冶金行业间隙密封液压缸泄漏量研究

张槐祥 (首钢水城钢铁集团公司，贵州 六盘水 553028)

冶金行业间隙密封液压缸泄漏量研究

张槐祥 (首钢水城钢铁集团公司，贵州 六盘水 553028)

简要推导了开有均压槽的密封间隙泄漏量计算公式，并通过仿真分析了均压槽数量、分布、深宽比等对间隙泄漏量的影响，为设计、优化开有均压槽的间隙密封提供帮助。

均压槽；泄漏量；活塞；仿真

液压技术越来越广泛的应用于冶金行业，液压缸作为液压系统的关键执行元件，其品质和性能(尤其是泄漏量)对系统的整体性能有着重要的影响，进而影响主机的工作性能。随着加工工艺水平的提高，国外大型液压缸生产企业开始加大对非接触式密封液压缸的研究与应用[1]。在液压缸活塞上一般开有3～7条均压槽以保证活塞与缸筒的同心，减小液压缸的摩擦力。均压槽对密封间隙内流场具有重要影响，一方面均压槽减小了密封长度，使泄漏增大，另一方面油液在均压槽内进行能量交换，使泄漏量减小。

1 间隙密封液压缸结构分析

注：1-活塞杆；2-保护盖；3-防尘圈；4-耐磨环；5-缸头；6-支承环；7-泄漏口；8-油口；9-活塞；10-缸体；11-缸底；12-压盖；13-活塞杆密封间隙；14-泄油槽；15-支承环均压槽；16-活塞密封间隙；17-活塞均压槽。

间隙密封伺服液压缸的结构如图1所示。该液压缸的活塞杆与支承环，以及活塞与缸筒的配合处没有使用密封圈，而是通过配合面之间的微小间隙形来实现密封；在活塞及支承环上开有均压槽，以平衡活塞和活塞杆受到的径向不平衡力，保证活塞和活塞杆始终处于与缸筒同心的位置；在活塞杆与缸头的配合处开有泄油槽，将活塞杆密封间隙的泄漏油导入油箱，防止产生外泄漏。

活塞上开设均压槽后，密封间隙被分为2个部分：节流间隙(活塞外壁面与缸筒内壁面之间的间隙)与均压槽，如图2所示。油液在间隙内的流动也被分解为2个过程(见图3)：节流过程，即液压油在节流间隙中的流动，此时液压油的压力能转化为动能；动能耗散过程，即液压油在均压槽内的流动，此时液压油的动能一部分转化为热能耗散，一部分流入下一个节流间隙[2]。

2 间隙泄漏量计算

图2 节流间隙与均压槽

图3 液压油在密封间隙内的流动

工程中常用的方法是将均压槽密封件系当作粗糙间隙来计算，并依照计算流过粗糙管的流量计算方法来计算泄漏量。根据重量连续方程，稳态下通过每一个间隙截面的同一时刻的重量相等，即：

(1)

式中，G为泄漏重量流量，kg/s；F为泄漏横截面面积,m2；u、u1、u2为不同间隙面的流速，m/s；vb、vb1、vb2为不同间隙面的比容(单位质量的物质所占有的容积称为比容，其数值是密度的倒数，m3/kg)。

对于圆环形间隙，F为常数，则：

(2)

其作功方程为：

(3)

式中，p为间隙中的压力，kg/m2；h为间隙宽度，m；λ为阻力系数；x为沿间隙方向的截距，m。

根据连续方程G/F=u/vb=常数C1有：

(4)

因而:

(5)

(6)

此方程即为密封间隙内任一点的流动状况变化方程。假定λ和n是不变，当极限值为x=0和x=l时：

(7)

其中，p1和p2分别为x=0和x=l处的压强。

(8)

(9)

3 均压槽对泄漏量影响的仿真分析

3.1仿真模型及边界条件设置

图4 矩形均压槽的几何 图5 边界设置结构示意图

笔者对开有均压槽的密封间隙内部流场进行数值模拟，均压槽的结构如图4所示。均压槽形状为矩形、等腰三角形、等腰梯形，h为间隙量；h1为均压槽深度；b为均压槽开口宽度(等腰梯形槽大边)；b1为槽间节流间隙长度；b2为梯形槽底部宽度(等腰梯形槽小边)；n为均压槽数量；l为间隙长度；di为活塞直径；α为三角形槽或梯形槽腰与竖直方向的夹角。

边界设置如图5所示，由于在建模和划分网格时将均压槽封闭，因而形成了一个内壁面和均压槽公用的面，设置边界条件时，将此面定义为内部面。

3.2仿真结果

图6 均压槽数量对泄漏量的影响

图6所示为均压槽数为0、3、5、7时的间隙泄漏量，由图6可知，活塞速度为0时，间隙泄漏量随均压槽数量增加而增大；活塞速度不为0时(0.2m/s和0.5m/s)，均压槽数越多，间隙泄漏量越大，但开3条槽时的泄漏量比不开槽时小，开5条槽时与不开槽时相差不多，开7条槽时大于不开槽时。

图7所示为均压槽在不同间距时的泄漏量，由图7可知，无论活塞是否运动，均压槽间距对泄漏量的影响极小，可以忽略不计。此外，对均压槽偏向间隙一侧时的仿真结果表明，均压槽的分布对间隙泄漏量的影响极小。

图8所示为不同深宽比时的间隙泄漏量，由图8可知，随着深宽比的减小，间隙泄漏量先减小后增大，在深宽比为5时出现最小泄漏量。也就是说，对于某一间隙，存在最佳深宽比使得泄漏量最小。但在深宽比同为5时，槽深2mm的间隙泄漏量小于槽深为0.5mm的泄漏量。

4 结 语

运用仿真手段，分别研究了均压槽数量、分布及深宽比对密封间隙泄漏量的影响。由仿真结果可知均压槽数量越多，泄漏量越大，但有可能小于不开槽时的状况；均压槽的分布几乎不影响活塞的泄漏量；对于某一间隙，存在最佳深宽比使泄漏量最小。但均压槽深度并非越大越好，过度增加均压槽深度无益于减小泄漏量和摩擦力。

图7 均压槽间距对泄漏量的影响 图8 均压槽深宽比对泄漏量的影响

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

[2]金秋颖，刘赵淼，叶红玲，等.迷宫密封机理在静压支撑系统中的应用[J].液压气动与密封，2010(2)：33-36.

[3]K.塔鲁达纳夫斯基. 非接触密封(间隙密封与迷宫密封的原理和应用)[M]. 北京:机械工业出版社，1986.

[编辑] 洪云飞

TH137.51

A

1673-1409(2013)25-0097-04

2013-06-26

张槐祥(1957-)，男， 高级工程师，现主要从事机械制造工艺方面的研究工作。