CN102269162A - 一种自动补偿间隙的柱塞 - Google Patents

Abstract

一种自动补偿间隙的柱塞，用于海淡水，高水基等低粘度、及传统液压油介质的液压泵结构中，它解决了传统液压泵柱塞副的密封问题。其包括柱塞基体、柱塞套、沟通水道、环形槽、轴向阻尼孔和柱塞套尾部楔状部分。柱塞套为弹性元件，加工时注塑在柱塞基体上使两者成为组件，装配时小间隙配合装入液压泵的缸孔中。沟通水槽和轴向阻尼孔为十字交叉孔，在柱塞基体表面沟通水槽出口处开设环形沟槽，实现轴向阻尼孔——沟通水道——环形沟槽的流道相连；柱塞套尾部超出柱塞基体的部分加工成楔形，和缸孔的压水腔相连。本发明在纯水柱塞泵运行过程中起到密封的作用，减小纯水柱塞泵中柱塞副的泄漏量，实现了无圈密封，且易于加工，实用性很强。

Description

一种自动补偿间隙的柱塞

技术领域

本发明涉及一种自动补偿间隙的柱塞，可用于海淡水，高水基等低粘度以及传统液压油介质的液压泵结构中，达到提高液压泵柱塞副密封效果和泵的容积效率的目的，属于流体传动与控制技术领域。 

背景技术

纯水液压技术是以天然淡水或海水代替矿物油作为液压系统工作介质的一门新技术。近年来，基于安全卫生、节约能源、保护环境和海洋开发的日益重视，纯水液压技术的研究已成为国际液压界的一大前沿研究课题。与使用其他类型介质的液压传动相比，纯水液压传动具有以下优点： 

(1)不燃烧、无污染、资源丰富和价格低廉； 

(2)系统的压缩损失小、响应快且动态性能好； 

(3)比热和导热系数大、系统温升低； 

(4)粘度低、系统的沿程损失和局部损失小； 

(5)系统维修方便、易清洗、维护成本低。 

21世纪是人类全面认识、开发利用和保护海洋的新世纪。海洋面积约占地表面积的71％，蕴藏着丰富的水资源、矿产能源资源等，对海洋，特别是对深海资源的探索与开发，能够为人类解决一些全球性的问题提供一种有效途径。相对于传统矿物油而言，纯水具有来源广泛，无污染，阻燃性好等优点，在我国积极开展以海水和自来水为工作介质的纯水液压传动技术研究与开发，对节约能源、保护环境、可持续发展及开发绿色液压产品，具有十分重要的意义。 

水液压泵是纯水液压传动系统的核心，目前应用较多的水液压泵有离心泵，二柱塞泵和三柱塞泵。离心泵具有压力低，噪声大等缺点，不能完全满足纯水液压传动系统泵源要求；二柱塞泵和三柱塞泵具有流量小，体积庞大，振动噪声大等缺点，也不能广泛用于各种纯水液压传动系统。斜盘式柱塞泵和斜轴式柱塞泵具有高压大流量，体积小，维修方便，能满足噪声振动要求等优点而备受世界各国学者关注。发达国家已经研制出较为成熟的产品，并占领了相当一部分市场，如丹麦的Danfoss系列泵，英国的TWHC和Fenner系列泵。而我国 目前在这一技术领域还处于研制阶段，研制出来的样机还不够成熟，尚不能产品化。 

水液压泵存在柱塞-缸体，滑靴-斜盘和配流副三大摩擦副。柱塞-缸体副的工作状态的好坏直接影响整个液压泵的容积效率、机械效率和使用寿命。一般矿物油在50℃时的运动粘度为15～70mm²/s，普通油压泵的柱塞副采用间隙配合即可实现高压密封；然而海淡水50℃时运动粘度为0.55～0.6mm²/s，大约是传统矿物油的1/40～1/50。如果海淡水柱塞泵也采用间隙配合密封方式，柱塞副处的配合间隙大小只能是几个微米才能够满足要求。从工艺的角度来说，由于形状公差很难达到这么高的要求，若设计这么小的间隙，柱塞与缸孔之间亦不利于装配。另外一方面，柱塞副的配合间隙太小，工作过程中容易被细小的污染物堵死，导致水液压泵对水介质的过滤精度提出了更高的要求，对污染更加敏感。 

在国内研制的水压泵里面，柱塞副部分比较常用的密封方式是使用格莱圈密封。格莱圈是由一个O型橡胶密封圈以及一个抗磨的填充聚四氟乙烯(PTFE)方形圈组合而成。O型圈提供弹力，可以在无压力的情况下使方形圈对柱塞副进行密封，并且对PTFE方形圈在工作中的磨损起补偿的作用。但是格莱圈的许用工作频率最大只有5HZ，而海淡水液压泵柱塞副的运动频率至少为12.5HZ(以750转/分的转速计算)，远远高于格莱圈的最大工作频率。因此，格莱圈不适用于高频往复运动的柱塞副密封。尤其对于高压泵而言，在高压作用下，格莱圈很容易产生变形，泄漏量增加，达不到密封的效果。此外，格莱圈装配相当不方便，特别对于缸孔较小的小流量柱塞泵而言，需要制作配套工装以便装配，维修也是相当不便。 

鉴于上述对于柱塞副间隙密封技术的不足，北京工业大学流体传动与控制中心提出了一种柱塞副密封间隙自动补偿结构，该结构主要包括柱塞、压盖、O型圈、环形沟槽、缸套、缸体、沟通水道、容腔和堵头，其中缸套为弹性元件，装配时过盈压入缸孔。当该柱塞处于压水行程时，容腔内为高压水，高压水经环形沟槽作用于缸套外周，使之径向向内产生微量的变形，减小柱塞与缸套之间的配合间隙，以达到良好的密封效果；在柱塞吸水行程时，容腔内为低压水，环形沟槽内也是低压水，缸套内外受到的压力平衡，缸套恢复原来的形状，柱 塞与缸套之间的间隙增加，摩擦力减小，从而减小了柱塞与缸套的磨损，增加了柱塞副的寿命，同时提高了该泵的机械效率。然而，在实际加工过程中，由于沟通水道过于细长，钻孔过后，沟通水道和环形槽常常难以贯通，因而无法发挥该结构应有的作用，说明此结构在加工上存在较大的弊端。 

鉴于此，本课题组在上述结构的基础上提出了一种自动补偿间隙的柱塞。 

发明内容

为了克服水液压泵柱塞副密封性差，泄漏量大，柱塞摩擦阻尼大，容易磨损等缺点，本发明提供一种自动补偿间隙的柱塞，能够实现柱塞副密封间隙的自动补偿，减小柱塞和缸体的摩擦力，提高柱塞副使用寿命，并且加工方便，实用性很强。 

本发明采用如下技术手段，一种自动补偿间隙的柱塞，包括柱塞基体1，柱塞套2，沟通水道3，环形槽4，轴向阻尼孔5，楔形部分6，所述柱塞套2为弹性元件，注塑在柱塞基体1上使两者成为组件，小间隙配合装于缸体的缸孔中；柱塞基体1上沟通水道3和轴向阻尼孔5为十字交叉孔，柱塞基体1尾部的阻尼孔5的轴线和柱塞基体的中心线重合，沟通水道3和轴向阻尼孔5垂直；柱塞基体1表面沟通水道3出口处开有周向环形槽4，从而实现轴向阻尼孔5——沟通水道3——环形槽4的流道相连，工作时使水能通过轴向阻尼孔引入沟通水道，最后流入环形沟槽。 

所述柱塞套2尾部超出柱塞的部分加工成楔形，柱塞基体1和柱塞套2尾部的楔形部分和泵缸体的压水腔相连。 

所述的柱塞套2为工程塑料类弹性元件，材质为PEEK。 

本发明可以取得如下有益效果： 

柱塞套加载时能产生一定的变形，不加载时则迅速恢复到原状。柱塞组件在缸孔中做往复直线运动，当柱塞处于压水行程时，轴向阻尼孔内为高压水，高压水通过沟通水道流向柱塞套外周的环形沟槽，迫使柱塞套在环形沟槽处径向向外产生微量的变形，减小柱塞套与缸孔之间的配合间隙。同时柱塞尾部的楔形部分由于受到内外侧压力差的作用而向四周扩张，起到唇形密封的作用。从而实现零泄漏或微量泄漏，达到良好的密封效果；当柱塞吸水行程时，轴向 阻尼孔内为低压水，柱塞基体外周的环形槽内也是低压水，柱塞套内外受到的压力趋于平衡，柱塞套迅速恢复原状，柱塞套和缸孔之间的间隙增加，摩擦力减小，从而减小了柱塞套的磨损，增加了柱塞副的寿命，同时提高了该泵的机械效率和工作可靠性。 

所述轴向阻尼孔、沟通水道和环形槽是实现本装置功能的关键设计，轴向阻尼孔和环形槽通过沟通水道而沟通。所述柱塞尾部楔状部分，在柱塞处于压水行程时，由内向四周扩张而形成唇形密封，同时减小了柱塞副的轴向压力梯度，提高泵的工作平稳性。 

本发明提供的一种自动补偿间隙的柱塞，能够根据水液压泵的出口压力而自动调整柱塞副的间隙，并且在柱塞尾部形成唇形密封，当柱塞副处在高压压水区域时，能够减小柱塞和缸孔的间隙，实现零泄漏或微量泄漏，解决了柱塞副的密封问题，极大地提高了泵的容积效率；当柱塞处在低压吸水区域时，能够增大柱塞和缸孔之间的间隙，减小摩擦磨损，极大地提高了泵的机械效率。此外，本发明还克服了原有柱塞副间隙自动补偿结构不易加工的的缺点，加工简单方便，实用性更强。 

通过本发明，可以有效提高水液压柱塞泵的容积效率和机械效率，对我国水液压元件的开发和研制具有重要意义。 

本发明还可用于高水基等其它低粘度以及传统液压油介质的液压泵结构中。 

本装置不但能实现原有结构的功能，而且其结构和加工工艺及其简便，密封性能更好。同时设计试验台方便，很容易做静态和动态密封试验，从而改进了原有结构的缺点，提高了实际应用性。 

附图说明

图1为本发明结构图。 

图2为本发明的装配图。 

图中：1-柱塞基体；2-柱塞套；3-沟通水道；4-环形槽；5-轴向阻尼孔；6-楔状部分。 

具体实施方式

图1和图2为本发明结构图，本发明包括柱塞基体1，柱塞套2，沟通水道3，环形槽4，轴向阻尼孔5和楔状部分6。柱塞套2注塑在柱塞基体1上使两者成为组件，小间隙配合装于缸体的缸孔中；柱塞基体1上沟通水道3和轴向阻尼孔5十字交叉，柱塞基体1尾部的阻尼孔5的轴线和柱塞的中心线重合，沟通水道3和轴向阻尼孔5垂直；柱塞2表面沟通水道3出口处开有周向环形槽4，从而实现轴向阻尼孔5——沟通水道3——环形槽4的流道相连，工作时使水能通过轴向阻尼孔引入沟通水道，最后流入环形沟槽。所述柱塞套2尾部超出柱塞的部分加工成楔形，柱塞基体1和柱塞套2尾部的楔形部分和泵缸体的压水腔相连。 

其中柱塞套所述的柱塞套2为工程塑料类弹性元件，材质为PEEK。加工时注塑在柱塞上形成组件，装配时小间隙配合装入缸孔中。加载时能产生一定的变形，不加载时恢复到原来的形状。柱塞套尾部的楔状部分，受载时向外扩张而形成唇形密封，进一步提高柱塞副的密封效果。环形槽和轴向阻尼孔通过沟通水道相贯通，加载时高压水由轴向阻尼孔通过沟通水道通入环形槽，使环形槽外周的柱塞套受载变形；卸载时环形槽内的高压水由沟通水道通入轴向阻尼孔而流出，使得环形槽外周的柱塞套不受载而恢复到原来的形状。 

纯水液压泵工作时，柱塞在缸孔中做往复直线运动，当柱塞处于压水行程时，柱塞腔内的高压水由轴向阻尼孔5通过沟通水道3而通入环形槽4中，环形槽外周的柱塞套受载产生变形，柱塞套2和缸孔之间的间隙减小。与此同时，柱塞套尾部的楔状部分6由于内外的压力差而受载变形，向四周扩张形成唇形密封，使得柱塞套和缸孔之间的间隙进一步减小，达到良好的密封效果。同时也降低了柱塞的轴向压力梯度，提高了泵的运行平稳性。当柱塞处于吸水行程时，柱塞腔内为低压水，低压水由轴向阻尼孔和沟通水道引入环形槽中，柱塞套2内外所受的压力平衡，恢复到原来的形状。柱塞套2和缸孔之间的间隙增加，摩擦力减小，从而减小了柱塞套2和缸孔之间的磨损，增加了柱塞副寿命，同时提高了纯水液压泵的机械效率和工作可靠性。 

Claims (3)

1.一种自动补偿间隙的柱塞，包括柱塞基体(1)，柱塞套(2)，沟通水道(3)，环形槽(4)，轴向阻尼孔(5)，楔形部分(6)，其特征在于：所述柱塞套(2)为弹性元件，注塑在柱塞基体(1)上使两者成为组件，小间隙配合装于缸体的缸孔中；柱塞基体(1)中沟通水道(3)和轴向阻尼孔(5)十字交叉，柱塞基体(1)尾部的阻尼孔(5)的轴线和柱塞的中心线重合，沟通水道(4)和轴向阻尼孔(5)垂直；柱塞基体(1)表面沟通水道(3)出口处开有环形槽(4)，从而实现轴向阻尼孔(5)——沟通水道(3)——环形槽(4)的流道相连，工作时使水能通过轴向阻尼孔引入沟通水道，最后流入环形沟槽。

2.根据权利要求1所描述的一种自动补偿间隙的柱塞，其特征在于：所述柱塞套(2)尾部超出柱塞的部分加工成楔形，柱塞基体(1)和柱塞套(2)尾部的楔形部分和泵缸体的压水腔相连。

3.根据权利要求1所描述的一种自动补偿间隙的柱塞，其特征在于：所述的柱塞套(2)为工程塑料类弹性元件，材质为PEEK。

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