一种往复式磁性液体自循环润滑密封装置的制作方法

本发明属于往复式运动机械领域，具体涉及一种往复式磁性液体自循环润滑密封装置，可用于内燃机、空调系统、重型机械轴承等往复式机械。

背景技术：

磁性液体是由纳米磁性颗粒、基载液和表面活性剂三部分组成的胶体悬浮液，是兼有磁性和流动性的功能性流体。由于磁性液体的独特性质，磁性液体被广泛用作于密封剂和润滑剂，这些应用大部分是通过磁性液体实现了静态密封或者旋转密封，如应用于真空密封和旋转马达等；磁性液体应用于往复式运动机械结构较少，且大部分磁性液体密封结构不能实现磁性液体的自循环利用。

不同结构和尺寸的往复式机械被广泛用于工业和家用机械中，典型的例子有：内燃机、空调系统以及重型机械中的往复轴承。传统的往复式机械依靠活塞环来对增压室达到密封效果，并添加油脂类润滑剂。对于连续往返运动机械，活塞的往返运动过程中，润滑剂或密封剂会在惯性力作用下被甩离作用区域；若未及时补充，润滑剂的流失可能使装置发生故障并给工作人员带来安全威胁。提供足够的润滑剂以保证往复轴和其周围结构之间不失去润滑一直是往复式机械面临的技术难点。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种能有效减少和阻止润滑剂流失和泄漏的往复式磁性液体自循环润滑密封装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种往复式磁性液体自循环润滑密封装置，包括活塞轴1、磁性液体润滑剂3、环形磁铁5、活塞8和气缸9；

活塞8包括活塞中部8a、活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c；活塞中部8a为纺锤形，中间段直径最大并呈圆柱状，中间段占活塞中部8a总长的比例大于25%、小于100%，往活塞中部8a两端直径逐渐减小；活塞中部8a两端分别与活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c连接，连接处形成角α，α＜90°；活塞端部Ⅰ8b与活塞轴1连接；

活塞8置于气缸9内部，活塞中部8a中部开有至少一个环形凹槽4，环形凹槽4内设有O形密封圈7，O形密封圈7外套装上活塞环6，活塞环6与气缸9内壁接触，磁性液体润滑剂3在活塞环6与气缸9内壁之间形成润滑剂液膜；活塞中部8a两端与气缸9内壁间形成间隙2；活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c与气缸9内壁的间距小于0.143mm；

环形磁铁5置于气缸9外侧并与其外表面紧密结合，环形磁铁5位于活塞8往返运动的中点，活塞8在运动过程中始终保持活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c分别处于环形磁铁5对应位置的两侧；环形磁铁5的充磁方向沿径向，磁铁中心区域磁场强度大于1.5kA/m。

环形磁铁5的数量为一个以上；环形磁铁5为永磁铁，可以是一个完整的整体，也可以由多块磁铁组成。

本发明工作原理：

以下以活塞在气缸内作水平运动为例，对其工作原理进行阐述，但在实际应用中，对活塞运动方向无特殊要求，可用于水平、垂直或其他任意方向。

在环形磁铁5产生的磁力作用下，磁性液体润滑剂3会被吸附至环形磁铁5对应位置的气缸9内壁上；活塞8在活塞轴1带动下，在气缸9内做往复运动，活塞环6与气缸9内壁产生相互滑动，磁性液体润滑剂3在活塞环6与气缸9内壁之间形成润滑剂液膜（同时也作为密封剂）。

当活塞8从最左端往右做加速运动时，少量磁性液体润滑剂3在惯性力作用下会滞后于活塞8的运动，流向活塞环6左侧的间隙，其余磁性液体润滑剂3继续在活塞环6与气缸9内壁之间形成润滑液膜，起润滑作用；当活塞环6经过中点后活塞8将向右做减速运动，在惯性力作用下少量磁性液体润滑剂3会流向活塞环6右侧间隙；如图2所示，此时随着活塞8接近行程右侧终点，环形磁铁5位于活塞环6左侧的间隙上方，此时，活塞8从左往右加速运动时被甩离活塞环6的磁性液体润滑剂3将会在磁力作用下被吸附至与环形磁铁5对应处的气缸9内壁上；

活塞8运动至右侧终点后开始从右往左做先加速后减速的返程运动，当活塞环6经过环形磁铁5正下方时，会刮带走吸附于环形磁铁5对应处的磁性液体润滑剂3，继续形成润滑薄膜。如图3所示，活塞运动至左侧终点附近，环形磁铁5位于活塞环6右侧的间隙上方，被甩至此处的磁性液体润滑剂3在磁力作用下被吸附至环形磁铁5对应处的气缸9内壁上，待活塞8再次运动经过时，吸附于此处的磁性液体润滑剂3将被活塞环6刮带走，继续形成润滑液膜。如上所述，可实现润滑剂的自循环，有效减少和阻止了润滑剂的泄漏和流失。

活塞中部8a采用纺锤形结构能将磁性液体润滑剂3限制在间隙2中，活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c与气缸9内壁的间隙极小，可有效阻止润滑剂的泄漏；活塞8中心处开有环形凹槽4有利于将磁性液体润滑剂3限制在活塞环6附近达到密封效果。

本发明的有益效果：

1、本发明利用磁性液体性质，通过环形磁铁施加磁场，实现了往复式机械中润滑剂的自循环利用，能有效减少和阻止润滑剂泄漏，提高活塞环的使用寿命；

2、本发明的密封润滑装置能满足较高的工作压力和运动速度；

3、本发明的润滑系统对活塞运动方向无特殊要求，可用于水平、垂直或其他任意方向；

4、活塞中间开有环形凹槽，有利于将润滑剂限制在活塞环附近；

5、活塞采用纺锤形结构，有利于将润滑剂限制在活塞与气缸之间的间隙中，进一步减少润滑剂的泄漏。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置活塞8运动至行程右侧终点的工作原理图；

图3是本发明装置活塞8运动至行程左侧终点的工作原理图；

图4是实施例2所述的装置结构示意图；

图5是实施例3所述的装置结构示意图；

图6是实施例4所述的装置结构示意图；

图7是实施例5所述的装置结构示意图；

图8是实施例6所述装置采用的环形磁铁结构示意图。

图中：1-活塞杆，2-间隙，3-磁性液体润滑剂，4-环形凹槽，5-环形磁铁，6-活塞环，7-O形密封圈，8-活塞，8a-活塞中部，8b-活塞端部Ⅰ，8c-活塞端部Ⅱ，9-气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不限于实施例及附图所示。

实施例1

如图1所示，一种往复式磁性液体自循环润滑密封装置，包括活塞轴1、磁性液体润滑剂3、环形磁铁5、活塞8和气缸9；

活塞8包括活塞中部8a、活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c；活塞中部8a为纺锤形，中间段直径最大并呈圆柱状，中间段占活塞中部8a总长的30%，往活塞中部8a两端直径逐渐减小；活塞中部8a两端分别与活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c连接，连接处形成角α为70°；活塞端部Ⅰ8b与活塞轴1连接；

活塞8置于气缸9内部，气缸9内径为16mm，活塞中部8a中部开有一个2.65×2.65mm的环形凹槽4，环形凹槽4内设有规格为15×2.65的O形密封圈7，O形密封圈7外套装上活塞环6，活塞环6与气缸9内壁接触，磁性液体润滑剂3在活塞环6与气缸9内壁之间形成润滑剂液膜；活塞中部8a两端与气缸9内壁间形成间隙2；活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c与气缸9内壁的间隙小于0.143mm；磁性液体润滑剂3是20mL型号为EFH1的油基磁性液体，其饱和磁化强度为11kA/m；

环形磁铁5为钕铁硼环形永磁铁，截面为矩形，磁铁中心区域磁场强度大于1.5kA/m，置于气缸9外侧并与其外表面紧密结合，环形磁铁5位于活塞8往返运动的中点，活塞8行程为30mm，活塞8在运动过程中始终保持活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c分别处于环形磁铁5对应位置的两侧；环形磁铁5的充磁方向沿径向。

实施例2

参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同在于，环形磁铁5截面为顶角120°的等腰三角形，磁铁中部磁场强度大于两侧，散落的磁性液体润滑剂3液滴被磁铁捕捉后从两侧吸附至中心位置，如图4所示。

实施例3

参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同在于，活塞中部8a与活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c连接处的角α为45°，活塞端部Ⅰ8b和活塞端部Ⅱ8c靠近间隙2一侧突出形成尖角，如图5所示，减小角度α可更有效防止润滑剂的泄漏。

实施例4

参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同在于，活塞中部8a中间开有三个环形凹槽4，每个环形凹槽4内均设有O形密封圈7和活塞环6，如图6所示。此结构更有利于将润滑剂限制在活塞环6附近，并能进一步提高装置承压能力和运行稳定性。

实施例5

参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同在于，本实施例中活塞由多个实施例1中所述的活塞8组成，每一个活塞8对应一个环形磁铁5，形成如图7所示的多级润滑密封结构，能满足活塞行程较长，密封压力较高，对活塞运动稳定性要求高的工作条件。

实施例6

参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同在于，环形磁铁5采用多块（偶数）N、S级相反的扇形磁铁交替拼接而成，如图8所示，这种磁铁结构可在气缸9内壁面上产生更高梯度的磁场，增大磁性液体所受到的磁体积力。