一种液压缸活塞杆密封状态主动调控系统

1.本发明涉及液压密封领域，具体涉及一种液压缸活塞杆密封状态主动调控系统。


背景技术：

2.活塞杆是液压缸中一个重要零件，其密封状态的好坏将直接影响到液压缸的整体性能。实际调查发现，活塞杆密封圈磨损是造成其液压缸外泄漏的主要原因。因此如何解决活塞杆密封圈磨损问题成为了解决液压缸泄漏问题的关键。通常情况下液压缸活塞杆密封圈磨损后可以通过更换新的密封圈来解决泄漏问题，可是这种方法却不适用于一些特殊的服役环境(如航空航天、深海深地或军事作战等)，由于这些场合中特定的约束条件，难以通过人工更换的方式来处理由于密封圈磨损而产生的泄漏问题。为解决这一类问题而提出了各种密封补偿装置，可以为磨损后的密封圈提供一定的补偿量，使得密封圈能够继续正常工作，这些密封状态补偿装置主要包括以下几种形式：
3.(1)在密封装置中采用v型，通过弹簧片变形产生的回弹力来补偿由于密封磨损而造成的密封接触压力下降。(公布号cn9204403131u“密封磨损补偿式滚珠轴承”)
4.(2)在密封装置中利用辅助机械装置对密封圈进行轴向或径向的压缩，使密封圈产生变形，获得更大的接触应力以补偿密封圈磨损，恢复密封性能。(公布号105526450a“密封自动调节套筒补偿器”)
5.(3)在密封腔内设有密封填料，密封填料包括压变式金属环和非金属柔性填料，压变式金属环在外力作用下产生径向扩张和变形，使其内外两侧边与密封腔侧壁紧密配合来满足正常密封状态。(公布号cn110671557a“采用组合式密封结构的管道补偿器”)
6.通过分析发现，这些补偿装置主要是通过其中的弹性元件(弹簧片、压缩套筒、压变式金属环等)为磨损后的密封圈提供补偿功能，其补偿能力取决于弹性元件的弹性大小。因此，采用这种补偿方式会由于弹性元件的固有弹性而出现补偿过度或不足的问题，而且不能根据密封圈的实际磨损状态来进行动态的补偿。
7.针对这些问题，本发明提出采用特定的接触应力监测方法(例如采用薄膜压力传感器或光纤光栅传感器)对活塞杆密封圈的磨损状态进行监测，并根据监测数据分析结果对活塞杆密封圈表面接触应力进行主动调控，从而达到预防和避免液压缸外泄漏的目的。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是：提供一种液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，该系统通过传感器对活塞杆密封圈表面接触应力进行监测，根据监测结果对密封圈表面接触应力进行主动调控，保证液压缸活塞杆密封的可靠性。
9.本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：
10.本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，具体是：设有可产生磁场的磁场调控装置，其通过改变液压缸端盖的结构，将电磁感应线圈缠绕在绕线环上，以便在不同电流的激励下可以产生不同大小的磁场强度；设有磁流变弹性体密封圈，其在不同的磁
场强度下呈现出不同的弹性模量，利用这一特点对密封圈表面接触应力进行主动调控；设有能够在液压缸内部导磁的缸盖内部导磁结构，使缸盖内的磁场形成内循环，减少磁漏。
11.所述的可产生磁场的磁场调控装置，由直径≥0.9mm的漆包铜线缠绕组成；该装置安装在绕线环、套筒和双向环所形成的环形空间内，电磁感应线圈的接线端与工控机相连。
12.所述的活塞杆密封圈由磁流变弹性体材料制成。
13.所述的缸盖内部导磁结构由绕线环、套筒和双向环组成，其通过改变缸盖中不同零件的材料来保证缸盖内部良好的磁导性，同时减少磁场的外漏，其中：左缸盖和右缸盖可将绕线环、套筒和双向环容纳在其中，且左右缸盖和内部包含的结构截面都是封闭环状；左右缸盖采用磁导率较差的奥氏体不锈钢材料，绕线环、套筒和双向环采用10号碳素结构钢。
14.所述的双向环与右端盖贴合，通过在右端盖上开设右定位孔槽来进行周向定位；绕线环尾端处的连接头插入双向环内的左定位孔槽中进行周向固定，并通过将o形圈安装在绕线环与双向环接触位置来防止油液从间隙泄漏进入电磁感应线圈的线圈槽内。
15.所述的套筒直接扣在绕线环与电磁感应线圈外围，无需进行周向固定。
16.所述的左端盖与绕线环左端贴合，通过螺钉进行周向定位，且通过不锈钢内六角螺栓与液压缸的缸头相连，来对改进的缸盖进行轴向定位。
17.本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，还设有监测数据处理装置，该装置的功能是对活塞杆密封圈表面接触应力进行监测和主动控制，其由信号监测单元、处理单元和控制单元组成，监测数据处理通过工控机中专门的软件完成。
18.本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，其提前在工控机内设置在不同工况下密封圈表面接触应力值的合理范围(设置要求为密封圈表面接触应力值必须大于系统工作压力)，并与通过传感器得到的监测信号进行比较；当密封圈表面接触应力不满足设定要求时，通过工控机发出调控指令，调整电磁感应线圈的电流大小从而改变磁流变弹性体密封圈表面接触应力值直至其满足要求并保持该状态。
19.本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，其压力传感器始终对活塞杆密封圈表面的接触应力状态变化进行监测，当工控机发出调控指令后，通过传感器可以反馈调控效果。
20.本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
21.1.通过安装在监测控制环中的传感器对活塞杆密封圈表面接触应力进行监测，通过安装在工控机中的软件对监测数据进行处理和分析，并在必要时发出活塞杆密封圈表面接触应力调节指令，通过改变监测控制环内的电磁感应线圈电流大小来产生磁场，根据活塞杆密封的实际磨损程度调节磁场强度，通过磁流变弹性体密封圈的磁致变形效应实现对密封圈表面接触应力的动态调控，确保液压缸不发生外泄漏。
22.2.本装置不改变液压缸本身工作原理，主要是对活塞杆端盖结构进行改进，达到对活塞杆密封圈表面接触应力进行主动调控的目的，适用于液压缸工作过程中不便拆卸且要求控制泄漏量的场合。
附图说明
23.图1是现有液压缸的结构示意图。
24.图2是本发明提供的液压缸活塞杆密封结构示意图。
25.图3是本发明提供的内部导磁结构示意图。
26.图4是本发明提供的绕线环结构示意图。
27.图5是本发明提供的双向环结构示意图。
28.图6是本发明提供的左端盖结构示意图。
29.图7是本发明提供的液压缸右端盖结构示意图。
30.图8是液压缸的缸盖和活塞杆选用10号钢时的磁场分布图。
31.图9是液压缸的缸盖和活塞杆选用10号钢时密封圈中线磁场分布图。
32.图10是缸盖和活塞杆选用不锈钢磁场分布图。
33.图11是液压缸的缸盖和活塞杆选用不锈钢密封圈中线磁场强度分布图。
34.图12是密封圈在油液压力p作用下的表面接触应力σ
p
示意图。
35.图13是本发明提供的密封圈表面接触应力主动调控原理图。
36.图中：1.活塞杆；2.防尘圈；3.活塞杆密封圈；4.螺钉；5.缸盖；6.缸头；7.法兰；8.缸筒；9.小内六角螺钉；10.不锈钢内六角螺栓；11.左端盖；1101.大螺栓孔；1102.防尘圈槽；1103.粘贴槽；12.绕线环；1201.螺钉孔；1202.导线孔；1203.传感器铺设槽；1204.连接头；13.套筒；14.电磁感应线圈；15.mre密封圈；16.o形圈；17.双向环；1701.密封槽；1702.右定位孔槽；1703.左定位孔槽；18.右端盖；1801.定位孔槽；1802.静密封槽。
具体实施方式
37.本发明是一种液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，其包括监测控制环、磁流变弹性体密封圈和工控机等。具体是：通过安装在监测控制环中的传感器对活塞杆密封圈接触状态进行监测，通过安装在工控机中的软件对监测数据进行处理和分析，并在必要时发出活塞杆密封圈表面接触应力调节指令，通过改变监测控制环内电磁感应线圈的电流大小来产生磁场，根据活塞杆密封的实际接触状态调节磁场强度，实现对磁流变弹性体密封圈接触应力的动态调控，确保液压缸不发生外泄漏。该装置可以在不改变液压缸本身工作原理的前提下，只对活塞杆端盖结构进行改进，达到对活塞杆密封圈表面接触应力进行主动调控的目的，适用于液压缸在实际工作过程中不便拆卸且要求严格控制泄漏量的场合。
38.下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但不限定本发明。
39.本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控系统，包括主体和改进部件。本系统不改变液压缸的工作原理，通过对活塞杆端盖结构进行改进达到对活塞杆密封圈表面接触应力进行主动调控的目的，适用于液压缸在实际工作过程中不便拆卸且要求严格控制泄漏量的场合。
40.所述主体结构包括：活塞杆1、防尘圈2、缸头6、法兰7、缸筒8、导向套及螺栓连接件，其连接关系及作用同现有技术。
41.所述改进部件包括：提供一种可产生磁场的调控装置，通过改变液压缸端盖的结构，将电磁感应线圈布置在绕线环上，该装置在不同电流的激励下可以产生不同大小的磁场强度；提供一种磁流变弹性体密封圈，该密封圈具有磁致变形的特点，可以在不同的磁场强度下呈现出不同的变形量，利用这一特点可以对活塞杆密封圈表面接触应力进行主动调控；提供一种能够在液压缸内部形成磁场的缸盖内部导磁结构，通过使用特定的材料使缸盖内的磁场形成内循环，减少磁漏；提供一种监控装置，该装置是一种完整的对活塞杆密封
圈表面接触应力进行监测和主动控制，其由信号监测单元、处理单元和控制单元组成。
42.传统的液压缸结构如图1所示，用于安装密封圈的密封槽开设在液压缸端部的端盖5上，该端盖5作为一个完整的零件通过螺钉4与缸头6连接。
43.为了对装在密封槽部位的活塞杆密封圈3进行激励，需要铺设线圈以产生磁场，为了尽量少的改变现有的液压缸结构，设计了绕线环12用来铺设线圈，产生激励磁场。同时，还需要考虑对磁流变弹性体密封圈的密封状态进行监控，因此还需要在密封槽密封界面铺设传感器。传感器直接铺设在密封界面可能会导致传感器的损坏或密封失效，为了能使传感器能够感受到变化，还应使其靠近密封圈，因此传感器铺设槽1203也会对原缸盖结构进行改变。为了减少装置的改动，本发明装置只改变原缸盖的结构。而且可将本装置作为一个可选用的端盖与一般液压缸的端盖进行互换。改变后的缸盖的结构如图2所示。
44.如图2所示，在活塞杆密封区域增加磁致调控功能。即将图1中的缸盖5进行改造，形成改进式缸盖。改进后的缸盖包括左端盖11、绕线环12、套筒13、双向环17和右端盖18，其中左端盖11通过不锈钢内六角螺栓10与缸头6相连。
45.改进后的缸盖各零件之间的连接关系为：双向环17与右端盖18贴合，通过在双向环17上开设右定位孔槽1702和右端盖18上开设定位孔槽1801来进行周向定位。绕线环12尾端处的连接头1204插入双向环17内的左定位孔槽1703中进行周向固定，并通过将o形圈16安装在密封槽1701的位置来防止油液泄露进入电磁感应线圈所在位置。套筒13直接扣在绕线环12与电磁感应线圈14外围，无需进行周向固定。左端盖11与绕线环左端贴合，通过小内六角螺钉9安装在大螺栓孔1101和螺钉孔1201中进行周向定位，通过不锈钢内六角螺栓10与图1中液压缸的缸头6相连来对改进的缸盖进行轴向定位。
46.所述可产生磁场的绕线装置：为电磁感应线圈14，将其安装在绕线环12、套筒13和双向环17所形成的环形空间内。电磁感应线圈的接线端由图4所示的导线孔1202处引出，并与工控机相连。
47.所述磁流变弹性体密封圈：为图2中的mre密封圈15，将其安装在位于绕线环12和双向环17之间的密封槽内，用来替代图1中的活塞杆密封圈3。由于活塞杆密封圈3采用磁流变弹性体，其弹性模量在磁场作用下可以改变，因此其接触应力可以根据液压缸活塞杆密封圈的接触应力要求进行调控。
48.所述缸盖内部导磁结构：通过改变不同零件的材料来实现。改进的缸盖部分左缸盖11和右缸盖18将绕线环12、套筒13和双向环17包裹在内部，且左右缸盖和内部包裹的结构的截面都是封闭环状。因此左缸盖11和右缸盖18选用磁导率较差的奥氏体不锈钢材料，而绕线环12、套筒13和双向环17选取10号碳素结构钢，该缸盖内部导磁结构可以保证内部良好的磁导性，同时减少磁场的外漏。
49.所述的监控装置(监测控制环)：该部分不属于改进的缸盖结构，该装置由传感器、无线收发装置和工控机组成。
50.所述传感器可选用应变片传感器(或光纤光栅传感器)，将应变片传感器铺设在连接头1204上的传感器铺设槽1203处(图4)，传感器线端也从导线孔1202处引出并与无线收发装置的一端相连接。
51.本发明通过安装在绕线环12上与密封圈相对一侧的传感器对活塞杆密封圈表面接触应力进行监测，并通过对监测数据的处理和分析，确定是否需要对活塞杆密封表面接
触状态进行调节。
52.本发明还可以通过改变监测控制环内的电磁感应线圈电流大小来产生磁场，并根据活塞杆密封的实际接触状态调节磁场强度，实现对磁流变弹性体密封圈表面接触应力的动态调控，确保液压缸不发生外泄漏。
53.所述无线收发装置由发送单元和接收单元组成，且发送单元和接收单元的功能可以调换。无线收发装置用于传感器信号的反馈，其可以采用zigbee，且通过无线信号与工控机通讯。将无线收发装置的发送单元粘贴在左端盖11左端的粘贴槽1103中，接收单元与工控机相连。
54.所述工控机采用接口不少于4usb/4com/双网口，cpu不低于i5 3450，内存不低于4g，外存不低于128g。与工控机相连的装置包括无线收发装置和电磁感应线圈，工控机接受来自无线传输装置的信号，进行处理之后判断如何改变电磁感应线圈电流的大小。
55.所述改进后的部件安装顺序为右端盖18、缸盖内部导磁结构(由绕线环12、套筒13和双向环17组成)、左端盖11。
56.所述缸盖内部导磁结构安装顺序如图2-图4所示，先将双向环17与右端盖18贴合，安装定位销，然后安装mre密封圈15、o形圈16。再安装绕线环12，绕线环12的末端要对准双向环小孔。之后将套筒13套上，安装左端盖11，将大螺栓孔1101和螺钉孔1201对齐，拧上小内六角螺钉9即可。在左端盖11上，设有防尘圈槽1102，用于安装原有缸盖的防尘圈2，还设有传感器粘贴槽1203，用于安装应变片传感器(或光纤光栅传感器)。
57.按照工作原理，所述改进缸盖包括感知单元和执行单元，其中传感器为感知单元，电磁感应线圈为执行单元。所述工控机包括数据处理单元和分析决策单元。监测控制装置的运行方式如图13所示，感知单元监测密封圈的接触压力变化，并通过无线收发装置将其传递到工控机。工控机经过数据处理来对结果进行分析决策，并通过无线收发装置将决策结果反馈给执行单元。通过感知单元对调控后接触压力的检测结果判断调控是否实现。
58.所述密封状态检测装置的工作原理是：在液压缸实际工作状态下无法用传感器直接测得活塞杆主密封界面上的压力变化，因此将粘贴传感器的位置选择在端盖上与密封圈相对的一侧，这样既能检测到密封圈表面接触压力变化，又不影响传感器的铺设。根据监测控制环上实际监测信号的变化范围来对用于监测的传感器进行选型，如光纤光栅传感器或薄膜式应变传感器等，通过在端盖上开设小槽将传感器的信号线引出。
59.所述调控装置工作原理是：利用磁流变弹性体在磁场状态下性能可调可控的原理，在磁流变弹性体区域内通过磁场强度的调节来进行主动控制。为满足这一功能，需要对传统的液压缸端盖结构进行改进。
60.图8为在maxwell软件中对缸体与测试环缸体选择磁导率低的不锈钢、测试环选用10号钢装置的内部磁场分布情况进行仿真分析的结果；图10为缸体和测试环同时选择10号碳素钢时装置内部的磁场分布情况。通过对比发现，使用相同磁导率材料时磁感线会分布于整个装置中，漏磁比较严重；而使用不同材料时磁感线集中在磁导率较高的材料内部，此时漏磁较少。
61.图9和图11是取密封圈截面中线处磁感应强度变化曲线图，对比发现两种方案磁场分布趋势大致相同，但是使用不同材料的装置时密封圈内部的磁感应强度在数值上远大于使用相同材料时的装置。因此设计中采用相同装置相同激励下选用不同材料可明显提高
磁场的利用率。因此仿真结果与设计预测结果吻合。
62.所述电磁感应线圈的选型由电源量程决定。在测试实验中，所用电源量程为36v,5a，电磁感应线圈材料选择为铜线，铜导线电流载流量一般为8到12a/mm2，取载流量为10a/mm2，铜导线的直径可由下式计算：
[0063][0064]
若取安全系数为1.2，即电流设置为6a，则计算得到的导线直径应大于0.874mm，对照国标选用标准直径为0.9mm的漆包线。
[0065]
(一)磁流变弹性体的调控原理
[0066]
如图10所示，对其中密封圈表面接触应力σ
p
的计算公式为：
[0067][0068]
其中，ε0＝δd/d，v为泊松比，e为弹性模量，p为油液压力。
[0069]
由该公式可知密封圈表面接触应力实际由两部分组成，一部分为安装密封圈时预留压缩量所形成的过盈压力σo，另一部分为油液提供的压力。由于过盈压力的存在，密封圈表面接触应力σ
p
》油液压力p；由于弹性体的泊松比接近于0.5，所以该公式可以简化为：
[0070][0071]
由式(2)可知，当油液压力p一定时，影响密封圈表面接触应力大小的因素为预压缩量εo和弹性模量e。当密封圈发生磨损时，会引起εo减小，导致过盈压力σo减小，当密封接触压力减小到一定程度时就会发生泄漏。为了使密封圈磨损后的接触应力不减小，可以通过增大弹性模量e的方法来实现，但这一过程必须在预压缩量未被完全磨损之前进行，否则预压缩量消失将不能再产生过盈压力。
[0072]
所述磁流变弹性体密封圈(mre密封圈15)，其材料的复合弹性模量e由压缩模态弹性模量e1和损耗模量e2组成，三者之间的关系满足：
[0073][0074]
其中：ed表示弹性体变化过程中的耗散能，ed＝∮σdε。
[0075]
在实验测试中发现无论是磁流变弹性体的压缩模态弹性模量e1还是损耗模量e2，在相同的环境和预压缩量下，他们都会随着所受磁场强度的变化而变化。
[0076]
对于本发明使用的产生磁场的绕线圈装置满足下面的公式：
[0077][0078]
式(3)中：b为磁场强度；n为绕线圈数；μ0为铁心磁导率；i为通电电流大小；r为绕线环半径。
[0079]
在实际应用中，电磁感应线圈的匝数和半径以及铁心的磁导率选定后就不会再变化。由式(3)可知，当其他条件不变时，磁场强度与电流大小成正比，因此可以通过改变电流的方式来改变磁场强度。
[0080]
所述磁流变弹性体密封圈，其材料的制备通过聚氨酯与铁粉等材料在一定磁场环境下进行。其弹性模量的影响因素与制作时铁粉的含量、硫化压力和时间、制作过程中是否添加磁场有关。磁流变弹性体材料作为密封圈具有弹性模量可控，且磁流变效应显著的优点。利用磁流变弹性体材料制成的密封圈，可以通过改变磁场强度来改变其弹性模量，从而实现对密封圈表面接触应力的主动控制。
[0081]
(二)磁流变弹性体
[0082]
磁流变弹性体密封圈，其材料采用聚氨酯和羰基铁粉作为基体，液态moca作催化剂，在加热条件下与一定含量的铁粉搅拌混合，并在催化剂和磁场的作用下制得。上述材料配比不同时，制得的磁流变弹性体材料性能也不相同，其中的各项参数需要通过实验进行测试后确定。
[0083]
本发明提供的液压缸活塞杆密封状态主动调控装置，其工作原理为：
[0084]
当密封圈发生磨损之后，油膜厚度发生改变，铺设于测试环上的应变片无线传感器检测到压力值减小，并通过无线收发装置将信号传递给后端数据处理系统，数据处理系统软件在将信号处理后在使用无线收发装置将信号传递回工控机，工控机通过调节电磁感应线圈里电流的大小来调节磁场的大小，从而控制磁流变弹性体的弹性模量来减小泄漏，达到密封补偿的目的。
[0085]
磁流变弹性体材料(如pu、丁晴橡胶等)在磁场的作用下其弹性模量会在一定范围内随着磁场的变化而变化，而且调控过程可逆。因此通过外部磁场来控制磁流变弹性体密封圈的弹性模量大小，从而实现对密封圈表面接触应力进行主动调控的目的。