电力液压系统中的密封摩擦特性分析与优化.pdf
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1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.019电力液压系统中的密封摩擦特性分析与优化高启业,王小明,王培峰(国能榆林能源郭家湾煤矿,陕西榆林7 19 0 0 0)摘要:随着电力液压系统中发动机的快速发展,活塞组件面临着越来越苛刻的工作环境。为了降低发动机活塞组的摩擦损失功,提高电力液压系统的工作效率,通过对电力液压系统中活塞环组密封摩擦特性影响因素进行分析,再通过正交试验对实验进行优化,分析不同环组配合下的曲轴偏置、活塞销偏置、配缸间隙和活塞中凸点高度等因素对密封和摩擦特性的影响规律。实
2、验结果表明,曲轴偏置是对摩擦损失功最主要的影响因素,配缸间隙是对窜气量最主要的影响因素。优化后方案与原始方案相比,窜气量减少至39.53L/min,摩擦损失功为0.45kW。优化后的方案密封性得到了改善,同时摩擦损失功和敲击噪声均有所减少。通过对电力液压系统中的密封摩擦特性进行深入研究和优化,可以为提高液压系统的可靠性和效率提供理论依据和实践指导。关键词:窜气量;摩擦损失功;活塞;密封摩擦特性;极差值中图分类号:TB42;TH137Abstract:With the rapid development of the engine in the electric hydraulic system
3、,the piston component is facing an increasingly demandingworking environment.In order to reduce the friction loss of the engine piston group and improve the working efficiency of the electric hydraulicsystem,this study analyzes the influencing factors of the sealing friction characteristics of the p
4、iston ring group in the electric hydraulic system.Then the experiment was optimized by orthogonal test,and the influence rules of crankshaft offset,pin offset of piston,cylinder clearance andconvex height on the sealing and friction characteristics under different ring groups were analyzed.The exper
5、imental results show that crankshaftbias is the most important factor on friction loss,and the cylinder clearance is the most important factor on volume.Compared with the originalscheme,the channeling gas volume is reduced to 39.53 L/min,and the friction loss work is 0.45 kW.In the optimized scheme,
6、thepercussion noise and friction loss work are reduced,and the sealing performance is also improved.The thorough study and optimization of thesealing friction characteristics in the electric hydraulic system can provide the theoretical basis and practical guidance for improving thereliability and ef
7、ficiency of the hydraulic system.Key words:channel volume;friction loss work;piston;sealing friction characteristics;extreme difference value0引言在现代工业中电力液压系统发挥着重要的作用,被广泛应用于各个领域,如工程机械、航空航天、汽车制造等1。在电力液压系统中,液压缸是将液压能转化为机械能的装置,活塞通常指的是液压缸中的活塞,活塞是其系统中的重要组成部分之一。活塞通过液压力驱动,沿着缸筒内的轴向运动。活塞的运动可以产生线性推力或线性位移,用于驱动各种机
8、械装置。活收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 2作者简介:高启业(19 8 3-),男,陕西榆林人,高级工程师,学士,主要从事煤矿机电、智能化方面的研究工作。文献标志码:B文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 10 7-0 7Analysis and Optimization of Sealing Friction Characteristics inElectric Hydraulic SystemGAO Qi-ye,WANG Xiao-ming,WANG Pei-feng(CHN Energy Yulin Energy Guojiawan Coal Mine,
9、Yulin 719000,China)塞密封通常由密封环或密封垫片组成,其主要作用是防止液压油泄漏,并保持液压系统的工作压力2 。然而随着电力液压系统中发动机的高速发展,在高爆压,高转速,大功率和低能耗等高性能工作要求下,活塞组件面临工作环境越发具有挑战3 。强化过程中拉缸、窜气和活塞环断裂等问题频繁出现,活塞的密封摩擦特性常常作为研究其性能的两个重要指标4。通过研究密封摩擦的机理和影响因素,可以提高密封件的工作性能,减少能量损失和磨损,提高系统的效率和可靠性。本研究以活塞环组为研究对象,对电力液压系统中的密封摩擦特性进行深入分析与研究。首先探究粗糙度和纹理方向对电力液压系统活塞的摩擦功耗和密
10、封特性的影响,并在此基础上寻找出效果较好的活塞107液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期环运动面型线。其次,通过正交试验分析进一步明确活塞体对摩擦特性和密封两者的影响。1基于电力液压系统中的活塞密封摩擦特性分析与优化设计1.1密封摩擦特性分析活塞环组在电力液压系统内起着关键的密封润滑作用,摩擦损失、油比、润滑油消耗量等因素会影响活塞环组的性能。活塞环在液压缸中的密封原理属于动密封原理,对液压缸中活塞环密封性能进行分析,在活塞环材质与结构的基础上,分析活塞环在液压缸中的密封机理,并分析环的结构,考虑活塞体的结构参数5。研究利用弹性流体动力学等理论和有限元方法,建立计算模型,并利用有限元软件模
11、拟活塞环和缸壁的接触。分析活塞环和液压缸套表面的纹理方向以及表面粗糙度的原理,研究两者对电力液压系统的摩擦功耗和密封性的影响。活塞环有3 个环,每个环都有不同的作用,一环主要起密封作用,二环起到辅助系统的作用,三环则是防止漏油 ,活塞环各环纹理方向如图1 所示。设置,设活塞表面粗糙度值为0.2,1m7。设缸套和环组的表面纹理方向相同,缸套的平均表面粗糙度为QL,分别取粗糙度为1.0,0.8,0.6,0.4,0.2 m,活塞平均表面粗糙度为.,初始表面粗糙度均为1m进行实验8 1,活塞环的开口角度常见分布方式如图2 所示。(a)对置式(a)Opposite2121(3)(b)均布式(b)Unif
12、ormly distributed(a)纵向纹理(a)Longitudinal texture3%。2(b)横向纹理(b)Horizontal texture1(c)偏置式(c)Offset图2 活塞环组开口角度常见分布方式(c)各向同性(c)Isotropy图1活塞表面不同纹理图Fig.1 Different texture diagram of the piston surface从图1可以看出,活塞表面的粗糙度不同,活塞表面纹理方向的作用效果也随着改变。为了验证表面纹理方向与表面粗糙度之间的关系,对其表面进行不同108Fig.2Common distribution mode of op
13、ening angles从图2 可以看出,图2 a代表对置式开口角度分布方式,图2 b代表偏置式开口角度分布方式,图2 c代表均布式开口角度分布方式。由于均布式布置方式中各环的开口错位分布且环间的气体压力较小,因此应用in the piston ring groupHydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024较为广泛。对置式的特点是3 个环的开口较为分散,缸间隙作为因素,分别对4个因素设置5个水平进行这会导致环内的气压阻力较大,同时一、三环之间的开试验,如表1L2s(54)所示。口角度相同会增加窜气风险9 。在这3 种方式中,由表1结构参数正交试验表于气环的错位分
14、布,可以减少窜气通路的产生。研究Tab.1Orthogonal test table for structural parameters对活塞环中组活塞环的分布位置进行设置,活塞环的推力侧被设定为0 起点,顺时针方向为逆方向。通常会将气环错位分布,以避免产生直接的窜气通路。研究对环组的开口角度分布位置,活塞环的推力侧被设定为0 起点,逆时针方向为正方向。除了表面粗糙度和开口角度对密封摩擦性的影响,活塞的运动规律也会对密封摩擦性产生影响。活塞在电力液压系统工作中不是单一的往返直线运动,而是二阶运动方式(10-1。活塞的二阶运动受到活塞销偏置、活塞型线、曲轴偏置和配缸间隙等因素的影响。活塞销偏置通
15、过改变止点处的运动轨迹,减少敲击动能。活塞型线的设计可以减小活塞边缘的拉缸现象,并平稳过渡换向。此次研究的重点是凸点的高度,以凸点高度分别为2 0,2 5,3 0,3 5,40 mm来进行分析。曲轴偏置是为了减小活塞与缸壁之间的摩擦,可以提高内燃机的工作效率和延长其使用寿命。偏置活塞销使活塞在上下行程过程中与缸壁接触的摩擦力更为平均,减小了侧向压力,从而降低了缸套和活塞的磨损。研究设置了5种不同的曲轴偏置距离,分别为2 0,16,8,12,4mm,并计算在不同偏置距离下对摩擦功率的影响。配缸间隙是活塞和缸套之间的间隙配合,适当的配缸间隙可以避免活塞卡住,但过大的间隙会增加二阶运动、导致不稳定工
16、作和振动噪声,并可能引起敲缸现象。分别计算配缸间隙为0.0 5,0.0 6,0.0 7,0.0 8,0.09mm时的单缸窜气量和摩擦损耗。1.2活塞结构参数优化在分析了活塞销偏置、活塞型线、曲轴偏置和配缸间隙等因素对密封摩擦性的影响之后,可以看出密封摩擦性不是受一种因素的影响,而是多种因素的共同影响12 。二阶运动过程较为复杂,活塞的密封摩擦特性又受多种因素的影响,这些因素之间可能会有冲突,不能简单地选取单一因素中进行优化。由于全因子实验是在多个因素共同作用情况下进行,实验会进行多次,实验很难实施。所以此次研究采用常用的优化实验技术进行实验,也就是正交试验。正交试验在试验方案设计中可以提高试验
17、效率、考虑因素交互作用、确定最优条件、简化试验过程并提高试验的可靠性和可重复性。使用正交试验分析,建立4因素5水平的正交试验,将活塞中凸点高度、活塞销偏置、曲轴偏置、配活塞销-配缸曲轴-中凸点试验窜气量偏置量间隙偏置量高度方案L minmmmm152535455564748494104113123133143153162172182192202211221231241251正交试验表L2s(54)代表试验次数为2 5次,4因素5水平的正交试验。从表1可以看出,试验方案2 1的109摩擦损失功mmmm0.05200.06160.07120.0880.0940.06200.07160.08120.
18、0980.0540.07200.08160.09120.0580.0640.08200.09160.05120.0680.0740.09200.05160.06120.0780.084kW2042.692540.063042.123543.184043.872542.953043.763540.844043.032043.733041.123540.444042.962043.692542.893543.794043.202044.432540.343040.654039.532042.092540.853040.163543.830.440.450.430.420.440.430.430.4
19、60.430.430.480.470.450.440.420.450.460.460.480.470.450.580.490.480.47液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期窜气量最低,摩擦损失功处于中间状态。这是因为方案2 1的设计除了改进活塞的结构和确保活塞的密封特性,还力求减小在上止点时敲击声的产生,同时也要尽可能降低活塞体的摩擦平均有效压力。通过试验的结果,再计算不同水平的响应平均值,计算公式见式(1):RBi台n5Rrin式中,R对应的摩擦损失功响应平均值RBi一窜气量响应平均值一窜气量的正交试验影响值YB摩擦损失功的正交试验影响值n一累加次数为了比较不同因素水平下对指标的影响权
20、重,需要计算平均值的极差值,具体公式见式(2):Kg=max(Rs;)-min(Rgi)K,=max(Rr)-min(Rri)式中,KB一一窜气量平均值的极差值K一一摩擦损失功平均值的极差值通过计算各影响因素的及差值可以知道对摩擦损失功和窜气量影响主次顺序,确定影响因素对摩擦损失功和窜气量的影响重要程度。差值越大的因素,其影响越大;差值越小的因素,其影响越小13 。2电力液压系统中活塞的密封摩擦特性实验结果分析横向纹理方向计算时设为0.1,各向同性计算时设为1,纵向纹理方向计算时设为10,设置缸套-环组表面粗糙度值为0.2,1m,并确定其与活塞表面粗糙度的关系,两者对电力液压系统的密封摩擦影响
21、如表2所示。从表2 试验结果可以看出,保证塞环纹理和缸套纹理相同时,不同的缸套-环组不同粗糙度对电力液压系统的摩擦损失功和密封性都有着较大的影响。原因可能是环组表面不易存留润滑油,缺乏润滑油会降低环组之间的润滑性能,从而导致导致摩擦功耗加大。缸套-环组表面粗糙度变化不同,窜气量差距较大,当环组表面粗糙度减小,缸套表明粗糙度增大时,窜气量保持在43.6 2 L/min左右,此时窜气量较小。环组表面110纹理对窜气量影响同样较大,纹理方向改变时,窜气量明显增加,其最大可达47.7 2 L/min。当活塞环组与气缸表面粗糙度和纹理方向都相近时,整体摩擦损失功较低,窜气量相对较低。根据优化结果,选择3
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