活塞式蓄能器气液隔离密封方法

技术领域

本发明涉及液压密封系统，液压与气动领域活塞式蓄能器中气液隔离的密封方法。

背景技术

蓄能器是一种能把液压储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来的能量储存装置。蓄能器是液压系统中的重要辅件，对保证系统正常运行、改善其动态性能、保持工作稳定性、延长工作寿命、降低噪声等起着重要的作用。活塞蓄能器是一种高压活塞式蓄能器，涉及液压辅助元件技术领域，可应用在压铸机,冶金等行业的液压系统中作为辅助动力源,以减少动力消耗,达到节能。活塞式蓄能器是液压系统中常见的液压附件，它是一种能量转换装置，在液压系统中主要用于贮存能量、吸收脉动压力、消除脉动、降低噪音和回收能量等。活塞式蓄能器利用活塞将气体和液体隔开，活塞和筒状蓄能器内壁之间有密封，所以油不易氧化。活塞式蓄能器寿命长、重量轻、安装容易、结构简单、维护方便，但是缺点是质量块惯性大，反应灵敏性差，不易密封；不适于低压吸收脉动。活塞式蓄能器利用气体的可压缩性储存液压油,在需要时能快速释放,在较少动力的情况下,提高液压泵的有效功率。活塞式蓄能器柱形活塞将气体和液体隔开，活塞和蓄能器缸筒内壁之间有密封。由于活塞惯性大,有密封摩擦阻力等原因，当活塞端面正好与下端盖端面靠紧时,启动压力偏大,特别是小型号蓄能器更加明显,活塞式蓄能器的启动压力和密封性在使用过程往往出现动作灵敏性差,氮气端保不住压力的问题。所解决的是提高使用寿命及密封性的技术问题。活塞的密封形式确保密封的可靠性是确保活塞式蓄能器安全可靠运行的关键。密封失效后所带来的后果有时会十分严重。

活塞式蓄能器的其结构主要由缸筒,活塞,下端盖,上端盖,压紧螺母密封件组成,下端盖与缸筒通过螺纹连接,上端盖由压紧螺母压紧,压紧螺母通过螺纹连接,液压油腔与氮气腔通过活塞隔开形成,内外密封都靠密封件保证。工作时,液压泵向液压油腔内注入高压油,活塞向上运动并压缩氮气腔内的氮气,当达到设定压力,也称最高工作压力,液压泵停止,并由液压阀关闭保压,这时蓄能器内已储存了一定量的高压油,当需要时,液压阀打开,蓄能器就能快速排出高压油供液压系统工作启动压力偏大的原因:主要在氮气腔通大气的情况下,液压油腔通人液压油,试压系统的溢流阀从零开始逐渐升压,活塞启动时压力表所反映的压力,称为最低启动压。最低启动压力与摩擦系数及所选用的密封件有关,不同类型的密封件,摩擦系数不同,因此,最低启动压力有大小之分.另外,当活塞端面正好与下端盖的端面接触时,液压油不能直接进入蓄能器的缸筒内,这种情况的最低启动压力就会增大很多,蓄能器启动压力偏大是由于小型号蓄能器进油孔直径小，内泄漏的原因。现有技术通常在活塞式蓄能器的活塞密封结构采用两端各设置一道Yx密封圈中间设置一道带双挡圈的0形密封圈、Yx形密封圈，虽然动静密封性能较好,但因为密封件结构和密封件材料的局限,适合的往复运动速度0.5m/s。活塞(材料LD10)直接和缸筒接触,靠氮气腔端的一道Yx密封圈始终处于干摩擦或半干摩擦状态,摩擦阻力会增加,活塞式蓄能器的动作灵敏性变差,在此情形活塞高速运动会产生高温,使密封件出现老化现象,出现发黑,变硬,变脆的一些现象，封件密封件丧失了密封作用,内泄漏自然也就会发生，影响了密封件的密封性能,缩短了密封件的使用寿命,另外,缸筒内表面加工的尺寸精度及表面粗糙度；活塞密封沟槽加工的尺寸精度及表面粗糙度；安装时对密封件的保护及使用的液压油的清洁度等,这些因素都影响到内泄漏。

高速蓄能器结构高速活塞式蓄能器的活塞运动速度快，导致活塞剧烈碰撞端盖，这在大功率液压系统中是比较常见的。高速蓄能器是通过高压气源和减压阀控制蓄能器预充气压力，初始状态下，主阀处于关闭状态，油源首先对蓄能器充液，充液完成后，切换伺服阀阀芯位置，使主阀打开，蓄能器储存油液通过主阀进入液压缸，实现活塞高速运动。根据蓄能器活塞对气液密封的要求、缓冲要求和活塞密封表面间有无相对运动，分为旋转密封和往复密封。当滑动速度很小时活塞杆内缩时的摩擦力大于外伸时的摩擦力因为内缩时活塞杆的剪切流作用会将微量泄漏油带回压力腔。往复密封的都是接触式密封件与缸套变形而产生的密封间隙变化。密封件所需的弹性和耐磨性难以在一个零件上同时具备。在液压密封件系统中活塞蓄能器的主要可以分为气体、弹簧、重锤三大类型的蓄能器。这三种中最常见的就是气体结构的蓄能器。在充气式蓄能器中，以活塞式蓄能器和气囊式蓄能器应用最为广泛。此类液压密封件系统的活塞蓄能器(图2所示液压密封件系统的活塞蓄能器结构)，它用缸筒内的活塞把气体和油液隔离，活塞可在缸筒内浮动，气体经充气阀向蓄能器气腔充气，蓄能器液腔油口和系统相连，充入压力油。此类液压密封件系统的活塞蓄能器会受于活塞的惯性和密封件与缸筒的摩擦力的影响，从而反应不够灵敏。缸筒加工和活塞密封件要求较高。活塞式蓄能器主要由缸筒，缸筒内的活塞，以及缸筒两端的端盖三个主体部分和另外的密封件、压紧螺母等配件组成。活塞的封闭端面承受工作流体的压力，并与缸盖、缸壁构成燃烧室或压缩容积。活塞上装有活塞环或胶质密封圈以防止流体泄漏。活塞可用铸铁、锻钢、铸钢或铝合金等材料制造。油缸缸盖体的里端内腔依次设有挡环、挡污环、密封圈、轴套和挡圈；油缸缸盖体的外端外面设有O型圈；油缸缸盖体的一侧设有油路接口；其要点在于密封圈和轴套之间设有缓冲密封圈，挡圈的外侧设有与油道接口连通的缓冲腔，在油缸缸盖体的另一侧设有与缓冲腔连通的节流阀连接孔，节流阀连接孔里端设有缓冲油路。工作过程中，活塞式蓄能器活塞处于频繁的运动过程中，储油时要求活塞处的内部压力能迅速达到系统压力值，排油时活塞内部密封压力不会太高，而气侧的高压力作用在密封件上，造成密封件倾斜和破坏密封功能。如图2所示的蓄能器活塞密封结构为常规的密封结构形式，其通过两道O型密封圈进行密封。由于O型密封圈材料为橡胶，摩擦系数较大、摩擦产生的热量大，出现机械密封失弹现象，易磨损,可能产生焦炭，这些固体颗粒会造成密封端面划伤,会使密封失效，同时O型密封圈易出现扭断现象，也影响活塞式蓄能器的使用寿命。

蓄能器作为大流量油液输出源时，工作前首先预充一定压力的氮气.流量的液压泵输出高压油液进入蓄能器油液腔并推动活塞压缩气体储存能量，工作时，气体膨胀并推动活塞快速运动。输出大流量油液。在使用过程中,有少量产品出现动作灵敏性差,氮气端保不住压力,拆开上端盖发现氮气端有少量的液压油,产品存在两个问题:1)启动压力偏大；2)出现内泄漏。经过对故障产品进行分解检查,发现有如下几种情况:1)在缸筒内表面发现有拉伤的痕迹；2)活塞上安装密封件的沟槽表面发现有加工时振动造成的刀痕；3)当活塞端面正好与下端盖端面靠紧时,启动压力偏大,特别是小型号蓄能器更加明显,大型号蓄能器要稍好些；当活塞离开下端盖的端面时,启动压力变得正常；4)密封件出现发黑、变硬、变脆等现象。启动压力偏大的原因：在氮气腔通大气的情况下,液压油腔通入液压油,试压系统的溢流阀从零开始逐渐升压,活塞启动时压力表所反映的压力,称为最低启动压力。原活塞式蓄能器的活塞密封结构采用两端各设置一道Yx密封圈,中间设置一道带双挡圈的O形圈。Yx密封圈和O形圈虽然动静密封性能较好,但因为密封件结构和密封件材料的局限,适合的往复运动速度≤0.5m/s。活塞(材料LD10)直接和缸筒接触,靠氮气腔端的一道Yx密封圈始终处于干摩擦或半干摩擦状态,摩擦阻力会增加,活塞式蓄能器的动作灵敏性变差,在此情形活塞高速运动会产生高温,使密封件出现老化现象,影响了密封件的密封性能,缩短了密封件的使用寿命,这验证了密封件出现发黑、变硬、变脆的一些现象,密封件丧失了密封作用,内泄漏自然也就会发生。

飞行器液压控制系统中，利用蓄能器气腔端密封气体的可压缩性进行工作，通过充气腔容积的压缩、胀与压力的变通膨化来实现吸油、排油的功能，活塞密封性能要求较高。蓄能器活塞快速运动时液压油的温度快速升高，极端工作温度到达150℃甚至更高，同时蓄能器有时会出现极限低温-55℃下工作的工况，因此蓄能器活塞上密封需保证必须在大温度范围内均能正常工作，目前常采用的蓄能器活塞上两道O型密封圈在极限低温工作次数增加动态密封性较难保证，因此保证蓄能器在极限低温高温下的动态密封性则显得尤为重要。

发明内容

为保证吸收脉动压力效果，蓄能器的活塞启动摩擦力小，活塞上密封件的动态和静态密封性能好，活塞应运动平稳，增加可靠性.以及提高活塞式蓄能器使用寿命，本发明的针对现有技术存在的不足之处，提供一种摩擦力小，运动更平稳、动态密封性优越和耐磨性好的活塞式蓄能器密封方法，以解决常规活塞式蓄能器中活塞密封结构中密封件扭转、活塞启动摩擦力大、动态密封性以及耐磨性差的问题，同时也可避免O型圈和密封环形成的组合密封与三角形密封之间困压问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种活塞式蓄能器气液隔离密封方法，具有如下技术特征：根据装配在缸筒中进行双向运动的圆柱体活塞、压紧螺母和密封件，以及缸筒两端的端盖，采用螺纹联接的活塞式蓄能器端盖与缸筒1，在活塞2的外圆上设置三到四个环形的矩形环槽，其中，第一个矩形环槽与第四个矩形环槽装配导向环3，第二个环槽装配O型密封圈6，并在O型密封圈6上装配压在O型密封圈6上的密封环7，第三个矩形环槽装配三角形密封圈4，并在所述三角形密封圈4的两侧设三角形保护圈5。

本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

活塞启动摩擦力小，动态密封效果好、密封件具有抗扭能力，密封环耐磨性好。本发明在双向运动活塞前后两道密封防线之间采用三角型密封结构，采用的三角形密封圈与缸筒接触应力高，摩擦阻力小，动态密封性能好。通过第二个环槽装配的三角形密封圈的两侧安装三角形保护圈，可防止三角形密封圈的扭转和挤出，解决了常规活塞式蓄能器中活塞两道O型密封圈密封结构密封件扭转和挤出，以及现有技术蓄能器活塞上两道O型密封圈极端工作温度动态密封性较难保证的问题。

运动更平稳。本发明采用在双向运动活塞母线的前后两端方向装配的第一个环槽和第四个环槽中安装导向环3，作为气腔端与液腔端之间的第一道气体密封防线，利用活塞两边导向环使活塞的启动和运动更平稳，不仅避免了活塞与缸筒之间间隙过大使活塞运动出现不平稳现象，减小了活塞启动摩擦力，提高了活塞运动的平稳性。

可靠性增加。本发明采用第三个环槽安装O型密封圈6，并在O型密封圈6上装配压在O型密封圈6上的密封环7。将单向密封的密封环和O型圈组成组合密封作为液腔端密封油液，蓄能器工作时通过密封环7与筒体直接接触，增加了密封件耐磨性和可靠性，还降低了摩擦力而且在动密封面上集中O型密封圈6对液膜擦除性能好，摩擦系数小，很好地满足了气液蓄能器中活塞密封的要求，解决了液腔侧的高压力作用在密封件上，造成密封件倾斜和破坏密封功能的问题。

本发明采用依次设置导向环、三角形密封圈，以及压在单向密封O型密封圈6上密封环7的双层密封，气密性良好且无泄漏，有效地保证了活塞与缸筒的密封性，解决了当活塞端面正好与下端盖的端面接触时,启动压力偏大的问题。四道密封防线油槽的气压形成了可防止氮气腔内的氮气泄漏到液压系统的油封,这种三角形密封圈带两侧三角形保护圈结构,可使活塞到达下端盖前就可受到缓冲作用的阻尼作用,可防止活塞受到冲击，另外,活塞前后两端方向装配的第一个环槽和第四个环槽中安装导向环可防止活塞直接和缸筒接触,而且承载能力高，摩擦力小，耐磨性能好，寿命长。如果在这两道密封圈油槽,填充满润滑油,不仅摩擦阻力小,静密封性能好，而且可避免润滑油出现无爬行，既可以对氮气腔内的氮气泄漏到液压油腔起到隔离作用,还能对氮气腔内表面起到润滑作用,防止了气端密封圈处于干摩擦或半干摩擦状态,提高了活塞式蓄能器的动作灵敏性。由于单向密封的密封环的特殊结构具有“泵回汲”功能，避免了密封件之间形成高压区，从而能有效解决三角形密封圈与组合密封件之间困压问题。与现有技术相比，通过提供三到四个环形的矩形槽密封结构，起动压力进一步减小,提高活塞式蓄能器的动作灵敏性和密封圈的使用寿命.可满足蓄能器中活塞瞬时快速运动的速度要求。试验结果验证表明，活塞密封结构及整体结构设计合理,可改善活塞式蓄能器的动作灵敏性，可使设计的活塞式蓄能器能很好地满足实际使用要求。

附图说明

图1是本发明活塞式蓄能器气液隔离密封的局部剖视示意图。

图2是常规活塞密封结构示意图。

图中：1缸筒、2活塞、3导向环、4三角形密封圈、5三角形保护圈、6 O型密封圈、7密封环。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1。按照本发明，根据装配在缸筒中进行双向运动的圆柱体活塞、压紧螺母和密封件，以及缸筒两端的端盖，采用螺纹联接的活塞式蓄能器端盖与缸筒1，在活塞2的外圆上设置三到四个环形的矩形环槽，其中，第一个矩形环槽与第四个矩形环槽装配导向环3，第二个环槽装配O型密封圈6，并在O型密封圈6上装配压在O型密封圈6上的密封环7，第三个矩形环槽装配三角形密封圈4，并在所述三角形密封圈4的两侧设三角形保护圈5。

在以下描述的优选实施例中一种活塞式蓄能器气液隔离密封方法，包括：装配在缸筒中进行双向运动的圆柱体活塞、压紧螺母和密封件，以及缸筒两端的端盖，活塞式蓄能器端盖与缸筒采用螺纹联接，其中：活塞2的外圆上设置有三到四个环形的矩形环槽，第一个矩形环槽与第四个矩形环槽装配有导向环3，第二个环槽装配O型密封圈6，并在O型密封圈6上装配有压在O型密封圈6上的密封环7，第三个矩形环槽装配有三角形密封圈4，所述三角形密封圈4的两侧设有三角形保护圈5。

进一步地，第一个环槽和第四个环槽安装导向环3，支撑导向环作用为防止活塞与筒体之间间隙过大而使活塞运动出现不平稳现象。

进一步地，第二个环槽安装O型密封圈6，并在O型密封圈上装配有单向密封的密封环7，其中O型圈作为密封环的施力元件，提供足够的密封力，密封环7为台阶式梯形结构，梯形密封边缘在高压侧具有陡峭的接触应力梯度，低压侧梯形密封边缘具有平缓的接触压力梯度，保证附着在缸筒筒体上的油膜在活塞向液腔移动过程中回到液腔，防止活塞在运动过程中带出液腔内筒体内表面微量油层的泄露，同时也可避免O型圈和密封环形成的组合密封与三角形密封之间困压问题。

进一步地，第三个环槽安装三角形密封圈4，并在三角形密封圈4两侧腰上安装三角形保护圈5，三角形密封圈4用于密封气腔的气体，其两侧安装三角形保护圈5防止三角形密封圈的出现翻转和挤出。三角形密封圈设计时根据蓄能器使用的高低温环境，选取合适的橡胶材料，并按压缩率为12％～18％设计三角形密封圈，三角形密封圈安装后与缸筒筒体密封带较窄，但与缸筒筒体之间的接触应力较高，动态密封性更好。

活塞式蓄能器工作原理：活塞将筒体分隔分气腔和液腔，使用时预先向气腔充入一定压力的惰性气体。当蓄能器充压时，油液压力作用在活塞端面上，推动活塞压缩气体，使得油腔容积增大，气腔容积减小，从而贮存油液并提高气腔压力。活塞的上部为压缩气体，下部为压力油液，压力油从下部进油口进入，推动活塞，压缩活塞上腔的气体储存能量；当系统压力低于蓄能器内压力时，气体推动活塞，释放压力油，当蓄压器放压时，气体压力作用在活塞端面上，气体膨胀推动活塞运动，从而排出油液同时气腔压力降低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。