超高压液压缸活塞间隙密封的数值模拟

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.