智控设备液压元件最佳间隙的分析及确定

0 引言

智控设备液压行动结构里，液压元件间隙是液压控制系统的关键，液压元件结构中存在大量间隙配合，主要有平面结构、锥面结构、线状结构与环状结构等，绝大多数液压元件的性能和寿命都取决于液压元件间隙的大小 [1，2]。在进行液压控制系统可靠性的研究中，主要的研究方面就是间隙磨损的大小，在航空航天的液压控制中，液压元件的间隙对可靠性的作用更显得突出。其各个指标往往决定了系统的寿命和可靠性。在实际的应用中，由于配合间隙过大或过小，往往会使系统作用失效，产生漏油和控制点滞后，严重时造成重大事故。

1 间隙的分析

在液压系统中，有很多进行相对运动的零件，如活门与衬套，柱塞泵中的柱塞和柱塞腔，齿轮泵中的齿轮和泵体，滑阀中的阀芯与阀孔。为了保证在正常状态下产品能够灵活运动，这些零件表面必须有一定的间隙，间隙过小，会使零件产生摩擦，使零件产生滞涩现象、甚至卡死[3-5]。间隙过大，则会造成泄漏，使系统效率和传动精度降低，同时还会造成环境污染。由于间隙的存在，对于液压泵来说，运动副做相对运动时，会使液体从这一腔带入另一腔，即使不做相对运动的产品（譬如液压阀）液体在压力差的作用下，也会通过间隙进行流动。通过间隙的流动与圆形管路的流动不同，它有自己特殊的流动规律。

在液压元件中，间隙和泄漏是紧密联系的，在液压系统中泄漏是一种普遍存在的现象，泄露可分为内泄漏与外泄漏。泄漏是一种不理想的流动，会影响液压系统工作的安全性及可靠性，必须降至最低限度[6-9]。泄漏直接影响产品的可靠性、经济性和性能指标，造成效率降低、污染环境，使用寿命缩短。泄漏是推动机电液一体化的重大障碍。因此，研究间隙的流动规律对液压控制系统综合性能有很大的意义。液压系统的泄漏与密封是一个永无止境的课题，转换思想，从控制与利用间隙方面解决液体泄漏问题，目前控制和利用间隙现已成为了一门专项技术 [10，11] 。如内漏在某些情况下是必要的，即对滑动部分进行润滑，通过利用间隙，使其成为提高效率的有效手段[12， 13]。

2 机理分析

间隙泄漏是液压系统中泄漏的主要形式，分析间隙时，首先要论述影响泄露的因素，泄漏量的大小与间隙之间的压力差、间隙的尺寸大小有关。密封的机理是间隙两端压差所引起的推力 F 不应大于液体层面间的内摩擦力 F_m^∘ 假定平面间隙两端压力为 ΔP₁ 和 P₂ ，宽度为 b，间隙长度为 L，间隙高度方向坐标为 Z，间隙为 h，液体流动速度为 V，动力粘度系数为 μ ，D为孔径。具体见图1

图1平板间隙流动图

Figure 1. Schematic of Plane Gap Flow

当两个零件端面接触形成环形间隙时， 其 b 值 =πD ，见图2

图２环形间隙图Figure 2. Schematic of Annular Gap

间隙 、黏度系数 μ 、两端压差 Δ P均是影响泄漏量的参数，尤其是圆柱体和孔的间隙，一定要严格控制的配合间隙。

此外，环形间隙不对称性对泄漏量的影响；虽然没有在公式上反映出来，但实际上对泄露量的影响不容忽视，理想的环形间隙是均匀分布的，但在实际工作中，存在着使活门偏向一侧的现象，尽管间隙的总流通量面积没有变，但泄露量发生明显变化，当发生偏心时，沿圆周各处的间隙高度是一个变量，即环形间隙随转角 Φ 变化，由图1可知：间隙值从 0 到 2h ，但变化是有规律的，通过几何关系，可以得到近似的间隙高度分布规律，各点的间隙高度为：

ｅ＝ｈ（１＋ cosα）

∝ －为任意间隙的方位角，即间隙高度h是间隙所在位置 α 的函数。其机理见图3

图3 不对称性环形间隙机理图

Figure 3. Schematic of Asymmetric Annular Gap

经计算可得其流量公式为：

将该式与同心间隙相比，最大偏心的间隙泄漏量增大了 2.5 倍，这一理论得到了实验的证明，所以即使设计时配合间隙很小，但活门在衬套内偏心同样会增大泄漏量，所以在工程上必须限制偏心的产生。泄漏量增加会导致一系列的不良影响：在柱塞泵中会严重降低其容积效率；在精密伺服控制会导致频率响应缓慢、控制精度下降，系统中，由于偏心是液动力产生的，所以在设计上必须要控制液动力的产生。可采用在液压泵上开卸荷槽的方法控制中心零件，使其尽量处于中心位置，有利于减小泄漏。

3 最佳间隙的确定

确定最佳间隙的问题是复杂的，一般从间隙泄漏量最小的角度出发，上述论述的泄漏公式为：

该公式把最小泄漏量作为目标函数，适用于各种液压阀、液压泵的设计参考。

对上式说明的是。流体力学是一门集理论、计算和试验缺一不可的一门学科，工程上需要进行试验验证，对上式在试验时还有许多因素决定间隙的大小如：零件表面的粗燥度、使用的温度及自身的形位公差等。但该式对产品设计及仿真很有实际效果，可以初步确定液压元件环形间隙的参数，对于液压技术的发展有着重要的作用。

4 阀芯、衬套配合间隙的试验

最佳间隙实际上是一个多元函数，在具体设计上要考虑使用的环境 [14， 15]：如液体的不同（有时污染颗粒可能大于二分之一的间隙，此时就要修改设计）、元件选择的材料、工作的温度等。间隙的尺寸大小会影响泄漏量，间隙之间的压力差会影响泄漏量。液体泄漏会导致液压系统的工作效率降低，严重时会对公司造成重大的经济损失，同时还影响着液压研究的进步以及液压行业的发展。为了解间隙对泄漏的影响程度，我们对同一种产品选择了三种间隙进行试验，试验条件如下：

工作介质：煤油；

工作介质温度：常温；

工作压力： 1.2Mpa 。

三种间隙值见表 1：

表1 试验配合间隙表

Table 1. Fit Clearance in the Test

试验方法：固定衬套，移动活门，每移动 0.05mm 记录一点。试验曲线见图4

图4 性能试验曲线图

试验曲线表明，间隙变化，泄漏量即有所增大。由于试验属小间隙流动，为避免随时间及长度增加形成极化分子层 ， 试验中，将试验件放在振动盘中，以小振幅、高频率对其进行摆振，实践证明，振动是有好处的，可防止元件胶着，提高灵敏性，尤其是缝隙流动，所以有条件应用振动的液压系统，可使活门与衬套的间隙做的小些。否则需要考虑极化分子的作用，采取必要的措施，避免产生卡死现象。

5 综述

综上，在设计时，除进行最佳间隙计算外，还要考虑以下几点：

5.1 最小间隙要大于工作温度变化范围时元件材料的线膨胀量。

5.2 最小间隙要大于液体污染颗粒的两倍。

5.3 受工艺因素的影响，衬套和活门的直径不可能加工为理想的圆，必然要产生一定的圆柱度，所以要求零件加工要特别精确。一般最小间隙还要大于 ， 这样才能使产品正常工作。

综上，一般军工液压元件配合间隙为 0.006～0.008mm ，民用液压元件配合间隙为 0.008～0.012mm 。如采用 0.003～0.005 的小间隙，最好使活门产生旋转。

6 结束语

通过以上分析，在设计精密的间隙时要考虑许多因素，除按漏油量公式求极值求得最佳间隙，还要考虑加工设备及计量的条件因素和产品的工作温度，计算出材料的线膨胀系数、零件的几何精度，最后综合分析，确定设计间隙。

参考文献

[1] 邓起孝 戚昌磁 流体液压系统现代设计方法 中国建筑工业出版 1985（129-130）

[2] 黄忠华 ， 吴文俊 ， 霍其康等 . 阀芯配合间隙对液压泵变量特性影响研究 [J]. 太原科技大学学报 ，2023，44（04）：356-359.

[3] 王祝华 ， 朱国豪 . 单液压缸盘式热分散机磨盘间隙控制系统的设 计 [J]. 龙 岩 学 院 学 报 ，2016，34（05）：70-72.DOI：10.16813/j.cnki.cn35-1286/g4.2016.05.014.

[4] 曾曙林 ， 周梓荣 ， 彭浩舸 . 纯水液压系统间隙泄漏量的试验研究方法 [J]. 液压与气动 ，2003（01）：13-14.

[5] 邓江洪， 吴凛， 蒋俊等. 液压元件配合间隙流体特性研究[J].机床与液压 ，2016，44（03）：75-77+88.

[6] 于丽 . 关于工程机械液压系统的泄露问题研究 [J]. 中国科技信息 ，2007（03）： 78+80 .

[7] 秦元士 . 机械制造中液压传动技术的应用及泄露控制 [J]. 世界有色金属 ，2016（09）： 182+184 .

[8] 王琦 ， 史学嵩 ， 郑长顺等 . 掘进机液压系统泄漏问题的探讨[J]. 科技信息 ，2013（03）：448.

[9][1] 何彦军 . 液压传动系统泄漏原因分析及其控制措施探讨[J]. 中小企业管理与科技 （ 下旬刊 ），2011（08）：191-192.

[10] 张禹群 ， 李正勇 . 连铸设备液压系统的泄漏分析与控制措施[J]. 中国高新技术企业 ，2009（05）：46-47.

[11] 姜海锋 . 探讨冶金机械液压污染的原因与控制 [J]. 黑龙江冶金 ，2015，35（03）：49-51.

[12] 金磊 ， 范建博 ， 李萌 . 液压附件内漏引起系统串油分析 [J].液压气动与密封 ，2019，39（11）：76-78.

[13] 何毓明 ， 彭利坤 ， 宋飞 . 基于特征参数和功率谱分析的液压滑阀内漏声发射检测实验研究 [J]. 液压与气动 ，2019（04）：113-120.

[14] 韩伟， 张万宇， 党树娟， 王浩杰. 气相压缩性对气液混输泵设计工况点性能的影响 [J]. 液压气动与密封 ， 2023， 43（6）： 1-4

[15] 王岩， 邓啸， 匡成骁， 李建忠， 谭鑫， 黎义斌. 不同口环密封结构对离心泵叶轮受力特性的影响 [J]. 液压气动与密封 ， 2023，43（7）： 42-48

作者简介：邢伟霞 （1983），女，学士学位，工程师，研究方向为机电科研。

通讯作者：王芳（1981），女，工程师，研究方向为机械工程。

基金项目：省科技发展计划重点研发项目20220203033SF