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Abstract

本发明公开了一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，包括内部为中空结构的缸体和内部为中空结构的大柱塞；大柱塞设置在缸体内部，上部外壁与缸体滑动配合，下部外壁与缸体内壁之间形成第一密封腔；缸体内下部设置有液体腔，液体腔和与大柱塞下表面之间设置有联通第一密封腔的隔离腔；还包括下部设置在大柱塞内部与其内壁滑动配合的小柱塞，大柱塞内部与小柱塞下表面之间形成第二密封腔；第二密封腔与第一密封腔之间通过至少一个阻尼小孔联通；大柱塞上方和缸体之间连接有弹簧；本发明通过高压气膜隔离液体介质和密封圈，防止杂质进入摩擦副，提高柱塞副寿命并且可以避免液体介质外泄，同时避免工作介质对柱塞和密封件的腐蚀。

Description

一种基于气体隔离的高压液体柱塞副
技术领域
本发明涉及一种柱塞副，具体涉及一种基于气体隔离的高压液体柱塞副。
背景技术
水泵广泛应用在城市供水、冶金、石化、电力、煤化、工业清洗和造纸等行业；离心泵、隔膜泵和柱塞泵是主要的水泵形式，前两者压力较低、后者体积较大；水中的固体颗粒和污水等很容易导致泵的密封失效，大大降低其工作性能和使用寿命；离心泵和隔膜泵由于结构原理和材料的原因限制了其工作压力的提高，柱塞式结构是高压水泵的理想形式；柱塞副密封都是采用成型密封，一般通过密封圈隔离介质；对高压水泵而言，本身的高压和水中杂质的存在将加速密封圈和柱塞的磨损，导致柱塞泵密封失效，造成泄露；柱塞泵的一部分磨损来自设计和装配的不合理，另外还有最重要的一部分来自密封圈；由于冶金、电力和清洗等行业的水介质杂质较多并且很多是污水，柱塞副及其密封件的寿命较低，大大影响了该领域高压水泵的发展；工业上的密封大多采用接触式密封和非接触式机械密封；其中非接触式机械密封包括周向圆弧槽、雷列台阶面和螺旋槽面的流体动压密封，也将它们统称为干气密封；干气密封主要在离心式压缩机和船舶艉轴前端气体密封，采用动静压混合支撑原理提供压力气膜实现密封；气膜比较薄，并且不能在液体容积腔体积变化过程中实现自动压力补偿与调节，无法用于柱塞副吸排液体的结构。
发明内容
本发明提供一种安全可靠、工作寿命长的基于气体隔离的高压液体柱塞副。
本发明采用的技术方案是：一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，包括内部为中空结构的缸体和内部为中空结构的大柱塞；大柱塞设置在缸体内部，上部外壁与缸体滑动配合，下部外壁与缸体内壁之间形成第一密封腔；缸体内下部设置有液体腔，液体腔与大柱塞下表面之间设置有联通第一密封腔的隔离腔；还包括下部设置在大柱塞内部与其内壁滑动配合的小柱塞，小柱塞上部设置在大柱塞外部；大柱塞下部设置有向内凹陷的台阶；大柱塞内部与小柱塞下表面之间形成第二密封腔；第二密封腔与第一密封腔之间通过至少一个阻尼小孔联通；大柱塞上方和缸体之间连接有弹簧。
进一步的，所述小柱塞与大柱塞滑动配合处设置有第一密封圈。
进一步的，所述大柱塞和缸体之间，第一密封腔上部设置有至少一个第二密封圈。
进一步的，所述小柱塞上端超出缸体上表面。
进一步的，所述大柱塞上表面设置有盖板。
进一步的，所述缸体上表面设置有缸体盖板。
进一步的，所述缸体上部和与液体腔接触的下部采用分体结构。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过小柱塞的压缩形成一层稳定的高压气膜，通过高压气膜隔离液体介质和密封圈，防止杂质进入摩擦副，提高柱塞副寿命并且可以避免液体介质外泄；
(2)本发明中的高压气膜能满足柱塞高压排水的要求，利用高压气膜容积腔的快速膨胀使其产生较大的、稳定的真空度，保证柱塞副顺利吸水；
(3)本发明设置有阻尼小孔，有利于高压密封时的气膜动态生成和吸液时真空度的保持；
(4)本发明通过设置弹簧实现定位保证小柱塞压缩气体和膨胀气体过程中处于静止，达到气体压力控制要求后与小柱塞实现共同移动。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1-弹簧，2-第一密封圈，3-缸体，4-第二密封圈，5-阻尼小孔，6-液体腔，7-隔离腔，8-第一密封腔，9-大柱塞，10-第二密封腔，11-小柱塞，12-盖板，13-缸体盖板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，包括内部为中空结构的缸体3和内部为中空结构的大柱塞9；大柱塞9设置在缸体3内部，上部外壁与缸体3滑动配合，下部外壁与缸体3内壁之间形成第一密封腔8；缸体3内下部设置有液体腔6，液体腔6与大柱塞9下表面之间设置有联通第一密封腔8的隔离腔7；还包括下部设置在大柱塞9内部与其内壁滑动配合的小柱塞11，小柱塞11上部设置在大柱塞9外部；大柱塞9下部设置有向内凹陷的台阶；大柱塞9内部与小柱塞11下表面之间形成第二密封腔10；第二密封腔10与第一密封腔8之间通过至少一个阻尼小孔5联通；大柱塞9上方和缸体3之间连接有弹簧1。
进一步的，所述小柱塞11与大柱塞9滑动配合处设置有第一密封圈2；第一密封圈2采用O型密封圈，用于防止第二密封腔10内的气体泄漏。
进一步的，所述大柱塞9和缸体3之间，第一密封腔8上部设置有至少一个第二密封圈4；可以采用O型密封圈，用于防止第一密封腔8内的气体泄漏。
进一步的，所述小柱塞11上端超出缸体3上表面。
进一步的，所述大柱塞9上表面设置有盖板12。
进一步的，所述缸体3上表面设置有缸体盖板13。
进一步的，所述缸体3的上部和与液体腔6接触的下部为分体结构；与液体腔6接触的下部缸体3材料通常选择防腐蚀材料，需要满足液体的腐蚀性要求，无精度要求；缸体3上部的材料可选择普通金属材料，精度要求较低。
使用时，小柱塞11连接驱动机构，沿大柱塞9内壁往复运动；小柱塞11向下快速运动，压缩第二密封腔10内的气体形成高压气体，高压气体通过四个阻尼小孔5充满第一密封腔8；第一密封腔8中的高压气体通过大柱塞9与缸体3之间的间隙进入隔离腔7，由于高压气体的进入，隔离腔7中形成一层高压气膜；高压气膜可将液体腔6中的水排出，完成高压排水，同时可以起到隔离大柱塞9和水的作用；完成排水后小柱塞11外伸，当小柱塞11与大柱塞9上端的盖板12接触时，大柱塞9和小柱塞11同步快速外伸，压缩弹簧1，弹簧1一端固定在盖板12上，另一端固定在缸体盖板13上，随着小柱塞11与大柱塞9的同步外伸，隔离腔7的体积迅速增加；由于阻尼小孔5、大柱塞9与缸体3之间间隙的存在，第一密封腔8和第二密封腔10中的气体未能及时补偿，隔离腔7中形成真空，能使柱塞副顺利吸水。
小柱塞11用于压缩和膨胀气体，为排水时提供高压隔离密封气膜并且保证吸液时防止隔离气体填充真空区域；小柱塞11连接驱动机构，可以沿大柱塞9内壁往复运动；大柱塞9下部设置有向内凹陷的台阶，可以实现小柱塞11运动的限位，使得小柱塞11在气体压缩和膨胀阶段时大柱塞9保持静止；小柱塞11运动到位于大柱塞9下部台阶处时，带动大柱塞9压缩液体腔6中的液体排液，运动到上部大柱塞9的盖板12处时，带动大柱塞9向上运动，实现吸液；第二密封腔10与第一密封腔8之间通过至少一个阻尼小孔5联通，阻尼小孔5设置在大柱塞9上，有利于高压密封时的气膜动态生成和吸液时的真空度保持；大柱塞9利用弹簧1和其下部的台阶实现定位，保证小柱塞11压缩气体和膨胀气体过程中处于静止。
本发明是针对水泵等流体柱塞泵摩擦副的密封现状问题，所提出的一种用于柱塞泵的基于气体隔离密封的柱塞副；在柱塞副工作过程中形成一层稳定的高压气膜，通过压力气膜分隔液体介质和密封圈，防止杂质或腐蚀性液体进入摩擦副，在提高柱塞副寿命的同时避免液体介质外泄；本发明可以降低柱塞副的材料要求和加工精度要求，使得柱塞副更容易拆卸更换，降低了维护难度；本发明通过结构的设计实现气体隔离密封，根据气体的性质和热力学方程，气体具有良好的压缩和膨胀特性，压强与体积存在定量的关系；能够保证压缩阶段产生满足工作压力要求的气膜以及膨胀时不填充液体介质的真空区；小柱塞11从底部往上运动，隔离腔7中的气体膨胀，压力降至大气压左右，小柱塞11到达大柱塞9的盖板12位置后，带动大柱塞9共同向上运动，在液体上方形成真空；由于阻尼小孔5的作用以及气体密度较小的原因使得气体不能及时填充液体上方的真空区域，从而实现吸液过程；小柱塞11向下运动时，在隔离腔中7形成高压密封气膜，实现排液过程；在吸排液体过程中，始终保持气体被阻隔在密封圈和工作液体介质之间，同时实现了柱塞副的正常吸排液；本发明基于气体隔离思想，提出了利用压力空气阻隔工作介质和摩擦副的直接接触，避免了杂质进入到柱塞副间隙中发生柱塞卡紧磨损，同时避免工作介质对柱塞和密封件的腐蚀，大大提高了产品的工作寿命。

Claims (6)

1.一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：包括内部为中空结构的缸体(3)和内部为中空结构的大柱塞(9)；大柱塞(9)设置在缸体(3)内部，上部外壁与缸体(3)滑动配合，下部外壁与缸体(3)内壁之间形成第一密封腔(8)；缸体(3)内下部设置有液体腔(6)，液体腔(6)与大柱塞(9)下表面之间设置有联通第一密封腔(8)的隔离腔(7)；还包括下部设置在大柱塞(9)内部与其内壁滑动配合的小柱塞(11)，小柱塞(11)上部设置在大柱塞(9)外部；大柱塞(9)下部设置有向内凹陷的台阶；大柱塞(9)内部与小柱塞(11)下表面之间形成第二密封腔(10)；第二密封腔(10)与第一密封腔(8)之间通过至少一个阻尼小孔(5)联通；大柱塞(9)上方和缸体(3)之间连接有弹簧(1)；所述大柱塞(9)上表面设置有盖板(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：所述小柱塞(11)与大柱塞(9)滑动配合处设置有第一密封圈(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：所述大柱塞(9)和缸体(3)之间，第一密封腔(8)上部设置有至少一个第二密封圈(4)。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：所述小柱塞(11)上端超出缸体(3)上表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：所述缸体(3)上表面设置有缸体盖板(13)。
6.根据权利要求1所述的一种基于气体隔离的高压液体柱塞副，其特征在于：所述缸体(3)的上部和与液体腔(6)接触的下部为分体结构。
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