一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统和功能实现方法与流程

1.本发明涉及液压缸技术领域，具体涉及一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统和功能实现方法。


背景技术：

2.目前，市场上以装载机、挖掘机液压缸为典型代表的高速、高压型工程机械液压缸，使用寿命及平均无故障工作时间普遍达不到国外同类标杆产品的指标。主要反馈问题就是主密封在长期高速、高压下动作，冲击压力对活塞主密封使用寿命影响较大，导致液压缸内泄和无法正常使用。
3.现有的专利主要由我公司申请的“一种具有二级节流缓冲功能的工程机械液压缸活塞结构（cn 110067783 a）”，此技术存在以下不足：所述活塞本体外圆开设有五道安装槽；中间位置的所述安装槽中安装有主密封，主密封两侧的安装槽中安装有导向环，导向环外侧的安装槽中安装有容污环；所述容污环外侧的台肩为第一台肩，容污环与导向环之间的台肩为第二台肩，导向环与主密封之间的台肩为第三台肩；所述第三台肩为二级台肩，第三台肩包括靠近导向环一侧的第一级台肩和靠近主密封一侧的第二级台肩；所述第二台肩与缸筒之间的配合间隙是0.5-1.5 mm。
4.该结构在实际使用过程中，因第二台肩是容污环与导向环之间长度尺寸一般较长，且第二台肩与缸筒之间的配合间隙是0.5-1.5 mm，间隙较小，在液压缸受到侧向力时，较为容易发生缸筒与活塞直接接触，从而导致缸筒拉伤的问题，从而出现重大质量问题。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统和功能实现方法，重点解决了用于工程机械（装载机、挖掘机等）高压、高速工况的液压缸，因：
①
、高速频繁往复运动；
②
、行程末端高压缓冲；
③
、主机结构件失速带动活塞杆运动，导致活塞主密封承受波动冲击压力导致主密封损坏和失效。该产品结构提升了液压缸可靠性、结构通用性强，对于其他类似产品设计具有借鉴意义。
6.本发明按以下技术方案实现：本发明主要由合金铸铁环i、支撑环i、主密封、支撑环ii、合金铸铁环ii、活塞组成。
7.活塞外圆车削有五道安装槽，按照顺序分别安装合金铸铁环i、支撑环i、主密封、支撑环ii、合金铸铁环ii。
8.五道安装槽对应台肩直径尺寸不同：（1）、合金铸铁环i、支撑环i、支撑环ii、合金铸铁环ii、外侧台肩直径尺寸较小，其与缸筒内径之间组成的环形间隙较大，对冲击压力基本无节流和缓冲作用；（2）、主密封与支撑环i、支撑环ii之间的台肩直径为二级直径尺寸，一级直径尺寸与合金铸铁环i、支撑环i、支撑环ii、合金铸铁环ii之间台肩直径尺寸相同，
间隙较大，对冲击压力基本无节流和缓冲作用；二级直径尺寸较大，长度较短，但是可人为设计调整，形成环形间隙节流，过流面积较小，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用。合金铸铁环i、合金铸铁环ii材料为带自润滑成分的合金铸铁材料，硬度较低，往复运动时不会拉伤缸筒内孔。
9.合金铸铁环i、合金铸铁环ii结构为在延轴向厚度方向上有一个z字形切口，切口边长应有一定长度以降低泄漏量，同时便于安装及获得一定的弹力。
10.合金铸铁环i、合金铸铁环ii外圆和两侧面为磨削加工，圆度、平面度和粗糙度达到可实现机械密封的指标。
11.在液压缸配套活塞刚开始运动的时候，由于液压缸油压还没有上升，合金铸铁环i、合金铸铁环ii在对应安装沟槽内处于居中浮动状态，少量液压油可以通过合金铸铁环i、合金铸铁环ii底部的通道进入合金铸铁环i、合金铸铁环ii与主密封之间环形区域，防止主密封干摩擦，导致快速磨损。一旦液压缸油压上升（
①
、无论驱动油压上升；
②
、者行程末端进入缓冲区时缓冲压力上升；
③
、主机结构件失速带动活塞杆运动，导致活塞主密封承受波动冲击压力）合金铸铁环i、合金铸铁环ii被上升的压力（液压缸有杆腔或无杆腔）作用到合金铸铁环i、合金铸铁ii的侧面和底面，从而将合金铸铁环i、合金铸铁ii推向对应安装沟槽的主密封安装方向，并紧贴缸筒内壁和安装沟槽的主密封方向的侧面，实现轴向环形节流间隙i和径向环形节流间隙ii双密封，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用，对主密封起到很好程度的保护作用。
12.具体功能实现方法（调节方法）：1、增大序号1合金铸铁环i、序号5合金铸铁环ii处的l1(轴向环形节流间隙i的节流长度），δp1（l1范围内的节流压差）增加；反之，δp1减少。
13.2、增大序号1合金铸铁环i、序号5合金铸铁环ii处的l2(径向环形节流间隙的节流长度），δp2（l2范围内的节流压差）增加；反之，δp2减少。
14.3、增大序号3主密封两侧台阶尺寸l2(节流长度），减少h2(=d-b,间隙值)，δp3（l2范围内的节流压差）增加；反之，δp3减少。
15.增大δp1和δp2和δp3，则冲击压力峰值被削弱，即达到主密封的压力值显著下降，主密封的使用寿命和液压缸可靠性显著提升。
16.通过调整合金铸铁环i、合金铸铁环ii的l1(轴向环形节流间隙i的节流长度）和l2(径向环形节流间隙的节流长度）来调整节流和缓冲和性能，主密封两侧的二级台阶尺寸结构图中的c尺寸可以加工的较小，与缸筒内径d之间的间隙可以设计的较大，防止液压缸活塞受到侧向力时，较为容易发生缸筒与活塞直接接触，从而导致缸筒拉伤的问题，从而出现重大质量问题。
17.与现有技术相比，本发明有益效果为：本发明解决了用于工程机械（装载机、挖掘机等）高压、高速工况的液压缸，因：
①
、高速频繁往复运动；
②
、行程末端高压缓冲；
③
、主机结构件失速带动活塞杆运动，导致活塞主密封承受波动冲击压力导致主密封损坏和失效。该产品结构提升了液压缸可靠性、结构通用性强，对于其他类似产品设计具有借鉴意义。
附图说明
18.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
19.在附图中：图1为本发明的软硬密封组合活塞密封系统安装结构图；图2为本发明的合金铸铁环工作状态图；图3为本发明的合金铸铁环自由浮动状态下油液保存区域图；图4为本发明的主密封两侧的二级台阶尺寸结构图。
20.附图标识：合金铸铁环i；2、支撑环i；3、主密封；4、支撑环ii； 5、合金铸铁环ii；6、活塞。
21.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.如图1、图2、图3、图4所示，一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统主要由合金铸铁环i1、支撑环i2、主密封3、支撑环ii4、合金铸铁环ii5、活塞6组成。活塞6外圆车削有五道安装槽，按照顺序分别安装合金铸铁环i1、支撑环i2、主密封3、支撑环ii4、合金铸铁环ii5。此外，五道安装槽对应台肩直径尺寸不同：（1）、合金铸铁环i1、支撑环i2、支撑环ii4、合金铸铁环ii5的外侧台肩直径尺寸较小，其与缸筒内径之间组成的环形间隙较大，对冲击压力基本无节流和缓冲作用；（2）、主密封3与支撑环i2、支撑环ii4之间的台肩直径为二级直径尺寸，一级直径尺寸与合金铸铁环i1、支撑环i2、支撑环ii4、合金铸铁环ii5之间台肩直径尺寸相同，间隙较大，对冲击压力基本无节流和缓冲作用；二级直径尺寸较大，长度较短，但是可人为设计调整，形成环形间隙节流，过流面积较小，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用。合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5材料为带自润滑成分的合金铸铁材料，硬度较低，往复运动时不会拉伤缸筒内孔；合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5结构为在延轴向厚度方向上有一个z字形切口，切口边长应有一定长度以降低泄漏量，同时便于安装及获得一定的弹力；
合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5外圆和两侧面为磨削加工，圆度、平面度和粗糙度达到可实现机械密封的指标。在液压缸配套活塞6刚开始运动的时候，由于液压缸油压还没有上升，合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5在对应安装沟槽内处于居中浮动状态，少量液压油可以通过合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5底部的通道进入合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5与主密封3之间环形区域，防止主密封干摩擦，导致快速磨损。一旦液压缸油压上升（
①
、无论驱动油压上升；
②
、者行程末端进入缓冲区时缓冲压力上升；
③
、主机结构件失速带动活塞杆运动，导致活塞主密封承受波动冲击压力）合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5被上升的压力（液压缸有杆腔或无杆腔）作用到合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5的侧面和底面，从而将合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5推向对应安装沟槽的主密封安装方向，并紧贴缸筒内壁和安装沟槽的主密封方向的侧面，实现轴向环形节流间隙i和径向环形节流间隙ii双密封，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用，对主密封起到很好程度的保护作用。
26.上述：
①
、“合金铸铁环i1、支撑环i2、主密封3、支撑环ii4、合金铸铁环ii5”组成的软硬密封组合活塞密封系统。
②
、主密封3与支撑环i2、支撑环ii4之间的台肩直径为二级直径尺寸，二级直径尺寸较大，长度较短，但是可人为设计调整，形成环形间隙节流，过流面积较小，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用；
③
、一旦液压缸油压上升，合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5被上升的压力作用到合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5的侧面和底面，从而将合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5推向对应安装沟槽的主密封安装方向，并紧贴缸筒内壁和安装沟槽的主密封方向的侧面，实现轴向环形节流间隙i和径向环形节流间隙ii双密封，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用，对主密封起到很好程度的保护作用，本活塞密封系统可大大提高液压缸使用可靠性和耐高冲击压力峰值的性能指标。
27.根据q= δpbh3 /12μl[两固定平板间的间隙流量—压差公式],可以推到出：δp=12μlq/bh3。其中：1、δp： 节流前后压差；2、b：间隙的宽度；3、l:节流长度；4、q：流量；5、h:节流间隙；6、μ：液压油运动粘度。
[0028]
根据q=πd0h3 δp/12μl[同心环形间隙流量—压差公式],可以推到出：δp=12μlq/πd0h3。
[0029]
其中：1、δp： 节流前后压差；2、d0：轴直径；3、l:节流长度；4、q：流量；5、h:节流间隙；6、μ：液压油运动粘度。
[0030]
根据上述同心环形间隙流量—压差公式和两固定平板间的间隙流量—压差公式，通过调节合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5的l1(轴向环形节流间隙i的节流长度）、l2(径向环形节流间隙的节流长度），可以调整δp1（l1范围内的节流压差）和δp2值（l2范围内的节流压差），即可实现活塞两侧的冲击压力进行第一次节流和缓冲，进而对主密进行保护。
[0031]
根据上述同心环形间隙流量—压差公式，通过调节主密封两侧台阶尺寸的l2(节流长度），h2(=d-b,间隙值)，可以调整δp3值（l2范围内的节流压差），即可实现活塞两侧的冲击压力进行第二次节流和缓冲，进而对主密进行进一步的保护。
[0032]
具体功能实现方法（调节方法）如下：一、增大合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5处的l1(轴向环形节流间隙i的节流长度），δp1（l1范围内的节流压差）增加。反之，δp1减少；二、增大合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5处的l2(径向环形节流间隙的节流长度），δp2（l2范围内的节流压差）增加。反之，δp2减少；
三、增大主密封3两侧台阶尺寸l2(节流长度），减少h2(=d-b,间隙值)，δp3（l2范围内的节流压差）增加。反之，δp3减少；增大δp1和δp2和δp3，则冲击压力峰值被削弱，即达到主密封3的压力值显著下降，主密封3的使用寿命和液压缸可靠性显著提升。
[0033]
由于采用了通过调整合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5的l1(轴向环形节流间隙i的节流长度）和l2(径向环形节流间隙的节流长度）来调整节流和缓冲和性能，附图4所示，主密封3两侧的二级台阶尺寸结构图中的c尺寸（即合金铸铁环i1、支撑环i2、支撑环ii4、合金铸铁环ii5的沟槽外径）可以加工的较小，与缸筒内径d之间的间隙可以设计的较大，防止液压缸活塞受到侧向力时，较为容易发生缸筒与活塞直接接触，从而导致缸筒拉伤的问题，从而出现重大质量问题。
[0034]
上述：
①
、“合金铸铁环i1、支撑环i2、主密封3、支撑环ii4、合金铸铁环ii5”组成的软硬密封组合活塞密封系统。
②
、主密封3与支撑环i2、支撑环ii4之间的台肩直径为二级直径尺寸，二级直径尺寸较大，长度较短，但是可人为设计调整，形成环形间隙节流，过流面积较小，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用；
③
、一旦液压缸油压上升，合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5被上升的压力作用到合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5的侧面和底面，从而将合金铸铁环i1、合金铸铁环ii5推向对应安装沟槽的主密封安装方向，并紧贴缸筒内壁和安装沟槽的主密封方向的侧面，实现轴向环形节流间隙i和径向环形节流间隙ii双密封，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用，对主密封起到很好程度的保护作用，本活塞密封系统可大大提高液压缸使用可靠性和耐高冲击压力峰值的性能指标，其功能实现方法（调节方法）简单，可操作性强，对于其他类似产品设计具有借鉴意义。
[0035]
需要说明的是，以下给出一些上述名词解释：缸筒，是指液压缸活塞在其中运动的中空的承压力件。活塞，靠压力下流体作用，在缸径中移动并传递机械力和运动的缸零件。密封件，是指用于防止泄露和污染物进入的元件。密封系统，由一个或多个密封件和配套件组合成的系统。支撑环，用在往复运动或旋转运动杆或筒上的起支撑导向作用的装置。主密封，起主要起密封作用的密封件。
[0036]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0037]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本技术所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
[0038]
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

技术特征：
1.一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统，其特征在于：主要由合金铸铁环i、支撑环i、主密封、支撑环ii、合金铸铁环ii和活塞组成；其中，所述活塞外圆设有五道安装槽，按照顺序分别安装合金铸铁环i、支撑环i、主密封、支撑环ii、合金铸铁环ii；所述合金铸铁环i、支撑环i、支撑环ii、合金铸铁环ii的外侧台肩直径尺寸较小，其与缸筒内径之间组成的环形间隙较大；所述主密封与支撑环i、支撑环ii之间的台肩直径为二级直径尺寸，一级直径尺寸与合金铸铁环i、支撑环i、支撑环ii、合金铸铁环ii之间台肩直径尺寸相同，间隙较大；所述合金铸铁环i、合金铸铁环ii结构为在延轴向厚度方向上有一个z字形切口。2.根据权利要求1所述的一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统，其特征在于：所述二级直径尺寸较大，长度较短，通过调整形成环形间隙节流。3.根据权利要求1所述的一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统，其特征在于：所述合金铸铁环i、合金铸铁环ii材料为带自润滑成分的合金铸铁材料。4.根据权利要求1所述的一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统，其特征在于：所述z字形切口边长应有预设长度以降低泄漏量，同时便于安装及获得预设的弹力。5.根据权利要求1所述的一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统，其特征在于：所述合金铸铁环i、合金铸铁环ii外圆和两侧面为磨削加工。6.一种基于权利要求1至5任一项所述的液压缸软硬密封组合活塞密封系统的功能实现方法，其特征在于：（一）增大合金铸铁环i、合金铸铁环ii处的轴向环形节流间隙i的节流长度l1， l1范围内的节流压差δp1增加；反之，l1范围内的节流压差δp1减少；（二）增大合金铸铁环i、合金铸铁环ii处的径向环形节流间隙的节流长度l2，l2范围内的节流压差δp2增加；反之，l2范围内的节流压差δp2减少；（三）增大主密封两侧台阶尺寸节流长度l2，减少间隙值h2，l2范围内的节流压差δp3增加；反之，l2范围内的节流压差δp3减少；增大δp1和δp2和δp3，则冲击压力峰值被削弱，即达到主密封的压力值显著下降，主密封的使用寿命和液压缸可靠性显著提升。

技术总结
本发明公开了一种液压缸软硬密封组合活塞密封系统和功能实现方法，合金铸铁环I、支撑环I、主密封、支撑环II、合金铸铁环II组成的软硬密封组合活塞密封系统；主密封与支撑环I、支撑环II之间的台肩直径为二级直径尺寸，二级直径尺寸较大，长度较短，但是可人为设计调整，形成环形间隙节流，过流面积较小，对冲击压力有较大程度的节流和缓冲作用；一旦液压缸油压上升，合金铸铁环I、合金铸铁环II被上升的压力作用到合金铸铁环I、合金铸铁II的侧面和底面，从而将合金铸铁环I、合金铸铁II推向对应安装沟槽的主密封安装方向，并紧贴缸筒内壁和安装沟槽的主密封方向的侧面，实现轴向环形节流间隙I和径向环形节流间隙II双密封。I和径向环形节流间隙II双密封。I和径向环形节流间隙II双密封。


技术研发人员：张强 刘庆教 褚金虎 杨旭伟 郭彦斌
受保护的技术使用者：徐州徐工液压件有限公司
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8