基于CFD的变间隙密封泄漏量仿真研究

摘 要：为分析伺服液压缸泄漏量，建立FLuent仿真软件的建立模型，以获取伺服液压缸的性能，从而量化伺服液压缸的参数，以确保伺服液压缸的工作的可靠性。为此分析下列模型对系统的影响恒间隙七道均压槽、恒间隙三道均压槽、恒间隙无均压槽、变间隙三道均压槽，变间隙七道均压槽，五种密封方式下在唇边长度为18mm下，其检测液压缸中泄漏量随压力的变化。其结果表明均压槽的数量越多，泄漏量增大，均压槽的数量越少，泄漏量也相对减少，偏心对泄漏量的影响也很大，在对活塞进行设计时应充分考虑均压槽的数量。活塞唇边有槽结构与其它结构相比密封效果较好。

关键词：液压缸;FLuent仿真软件;泄漏量;参数模型

1 前言

伺服液压缸要求动态響应快，摩擦力小，因此活塞与缸筒间采用了间隙密封技术，但是无密封圈密封技术，易导致容积效率下降，学者提出采用变间隙密封技术，即利用金属材料随两侧压力升高产生微小变形抵消因节流口两侧压差升高导致的泄漏量增大，本文对变间隙密封泄漏的特点、影响因素进行仿真分析。

2 基于fluent的变间隙密封流场流动的仿真分析

为了进行数据的对比分析，本文首先了建立恒间隙无均压槽密封模型进行仿真分析，并与环形间隙理论值进行对比，验证FLUENT流场仿真方法的准确性。然后，建立恒间隙七道均压槽密封、恒间隙三道均压槽密封、变间隙七道均压槽模型（活塞唇边有槽）和变间隙三道均压槽模型（活塞唇边无槽），进一步分析变间隙密封流场泄漏量、压差与结构的关系。

2.1流场几何模型建立

本文建立的液压缸活塞模型参数如下：液压缸变形活塞直径为125mm，活塞的轴向密封长度为63mm，理想化后，其一侧唇边长度为18mm，唇边的厚度为2.5mm，活塞与缸筒内壁的装配间隙为50μm。

文中研究活塞同心装配在2-20工作压力下（压力间隔为2MPa）的泄漏量，建立了恒间隙3个模型;由于在不同压力下的变间隙的模型会不同所以需要建立不同压力下的变间隙模型20个。

2.2 流场流动几何模型的网格划分

由于活塞模型密封间隙尺寸远小于活塞径向和轴向的尺寸，且密封间隙的高度尺寸与均压槽的尺寸也相差较大，按常规采用四面体或六面体划分网格，以间隙高度为网格划分单元，网格数量和节点数巨大，不利于计算分析，且活塞几何结构对称，为减少计算量，本文采用了六分之一模型进行分析。

若以流场的间隙高度划分，则流场间隙高度方向只划分了一层网格，无法反映流场内部流体流动状态，因此本文采用结构化的网格划分方式。考虑流场的三维模型在不同方向的尺寸各不相同在各面上的划分间隔也不相同，文中采用从线到面、由面及体的网格划分顺序。

节点的数量共设置200个，均匀分布，比例系数为1。活塞与缸筒内壁间的环形间隙是为研究重点，网格加密，密封间隙高度尺寸为50μm，在间隙高度方向上设置了5层网格，压力入口和压力出口的网格单元设置为0.01。活塞的直径为125mm，1/6弧长仍然较长，因此将弧长进行200等份的划分，相应的活塞的轴向长度为63mm，因此需要将轴向长度进行250等份划分，将每段长度设置为0.252mm。

平衡槽的轴向宽度尺寸为1.5mm，在带平衡槽的模型中，平衡槽轴向方向上节点的间距取0.3mm，将平衡槽进行5等分的同时设定平衡槽在径向长度为0.6mm尺寸上节点数量为20，节点间距设置为0.03mm。

面网格划分部分中，将选中的面的面网在体网格划分中选择六面体网格，选择需要生成网格的源面，最后，点击创建网格。

划分好模型网格以后，设置边界类型，将压力入口和压力出口分别定义为IN和OUT，其它的面设置为壁面WALL。最后导出生成的.mesh网格文件。

2.3 FLUENT仿真计算

（1）启动FLUENT软件，导入网格文件;

（2）网格检查，通过操作Grid中Cheak进行网格质量检查;

（3）确定长度的单位，选用mm作为计算单位，材料设置将油液的动力粘度为0.03915kg/ms，油液的密度为870kg/m3，设置边界属性，设定入口压力值与出口压力值。设置求解控制参数，中设置压力因子为0.2，设置松弛因子0.15，Computer From项中选择all.zones，其它项保持默认设置不变，用平均值的方法对所有边界区域进行初始化;

（4）设置残差监视器。设置残差为0.0001，设置迭代次数为300次。

分别对恒间隙无均压槽、恒间隙三道均压槽、恒间隙七道均压槽，变间隙七道均压槽和变间隙三道均压槽的间流场模型进行仿真分析，设置入口压力从2MPa到20MPa变化，压力梯度设置为2MPa。由于在变间隙模型中每个压力下的模型不同，因此需要导入不同的流场模型进行仿真计算。仿真的活塞唇边长度为18mm。

3 结论

（1）均压槽的数量越多，相当于减少了活塞的密封长度，使得泄漏量增大，均压槽的数量越少，泄漏量也相对减少。

（2）均压槽又有使活塞对心的效果，偏心对泄漏量的影响也很大，在对活塞进行设计时应充分考虑均压槽的数量。

（3）活塞唇边有槽结构与其它结构相比密封效果较好。

参考文献

[1]蒋俊，郭媛，曾良才，等.间隙密封液压缸泄漏量仿真分析[J].润滑与密封，2013（7）：75-79.

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