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超高压液压缸活塞间隙密封的数值模拟

2013-09-20田小静李慧董华军谭晓东

大连交通大学学报 2013年4期
关键词:液压缸活塞密封

田小静,李慧,董华军,谭晓东

(大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028)*

0 引言

超高压螺栓拉伸机要求液压缸承受超高压,运动速度低,精度要求高.因此对超高压液压缸的密封要求特别高[1],国产高压液压缸存在的问题是内泄大,不能长时间保压及使用寿命低等[2].目前核电用液压缸主要依靠进口,费用极高且不利于螺栓拉伸机的国产化研究进程.因此,研究超高压液压缸的密封特性,对于加快螺栓拉伸机的国产化进程具有重要的意义.

超高压液压缸工作在低速状态,动静摩擦系数之差是低速液压缸产生爬行现象的主要原因.密封分为静密封和动密封,动密封又分为往复动密封和旋转动密封.活塞和缸筒之间的密封是对密封装置要求较高的动密封,包括接触式密封和非接触式密封.目前,在液压缸的高端产品中,广泛采用间隙密封方式[3].采用环状间隙密封,活塞整个外圆均被压力油包围,支承面积大,油膜刚度较高,能保证活塞与缸筒有很高的同轴度,运动平稳性和精度均得到提高.同时,静压油膜有良好的吸振效果,运动均匀平稳,振动很小[4].而对于此类液压缸来说,间隙宽度的确定是首要问题.

计算流体力学(CFD)是目前国际上研究流体问题的一个强有力的手段,是解决上述问题的有效途径[5].应用CFD仿真技术,可以从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题,缩短产品设计周期,降低设计经费,为预测产品的整体性能提供可靠依据.

本文应用Gambit软件对某螺栓拉伸机超高压(200 MPa)液压缸建立了简化的模型,以Fluent软件建立了液压缸活塞的动网格模型,并用UDF技术编译活塞运动方式,赋予模型与实际相匹配的入口和出口压力边界条件,以模拟活塞与缸筒间缝隙内的压力场和速度场的变化规律.

1 液压缸模型建立

在利用FLUENT进行数值仿真计算之前,首先在Gambit中建立液压缸二维模型,如图1所示.液压缸尺寸:长200 cm,宽100 cm,进口、出口、活塞杆直径均为10 cm.活塞与液压缸内壁处的缝隙大小直接影响着泄漏量的大小,本文以0.3 mm和0.5 mm的间隙为例进行对比分析.

图1 液压缸模型

2 动网格模型的建立

FLUENT划分网格的途径有两种:一种是用FLUENT提供的专用网格软GAMBIT进行网格划分,另一种则是由其他的CAD软件完成造型工作,再导入GAMBIT中生成网格.

活塞和缸筒之间存在相对运动,因此属于多体做相对运动或变形运动的非定常问题,在每个时刻都要更新网格,需采用动网格技术解决此非定常问题[6].故采用 Fluent软件建立动网格模型,将液压缸内流场分为运动的活塞区域和不运动的流体区域,在网格划分中分别划分为动网格和静止网格区域,两者之间通过滑动网格进行连接.活塞为动壁(move-wall),属于刚体运动,其运动方式通过自定义函数UDF进行定义.Fluent软件可以根据每个迭代步中边界的变化情况,自动完成网格的更新.

导入的C语言代码如下:

JHJ include"udf.h"

JHJ include"unsteady.h"

JHJ include"stdio.h"

real current_time=0.0;

Domain*domain;

Thread*thread;

Real NV_VEC(origin),NV_VEC(force),NV_

VEC(moment);

DEFINE_CG_MOTION(throttle,dt,vel,omega,time,dtime){

current_time=CURRENT_TIME;

vel[0]=0.00003;

Message("time=%fomega=%f ",current_time);

}

3 仿真结果

仿真条件:入口压力为200 MPa,出口压力为0.8 MPa,活塞移动速度为0.000 3 m/s.

3.1 密封间隙对压力的影响

图2不同间隙下活塞运动过程中流场压力变化过程.其中图2(a)为液压缸内部活塞和内壁间隙为0.3 mm在各时刻流场压力情况;图2(b)为液压缸内部活塞和内壁间隙为0.5 mm时,各时刻流场压力情况.

由图可见间隙为0.3 mm在200 MPa下的压力分布在入口与出口处产生了漩涡.比间隙为0.5 mm下产生的漩涡更明显.验证了间隙密封的间隙值不是一直满足越小越好,要有一个合理的间隙值.

图2 不同间隙下流场压力变化过程

3.2 密封间隙对速度矢量的影响

图3为不同间隙下流场速度矢量对比图.间隙为0.5 mm下流速约在200 m/s,流速比间隙为0.3 mm下的600 m/s降低了很多,且速度稳定.

图3 不同间隙下流场速度矢量对比

4 结论

本文借助FLUENT软件,对螺栓拉伸机液压缸进行了建模及基于动网格及UDF技术的流场仿真.解决了液压缸活塞运动过程中网格的实时变化问题.得出了不同密封间隙的情况下,压力场及速度矢量变化对比.为确定合理的活塞与缸筒间的间隙值奠定了基础.

[1]金兆光,田华蕊.超高压油缸活塞密封设计与研究[J].鞍钢技术,1997,5:50-56.

[2]陈勇.高压液压缸受力变形研究[J].中国新技术新产品,2011,13:146-147.

[3]葛如海,杨工作,吴云腾,等.基于三维动网格技术的气缸动态响应特性研究[J].机床与液压,2011,39(17):57-59.

[4]葛如海,王桃英,许栋,等.基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究[J].机床与液压,2010,38(21):12-15.

[5]王军利,白俊强,詹浩.非结构动网格在可动边界问题中的应用研究[J].力学季刊,2006,27(2):227-232.

[6]张来平,邓小刚,张涵信.动网格生成技术及非定常计算方法进展综述[J].力学进展,2010,40(4):424-447.

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