一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞的制作方法

本实用新型涉及高压低粘度柱塞式液压泵和马达.具体是一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞。

背景技术：

柱塞泵或者柱塞马达作为液压体统的动力原件或者执行元件，被广泛应用于航空航天、深海探测、矿山井下、医疗器械及食品加工等。与传统以石油产品为工作介质的液压系统相比，水液压系统具有不污染环境，能保证工作场所清洁；难燃，无着火危险和价格低廉，来源广泛等特点。随着新材料、新技术和新工艺的发展，水液压技术成为当前液压领域研究热点之一。

采用水作为传动介质，由于水的低粘度等理化特性，使得柱塞运动副之间润滑性能很差，同时造成大量泄漏和锈蚀现象，所以难达到15MPa以上。对于柱塞组件，现有结构都在很大缺陷：一般在柱塞结构设计中，摩擦副采用软硬配对的方式来提高摩擦副的使用性能，广泛地采用工程陶瓷、工程塑料等新型材料，加工成本高；另外，采用全水润滑，柱塞摩擦副润滑性能差，柱塞泵或马达的可靠性和寿命受到严重制约。随着水压传动与控制技术的发展，水液压系统向高压、大流量发展的同时，柱塞式泵或马达的可靠性问题亟待解决。如用于高压细水雾灭火系统的水液压泵组单元已经达到最大输出流量1000L/min、最大工作压力16MPa;十三五国家重点研发计划全深海载人潜器中的大深度浮力调节海水泵最大工作压力已达113MPa。实践证明，润滑油比水具有更好的润滑性能，同时考虑到不改变水作为工作介质，因此引入润滑油和工作介质水分离式的结构。本实用新型采用润滑系统和传动系统分离式设计，几乎完全克服了现有高压大流量柱塞式泵或马达柱塞摩擦副摩擦磨损和泄露严重问题，在减少环境污染和节约能源的同时，极大地提高了柱塞式水压系统的可靠性和使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述技术问题，提供一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞。

本实用新型采取以下技术方案：一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞，包括凸轮偏心轴、五星轮、柱塞、缸体和小柱塞，凸轮轴偏心轴两端开有润滑油低压腔和润滑油高压腔，偏心轴凸轮处安装有五星轮，五星轮各端面分别开有补充润滑油的进油孔，五星轮与柱塞底部平面接触连接；所述的柱塞包括工作腔、水流道、柱塞传压缸、水压力腔、润滑油压力腔、润滑油流道、滑动腔和混合液排出口，小柱塞安装于柱塞传压缸内，柱塞传压缸位于小柱塞下部的空间为润滑油压力腔，柱塞传压缸位于小柱塞上部的空间为水压力腔，柱塞传压缸底部设置有滑动腔，滑动腔与进油孔连通，小柱塞底部和开有环形油槽，小柱塞顶部开有环形水槽，小柱塞中部设置有油道，油道与环形油槽连通，柱塞传压缸的小柱塞行程中部开有混合液排出口，柱塞中部的水流道连通水压力腔和工作腔，工作腔内设置有弹簧，柱塞与缸体通过导向环和杆用密封圈连接，缸体顶部通过三通口分别连接进液单向阀和出液单向阀，进液单向阀和出液单向阀分别与进液管接口和排液管接口连接。

进一步的，环形油槽I上方安装孔内设置有密封圈I；环形油槽II下方安装孔内设置有密封圈II。

进一步的，缸体上设置有润滑油入口和混合液排液口，润滑油入口与柱塞和缸体之间的缝隙连通，润滑油入口下端和上端分别用密封圈III和密封圈IV进行密封，密封圈III下面装有导向环，缸体位于密封圈IV上侧位置开有混合液排液口，混合液排液口与柱塞和缸体之间的缝隙连通，混合液排液口下端和上端分别用密封圈V和密封圈IV密封。

进一步的，小柱塞与柱塞传压缸的间隙为1.5μm～2.5μm。

所述动力驱动单元可周期性地提供低压润滑油，对泄漏润滑油进行补充，且对高压润滑油起密封作用，用于形成柱塞底部与动力驱动单元的静压平衡。

所述柱塞为圆柱形空心柱塞；空心柱塞上端为普通空心圆柱形腔体，用于放置水等低粘度绿色或者可生物降解工作介质；柱塞中部开有小圆孔，小圆孔紧连一个较大圆柱形腔体，圆柱形腔体下面也开有小圆孔；柱塞底部为环形边形成圆柱形腔体。

所述小柱塞为圆柱体，安装在柱塞两小圆孔之间的较大圆柱形腔体内，小柱塞上方工作介质，下方润滑剂，以实现润滑系统和工作介质的分离和内压力同步。

所述缸体是空心圆柱形，顶端开有小孔，小孔顶部为三通结构，分别安装两个单向阀，用于控制工作介质水的进出。

所述柱塞还包括导向环、杆用密封圈，导向环起柱塞与缸体间的导向作用，密封圈用于水和润滑油的密封。所述柱塞还包括有水和润滑油混合液的排出口，确保润滑剂和水的独立工作。

所述小柱塞还包括有孔用密封圈，对小柱塞上端水和小塞下端润滑油起密封作用，使其不相互混合。

所述小柱塞还包括环形油槽，高压油经环形油槽后，起到强制润滑和减小偏心效应影响，减少柱塞摩擦副间摩擦磨损，延长液压元件使命寿命和稳定性。

作为进一步改进，除小柱塞外，所有运动副之间都采用防腐耐磨金属材料，小柱塞采用轻质高分子或者陶瓷金属防腐耐磨材料。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提供了一种润滑油和工作介质水分离独自运行的静力平衡密封与润滑柱塞，并且润滑油和水压力可以相同，也可以不同，只需调节小柱塞上下面积就可实现无级调压。

(2)本实用新型使用油水分离式设计，既降低了润滑油等传统不可再生能源的消耗量，又通过把水润滑代替为油润滑，极大地改善了柱塞式水泵或水马达的润滑与摩擦性能，提高了水液压系统的额定压力和稳定性，延长了水液压元件的使用寿命。

(3)本实用新型提出了使用润滑油润滑水压原件，由于不使用水进行润滑，从而扩大了水液压系统水的范围，可以为海水、淡水、自来水及其他高水基低粘度液体。

附图说明

图1 为本实用新型一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞在吸液时的结构示意图；

图2 为本实用新型一种油水分离水液压静力平衡密封与润滑柱塞在排液时的结构示意图；

图3 为本实用新型凸轮轴五星轮式动力驱动单元结构示意图；

图4为图3的B-B截面图；

图中，1-凸轮偏心轴；1.1-低压润滑油入口；1.2-低压润滑油流道；1.3-润滑油低压腔；1.4-润滑油高压腔；2-五星轮；2.1-润滑油进油孔；3-柱塞；3.1-工作腔；3.2-水流道；3.3-柱塞传压缸；3.4-水压力腔；3.5-润滑油压力腔；3.6-润滑油流道；3.7-滑动腔；3.8-混合液排出口；4-缸体；4.1-润滑油入口；4.2-混合液排液口；5-进液单向阀；6-进液管接口；7-出液单向阀；8-排液管接口；9-小柱塞；9.1-环形平衡油槽；9.2-环形平衡水槽；9.3-油道；10.1-密封圈I；10.2-密封圈II；10.3-密封圈III；10.4-密封圈IV；10.5-密封圈V；11-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1为本实用新型一种油水分离水液压静力平衡柱塞泵密封与润滑柱塞结构，主要包括动力驱动单元凸轮轴1、柱塞3、缸体4、小柱塞9，动力驱动单元为凸轮偏心轴，凸轮轴偏心方向两端各开有两个圆弧形油槽，偏心轴凸轮处安装五星轮，五星轮各端面开有补充润滑油的进油孔共5个，其中五星轮作平面平移运动，偏心轴凸轮部分相对五星轮以角速度ω转动。五星轮与柱塞底部平面始终接触，连通润滑油进油孔2.1和柱塞滑动腔3.7，并且具有水平方向的相对运动，小柱塞安装于柱塞传压缸3.3内，精密配合环形间隙1.5μm～2.5μm；小柱塞底部开有环形油槽9.1，润滑油经小柱塞9与柱塞传压缸3.3环形间隙进入环形油槽9.1，同时，润滑油经油道9.3进入环形水槽9.2；小柱塞环形油槽9.1上方安装孔用密封圈10.1防止润滑油泄漏到小柱塞上端水压力腔3.4；同理，小柱塞环形水槽9.2下方安装孔用密封圈II10.2防止水泄漏到小柱塞下端润滑油压力腔3.5，柱塞传压缸3.3小柱塞行程中部开有不可避免的少量水和润滑油混合液排出口3.8，柱塞中部水流道连通水压力腔3.4和工作腔3.1。柱塞3与缸体4通过导向环和杆用密封圈连接。从润滑油入口4.1引入润滑油对柱塞3与缸体4进行润滑，润滑油下端和上端分别孔用密封圈III10.3和密封圈IV10.4，对其进行密封，密封圈III10.3下面装有导向环，主要承担柱塞径向载荷。密封圈IV10.4上端开有混合液排液口4.2，用于排出经密封圈V10.5和密封圈IV10.4密封后，泄露的少量润滑油和水的混合液体。缸体4顶部通过三通口分别连接进液单向阀5和出液单向阀7。进液单向阀5和出液单向阀7分别与进液管接口6和排液管接口8连接。

本实用新型一种油水分离水液压静力平衡柱塞泵（马达）密封与润滑柱塞结构工作原理：

如图1，当电机启动时带动凸轮轴旋转带动五星轮向下运动，柱塞3在弹簧111压力作用下推动柱塞使得柱塞底部与五星轮2始终保持接触，并具有一定压紧力。低压润滑油从曲轴低压润滑油入口1.1进入，经低压润滑油流道1.2进入润滑油低压腔1.3，经润滑油进油口2.1进入柱塞滑动腔3.7，通过润滑油流道3.6后进入润滑油压力腔3.5推动小柱塞向上运动至柱塞传压缸3.3顶部接触停止运动，补充水泵高压泵液时泄漏的润滑油。柱塞3随五星轮2向下吸液，工作腔3.1内压力pw成为负压，但小于低压润滑油压力pi，即水从进液管接口6经进液单向阀5进入工作腔3.1，至偏心OO’与柱塞周线重合，且O’距柱塞底面最远时停止吸液。吸液时，低压润滑油压力假设为pi=0.5MPA，则工作腔压力满足-0.5MPa≤pw〈0，则小柱塞9两端压差∆pi=pi-pw≤2pi=1Mpa，小柱塞两端的杆用密封圈10.1和10.2可保证吸液过程中润滑油和水完全不泄露。

如图2 所示，当曲轴1偏心O’靠近柱塞底部过程中，即∠O’Oy在[π，2π]过程中，润滑油高压腔1.4和润滑油进油口2.1相配合，起到密封高压有作用。五星轮2推动柱塞3向上运动，工作腔3.1容积减小导致工作腔压力pw增大，工作腔3.1压力pw达到额定压力后通过出液单向阀7经排液管接口8排出。同时，高压水经水流道3.2和水压力腔3.4后，通过小柱塞9向下运动把压力传递给润滑油压力腔3.5使得工作腔3.1压力pw和润滑油腔压力腔3.5压力pi相等，即pi =pw。压力油和水通过小柱塞环形间隙节流降压作用后，在经过密封圈密封，有极少部分水和润滑油经密封圈I10.1和密封圈II10.2流出形成混合液体，经柱塞混合液排出口3.8排出。压力油经润滑油流道3.6进入滑动腔3.7，设计上采取滑动腔3.7面积A1与柱塞外径面积A2相等，由于水压力和润滑油压力相等，所以，柱塞底部润滑油压力与柱塞顶部水压力相等，使得柱塞端面与五星轮通过液压力平衡，从而大幅减小五星轮2与柱塞3底部的摩擦磨损。高压润滑油和水经小柱塞9与柱塞传压缸3.3配合间隙进入环形油槽9.1，对小柱塞与柱塞传压缸3.3起到强制润滑作用。同时，环形油槽9.1在小柱塞周向的液压载荷确保了小柱塞9与柱塞传压缸3.3之间的同心度，有效地减少了小柱塞9与柱塞传压缸3.3之间的摩擦磨损和泄漏，提高了润滑性能。高压油在柱塞底面滑动腔3.7经柱塞底面边缘向外泄漏，在柱塞底部边缘泄漏过程中同样起到强制润滑作用，增加了液压元件的可靠性和使用寿命。

当曲轴偏心O’转到OO’与柱塞周线重合，即∠O’Oy =2π时，又重复上述吸液和排液过程。

最后，需要注意的是，以上列举的近似本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，对于柱塞式泵或马达还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。