一种液压杆斯特封往复泄漏量预测方法和系统

本发明属于液压往复密封泄漏预测，具体涉及一种液压杆斯特封往复泄漏量预测方法和系统，适用于抗蛇行减振器、液压缸、作动器、减振器以及其他液压杆往复密封结构的新件状态泄漏性能预测和密封参数评价。

背景技术：

1、液压杆往复密封广泛应用于轨道车辆减振器、液压缸、作动器和工程机械液压系统中。斯特封通常由密封环和预紧环组成，密封环与液压杆表面形成动密封界面，预紧环通过装配压缩变形向密封环提供径向预紧力，使密封环内壁压紧液压杆表面并形成主密封接触带。在液压杆往复运动过程中，油腔压力、密封环弹塑性变形、预紧环弹性回复、粗糙表面真实接触、微观间隙和油膜输运共同影响斯特封泄漏性能。

2、现有液压杆密封泄漏预测方法多采用名义间隙、平均膜厚、经验泄漏系数或单向压力驱动模型进行估算。这类方法在工程应用中存在以下不足。

3、第一，现有方法通常难以反映装配预紧和油腔压力共同作用下密封环粗糙表面的真实加载状态。液压杆斯特封在装配后并非处于自由状态，而是在预紧环、密封沟槽、液压杆和油腔压力共同作用下形成受限压缩接触状态。该状态会改变密封环内壁主接触面的局部弹塑性变形和微观开口间隙分布，若仅采用未加载粗糙形貌或名义间隙进行泄漏计算，难以准确表征工作状态下的油膜输运空间。

4、第二，现有方法通常难以区分孤立开口间隙与连通开口通道。密封界面中存在的微观开口间隙并不一定均参与泄漏输运，其中一部分开口间隙可能仅作为局部储油空间，未同时连通油腔侧和空气侧，不能形成贯通泄漏路径。若将全部开口间隙面积或平均间隙高度直接等效为泄漏通道，容易高估实际泄漏能力。

5、第三，现有方法通常偏重于高压行程单向外泄计算，未充分考虑液压杆往复运动下高压外带行程和低压回带行程之间的相互抵消关系。实际液压杆斯特封泄漏是外带油量与回带油量竞争后的净输运结果，而不是高压行程外泄量的简单累积。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种液压杆斯特封往复泄漏量预测方法和系统，解决现有液压杆密封泄漏预测方法难以反映加载状态微观间隙、难以区分孤立储油区和连通输运通道、难以描述外带/回带净输运关系的问题；能够将宏观接触压力、加载状态微观开口间隙、连通通道识别和外带—回带净输运相结合的液压杆斯特封往复泄漏量预测，以提高新件状态下微量泄漏预测和密封性能评价的可靠性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种液压杆斯特封往复泄漏量预测方法，包括以下步骤：

4、s1，获取液压杆斯特封基础输入参数。

5、所述基础输入参数包括液压杆直径、密封环几何尺寸、预紧环几何尺寸、密封沟槽尺寸、密封环材料参数、预紧环材料参数、密封环内壁主接触面粗糙形貌、油液黏度、油腔侧压力、空气侧压力、液压杆往复运动幅值、往复运动频率和液压杆相对滑动速度。其中，密封环为直接与液压杆形成动密封界面的部件，预紧环为向密封环提供径向预紧力的弹性部件。

6、s2，建立液压杆斯特封宏观接触模型。

7、根据液压杆斯特封几何结构和材料参数建立宏观接触模型，模拟密封环、预紧环、液压杆和密封沟槽之间的装配接触关系。通过施加装配预紧边界和油腔压力边界，获得主密封接触带的宏观接触压力分布。在不同油腔压力或不同运动状态下，分别提取主密封接触带有效接触宽度、宏观接触压力分布、平均名义接触压力、接触压力峰值和峰值位置。

8、s3，构建密封环主接触面的等效粗糙表面。

9、获取密封环内壁主接触面粗糙形貌，对粗糙形貌进行局部平面展开，建立轴向和周向坐标。对原始形貌进行平面校正、异常点处理和宏观轮廓扣除，得到等效粗糙表面高度场。所述等效粗糙表面用于表征密封环内壁主接触面在微观尺度上的峰谷起伏特征。

10、s4，计算加载状态微观开口间隙场。

11、将步骤s2得到的平均名义接触压力作为微观接触计算的法向载荷边界，将步骤s3得到的等效粗糙表面作为几何输入，对密封环内壁主接触面进行加载状态弹塑性微观接触计算。计算过程中，根据粗糙峰局部接触压力、弹塑性变形和残余压平形貌，获得加载状态下的真实接触区和微观开口间隙，形成加载状态微观开口间隙场。在一种优选实施方式中，微观接触计算采用fft-mg方法进行压力—间隙迭代，并结合密封环drucker-prager弹塑性材料参数更新粗糙表面压平形貌。

12、s5，建立油膜厚度场并识别连通开口通道。

13、根据加载状态微观开口间隙场和边界油膜厚度建立局部油膜厚度场。当某一区域的油膜厚度小于或等于设定阈值时，将该区域识别为真实接触区；当某一区域的油膜厚度大于设定阈值时，将该区域识别为开口间隙区。进一步根据开口间隙区与油腔侧边界和空气侧边界之间的连通关系，将开口间隙区划分为孤立开口间隙区和连通开口通道。其中，同时连通油腔侧边界和空气侧边界的开口间隙区被定义为连通开口通道；未同时连通油腔侧边界和空气侧边界的开口间隙区被定义为孤立开口间隙区。孤立开口间隙区可作为局部储油空间，但不作为贯通压力驱动泄漏通道。

14、s6，提取等效油膜通道参数。

15、根据步骤s5识别得到的连通开口通道，提取等效油膜通道参数。所述等效油膜通道参数包括压力驱动等效通道参数和杆面拖曳等效通道参数。压力驱动等效通道参数用于表征油腔侧与空气侧压力差作用下油液沿连通开口通道的贯通输运能力；杆面拖曳等效通道参数用于表征液压杆相对滑动对油膜输运的拖曳能力。

16、s7，计算高压外带行程外带油量和低压回带行程回带油量。

17、在高压外带行程中，根据油腔侧压力、空气侧压力、油液黏度μ、液压杆相对滑动速度、压力驱动等效通道参数和杆面拖曳等效通道参数，计算高压外带行程的外带油量。在低压回带行程中，根据油腔侧压力、空气侧压力、油液黏度μ、液压杆相对滑动速度、压力驱动等效通道参数和杆面拖曳等效通道参数，计算低压回带行程的回带油量。其中，高压外带行程和低压回带行程采用各自对应的宏观接触边界、加载状态微观开口间隙场、油膜厚度场和等效油膜通道参数。

18、s8，计算单周期净泄漏量和累计泄漏量。

19、根据高压外带行程外带油量和低压回带行程回带油量计算单周期净泄漏量：。当大于零时，表示该往复周期内液压杆斯特封存在由油腔侧向空气侧的净泄漏；当vnet小于或等于零时，表示该往复周期内回带作用能够抵消或超过外带作用。根据循环次数n计算累计泄漏量：。进一步，根据外带油量和回带油量计算泵吸补偿系数η：η=。所述泵吸补偿系数η用于表征低压回带行程对高压外带行程油膜输运的补偿能力。

20、本发明还提供一种液压杆斯特封往复泄漏量预测系统，包括：

21、第一处理模块，用于获取液压杆斯特封的结构参数、密封环材料参数、预紧环材料参数、密封环内壁主接触面粗糙形貌、油液黏度、液压杆运动参数和油腔压力边界；

22、第二处理模块，用于建立液压杆斯特封宏观接触模型，获得不同油腔压力和不同往复运动状态下主密封接触带的有效接触宽度、宏观接触压力分布和平均名义接触压力；

23、第三处理模块，用于根据所述密封环内壁主接触面粗糙形貌构建等效粗糙表面；

24、第四处理模块，用于根据所述有效接触宽度和所述平均名义接触压力，对所述等效粗糙表面进行加载状态弹塑性微观接触计算，获得主密封接触带内的加载状态微观开口间隙场；

25、第五处理模块，用于根据所述加载状态微观开口间隙场建立油膜厚度场，并根据所述油膜厚度场识别真实接触区、孤立开口间隙区和连通开口通道；

26、第六处理模块，用于根据所述连通开口通道提取等效油膜通道参数；

27、第七处理模块，用于基于油腔侧压力、空气侧压力、油液黏度和液压杆相对滑动速度，分别计算高压外带行程的外带油量和低压回带行程的回带油量；

28、第八处理模块，用于根据所述外带油量与所述回带油量的差值计算单周期净泄漏量，并根据循环次数计算累计泄漏量

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、（1）本发明将宏观接触模型得到的主密封接触带有效接触宽度和平均名义接触压力传递至微观接触计算，能够获得加载状态微观开口间隙场，避免直接采用未加载粗糙形貌或名义间隙进行泄漏估算。

31、（2）本发明将加载状态微观开口间隙场进一步转化为油膜厚度场，并根据油膜厚度和边界连通关系识别真实接触区、孤立开口间隙区和连通开口通道，能够排除不参与贯通输运的孤立储油区域，提高泄漏通道判断的准确性。

32、（3）本发明分别计算高压外带行程外带油量和低压回带行程回带油量，并以二者差值确定单周期净泄漏量，能够反映液压杆斯特封往复运动中的外带/回带竞争关系。

33、（4）本发明能够输出单周期净泄漏量、累计泄漏量、等效油膜通道参数和泵吸补偿系数，可用于评价密封环材料参数、预紧环硬度、密封环内壁主接触面几何参数、油腔压力、液压杆速度和油液黏度对泄漏性能的影响。

34、（5）本发明适用于抗蛇行减振器、液压缸和作动器等液压杆往复密封结构的新件状态微量泄漏预测，可为斯特封结构设计、材料选型和工况适配提供依据。