間隙密封液壓缸摩擦力分析

蔣俊，曾良才，湛從昌，付曙光

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

0 前言

液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其工作性能好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作效率。尤其是伺服液壓缸要求低摩擦力、無爬行、頻率響應高、壽命長、可靠性高，以滿足液壓伺服系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求［1］。所以，活塞與缸體之間的密封形式和材料選用，以及導向套設計與密封材料的選用都十分重要。

應用較為成功的是采用方形或矩形截面的非金屬材料環(huán)與O形橡膠圈組成一體的橡塑復合密封圈，它具有良好的耐磨性、耐油性和耐熱性，而且摩擦因數?。?］。但其裝配工藝復雜、密封圈兩側各裝有一個支承環(huán)，增加了摩擦力，影響液壓缸動態(tài)特性［3］。目前在一些液壓伺服系統(tǒng)中，要求低摩擦力，快速響應的液壓缸及液壓元件均希望取消密封圈而采用間隙密封形式［4］。間隙密封在間隙中有一層薄的油膜，對運動副起到潤滑作用，有利地降低摩擦力，提高動態(tài)性能［5-6］。

1 模型建立

在液壓缸中缸體與活塞之間是軸向往復運動，活塞和缸在結構上都是軸對稱的，且兩者之間采用間隙密封。工作時，間隙內充滿的液壓油形成一環(huán)形流場，將活塞與缸筒隔開，使兩接觸面在運動過程中不發(fā)生直接接觸，從而減小摩擦。

為了解間環(huán)形間隙的流體特性，建模時只選取間隙中的環(huán)狀流體進行研究。環(huán)形間隙結構圖 (圖1)及參數:環(huán)形間隙內徑d＝62.5 mm;環(huán)形間隙h分別取8、10、15、18、20、25、28、30、35μm;環(huán)形間隙外徑D＝d＋h;平衡槽的槽寬W＝0.8 mm;平衡槽的槽深h1＝1 mm;兩平衡槽間的間距為8 mm。

圖1 環(huán)形間隙結構圖

圖2 環(huán)形間隙剖面圖

2 流體在間隙中的流動特性理論分析

液壓缸缸筒與活塞間的環(huán)形間隙中流體的速度與壓力差、間隙、活塞運動速度等因素有關?？p隙中產生的流動有兩種:一種是由于縫隙兩端的壓力差造成的流動，稱為壓差流動;另一種是由于構成縫隙的兩壁面間的相對運動而產生的流動。由于間隙大小相比于其他尺寸可忽略，故將環(huán)形間隙簡化為如圖3所示的平行平面，對流體流動狀況進行研究。

圖3 平行平板縫隙中流體受力分析

下平板以速度u0朝x方向的正向運動，設間隙進口處壓力為p1，出口處壓力為p2，所以沿縫隙L的長度內壓力由p1降至p2，根據微元體x方向的受力平衡方程可得間隙中的流體速度為

潤滑膜作用在固體表面的摩擦力可以將表面接觸的流體層中的剪應力沿整個潤滑范圍內積分而求得，即

在文中z＝0代表活塞表面，z＝h代表缸筒表面。

3 摩擦力仿真分析

仿真時，設流場入口條件為壓力入口，出口條件為壓力出口，壓差為18 MPa，間隙中的流體流動模型為層流狀態(tài)。

3.1 速度對摩擦力的影響

3.1.1 剪切力分布

在文中，以10μm間隙為例，對兩壁面處的速度和剪切力進行分析，圖4—8圖為缸筒壁面與活塞表面處的速度與剪切力分布圖。

圖4 活塞靜止時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖5 活塞速度為0.05 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖6 活塞速度為0.13 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖7 活塞速度為0.52 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

圖8 活塞速度為1 m/s時壁面處的速度圖與剪切力圖

由圖4(a)可以得出:活塞靜止時，缸筒內壁上的黏性力和活塞表面上的黏性力幾乎相等，靠近活塞壁面的速度大于液壓缸缸筒內壁處的流體速度。設密封間隙入口處為位置1，均壓槽為位置2，參照不可壓縮黏性流體的伯努利方程:

從位置1到位置2的過程中，壓力下降，由于活塞壁面處的流體在流動過程中的能量損失很小 (由于黏性力存在，流體內部產生摩擦力，流體運動時因為克服摩擦阻力而消耗掉部分機械能，所以沿流線方向微元流體的總機械能逐漸減小)，故將微元流體的壓力能轉換為動能，即v2＞v1，也就是速度圖中所表現出來的那一條遞增的斜線。但是隨著活塞速度的遞增，這條斜線的斜率發(fā)生變化。

由圖4(b)可以看出，活塞靜止時，缸筒內壁和活塞表面上的剪切力基本相等，這是因為活塞靜止時，兩個壁面處的速度基本上相等，且最小。但是由于活塞表面上開有均壓槽，在均壓槽處流體流態(tài)為渦流，且速度在均壓槽兩側壁面上的速度越向下越小，所以在均壓槽的兩個側壁面上的剪切力急劇減小。

如圖5—8所示:缸筒壁面上的流體速度隨著活塞速度的增大而增大。剪切力是活塞處流體速度的正比例函數，隨著流體速度的增加而增加。而活塞壁面上的速度與剪切力變化量先減小后增大。

(1)活塞速度小于0.13 m/s時，活塞壁面沿程液流速度的變化率逐漸遞減;當活塞速度大于0.13 m/s時，活塞壁面沿程液流速度的變化率逐漸遞增。這是因為從位置1到位置2的過程中，當活塞速度小于0.13 m/s時，p1-p2不變，隨著活塞速度的增加，hw1-2hw1-2＞0，所以圖中的上升直線斜率越來越小;當活能全部損耗掉，故沿程液流速度基本不變;當活塞速逐漸減小，即圖中的下降直線斜率越來越大。

(2)活塞速度小于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸減小;活塞速度大于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸增大。這是因為當活塞速度小于0.52 m/s時，壓差作用下的剪切力大于活塞運動時引起的剪切力，但是由于活塞速度的增大，兩者之差越來越小，所以剪切力變化越來越小;活塞速度大于0.52 m/s時，活塞運動時引起的剪切力大于壓差作用下的剪切力，所以隨著活塞速度的增大，活塞速度引起的剪切力亦隨之增大，即總的剪切力呈遞增趨勢。

3.1.2 活塞速度與壁面黏性力

圖9是通過report查到間隙為10μm時，活塞以不同速度運行時，活塞速度與兩壁面的黏性力關系圖表。＞0，且隨著活塞速度的增加，hw1-2增加越來越快，

圖9 密封間隙10μm時活塞速度與黏性力的關系圖

可以看出:隨著活塞速度的增大，缸筒內壁處的黏性力是一條遞增曲線;活塞壁面的黏性力是一條遞減曲線。這是因為隨著活塞速度的增加，活塞液流速度也越來越大，即壁面對其的黏性力越來越小;而缸筒內壁上的速度還是很小，幾乎無變化，也就是說缸筒內壁對液流的阻力很大，而這個阻力來自于缸筒內壁對液流的黏附作用，所以隨著活塞速度的增大，缸筒內壁處的黏性力越來越大。

3.2 間隙大小對摩擦力的影響

圖10、11為間隙大小與活塞 (缸筒)壁面的黏性力關系圖?？梢钥吹皆诨钊俣葹榱銜r，活塞與缸筒的黏性力幾乎相等，基本上成正比例關系，缸筒壁面處的黏性力稍大于活塞壁面處的黏性力;活塞以0.5 m/s運行時，黏性力與間隙大小基本上也是呈一次函數關系，但是此時缸筒壁面處的黏性力大于活塞壁面處的黏性力。

圖10 活塞靜止時密封間隙與黏性力的關系圖

圖11 活塞速度為0.5 m/s時密封間隙與黏性力的關系圖

活塞速度為零時，液流僅受壓力作用，前面得知:活塞壁面上的速度稍大于缸筒內壁處的的液流速度，而流速越小即壁面對液流的黏附作用越強，所以此時，缸筒壁面處的黏性力稍大于活塞壁面處的黏性力;活塞以0.5 m/s運行時，液流受壓差與剪切雙重作用力，活塞壁面上液流速度遠大于缸筒壁面上的液流速度，所以此時，缸筒壁面處的黏性力遠大于活塞壁面處的黏性力?；钊?.5 m/s運行時缸筒壁面處的黏性力大于活塞靜止時缸筒壁面上的黏性力;而活塞壁面上的黏性力則小于活塞靜止時活塞壁面上的黏性力。

4 結論

(1)活塞速度小于0.13 m/s時，活塞壁面處液流速度的變化率逐漸遞減;當活塞速度大于0.13 m/s時，活塞壁面處液流速度的變化率逐漸遞增。活塞速度小于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸減小;活塞速度大于0.52 m/s時，剪切力變化量隨著活塞速度的增大逐漸增大。

(2)隨著活塞速度的增大，缸筒內壁處的黏性力是一條遞增曲線;活塞壁面的黏性力是一條遞減曲線?；钊o止時，間隙大小與黏性力成正比例關系;活塞運動時，活塞表面的黏性力小于活塞靜止時的黏性力，而缸筒壁面上的黏性力大于靜止時的黏性力。

該結構屬間隙型密封，大大地降低由于活塞與缸筒相對運動時產生的摩擦力，從而提高液壓缸的動態(tài)特性。

［1］黃志堅.現代密封技術應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

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