適用于自來水工作介質(zhì)的水壓缸研制

韓雪松，鐘麗珠，羅廣權(quán)

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西南寧 530023)

0 前言

水是自然界中非常豐富的綠色資源，以水作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，不僅成本低廉，使用方便，還不會(huì)因泄漏或排放而對(duì)環(huán)境造成污染。水液壓技術(shù)因具有清潔、阻燃和環(huán)保特性，已經(jīng)成為液壓技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，目前已經(jīng)開始在冶金、消防設(shè)備、食品機(jī)械和水利等行業(yè)中應(yīng)用。此外，水液壓技術(shù)在助老、助殘產(chǎn)品領(lǐng)域也能發(fā)揮獨(dú)特的作用，利用自來水系統(tǒng)的壓力驅(qū)動(dòng)水壓缸，可以為如廁輔助起身座椅或淋浴床提供動(dòng)力。自來水壓力驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅節(jié)能環(huán)保，還能完全解決電力驅(qū)動(dòng)方案在高度潮濕環(huán)境下具有的潛在漏電安全隱患問題，具有廣闊的市場(chǎng)推廣前景。

水壓缸是水液壓裝置中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作用是將自來水系統(tǒng)的壓力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力。水壓缸的工作介質(zhì)是自來水，其特性與傳統(tǒng)液壓缸使用的液壓油有很大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)自來水系統(tǒng)的工作壓力通常小于0.5 MPa；(2)具有腐蝕性，容易使普通鋼鐵材料發(fā)生銹蝕；(3)黏度低，對(duì)工作部件的潤滑能力弱。因此現(xiàn)有的液壓缸產(chǎn)品不能適用于自來水工作介質(zhì)，需要針對(duì)自來水的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用的水壓缸。

1 水壓缸整體設(shè)計(jì)

水壓助力如廁輔助起身座椅所使用的水壓缸為單作用形式，應(yīng)用三通球閥控制水壓缸的進(jìn)水和排水。當(dāng)水壓缸接通自來水源時(shí)，自來水進(jìn)入缸體，依靠水壓推動(dòng)活塞桿伸出，驅(qū)動(dòng)坐墊上升；當(dāng)水壓缸連接排水管時(shí)，依靠負(fù)荷的重力將活塞桿壓回缸體，缸體內(nèi)的水排入水箱，實(shí)現(xiàn)坐墊緩慢下降。水壓缸的設(shè)計(jì)要符合產(chǎn)品使用需求，同時(shí)要適應(yīng)城鎮(zhèn)自來水系統(tǒng)環(huán)境。水壓缸的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 水壓缸的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 水壓缸結(jié)構(gòu)

水壓缸由缸筒、上缸蓋、下缸蓋、活塞和潤滑器等部件組成，如圖1所示。上下缸蓋、缸筒、活塞和活塞桿選用6061鋁合金制造，該型號(hào)鋁合金具有極佳的加工性能和良好的抗腐蝕性，適合制造具有一定強(qiáng)度要求的機(jī)械零件，同時(shí)滿足產(chǎn)品輕量化的設(shè)計(jì)需求。

圖1 水壓缸裝配圖

缸筒與上、下缸蓋采用螺紋直接連接，結(jié)構(gòu)緊湊拆裝方便。下缸蓋末端設(shè)置有鉸接孔，側(cè)面開設(shè)有3.175 mm(1/8英寸)管螺紋接口，便于連接標(biāo)準(zhǔn)自來水管件。

活塞與活塞桿采用螺紋盲孔連接，如圖2所示，與液壓缸活塞常用的通孔連接方案相比，能有效減小活塞的軸線尺寸，同時(shí)節(jié)省了活塞桿與活塞間的密封裝置，使活塞結(jié)構(gòu)更加緊湊。為了防止活塞桿螺紋連接松動(dòng)，在活塞桿的下端加工出卡槽，將U形防松鋼片插入卡槽，并用螺釘固定在活塞上，起到防松作用，如圖3所示。

圖2 活塞局部裝配圖

圖3 活塞桿防松結(jié)構(gòu)

在活塞底部設(shè)置有3 mm高的圓柱形凸臺(tái)，作用是使活塞與下缸蓋間保持一定間隙，避免活塞底面堵塞進(jìn)水口。

活塞與缸筒內(nèi)壁間設(shè)置Y形密封圈。Y形密封圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封，依靠唇邊對(duì)耦合面的緊密接觸，并在水壓作用下產(chǎn)生較大的接觸壓力，達(dá)到密封作用。水壓缸選用Y形TPU材質(zhì)密封圈(型號(hào)51*63*14)，該型號(hào)密封圈具有優(yōu)秀的耐磨性和低壓密封性，運(yùn)行速度不大于0.5 m/s，滿足水壓缸使用要求。

缸筒與下缸蓋間設(shè)置硅膠密封墊片。硅膠密封墊片具有良好的柔韌性和密封性，是一種自來水管道接頭的常用密封材料。利用缸筒與下缸蓋間的預(yù)緊力壓縮密封墊片，達(dá)到密封效果。

1.2 水壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

(1)缸筒內(nèi)徑計(jì)算

依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《城鎮(zhèn)供水服務(wù)》(CJ/T 316—2009)中第6.2條要求：供水水壓應(yīng)符合CJJ58—2007中第3.1.3條要求，供水管網(wǎng)末梢壓力不應(yīng)低于14 m(約等于0.14 MPa)。通過對(duì)206戶城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民家庭的供水壓力進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，平均水壓為0.33 MPa，僅5戶自來水壓小于0.2 MPa。根據(jù)如廁輔助起身座椅產(chǎn)品能適用于95%的城鎮(zhèn)家庭水壓環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及座椅的基礎(chǔ)舉升力，確定水壓缸的工作參數(shù)。工作壓力=0.2 MPa，活塞桿推力=545 N，載荷率=0.85，水壓缸缸筒內(nèi)徑按下式計(jì)算：

10=63.9 mm

(1)

將缸筒內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取=63 mm 。

(2)缸筒壁厚計(jì)算

根據(jù)GB50242—2002《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，自來水供水壓力標(biāo)準(zhǔn)是試驗(yàn)壓力均為工作壓力的1.5倍，但不得小于0.6 MPa。實(shí)測(cè)的城鎮(zhèn)居民家庭自來水壓力的最大值為0.47 MPa，1.5倍為0.705 MPa，為了進(jìn)一步提高安全性，將水壓缸的試驗(yàn)壓力定為1 MPa。缸筒材料為6061鋁合金，其抗拉強(qiáng)度=124 MPa，取安全系數(shù)=8，則缸筒材料許用應(yīng)力為

[]=/=15.5 MPa

(2)

缸筒壁厚按下式計(jì)算：

(3)

為了提高缸筒的機(jī)械強(qiáng)度并降低加工難度，取=5 mm。

(3)活塞桿穩(wěn)定性校核

水壓缸兩端都采用鉸鏈連接方式，工作時(shí)承受軸向壓力，當(dāng)軸向力達(dá)到極限力后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，按下式計(jì)算：

(4)

式中:為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，鋁合金取50 MPa；實(shí)驗(yàn)常數(shù)=1/750;活塞桿計(jì)算長度=550 mm=0.55 m，活塞桿橫截面慣性半徑為

(5)

活塞桿截面積為

(6)

將和的值代入式(4)中得=4 207.6 N,當(dāng)座椅承受1 000 N額定負(fù)載時(shí)，水壓缸推力=681 N，< ，因此水壓缸活塞桿的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 水壓缸潤滑裝置設(shè)計(jì)

水壓缸的工作介質(zhì)是自來水，水的黏度低將導(dǎo)致液膜的厚度大為減小，使水壓元件對(duì)偶摩擦副之間難以形成彈流潤滑，很容易造成摩擦副表面的直接接觸，形成干摩擦，從而引發(fā)嚴(yán)重的黏著磨損和疲勞磨損。針對(duì)上述問題，為水壓缸創(chuàng)新設(shè)計(jì)了獨(dú)特的雙腔型潤滑裝置，潤滑裝置安裝在水壓缸內(nèi)部，該裝置能夠?qū)λ畨焊椎幕钊盎钊麠U進(jìn)行潤滑，有效降低活塞及活塞桿的運(yùn)行阻力，減輕密封件的磨損，解決了水壓缸因使用自來水介質(zhì)而存在的潤滑不良問題。

2.1 潤滑裝置結(jié)構(gòu)

雙腔型潤滑裝置由潤滑器、封堵塞和彈簧三部分組成，如圖4所示。潤滑器中部設(shè)置有隔板，隔板上開設(shè)有一個(gè)中心孔和若干個(gè)通油孔，中心孔直徑比活塞桿直徑大1 mm。潤滑裝置的局部裝配如圖5所示，將封堵塞插入潤滑器的連通孔，使其能沿連通孔上下移動(dòng)，再將彈簧放入封堵塞上端的彈簧孔內(nèi)。

圖4 潤滑裝置爆炸圖 圖5 潤滑裝置局部裝配

潤滑裝置安裝在缸筒的上端，潤滑器的外徑與缸筒的內(nèi)徑采用過盈配合連接，如圖6所示。潤滑器的隔板將水壓缸的上腔分割為上、下兩個(gè)儲(chǔ)油腔室，在上儲(chǔ)油腔中填充吸油棉，其填充密度能夠使吸油棉緊緊包裹活塞桿。潤滑器的連通孔與上缸蓋的通氣孔對(duì)齊并連通，用于保持缸體內(nèi)外氣壓平衡。彈簧的一端接觸上缸蓋，另一端給封堵塞施加向下的推力，當(dāng)活塞沒有接觸封堵塞時(shí)，封堵塞移動(dòng)到潤滑器連通孔的下止點(diǎn)，封堵塞的凹槽與下儲(chǔ)油腔形成通道，如圖6所示；當(dāng)活塞向上移動(dòng)并接觸封堵塞時(shí)，封堵塞被逐漸推動(dòng)到連通孔的上止點(diǎn)，連通孔與下儲(chǔ)油腔的通道被關(guān)閉，如圖7所示。

圖6 潤滑裝置連通孔打開狀態(tài)

圖7 潤滑裝置連通孔關(guān)閉狀態(tài)

2.2 潤滑裝置的工作過程

首先給上儲(chǔ)油腔中的吸油棉注入足量的潤滑油，使處于飽和狀態(tài)，然后給下儲(chǔ)油腔注入適量潤滑油，油量以活塞移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)潤滑油能基本充滿下儲(chǔ)油腔為宜。下儲(chǔ)油腔的潤滑油在活塞與缸筒間形成油膜，上儲(chǔ)油腔的潤滑油通過吸油棉涂抹在活塞桿上，從而降低活塞的運(yùn)行阻力，減輕密封件的磨損。

活塞自下而上移動(dòng)時(shí)，彈簧推動(dòng)封堵塞打開連通孔的通道，使水壓缸上腔中的空氣經(jīng)過通氣孔排出缸體，同時(shí)下儲(chǔ)油腔中的潤滑油也隨活塞向上移動(dòng)。當(dāng)活塞接觸封堵塞后，封堵塞向上移動(dòng)逐漸關(guān)閉排氣通道，防止?jié)櫥屯庖?，下?chǔ)油腔中的潤滑油通過隔板上的通油孔被擠壓進(jìn)入上儲(chǔ)油腔中，補(bǔ)充吸油棉中的油量?；钊陨隙乱苿?dòng)時(shí)，封堵塞隨之向下移動(dòng)，逐漸打開進(jìn)氣通道，讓空氣進(jìn)入缸體，使缸體內(nèi)外氣壓保持平衡，同時(shí)上儲(chǔ)油腔中的過量潤滑油也能經(jīng)過通油孔回流到下儲(chǔ)油腔中。

上缸蓋的通氣孔同時(shí)也用于加注潤滑油，當(dāng)缸體內(nèi)的潤滑油損耗到一定量時(shí)，可以往通氣孔內(nèi)注油，潤滑油則可以經(jīng)過通氣孔進(jìn)入連通孔，并進(jìn)入下儲(chǔ)油腔，以此來實(shí)現(xiàn)潤滑油加注。

2.3 潤滑油的選擇

作為應(yīng)用于城鎮(zhèn)自來水系統(tǒng)環(huán)境的水壓缸，其潤滑油的性能除了要滿足活塞潤滑需求外，還應(yīng)具有良好的環(huán)境友好性和較長的維護(hù)周期。與礦物油相比較，硅油的抗氧化能力強(qiáng)，蒸發(fā)損失小，毒性極低，因此能延長潤滑油的補(bǔ)充周期，同時(shí)不會(huì)污染環(huán)境，非常符合水壓缸的使用需求。

3 結(jié)論

使用自來水作為工作介質(zhì)的水壓缸有別于傳統(tǒng)的液壓缸，在缸體材料、密封結(jié)構(gòu)以及潤滑方式上都要針對(duì)自來水的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)自來水系統(tǒng)壓力和活塞推力等參數(shù)確定了水壓缸各零部件的尺寸，通過樣機(jī)試驗(yàn)(產(chǎn)品委托廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院進(jìn)行性能測(cè)試，檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)J21-001575)驗(yàn)證了水壓缸設(shè)計(jì)的可行性，得出的相關(guān)結(jié)論如下：

(1)選用6061鋁合金制造水壓缸的主要零件，在保障使用強(qiáng)度的同時(shí)能滿足自來水環(huán)境的抗腐蝕要求；

(2)精簡(jiǎn)密封結(jié)構(gòu)，使用一只Y形TPU材質(zhì)密封圈進(jìn)行活塞密封，既能滿足自來水系統(tǒng)壓力環(huán)境下的密封要求，又能降低活塞的運(yùn)行阻力；

(3)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙腔型潤滑裝置使?jié)櫥湍茉谏舷聝?chǔ)油腔中循環(huán)流動(dòng)，讓活塞及活塞桿都能得到充分的潤滑；

(4)為其他以自來水作為工作介質(zhì)的水液壓設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。