基于ANSYS的柱塞副间隙自动补偿技术研究

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Study on the automatic clearance compensation ofpiston couplings with ANSYSCHEN Ming-hui，NIE Song-lin，YIN Fang-long(Colege of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract：The volume efficiency of water hydraulic axial piston pump is directly influenced by theclearance size between piston and cylinder port. Because of the outstanding e1astoplasticity andairtightness of the engineering plastic PEEK，a new sealing scheme of automatic clearance com-pensation was proposed，which will be used for piston and cylinder port.On condition that differ-ent annular slots under the pressure of cyclical change，the corresponding deformations o，f pistonsleeve were analyzed through the ANSYS simulation software.The results show that this struc-ture can effectively reduce the stress amplitude of the materials，as well as the leakage betweenthe piston and cylinder port，improve the service life of the piston。

Key words：water hydraulics；ANSYS；piston；clearance compensation；leakage在同等规格、同等泄漏损失的条件下，水压柱塞泵柱塞与缸孔副的配合间隙是油压柱塞泵的 1/5，约为 4～6肚m.为了有效地控制配合间隙的大小，前人 曾采用在缸孔内壁 过盈压人 30 碳纤维增强 的工程塑料 PEEK，通过柱塞腔 内周期性变化的液压力使其变形，进而补偿配合间隙L1 ].但是仍然存在许多不足，例如：柱塞和缸孔的配合长度周期性地改变，导致塑料套的交变应力及其变化幅度较大，容易产生应力腐蚀开裂[3 ；流体通过细长通流孔后因阻尼产生的沿程能量损失较大 ]，降低了柱塞套加压区两侧的压差，导致其径向变形量小，间隙自动补偿效果不佳。

为此 ，本文提出-种新 型柱塞副间隙 自动补偿结构 ，用于柱塞与缸孔副 间的密封 (结构如 图 1所示).通过 ANSYS有限元仿真软件，分析了不同密封宽度 的环形槽在交变液压力作用下 ，所对应的柱塞套径向变形量，为降低柱塞与缸孑L副间的泄漏提供有力的理论依据。

基金项目：国家 自然科学基金资助项 目(51075007)；国家 863计划资助项 目(2012AA091103)；教育部新世纪人才计划资助项目(NCET-07-0330)。

作者简介：陈明辉(1986-)，男，山东济宁人，硕士生，从事水液压传动技术研究，E-mail：machineryemh###163.com。

通信联系人 ：聂松林，教授，博士生导师，E-mail：niesonglin###bjut.edu.cn。

工 程 设 计 学 报 第 2O卷l～柱塞；2-缸体；3-柱塞套；4-环形槽；5-螺母 ；6-销钉。

图 1 柱塞和缸孔副结构Fig.1 Structure of piston and cylinder port1 工作原理当柱塞 1从位置 A运动到位置B时，柱塞腔内高压水通过环形槽 4作用到柱塞套 3上，柱塞套 3沿径向向外侧微量变形，使缸孔与柱塞套 3的配合间隙变小 ，从而减小泄漏；当柱塞 1从位置 B回到位置A时，柱塞腔内压力降低，柱塞套 3恢复变形，其与缸孔的配合问隙变大，降低了柱塞回程磨损和机械效率损失。

2 运动学与动力学模型运动分析是瞬时压力和流量分析 的基础，以所设计的额定压力为 30 MPa、额定流量为 30 L/min的阀配流纯水柱塞泵为例，针对其中-对柱塞/缸孔副建立优化模型，在任意 角位置，柱塞沿缸体轴向相对位移 S、相对运动速度 及加速度a为 ：s- Rtan a·(1- COS )， (1)- tan口·sin ， (2)a： (U Rtan a·COS . (3)若忽略水的流动、惯性及泄漏等的影响，认为柱塞腔容积的变化是导致其腔内压力变化 的主要原因，由流量连续性原理 ，得柱塞腔 内压力 P。与斜盘转角 满足如下关系5]：P lD - ·n 。 (4)- - )Af- ， (6)4 。 Vft - ( ) ㈩式中：z 为压出阀阀芯位移，m； 为阀芯移动速度，m/s；A 为阀口通流面积，mm ；A为柱塞截面积，mm ；P。为柱塞腔内压力，MPa.其余相关参数如表1所示。

表 1 相关参数取值Table 1 Value of related parameters参数 数值 参数 数值斜盘倾角 /(。) 12 柱塞直径 d/mm 18轴转速 n/(r/min)1 000 柱塞分布圆半径 R/mm 50自簧刚度 k/(N/mm)2.75 阀芯预压缩量 zf。/mm 1.5阀芯质量 m/kg 0.022 阀 口通流直径 df/mm 12阀口流量系数 0.85 阀 口液流速度 /(m/s) 8阀座锥角 /(。) 90 水的密度 o/(kg/m。) 10以柱塞处于上死点位置作为研究起始点( O。)，用 Matlab软件仿真分析 1个周期 内柱塞腔内压力 P 及配流 阀阀芯的位移 随斜盘转角 的变化情况 ，如图 2所示。

专蕤图 2 柱塞泵配流特 性曲线Fig.2 Flow characteristic curve of piston pump从图中可以看 出：当斜盘转角 0< < 20。时，柱塞腔内压力极低，吸入 阀阀芯 < 0，仅表示其有向反方向(闭合)运动的趋势；当斜盘转角 20。<-200。时 ，柱塞腔内压力先阶跃上升至比额定工作压力略高，后逐渐呈下降趋势，此为压水过程，压出阀阀芯位移为 ；当斜盘转角 200。< < 360。

时，柱塞腔内压力先阶跃下降，而后始终稳定在低压状态 ，此为吸水过程 ，由于腔 内压力骤 降，导致压 出阀阀芯有向反方向运动的趋势 ，故表现出 。< 0。

3 ANSYS仿真分析ANSYS是 目前世界顶端 的有限元工程分析软件l6j，它能与多数 CAD软件接 口，实现数据的共享和交换，该软件的分析过程主要包括 3个主要步骤：创建有限元模型、施加载荷并求解以及查看结果。

本文借助 ANSYS有限元分析软件，研究不同的环形槽宽度 b在交变液压力 P。作用下，柱塞套上· 74 · 工 程 设 计 学 报 第 2O卷新进展及国内振动离心机发展设想LJ].世界地震工程，2O1o，16(1)：31-39。

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