基于仿生的多级结构往复式柱塞的制作方法

本发明属于流体机械工程及仿生领域，具体涉及一种基于仿生的多级结构往复式柱塞。

技术背景

往复式柱塞与柱塞缸孔之间存在两方面问题一直备受关注，一方面是因两者之间相对运动而发生摩擦磨损问题；另一方面是两者之间存在配合间隙，实际工作中流体会通过两者配合间隙处流出从而产生泄漏。这两方面原因造成功率损失，包括摩擦功率损失和泄漏功率损失。为解决摩擦磨损问题，许多研究采用改变柱塞或柱塞缸孔内壁形状，从而引入流体动压润滑技术。在柱塞相对缸孔往复运动过程中，柱塞和柱塞缸孔间隙处流体形成液膜，产生承载力，从而具有润滑和降低摩擦磨损作用。然而泄漏问题往往被忽视，甚至在一定程度上增大了泄漏量。若减少两者之间配合间隙，虽有利于减小泄漏量，但却使柱塞和柱塞缸之间液膜过薄，承载力较低，很难起到流体动压支撑和润滑的作用，此时柱塞和柱塞缸之间的摩擦磨损又变得严重，降低使用寿命。为解决这一矛盾，本发明提出一种基于仿生的二级结构新型柱塞，有利于形成流体动压润滑，即能降低泄漏量，又能提高液膜承载能力，降低摩擦磨损，一方面减小功率损失，另一方面延长摩擦副使用寿命。

多级结构是自然界生物材料的主要特征之一。目前广泛报道的有贝壳、骨头、牙齿、丝瓜卷须、爬山虎的脚等等天然生物材料，它们优异的力学性能均源自于具有多级结构特征的微观结构。例如，贝壳95％的成分是碳酸钙，但是贝壳的多级结构特征使其抗冲击韧性高于碳酸钙多达3000倍。也有人对牛角的角蛋白结构进行sem扫描电镜微观观察，发现牛角蛋白微观的多级正弦结构使其具有较好的抗冲击性能。自然界生物材料的多级结构是自然选择、优胜劣汰的结果，极大地提高了生物材料的性能，有利于生物生命在恶劣自然环境中的生存，这种天然的多级结构也是普遍存在的，为人类仿生设计提供了丰富的素材，本发明提出一种基于仿生的多级结构新型柱塞也得益于此。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于仿生的多级结构往复式柱塞，既能有效提高液膜承载能力避免摩擦副直接接触，降低摩擦磨损，又能降低泄漏量。

本发明目的的实现方法，基于仿生的多级结构往复式柱塞，包括柱塞、一级正弦曲面结构和二级正弦曲面结构，所述的柱塞表面上沿轴向分布着一级正弦曲面，所述的一级正弦曲面周期为λ1，振幅为a1，所述的一级正弦曲面上分布着二级正弦曲面，所述的二级正弦曲面周期为λ2，振幅为a2。所述的一级正弦曲面周期λ1和振幅为a1均分别大于或远大于所述的二级正弦曲面周期为λ2和振幅为a2。柱塞的多级正弦曲面与柱塞缸孔壁形成的多级正弦曲面式凸凹不平的间隙，并在此间隙内形成液膜，柱塞在柱塞缸内往复运动，液膜在多级正弦曲面式凸凹不平的间隙处形成大量“楔形区”，进而形成液膜动压支撑，避免柱塞与柱塞缸孔壁之间的直接接触，保证其处于流体润滑状态，能有效降低柱塞和柱塞缸孔壁的摩擦磨损。另一方面，多级正弦曲面式凸凹不平的间隙将起到“迷宫密封”的作用，大量消耗流体动能，从而大大地降低了工作介质的泄漏。

本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞，其一级正弦曲面周期λ1和振幅为a1可以变化，但比值a1/λ1相同时，对柱塞降低泄漏量和提高液膜承载力的影响一致。

本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞，其二级正弦曲面周期λ2和振幅为a2可以变化，但比值λ2/a2相同时，对柱塞降低泄漏量和提高液膜承载力的影响一致。

本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞，其二级正弦曲面对柱塞降低泄漏量和提高液膜承载力的影响优于一级正弦曲面，这充分体现出了二级正弦曲面结构的重要性和必要性。

本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞，其表面结构可由高精度机床、3d打印、激光或化学刻蚀等技术实现。在加工精度满足的前提下，可以考虑将多级结构往复式柱塞的表面结构提高到三级或者更高级数。

本发明的有益效果在于从自然界生物材料多级结构的角度出发，得到了一种既能提高液膜承载能力从而降低摩擦磨损、又能降低泄漏量的多级结构往复式柱塞，能为精密器械的发展提供技术支撑和借鉴。

附图说明

图1为本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞的三维结构及其轮廓曲线示意图。

图2为本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞与柱塞缸的装配示意图。

图3为本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞的具体实施例。

图中，1-柱塞，2-一级正弦曲面，3-二级正弦曲面，4-柱塞，5-多级正弦曲面，6-间隙，7-柱塞缸孔壁，8-柱塞缸，9-工作介质的进出口，10-转轴，11-斜盘，12-滑靴，13-柱塞，14-柱塞缸，15-配流盘，16-吸入口，17-排出口。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于仿生多级结构的往复式柱塞，包括柱塞1、一级正弦曲面结构2和二级正弦曲面结构3，所述的柱塞表面上沿轴向分布着一级正弦曲面2，所述的一级正弦曲面2周期为λ1，振幅为a1，所述的一级正弦曲面2上分布着二级正弦曲面3，所述的二级正弦曲面3周期为λ2，振幅为a2。所述的一级正弦曲面2周期λ1和振幅为a1均分别大于或远大于所述的二级正弦曲面3周期为λ2和振幅为a2。

图2为本发明一种基于仿生的多级结构往复式柱塞与柱塞缸的装配示意图，仿生多级结构的往复式柱塞4的多级正弦曲面5与柱塞缸8的内壁7形成多级正弦曲面式凸凹不平的间隙6，并在间隙6内形成液膜，当柱塞4在柱塞缸8内往复运动时，液膜在具有多级结构特征的间隙6处形成数量巨大的微“楔形区”，进而形成液膜动压支撑，避免柱塞4与柱塞缸8的内壁7之间的直接接触，保证其处于流体润滑状态，能有效降低柱塞4和柱塞缸8的内壁7之间的摩擦磨损。另一方面，具有多级结构特征的间隙6将起到“迷宫密封”的作用，大量消耗间隙6内的流体动能，从而大大地降低了工作介质的泄漏。9为工作介质的进出口。

图3为本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞的具体实施例，典型的轴向柱塞泵，柱塞13通过滑靴12与斜盘11相互作用，转轴10转动时带动柱塞缸14、柱塞13、滑靴12一起转动，在斜盘11的作用下，柱塞13在柱塞缸14内往复运动。当柱塞13在柱塞缸14内向左运动，即柱塞腔容积增大时，工作介质通过吸入口16和配流盘15进入柱塞腔内；柱塞13、滑靴12和柱塞缸14随转轴10旋转，在斜盘11作用下，柱塞13在柱塞缸14内向右运动，即使柱塞腔容积减小时，工作介质通过配流盘15和排出口17排出，整个过程完成泵的吸入和排出。

本发明仿生多级结构的往复式柱塞可运用于汽车发动机、液压泵等各种容积式液压装置，且适用于多种工作介质，尤其是粘度小，易泄漏、不易产生流体动压，润滑差的介质，不一一举例阐述。值得说明的是，基于上述多级结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出一些无实质性质的改动或润色，采用的技术方案实质仍与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于仿生的多级结构往复式柱塞，包括柱塞、一级正弦曲面结构和二级正弦曲面结构。柱塞上沿轴向分布一级正弦曲面，其周期为λ1，振幅为A1；一级正弦曲面上分布二级正弦曲面，其周期为λ2，振幅为A2；一级正弦曲面周期λ1和振幅A1均分别大于或远大于二级正弦曲面周期λ2和振幅A2。本发明基于仿生的多级结构往复式柱塞在工作时，柱塞的多级正弦曲面与柱塞缸孔壁形成具有多级结构特征的间隙，构成“楔形区”，利于形成流体动压支撑，提高液膜承载力，从而降低柱塞和柱塞缸孔的摩擦磨损。另一方面，具有多级结构特征的间隙起到“迷宫密封”的作用，利于形成涡流，从而降低柱塞与柱塞缸孔间隙的泄漏量。

技术研发人员：张晞;张天鹭;吴进军
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2017.05.23
技术公布日：2017.08.01