CN111936771B - 由陶瓷材料制成的活塞 - Google Patents

Abstract

一种活塞(1)，包括适于与致动器构件(53)联接的第一部分(10)和适于在缸(51)中滑动的由陶瓷材料制成的第二部分(20)。第一部分(10)与第二部分(20)沿活塞(1)的纵向轴线(L)轴向连接。第二部分(20)具有沿活塞(1)的纵向轴线(L)伸长形状，并且具有靠近第一部分(10)的接合基部(21)和远离第一部分(10)的自由基部(23)。此外，自由基部(23)是封闭的，并且整体地限定活塞顶。

Description

由陶瓷材料制成的活塞

技术领域

本发明涉及力学领域。详细地，根据本发明的实施方式的解决方案涉及一种活塞，特别是至少一部分由陶瓷材料制成的活塞。此外，本发明还涉及一种包括这种活塞的操作机构。

背景技术

众所周知，活塞是用于操作机构(例如泵或马达)的基本部件。

在使用时，例如在容积式活塞泵中，泵的工作温度和压力、所泵送的流体的温度和/或其变化可能会使活塞(尤其是如果活塞是由金属材料制成的)承受很大的机械应力以及热胀冷缩循环(有时沿着活塞的纵向轴线具有不对称的强度(intensity))，这可能会导致泵的性能下降和/或加快活塞的磨损，即使不会直接导致其损坏。

在本领域中，已经通过提供包括至少部分地由陶瓷材料制成的壳体的活塞解决了这些问题。实际上，陶瓷材料(例如氧化铝)是耐高温的耐热材料，其对增加的压力具有抵抗力，也可以在具有严格受控的摩擦系数的表面上进行加工。典型的部分由陶瓷材料制成的活塞包括金属材料主体，该金属材料主体具有被连接至用于使活塞作往复运动的致动器构件(例如，连杆-曲柄运动机构)的一端以及包括杆的相反端。该杆以贯穿方式插入由陶瓷材料制成的套筒内，以从相反侧伸出，在该相反侧，将诸如螺母或销的紧固元件联接至杆的自由端，以将陶瓷套筒限制在其位置。通常将诸如一个或多个O形圈的阻挡元件放置在杆与套筒之间，以防止流体通过杆与套筒之间的间隔转移。

然而，在活塞的寿命期间，杆、紧固元件和/或阻挡元件可能会劣化和/或变形，从而使得流体通过杆与陶瓷套筒之间的间隙泄漏。该间隙通常会降低泵的性能，并且可能在这种实体的套筒上产生应力，从而导致形成裂纹、裂缝，并在极限情况下导致其断裂。

而且，在活塞的组装过程中，由于紧固元件的过度拧紧，例如由于螺母被拧得太紧，陶瓷套筒可能受到压迫。实际上，过度拧紧可能会导致套筒破裂、撕裂或断裂。

在泵送的流体具有“攻击”(例如腐蚀和/或氧化)杆的材料以及可能“攻击”紧固元件和/或阻挡元件的材料的化学成分的情况下，上述缺点可能会更加突出。

本发明的一个目的是，在简单合理的解决方案的范围内并以控制成本的方式克服上述现有技术的缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种活塞，该活塞包括两部分，其中一部分由陶瓷材料制成，所述两部分可以以简单有效的方式关联。

通过在独立权利要求中阐述的本发明的特征实现了这些目的。从属权利要求概述了本发明的优选和/或特别有利的方面。

发明内容

本发明的一个实施方式提供了一种活塞，该活塞包括适于与致动器构件联接的第一部分和适于在缸中滑动的由陶瓷材料制成的第二部分。第一部分和第二部分沿着活塞的纵向轴线轴向地连接。第二部分具有沿着活塞的纵向轴线伸长的形状，并且具有靠近第一部分的接合基部和远离第一部分的自由基部。由陶瓷材料制成的该第二部分的自由基部是封闭的，并且整体地限定活塞顶。

得益于该解决方案，如果活塞在工作期间承受升高的工作温度和压力并且也经历重大变化，则该活塞也能够以可靠且持久的方式工作。此外，活塞基本上不会受到各种化学试剂的攻击，因此，该活塞适用于使用腐蚀性和/或氧化性流体的应用，还因为这种流体无法通过陶瓷部分的封闭的自由基部泄露这一事实。另外，该解决方案避免了使用会压迫第二部分的紧固装置，从而消除了其受损的风险。

在一个实施方式中，第二部分具有杯形形状并且包括沿着活塞的纵向轴线伸长的空腔，通过接合基部上的开口可进入该空腔。另外，第一部分包括杆，该杆沿着活塞的纵向轴线伸长，并轴向地插入第二部分的空腔中。

这样，活塞的两个部分可以以简单且直接但同时稳定且安全的方式关联。

在一个实施方式中，第二部分的空腔的纵向延伸大于第一部分的杆的纵向延伸。

得益于这种解决方案，自由基部沿着活塞的纵向轴线所承受的应力不会直接传递到杆。此外，由陶瓷材料制成的第二部分可以与具有不同长度的杆的第一部分关联，而无需进行改动。

在一个实施方式中，第一部分和第二部分通过粘合元件相互约束，该粘合元件被布置成与第一部分的杆的表面和界定空腔的第二部分的内表面接触。

这样，可以以有效的方式将第一部分牢固地固定到第二部分。特别地，在泵中进行使用时，在泵的吸入步骤期间(其中腔室的真空趋于将活塞的两个部分沿轴向方向移开)，粘合元件用于确保活塞的两个部分之间的联接。

在本发明的一个实施方式中，第一部分的杆包括第一通孔，该第一通孔的轴线横向于活塞的纵向轴线。另外，第二部分包括第二通孔，该第二通孔被形成为面向空腔并且与第一通孔同轴。有利地，销轴向地插入第一通孔中和第二通孔中。

这样，活塞的第一部分和第二部分被牢固地固定至彼此，特别是相对于沿活塞的纵向轴线的运动而言。此外，通孔和销的布置允许使第一部分从第二部分脱离，例如以进行更换操作。

在一个实施方式中，第一部分包括沿着活塞的纵向轴线延伸的接纳部。此外，第二部分包括联接柄，该联接柄沿着活塞的纵向轴线从接合基部伸出并轴向地插入到接纳部中。

这样，活塞的两个部分可以以简单且直接的方式关联。特别地，设置有联接柄的活塞的第二部分不需要已知解决方案中对形成的通孔进行矫正加工的操作，该操作可能会导致陶瓷材料裂开，从而降低活塞的第一部分的品质和/或增加生产废品率。

在一个实施方式中，联接柄和接纳部的尺寸被设置以通过机械干涉相互联接。

得益于这种解决方案，可以以简单且负担得起的方式来制造联接柄和接纳部，并且同时确保了活塞的两个部分之间的有效的轴向约束，特别地以抵抗在上述泵的吸入步骤中所述部分所承受的应力。

在一个实施方式中，联接柄的侧表面和界定接纳部的第一部分的内侧表面具有螺纹，以便彼此拧紧。

这样，联接柄和接纳部被特别有效地联接，从而维持活塞的两个部分的牢固联接，也抵抗具有增加的强度的轴向应力。

本发明的另一方面提供了一种泵，该泵包括缸、致动器构件和上述活塞。详细地，第一部分被连接到致动器构件以使活塞运动，并且活塞的第二部分轴向滑动地插入缸中。有利地，第二部分的自由基部在缸中界定泵送腔室。

得益于这种解决方案，获得了可靠且持久的泵，其也适于泵送腐蚀性和/或氧化性流体。

在一个实施方式中，第二部分的纵向延伸大于或等于活塞在缸内的行程。

这样，仅仅是由陶瓷材料制成的第二部分在缸中滑动。这确保了在泵的任何工作条件下，活塞与缸之间的摩擦系数都基本恒定且较低，这使得其性能提高且均匀。此外，这确保了所泵送的流体永远不会到达活塞的两个部分之间的任何间隔。

附图说明

在阅读借助于附图通过非限制性示例提供的以下描述之后，本发明的其他特征和优点将更加明显。

图1是根据本发明的实施方式的活塞的侧视图。

图2为包括图1的活塞的泵的示意图。

图3A至图6B是根据本发明的不同实施方式的具有被部分切除和/或横切的部件的活塞及其一部分的侧视图。

具体实施方式

具体参考这些附图，用数字1表示活塞整体。

活塞包括第一部分10和第二部分20，第一部分10和第二部分20沿着活塞1的纵向轴线L轴向地彼此连接。

第一部分10可以由金属材料(例如钢)制成。

第二部分20可以由陶瓷材料制成，例如全部由陶瓷材料制成，或者等效地，可以由包括陶瓷材料的复合材料制成，陶瓷材料例如为氧化铝(alumina)。

第一部分10具有沿着活塞的纵向轴线L伸长的形状，并且包括连接端11和相对的接合端13。详细地，连接端11适于与(旋转或线性)致动器构件联接，该致动器构件可以允许活塞1沿着其纵向轴线L作往复运动。例如，连接端11可包括通孔111。接合端13适于与第一部分20联接。

第二部分20具有沿着活塞1的纵向轴线L伸长的形状，并且具有靠近第一部分10的接合基部21和远离第一部分10的自由基部23。例如，第二部分具有圆柱体或棱柱的形状，其自由基部23和接合基部通过壳体24隔开，壳体24包括圆柱体的侧表面或棱柱的侧面。有利地，壳体是平滑的，以使使用期间的相应摩擦系数最小。

在本发明的实施方式中，自由基部23是封闭的。以这种方式，自由基部23整体地限定活塞顶1。有利地，第二部分20的自由基部23是基本上横向于纵向轴线L的表面，并且在纵向轴线L的方向上没有开口，从而形成了与其接触的流体的屏障。换言之，自由基部23的形状阻止流体沿纵向轴线的方向朝向接合基部21流动。

优选但非限制性地，第二部分20的壳体24和自由基部23形成为一体，即，它们(例如通过单面涂胶操作(single gluing operation))整体作为一块陶瓷材料。

在第一和第二实施方式(分别在图3A和3B以及图4A和4B中示出)中，第二部分20具有杯形形状。优选地，第二部分20包括沿着纵向轴线L伸长的空腔25。优选地，空腔25具有圆形截面。在所考虑的示例中，通过形成在接合基部21上的开口211可进入空腔25。此外，空腔25由第二部分20的内表面251界定。

另外，第一部分10的接合端13包括杆15，杆15沿着活塞1的纵向轴线L伸长。有利地，杆15适于被轴向地插入第二部分20的空腔25内。优选地，杆15的横向尺寸和空腔25的横向尺寸(即，如果是圆柱形的杆15和空腔25，则为各自的横截面的直径)基本上以相配的方式形成，以便将杆15插入到空腔25内并具有非常小的间隙。

有利地，第二部分20的空腔25的纵向延伸大于第一部分10的杆15的纵向延伸。

在第一实施方式中，第一部分10和第二部分20通过粘合元件30(例如粘合浆糊)相互约束。粘合元件30被设置为与第一部分10的杆15的(外)表面接触并且与界定空腔25的第二部分20的内表面251接触。以这种方式，可以将第一部分10和第二部分20牢固地固定。

优选地，杆15的表面和第二部分20的内表面251被形成为具有各自的预定粗糙度值(例如，远大于壳体24的粗糙度)，以确保粘合元件对其的可靠粘合。

在第二实施方式中(在图4A和4B中示出)，第一部分10的杆15包括第一通孔17。优选地，第一通孔17被形成为具有横向于纵向轴线L的轴线。另外，第二部分20包括至少一个第二通孔，该第二通孔被形成为面向空腔25，并与相应的横向于纵向轴线L的轴线对准。在所考虑的示例中，第二部分20包括两个轴向形成的通孔27。

有利地，当将杆15插入空腔25内时，第一通孔17和第二通孔27同轴布置。另外，活塞10包括销40，该销40适于被轴向地插入第一通孔17并且被轴向地插入第二通孔27，以轴向地阻挡活塞1的第一部分10和第二部分20。

在第三和第四实施方式中(分别在图5A和5B中以及在图6A和6B中示出)，第一部分10包括接纳部19，该接纳部19沿纵向轴线L延伸(位于第一部分10内)。另外，第二部分20包括联接柄29，该联接柄29沿着纵向轴线L从接合基部21伸出。联接柄29可以与第二部分20的其余部分形成为一体。或者，联接柄29可以独立地制成，例如由不同的材料制成，例如钢或铝，并且因此被联接至第二部分20的接合基部23。

有利地，联接柄29适于被轴向地插入接纳部19中。

优选地，接纳部19的横向尺寸和联接柄29的横向尺寸(即，如果是圆柱形接纳部19和联接柄29，则为各自的横截面的直径)基本上相配地形成。

特别地，在第三实施方式中，联接柄29和接纳部19的尺寸被设置以通过机械干涉(mechanical interference)相互联接。以该方式，在活塞1的第一部分10和第二部分20之间获得了稳定联接。

另外，在第四实施方式中，联接柄29的外侧表面291和界定接纳部19的第一部分20的内侧表面191具有螺纹，以便使它们彼此拧紧。

根据上文公开的实施方式的活塞1适于在操作机构中使用，例如在图2的示意性示例中所示的(容积式)泵50中使用。

在所考虑的情形下，泵50包括缸51、致动器构件53和活塞1。

以使得自由基部23在缸51内界定出泵送腔室517的方式，将活塞1的第二部分20(例如通过相应开口515)同轴地插入缸51中。

详细地，泵送腔室517由自由基部23和缸51的内表面界定。有利地，均匀地并且仅由陶瓷材料制成的自由基部23限定泵送腔室517的可移动壁。

缸51包括与缸51的泵送腔室517连通的吸入口511、输送口513。吸入口511包括第一阀61，该第一阀61被配置以仅允许流体以进入泵送腔室517的方向流动。类似地，输送口513包括第二阀63，该第二阀63被配置以仅允许流体以离开泵送腔室517的方向流动。

活塞1的第一部分10伸出缸51的外部，并且被连接到致动器构件53，该致动器构件53被配置以使活塞1移动，使得其沿着与缸中的轴线重合的纵向轴线L滑动。在所考虑的示例中，致动器构件53可包括曲柄531和连杆533，其中，连杆533具有铰接至曲柄531的第一端和铰接至活塞1的第一部分10的连接端11的第二端(与第一端相对)。例如，连杆533的第二端可以借助于插入连接端11的通孔111中的销铰接至活塞1的第一部分10。

在优选实施方式中，活塞1的第二部分20的纵向延伸X大于或等于活塞在缸51内的行程C。

在使用时，致动器构件53的致动使得活塞1在缸51内作往复轴向运动，该往复轴向运动交替地引起流体进入/离开缸51的吸入步骤和排出步骤。详细地，活塞1的第二部分20的远离缸51的封闭端的运动会导致泵送腔室517中呈真空，导致第一阀61打开，并且导致从连接至吸入口511的液压回路的第一部分(未示出)吸入流体。另外，活塞1的第二部分20接近缸51的封闭端的运动会导致泵送腔室517中的压力增加，导致第二阀63打开，并且导致流体排出到连接至输送口513的液压回路的第二部分(未示出)中。

如此构思的本发明易于进行多种修改和变形，所有这些均落入本发明构思的范围内。例如，尽管自由基部用弯曲的形状示出，但是没有什么能阻止自由基部被成形为不同的轮廓，例如平的、截头圆锥形的、倾斜的、凹的等等的轮廓，从而获得具有符合依情况而变的需要的顶的活塞。

此外，所有细节均可以替换为其他技术上等同的元素。

在实践中，在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下，可以根据需要使用任何材料以及任何依情况而变的形状和尺寸。

Claims (4)

1.一种活塞(1)，包括第一部分(10)和由陶瓷材料制成的第二部分(20)，所述第一部分(10)适于与致动器构件(53)联接，所述第二部分(20)适于在缸(51)中滑动，所述第一部分(10)与所述第二部分(20)沿所述活塞(1)的纵向轴线(L)轴向地连接，其中所述第二部分(20)具有沿所述活塞(1)的所述纵向轴线(L)伸长的形状，并且具有靠近所述第一部分(10)的接合基部(21)和远离所述第一部分(10)的自由基部(23)，其中，所述自由基部(23)是封闭的，并且整体地限定活塞顶，

其中，所述第二部分(20)具有杯形形状并且包括空腔(25)，所述空腔(25)沿所述活塞(1) 的所述纵向轴线(L)伸长，通过所述接合基部(21)上的开口(211)可进入所述空腔(25)，并且其中所述第一部分(10)包括杆(15)，所述杆(15)沿所述活塞(1) 的所述纵向轴线(L)伸长，并且轴向地插入所述第二部分(20)的所述空腔(25)内，

其特征在于，所述第一部分(10)的所述杆(15)包括第一通孔(17)，所述第一通孔(17)的轴线横向于所述活塞(1)的纵向轴线(L)，并且其中所述第二部分(20)包括第二通孔(27)，所述第二通孔(27)被形成为面向所述空腔(25)并且与所述第一通孔(17)同轴，并且其中将销(40)轴向地插入所述第一通孔(17)中和所述第二通孔(27)中。

2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其中，所述第二部分(20)的所述空腔(25)的纵向延伸大于所述第一部分(10)的所述杆(15)的纵向延伸。

3.一种泵(50)，包括：

-缸(51)；

-致动器构件(53)；以及

-根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其中所述第一部分(10) 被连接至所述致动器构件(53)，以使所述活塞(1)运动，并且其中所述活塞(1)的所述第二部分(20)滑动地轴向插入所述缸(51)中，所述第二部分(20)的所述自由基部(23)在所述缸(51)内界定泵送腔室(517)。

4.根据权利要求3所述的泵(50)，其中，所述第二部分(20)的纵向延伸大于或等于所述活塞(1)在所述缸(51)内的行程。

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