材料泊松比 .
( ) １
２㊀ 活塞唇边变形量分析
２． １㊀ 活塞唇边结构受力分析 形和恢复性能
[ ３]
( )考 虑 轴 向 均 布 载 荷 的 影 响 . 对 于 梁 结 ２ 构, 在轴向载荷单 独 作 用 弹 性 力 学 半 平 面 体 受 法
图 ３㊀ 简化后活塞唇边的受力模型 图 ２㊀ 活塞结构简图
. 变间隙密封的核心思想是利用活塞唇边的
图１所 示 为 变 间 隙 密 封 液 压 缸 主 要 组 成 部
( )忽略轴向均布载荷 的 影 响 . 根 据 弹 性 力 １ ] ５ ７ ������ 学中轴对称应力问题 的 位 移 分 量 解 [ 得到唇边 上表面变形曲线公式为
武汉科技大学 , 武汉 , ４ ３ ０ ０ ８ １
: / D O I １ ０． ３ ９ ６ ９ i ． s s n ． １ ０ ０ ４ ������ １ ３ ２ X． ２ ０ １ ６． ２ ４． ０ １ ４ j
R e s e a r c ho nP i s t o nV a r i a b l eC l e a r a n c eS e a l i n t r u c t u r eS h a e i nH d r a u l i cC l i n d e r s gS p y y G a oY u ㊀F uL i a n d o n ㊀Z h a nC o n c h a n ㊀Z h uB i n g g g g , , Wu h a nU n i v e r s i t fS c i e n c ea n dT e c h n o l o Wu h a n ４ ３ ０ ０ ８ １ yo g y : A b s t r a c t T h ep i s t o nl i a st h ek e o i n to ft h ev a r i a b l ec l e a r a n c es e a l i n d r a u l i cc l i n d e r ． pw yp gh y y , T h e r e f o r e t h ec h a n e so f c l e a r a n c em a i n l e f l e c t e do nt h ed e f o r m a t i o n so f t h ep i s t o n l i ． T h es t r e s s g yr p f u n c t i o no fc a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r e i ne l a s t i cm e c h a n i c sw a sa l i e di nt h i ss i t u a t i o nt oa n a l z et h e p p y , d e f o r m a t i o n so f t h el i a n dt h ed e f o r m a t i o nf o r m u l aw a sd e d u c e d ． M e a n w h i l eAN S Y Sw a su s e dt o p s i m u l a t ed e f o r m a t i o n so fd i f f e r e n t l i t r u c t u r e s i nv a r i o u sw o r k i n r e s s u r e s ． T h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d ps gp t h e i n f l u e n c i n a c t o r so fv a r i a b l ec l e a r a n c es e a l i n i s t o nl i e f o r m a t i o n sw e r ef o u n di nt h es i m u l a Ｇ gf gp pd t i o n s ． C o m a r e dt h e i n n e r l e a k a e so fv a r i a b l ec l e a r a n c es e a l i n l i n d e r f r o mt e s t sw i t ht h e l e a k a e s p g gc y g , f r o mc a l c u l a t i o n so f t h e o r e t i cd e f o r m a t i o nc u r v e s r e s u l t ss h o wt h ee r r o r i sw i t h i nt h ea l l o w a b l er a n Ｇ , e sa n dt h es i m u l a t i o n sa r ev a l i d a t e dt ob ec o r r e c t ． g : ; ; ; K e o r d s c l i n d e r v a r i a b l ec l e a r a n c es e a l i s t o nl i e f o r m a t i o n a n n u l a rc l e a r a n c eo ff l u i d y p pd yw f l o w
收稿日期 : ２ ０ １ ６ ０ ２ ２ ３ ) 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ５ １ ４ ７ ５ ３ ３ ８
在液压系统中 , 液压缸是应用最多的执行元
] １ 论㊁ 流体力学等知识 , 湛从昌等 [ 完善了自补偿变
间隙密封液压缸 理 论 , 研发了第三代压力自补偿 变间隙密封液压 缸 , 利用液压缸活塞唇边结构在 压力变化时能够自动适应压力变化产生变形的特 第三代液压缸的研制使得液压缸的寿命和频率响 应大大提高 , 应用空间进一步得到拓展 . 点, 减 小 密 封 间 隙, 从 而 达 到 减 小 泄 漏 量 的 目 的. 变间隙密封 液 压 缸 的 核 心 部 位 是 活 塞 唇 边 ,
工况下的变形情 况 , 比较了实验测试变间隙密封 结果显示两者误差在允许范围内 .
液压缸内泄漏量 与 理 论 变 形 曲 线 计 算 的 泄 漏 量 ,
梁自由端受均布载荷q, 这是因为活塞唇边端面仍 具有一定面积 , 可承受轴向压力的均布载荷 .
１㊀ 变间隙密封液压缸的结构和工作原理
分
[ ２]
弹性变形来达到减小密封间隙的目的 . 其具体工 作原理是 : 当液压缸高压腔通入高压油液时 , 活塞 唇边与缸体内壁 形 成 节 流 间 隙 , 由于压差流动及 活塞与缸筒内壁 剪 切 流 动 作 用 , 高压油由此间隙 从高压腔向低压 腔 流 动 , 唇边上表面压力呈递减 状分布 , 下表面受高压 , 唇边上下表面的压力差使 得唇边向缸筒内壁扩展 , 最后在弹性力 ㊁ 压力相互 作用下达到平衡状态 , 此时密封间隙减小 ㊁ 泄漏量 减少 , 由于间隙未完全消除 , 从而使得活塞与缸筒 内壁间的摩擦副 能 得 到 油 液 润 滑 , 液压缸的摩擦 性能和频响特性得以改善和提高 .
７] 向载荷作用时 , 径向变形 [ 为
２ ２ q( b －a ) u c o s θ l n ２ ＝ － ρ ρ－ ２ E
活塞由 锡 青 铜 合 金 制 成 , 具有良好的弹性变 , 图 ２ 为活塞的结构简图 , 右端局
部放大图显示了活 塞 端 部 加 工 有 一 道 深 槽 , 形成 范围为 １ ~ ２mm)的 唇 边 . 在 液 压 缸 中 , b －a( 活塞端面和唇边下表 面 受 大 小 为 q 的 压 力 , 在初 / 始状态下 , 活塞唇边上表面受大小为q( １－x m) 的压力载荷 , m 为整个 活 塞 的 长 度 . 在 不 考 虑 唇 边上均压槽的影响 时 , 唇边可以简化成一段长度 ,厚 度 为 一 段 长 度 为 l( 范围为７~２ ０ mm)