液压缸活塞的平衡槽密封性能分析

液压缸活塞的平衡槽密封性能分析

在资源配置方面存在的问题液压塘是将液压机械能转变为机械能，并以直线的形式直接移动（或悬挂运动）的液执行元件。由于液压缸可以输出较大的推力或大扭矩,故广泛应用于飞机、船舶、冶金机械、工程机械和矿山机械等方面。液压缸装配时端盖装偏,活塞与缸筒定心不良,液压缸所承受的负载没有通过缸轴线,使活塞产生了偏心现象,导致活塞产生偏载,活塞与缸筒内壁间的环形缝隙中的液体压力(径向力)在周向不是均匀分布的,在径向力作用下,活塞运动摩擦阻力增大,甚至与缸筒内壁直接接触,导致液压缸动作迟缓甚至不能动作,液压缸一旦卡死会对整个液压系统造成影响,并对生产造成不可估量的损失。本文对不同平衡槽活塞进行了受力分析,为减小活塞的液压卡紧力提供了依据。1断裂器外圆上的密封件的选择和工作压力油间隙密封是一种常用的密封方法,它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏,由环形缝隙轴向流动理论可知,泄漏量与间隙的三次方成正比,因此可用减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.01～0.05mm,这就要求配合面有很高的加工精度。在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3～0.5mm、深0.5～1mm、间距2～5mm的环形沟槽,称为平衡槽,其作用如下:使活塞具有自定位性能,由于活塞的几何形状和同轴度误差,工作压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力,称为液压卡紧力,它使摩擦力增大,开平衡槽后,使得径向油压力趋于平衡,使活塞能够自动对中,减小了摩擦力;由于同心环缝的泄漏要比偏心环缝小的多,活塞的对中减少了油液的泄漏量,提高了密封性能;并且油液储存在平衡槽内,使活塞能自动润滑。间隙密封的特点是结构简单、摩擦力小、耐用,但对零件的加工精度要求较高,且难以完全消除泄漏。2液压缸的布置普通液压缸活塞与缸筒内壁间的环形间隙密封可以分为不带平衡槽的纯间隙密封和带平衡槽的间隙密封,其中带平衡槽的间隙密封中的平衡槽的形状可以分为矩形槽、三角槽、梯形槽等三种形式。本文研究的液压缸的活塞直径为100mm,活塞轴向长度为60mm,缸筒与活塞之间的间隙高度取20μm,偏心时设定活塞向下偏心8μm,均压槽的数量为6条且均匀分布在活塞上。在模型建立过程中,选定X方向为液压缸轴向,YZ平面为轴截面。其结构图如图1、图2、图3所示,矩形槽的宽度为0.8mm,深度为1mm;梯形槽的宽度为0.8mm,截面为等腰梯形,两腰夹角为60°;三角形槽是边长为0.8mm的等边三角形。平衡槽之间的间距为7mm。模型的三维立体图如图4所示。3偏心时栓塞所受的压力变化情况活塞与缸筒之间的摩擦就属于滑动流体摩擦。液体不会对与它相对静止的物体施加摩擦力,但对在其中运动的物体施加阻力。当活塞运动时,活塞与缸筒间环形间隙内的液压油在运动件之间产生油膜润滑,从而可以极大地减小摩擦阻力。在流体动力润滑中,摩擦都是由于润滑油膜受到剪切而引起的,而流体的剪切应力大小与液压油的动力黏度、活塞的运动速度以及环形间隙的高度有关,因此除流体本身的密度和粘滞性外,摩擦力的大小还与活塞运动的速度、形状等因素有关。由流体力学公式可知,环形间隙中的流体剪切应力为:τ=−Δpδ2L+μUδτ=-Δpδ2L+μUδ式中:Δp为环形间隙两端的压差;δ为环形间隙的高度;L为活塞的长度;μ为液压油的动力黏度;U为活塞的运动速度。式中前面的“-”表示由压差Δp引起的流体剪应力总是与液压油的流向相反,后面的“+”活塞运动速度与液压油的流向相同。当活塞由于各种原因出现偏心时,会使液压油在缸筒与活塞密封间隙中形成不对称分布,进而产生径向不平衡力(液压卡紧力),它会使活塞受到的摩擦力增大。为了减小摩擦力和液压卡紧力,在活塞上开平衡槽,这样可以使径向油压力趋于平衡,使活塞能够自动对中,从而减小摩擦力。现在我们来分析和比较几种情况下活塞所受的径向力和摩擦力。由图5可知活塞对称面上的压力沿轴向方向逐渐减小,且压力曲线被6条矩形槽分成了7段封闭区域,且在矩形槽处压力曲线呈水平直线,说明平衡槽内的压力处处相等。这是因为平衡槽的高度远远大于活塞与缸筒之间的间隙,它能使平衡槽处间隙中的液压油相互连通,可以使油液自动从压力高的地方流向压力低的地方,从而使平衡槽内的压强均匀分布。图中7段封闭区域就是活塞上下对称面径向不平衡力的体现,区域面积的大小反映了活塞所受的液压卡紧力的大小,通过Report-Forces命令可以查得偏心时活塞上开矩形槽的液压卡紧力F=7.28N,方向为Z轴正方向。从图6可知活塞面上的剪切应力沿轴向分布比较均匀,而沿活塞面圆周方向上分布不均匀,在矩形槽内的剪切应力很小。且剪切应力的大小与间隙高度成正比,在活塞最下面(Z轴负方向)剪切应力最大约为1890Pa,而在活塞最上面(Z轴正方向)剪切应力最小约为708Pa,因此活塞上面的摩擦力比较小,而下面的摩擦力则较大,通过Report-Forces命令查得偏心时活塞上开矩形槽的轴向摩擦力Ff=14.17N。由图7可知活塞对称面上的压力下降曲线被6条梯形槽分成了7段,且在梯形槽处压力值保持不变。图中两条压力曲线所围成的7段封闭区域就是活塞上下对称面径向不平衡力的体现,区域面积的大小反映了活塞所受的液压卡紧力的大小,通过Report-Forces命令可以查得偏心时活塞上开矩形槽的液压卡紧力F=8.92N,方向为Z轴正方向。从图8可以看出剪切应力在活塞圆周方向上分布不均匀,在梯形槽内的剪切应力很小几乎为零。且偏心后间隙高度小的地方剪切应力要大以点,最大值约为1890Pa,而间隙较大的地方剪切应力要小一点,最小值约为707Pa,因此活塞下面所受的摩擦力比上面的要大。通过Report-Forces命令可以查得偏心时活塞上开梯形槽的摩擦力Ff=11.52N。由图9可知活塞对称面上的压力曲线被6条三角形槽分成了7段封闭区域,且在三角形槽处压力曲线呈水平直线即压力值保持不变。图中7段封闭区域所围成面积的大小反映了活塞所受的液压卡紧力的大小,通过Report-Forces命令可知偏心时活塞上开三角形槽的液压卡紧力F=11.67N,方向为Z轴正方向。从图10可以看出剪切应力在活塞圆周方向上分布不均匀,在三角形槽内的剪切应力很小几乎为零,偏心后剪切应力的大小与间隙高度成正比。从图中可以看出剪切应力最大值约为1890Pa,最小值约为825Pa,由于活塞向下偏心,故活塞下面的剪切应力较大,引起的摩擦力也要大一点,通过Report-Forces命令可以查得偏心时活塞上开梯形槽的摩擦力Ff=13.45N。4压力分布均衡(1)活塞偏心时在活塞上开平衡槽可以有效的减小摩擦力和液压卡紧力,使活塞能够自动对中;(2)活塞上开平衡槽后,平衡槽内的压力分布比较均匀。这是因为平衡槽的深度远远大于的环形间隙高度,它能使平