环形缝隙中压力水的流动规律研究与试验

　　0 引言

　　柱塞泵、马达、阀等液压元件中,相对运动的柱塞与孔之间一般采用间隙密封方式,压差作用下的流体在微小间隙中会产生泄漏。近年来,以水为传动介质的水压传动技术因其具有绿色环保、安全节能、符合可持续发展需要等显著特点而重新受到高度重视,成为当今液压传动领域最前沿的研究课题之一[1,2],在矿业、冶金、制药、海洋开发等许多领域具有极其广阔的应用前景。但水的粘性极低,导致水压传动元件内部泄漏量极大,严重影响其容积效率和机械效率,制约了水压传动的实际应用。如何有效控制水的内泄漏成为水压传动研究的关键。

　　1 问题的提出

　　流体在环形缝隙中的流动状况取决于流体的性质(粘度)、流道的形状以及压差的大小等因素。以油为传动介质时,由于油的粘度大,加之间隙值较小,油在压差作用下的流动在工程流体力学中均按定常流动的层流规律进行分析,柱塞与孔相对静止时环形缝隙中的压差流量(即内部泄漏量)为

　　式中,Q为间隙流量; d为柱塞直径;h为单边间隙值;

　　为压力差;L为流体动力粘度;l为密封长度。

　　当柱塞与孔之间有相对运动时,泄漏量为

　　式中,v为柱塞与孔的相对运动速度。

　　式(1)和式(2)表明,在柱塞直径d一定时,对流量影响最大的是环形间隙值。为控制泄漏量,应尽可能减小环形间隙值,但间隙值太小又使摩擦引起的功率损失加大,因此工程应用中间隙值一般取0.01~0.02mm。

　　当以水为工作介质时,由于水的粘度极低,要使水的内泄漏量不大于油的泄漏量,按上述公式计算,则其间隙值须控制在0.005mm以下。这显然在批量生产与应用中是不合适的,因为如此小的配合间隙将使润滑条件更加恶化,摩擦阻力增加,零件的磨损加剧,摩擦副工作时极易出现堵塞、卡死现象,同时也会使零件加工困难,严重影响水压传动技术的实际应用。因此,仅靠减小配合间隙来控制水压传动中的内泄漏量是不够的。为此,国内外学者对内部泄漏的控制进行了大量研究,但一般是基于以油为介质建立起来的层流理论而进行研究的[3~6];也有学者研究认为,极低粘度的水介质在极小环形缝隙中的流动规律会不同于油介质的层流流动[7],但没进行深入的研究与探讨。笔者在长期进行凿岩机冲击机构研究中发现,以油为介质时,活塞与其缸体间密封间隙的变化引起的内部泄漏量的改变与上述公式一致,但用水作介质时并不遵守上述公式。例如配合间隙从0.015mm增加到0.025mm,在其他条件保持不变时,按式(2)计算的内部泄漏量应增加51948L/min,而实际测得的泄漏量仅增加1.8~2.3L/min;当间隙继续增加到0.04mm时,按式(1)计算泄漏量将增加约19倍,在冲击机构本身工作流量仅40~50L/min的情况下冲击功率及冲击频率将大幅下降,但实际上凿岩机仍能正常工作,系统工作压力与凿岩速度下降并不太大。因此我们认为,由于水的极低粘性,水介质在极小环形缝隙中的压差流动与油介质的流动将有很大差别。因而有必要研究水等低粘度介质在环形缝隙中的流动特性,掌握其流动规律,将水压传动技术推向实际应用。