液壓缸活塞的平衡槽密封性能分析

在資源配置方面存在的問題液壓塘是將液壓機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并以直線的形式直接移動（或懸掛運動）的液執(zhí)行元件。由于液壓缸可以輸出較大的推力或大扭矩,故廣泛應(yīng)用于飛機、船舶、冶金機械、工程機械和礦山機械等方面。液壓缸裝配時端蓋裝偏,活塞與缸筒定心不良,液壓缸所承受的負載沒有通過缸軸線,使活塞產(chǎn)生了偏心現(xiàn)象,導(dǎo)致活塞產(chǎn)生偏載,活塞與缸筒內(nèi)壁間的環(huán)形縫隙中的液體壓力(徑向力)在周向不是均勻分布的,在徑向力作用下,活塞運動摩擦阻力增大,甚至與缸筒內(nèi)壁直接接觸,導(dǎo)致液壓缸動作遲緩甚至不能動作,液壓缸一旦卡死會對整個液壓系統(tǒng)造成影響,并對生產(chǎn)造成不可估量的損失。本文對不同平衡槽活塞進行了受力分析,為減小活塞的液壓卡緊力提供了依據(jù)。1斷裂器外圓上的密封件的選擇和工作壓力油間隙密封是一種常用的密封方法,它依靠相對運動零件配合面間的微小間隙來防止泄漏,由環(huán)形縫隙軸向流動理論可知,泄漏量與間隙的三次方成正比,因此可用減小間隙的辦法來減小泄漏。一般間隙為0.01～0.05mm,這就要求配合面有很高的加工精度。在活塞的外圓表面一般開幾道寬0.3～0.5mm、深0.5～1mm、間距2～5mm的環(huán)形溝槽,稱為平衡槽,其作用如下:使活塞具有自定位性能,由于活塞的幾何形狀和同軸度誤差,工作壓力油在密封間隙中的不對稱分布將形成一個徑向不平衡力,稱為液壓卡緊力,它使摩擦力增大,開平衡槽后,使得徑向油壓力趨于平衡,使活塞能夠自動對中,減小了摩擦力;由于同心環(huán)縫的泄漏要比偏心環(huán)縫小的多,活塞的對中減少了油液的泄漏量,提高了密封性能;并且油液儲存在平衡槽內(nèi),使活塞能自動潤滑。間隙密封的特點是結(jié)構(gòu)簡單、摩擦力小、耐用,但對零件的加工精度要求較高,且難以完全消除泄漏。2液壓缸的布置普通液壓缸活塞與缸筒內(nèi)壁間的環(huán)形間隙密封可以分為不帶平衡槽的純間隙密封和帶平衡槽的間隙密封,其中帶平衡槽的間隙密封中的平衡槽的形狀可以分為矩形槽、三角槽、梯形槽等三種形式。本文研究的液壓缸的活塞直徑為100mm,活塞軸向長度為60mm,缸筒與活塞之間的間隙高度取20μm,偏心時設(shè)定活塞向下偏心8μm,均壓槽的數(shù)量為6條且均勻分布在活塞上。在模型建立過程中,選定X方向為液壓缸軸向,YZ平面為軸截面。其結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2、圖3所示,矩形槽的寬度為0.8mm,深度為1mm;梯形槽的寬度為0.8mm,截面為等腰梯形,兩腰夾角為60°;三角形槽是邊長為0.8mm的等邊三角形。平衡槽之間的間距為7mm。模型的三維立體圖如圖4所示。3偏心時栓塞所受的壓力變化情況活塞與缸筒之間的摩擦就屬于滑動流體摩擦。液體不會對與它相對靜止的物體施加摩擦力,但對在其中運動的物體施加阻力。當活塞運動時,活塞與缸筒間環(huán)形間隙內(nèi)的液壓油在運動件之間產(chǎn)生油膜潤滑,從而可以極大地減小摩擦阻力。在流體動力潤滑中,摩擦都是由于潤滑油膜受到剪切而引起的,而流體的剪切應(yīng)力大小與液壓油的動力黏度、活塞的運動速度以及環(huán)形間隙的高度有關(guān),因此除流體本身的密度和粘滯性外,摩擦力的大小還與活塞運動的速度、形狀等因素有關(guān)。由流體力學公式可知,環(huán)形間隙中的流體剪切應(yīng)力為:τ=?Δpδ2L+μUδτ=-Δpδ2L+μUδ式中:Δp為環(huán)形間隙兩端的壓差;δ為環(huán)形間隙的高度;L為活塞的長度;μ為液壓油的動力黏度;U為活塞的運動速度。式中前面的“-”表示由壓差Δp引起的流體剪應(yīng)力總是與液壓油的流向相反,后面的“+”活塞運動速度與液壓油的流向相同。當活塞由于各種原因出現(xiàn)偏心時,會使液壓油在缸筒與活塞密封間隙中形成不對稱分布,進而產(chǎn)生徑向不平衡力(液壓卡緊力),它會使活塞受到的摩擦力增大。為了減小摩擦力和液壓卡緊力,在活塞上開平衡槽,這樣可以使徑向油壓力趨于平衡,使活塞能夠自動對中,從而減小摩擦力?，F(xiàn)在我們來分析和比較幾種情況下活塞所受的徑向力和摩擦力。由圖5可知活塞對稱面上的壓力沿軸向方向逐漸減小,且壓力曲線被6條矩形槽分成了7段封閉區(qū)域,且在矩形槽處壓力曲線呈水平直線,說明平衡槽內(nèi)的壓力處處相等。這是因為平衡槽的高度遠遠大于活塞與缸筒之間的間隙,它能使平衡槽處間隙中的液壓油相互連通,可以使油液自動從壓力高的地方流向壓力低的地方,從而使平衡槽內(nèi)的壓強均勻分布。圖中7段封閉區(qū)域就是活塞上下對稱面徑向不平衡力的體現(xiàn),區(qū)域面積的大小反映了活塞所受的液壓卡緊力的大小,通過Report-Forces命令可以查得偏心時活塞上開矩形槽的液壓卡緊力F=7.28N,方向為Z軸正方向。從圖6可知活塞面上的剪切應(yīng)力沿軸向分布比較均勻,而沿活塞面圓周方向上分布不均勻,在矩形槽內(nèi)的剪切應(yīng)力很小。且剪切應(yīng)力的大小與間隙高度成正比,在活塞最下面(Z軸負方向)剪切應(yīng)力最大約為1890Pa,而在活塞最上面(Z軸正方向)剪切應(yīng)力最小約為708Pa,因此活塞上面的摩擦力比較小,而下面的摩擦力則較大,通過Report-Forces命令查得偏心時活塞上開矩形槽的軸向摩擦力Ff=14.17N。由圖7可知活塞對稱面上的壓力下降曲線被6條梯形槽分成了7段,且在梯形槽處壓力值保持不變。圖中兩條壓力曲線所圍成的7段封閉區(qū)域就是活塞上下對稱面徑向不平衡力的體現(xiàn),區(qū)域面積的大小反映了活塞所受的液壓卡緊力的大小,通過Report-Forces命令可以查得偏心時活塞上開矩形槽的液壓卡緊力F=8.92N,方向為Z軸正方向。從圖8可以看出剪切應(yīng)力在活塞圓周方向上分布不均勻,在梯形槽內(nèi)的剪切應(yīng)力很小幾乎為零。且偏心后間隙高度小的地方剪切應(yīng)力要大以點,最大值約為1890Pa,而間隙較大的地方剪切應(yīng)力要小一點,最小值約為707Pa,因此活塞下面所受的摩擦力比上面的要大。通過Report-Forces命令可以查得偏心時活塞上開梯形槽的摩擦力Ff=11.52N。由圖9可知活塞對稱面上的壓力曲線被6條三角形槽分成了7段封閉區(qū)域,且在三角形槽處壓力曲線呈水平直線即壓力值保持不變。圖中7段封閉區(qū)域所圍成面積的大小反映了活塞所受的液壓卡緊力的大小,通過Report-Forces命令可知偏心時活塞上開三角形槽的液壓卡緊力F=11.67N,方向為Z軸正方向。從圖10可以看出剪切應(yīng)力在活塞圓周方向上分布不均勻,在三角形槽內(nèi)的剪切應(yīng)力很小幾乎為零,偏心后剪切應(yīng)力的大小與間隙高度成正比。從圖中可以看出剪切應(yīng)力最大值約為1890Pa,最小值約為825Pa,由于活塞向下偏心,故活塞下面的剪切應(yīng)力較大,引起的摩擦力也要大一點,通過Report-Forces命令可以查得偏心時活塞上開梯形槽的摩擦力Ff=13.45N。4壓力分布均衡(1)活塞偏心時在活塞上開平衡槽可以有效的減小摩擦力和液壓卡緊力,使活塞能夠自動對中;(2)活塞上開平衡槽后,平衡槽內(nèi)的壓力分布比較均勻。這是因為平衡槽的深度遠遠大于的環(huán)形間隙高度,它能使平