[发明专利]一种自动补偿间隙的柱塞

说明书

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。