一种用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸的制作方法

本发明属于液压缸技术领域，具体涉及一种用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸。

背景技术：

液压缸是工程机械液压系统中重要的执行部件，其密封性能的好坏直接影响液压缸、甚至整机的工作性能。其中，液压缸活塞与缸筒内壁之间的密封，是液压缸中的关键密封环节，它对液压缸内泄漏这种典型故障模式的产生，起着决定性的作用。液压缸活塞与缸筒之间的常见密封装置与结构，主要包括密封圈密封、间隙密封和活塞环密封等形式。

《中南大学学报》(自然科学版)2017年第48卷第1期“das组合密封圈密封特性”一文中，公开了一种工程机械用的das(doubleactingseal)组合密封圈密封结构，该结构包括一个弹性齿状密封圈、两个挡圈和两个耐磨环，如图1所示。这类接触式的密封圈密封装置，虽然泄漏量少，但存在缸筒与活塞之间的摩擦力大、发热多等缺陷，尤其在油压较高的情况下，密封圈会受到较大的压力冲击，容易损伤，影响工作可靠性。而且，密封圈安装在活塞轴向中间位置的密封沟槽中，活塞两端直径尺寸均大于密封圈内径尺寸，密封件拆装时需用较大外力使密封圈变形、内孔扩大后才能穿过活塞端部进入密封沟槽，拆装不方便，容易拉伤和扭曲密封圈，影响密封件使用寿命和密封性能。

2011年武汉科技大学鄢勇的硕士论文“液压缸间隙密封流场仿真分析”一文中，给出了一种位于缸筒内壁与活塞之间、非接触式的间隙密封结构，利用活塞外缘与缸筒内壁之间的微小径向间隙来防止泄漏。而且，活塞上开设了矩形、梯形、三角形及它们的组合形式的平衡槽，以防止活塞偏心并提高密封性能。然而，这种非接触式的间隙密封结构，仍然存在一些缺点，比如不能完全消除泄漏，特别是工作压力增大时存在有泄漏量也随之增加的问题。

简言之，现有技术中，上述两种液压缸活塞密封装置单独使用时各存在一些不足，有改进的空间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中密封圈密封和间隙密封的各自不足，提供一种具有良好密封性能及可靠性、密封件拆装更换方便的用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

第一方面，本发明提供一种组合密封装置，用于液压缸活塞与缸筒内壁之间的密封。

所述用于液压缸活塞的组合密封装置，活塞采用分体式可拆卸结构，由至少两个活塞体组合而成。其中，第一活塞体外圆表面与缸筒内壁之间存在微小径向间隙，形成第一间隙密封；第一活塞体外圆表面开有若干个彼此平行的第一环形均压槽；第二活塞体轴向中间位置安装有密封件，两侧对称地分布有第一挡圈与第二挡圈，第二活塞体与缸筒内壁之间形成密封圈密封。所述第二活塞体两端通过螺纹连接分别固定有第一支撑件和第二支撑件，第一支撑件在不与第二活塞体接触的一端沿轴向外凸设有凸缘，第一活塞体在与第一支撑件接触的一端内凹设有与该凸缘相配合的定位凹槽。第二支撑件在不与第二活塞体接触的一端沿轴向外凸设有凸缘。第一活塞体与第二活塞体之间通过螺纹连接连为一体，形成组合活塞，该组合活塞通过锁紧螺母和弹性垫圈轴向固定于活塞杆位于缸筒内的一端；而且，该组合活塞沿轴向同时集成有两种不同类型的密封结构，包括一个密封圈密封和至少一个间隙密封，形成组合密封结构。

所述用于液压缸活塞的组合密封装置，第一活塞体沿圆周方向均布有阶梯型通孔，所述阶梯型通孔的一端安装有连接第一活塞体与第二活塞体的螺纹连接件，另一端置有第二堵塞件。

所述用于液压缸活塞的组合密封装置，第一活塞体上的各第一环形均压槽纵截面形状均为半圆形，也可以为其他任何一种所需要的形状，比如非半圆的弧形、v形、u形，以及半圆形与v形、u形、梯形、矩形分别组合而成的形状。作为本发明的一种优选结构，当各第一环形均压槽的纵截面形状均为半圆形时，相应的沟槽半径尺寸为0.25mm～0.5mm，深度为0.5～1mm；各第一环形均压槽彼此之间的间距为2mm～5mm。

作为本发明的另一种优选结构，所述液压缸活塞组成除了包括有第一活塞体与第二活塞体之外，还包括有第三活塞体。第三活塞体外圆表面与缸筒内壁之间存在微小径向间隙，形成第二间隙密封；第三活塞体外圆表面开有若干个彼此平行的第二环形均压槽，第三活塞体在与第二支撑件接触的一端内凹设有与第二支撑件凸缘相配合的定位凹槽；第三活塞体与第二活塞体之间通过螺纹连接固定相连。而且，所述第二环形均压槽的数量、纵截面形状及尺寸，与该组合活塞上第一活塞体外圆表面的第一环形均压槽的数量、纵截面形状及尺寸，均对应相同，或者不相同。此外，第三活塞体沿圆周方向均布有阶梯型通孔，所述阶梯型通孔的一端安装有连接第二活塞体与第三活塞体的螺纹连接件，另一端置有第一堵塞件。

所述用于液压缸活塞的组合密封装置，第二活塞体外圆表面安装的密封件采用das(doubleactingseal)组合密封圈或山形组合密封圈结构中所用的弹性齿状密封圈，还可以采用其他能满足液压缸活塞动密封性能要求的密封圈，比如o型密封圈等。

第二方面，本发明还提供一种液压缸，包括第一方面中任一项所述的用于液压缸活塞的组合密封装置。

本发明采用了组合式结构设计，包括分体式活塞体组成的组合活塞，以及两种不同类型的密封结构(间隙密封与密封圈密封)组成的组合密封结构。与背景技术相比，本发明同时使用密封圈密封和间隙密封来阻止内泄漏，具有较多的有益效果，分述如下：

(1)所述用于液压缸活塞的组合密封装置，活塞与缸筒内壁之间存在两种不同类型的密封结构，包括一个密封圈密封和至少一个间隙密封，集成了间隙密封和密封圈密封的各自优点。当该组合密封装置由第一活塞体及第一间隙密封、以及第二活塞体及密封圈密封组成时，这种优选结构是间隙密封和密封圈密封并存的双重密封结构，构成了密封的“双保险”，可对泄漏的油液起到两次屏蔽作用。即使泄漏油液首先流经的第一道密封不能完全封堵油液泄漏，其后的第二道密封也可以起到进一步的油液阻隔和密封作用。这样，能最大限度地防止活塞两侧进油腔和回油腔之间的内泄漏，还能有效缓解当工作压力增大时泄漏量也随之增大的问题，具有比间隙密封或者密封圈密封单独使用时更好的密封性能。当该组合密封装置由第一活塞体及第一间隙密封、第二活塞体及密封圈密封、以及第三活塞体及第二间隙密封组成时，此优选结构是同时具有两个间隙密封和一个密封圈密封的三重密封组合结构，能对泄漏的油液起到三次屏蔽作用，其密封效果更好。

(2)在上述具有双重密封或者三重密封结构的组合密封装置优选结构中，当工作压力油液先流经间隙密封然后再流经密封圈密封时，由于间隙密封对流经的油液有屏蔽缓冲作用、导致油液压力衰减，使接下来继续流向密封圈密封结构的油液对密封件的冲击、损伤作用减弱，还能减少压力能损失带来的密封件发热和温升，尤其在油压较高的情况下，这种压力衰减效果会更明显。因此有利于延长密封件工作寿命、提高可靠性、增强密封性能。

(3)所述用于液压缸活塞的组合密封装置，第一活塞体外圆表面开有若干个第一环形均压槽，能使活塞径向受力更加均衡，减少活塞倾斜和活塞运动中的摩擦力与磨损，有利于提高活塞的密封性能，改善动态响应。当组合活塞结构还包括有第三活塞体时，第三活塞体外圆表面开设的第二环形均压槽，也有类似的作用。

(4)所述用于液压缸活塞的组合密封装置，当第一活塞体外圆表面采用半圆形的环形均压槽结构时，相对于现有技术中矩形的环形均压槽结构而言，可减少油液紊流、漩涡现象，降低能量损失，从而减少油液及其发热对密封圈的不利影响。

(5)所述用于液压缸活塞的组合密封装置，如果把组合活塞体拆开分离，单个活塞体及其上安装的密封结构组件，能单独应用于密封圈密封或者间隙密封场合，也可以用于本发明组合密封结构在维修时的零部件更换，实现其使用价值的最大化。

(6)第二活塞体上的密封件拆装时，在先拆去第二活塞体一端或两端的支撑件及挡圈的前提下，只需较小外力就可使密封圈内径适当变形，从而方便地安装到第二活塞体外圆表面或者拆卸下来，密封圈的拉伤和扭曲变形较小，对密封圈造成的损伤小，有益于延长密封件工作寿命。

综上所述，本发明第一方面提供的用于液压缸活塞的组合密封装置，其改进之处在于同时使用密封圈密封和间隙密封来阻止内泄漏，克服了现有技术中密封圈密封和间隙密封单独使用时的不足，具有更好的密封效果和可靠性、更长的使用寿命、密封件拆装方便等新的技术效果，尤其适于油液压力大及对密封性能要求高的场合。本发明第二方面所提供的液压缸设置有本发明第一方面提供的液压缸活塞组合密封装置，从而使该液压缸具有本发明第一方面提供的液压缸活塞组合密封装置所具有的一切有益效果。

附图说明

图1是现有技术das(doubleactingseal)组合密封圈结构示意图。

图1中：缸筒1、耐磨环2、挡圈3、弹性齿状密封圈4、活塞5。

图2是本发明用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸的第一种实施方式结构示意图。

图3是图2中圆圈部分i的局部放大图。

图4是本发明用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸的第二种实施方式结构示意图。

图5是本发明第一支撑件零件的全剖视图。

图6是本发明第二支撑件零件的全剖视图。

图7是本发明第一活塞体零件的全剖视图。

图8是本发明第二种实施方式中第三活塞体零件的全剖视图。

图2～图8中：进出油口1、第一活塞体2、凹槽2a、阶梯型通孔2b、第一环形均压槽3、第一支撑件4、凸缘4a、第一挡圈5、第二活塞体6、密封件7、第二挡圈8、第二支撑件9、凸缘9a、第二环形均压槽10、第三活塞体11、凹槽11a、阶梯型通孔11b、缸筒12、进出油口13、第一o型密封圈14、防尘圈15、端盖16、y形密封圈17、导向套18、活塞杆19、第一堵塞件20、第二o型密封圈21、第三o型密封圈22、第四o型密封圈23、第二堵塞件24、弹性垫圈25、锁紧螺母26。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明用于液压缸活塞的组合密封装置及液压缸作进一步说明。需要指出，在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图2或附图4所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，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，或者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。另外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不指示或暗示其相对重要性。

实施方式一

图2示出了本发明第一种实施方式的结构示意图，图5-图7是部分关键零件的结构图。其中，液压缸缸筒12中安装了一个可在该液压缸中做往复直线运动的组合活塞，该组合活塞采用分体式可拆卸结构，包括第一活塞体2和第二活塞体6。第二活塞体6的左右两端通过螺纹连接分别固定有第一支撑件4和第二支撑件9。第二支撑件9右端沿轴向外凸设有凸缘9a。第一支撑件4左端沿轴向外凸设有凸缘4a，第一活塞体2右端内凹设有与第一支撑件4左端凸缘4a相配合的定位凹槽2a。凸缘4a与凹槽2a进行配合定位后，再通过螺纹连接将第一活塞体2与第二活塞体6连为一体，形成组合活塞。图3是上述螺纹连接的局部放大图，图中的螺纹连接件为螺钉。

第一活塞体2的外圆表面与缸筒12内壁之间存在微小径向间隙，形成第一间隙密封。第二活塞体6的轴向中间位置安装有密封件7，密封件7两侧对称地安装有第一挡圈5与第二挡圈8，从而在第二活塞体6与缸筒12内壁之间形成密封圈密封。这样，在该组合活塞的轴向方向上，同时设置有两种不同类型的密封结构，包括一个接触式的密封圈密封和一个非接触式的间隙密封，形成具有双重密封的组合密封结构。

第一活塞体2外圆表面还开有若干个彼此平行的第一环形均压槽3。第一环形均压槽3的作用是使活塞的径向受力更加均衡，减少活塞倾斜和活塞运动中的摩擦力与磨损，有利于提高活塞的密封性能，改善动态响应。各第一环形均压槽3的纵截面形状可以为半圆形，也可以其他任何一种所需要的形状，比如非半圆的弧形、v形、u形，以及半圆形与v形、u形、梯形、矩形分别组合而成的形状。当各第一环形均压槽3的纵截面形状为半圆形时，沟槽半径尺寸为0.25mm～0.5mm，深度为0.5～1mm；各第一环形均压槽3彼此之间的间距为2mm～5mm。研究发现，当采用半圆形的环形均压槽结构时，相对于现有技术中矩形的环形均压槽结构而言，能减少油液紊流、漩涡现象，降低能量损失，减少油液发热对密封圈的不利影响。

第一活塞体2沿圆周方向均布有阶梯型通孔2b，阶梯型通孔2b的一端安装有连接第一活塞体2与第二活塞体6的螺纹连接件，另一端置有第二堵塞件24。第二堵塞件24的作用是防止油液进入阶梯型通孔2b，避免油液腐蚀螺纹连接件，并阻止油液经过阶梯型通孔2b渗漏到第一支撑件4与密封件7之间的空隙。

第二活塞体6上所安装的密封件7采用das(doubleactingseal)组合密封圈或山形组合密封圈结构中所用的弹性齿状密封圈，或者其他能满足液压缸活塞动密封性能要求的密封圈，比如o型密封圈等。

图2中，位于缸筒12内的活塞杆19左端设有连接锁紧螺母26的外螺纹，锁紧螺母26通过弹性垫圈25轴向固定由第一活塞体2和第二活塞体6组成的组合活塞。活塞杆19的另一端依次穿过导向套18和端盖16的中心伸出缸筒12。活塞杆19与第一活塞体2内孔、第二活塞体6内孔之间分别安装有第四o型密封圈23、第三o型密封圈22，防止油液通过活塞杆及活塞内孔泄漏。导向套18的外缘安装有第一o形密封圈14，导向套18的内孔安装有y形密封圈17，以防止油液外泄。端盖16内孔与活塞杆19之间装有防尘圈15，可阻止外界灰尘与异物进入缸筒12内部。此外，缸筒12的左右两端分别开设有进出油口1和13，液压缸工作时油液通过这两个进出油口进出液压缸内腔。

实施方式二

图4示出了本发明第二种实施方式的结构示意图，其中与第一种实施方式相同的零部件均采用与第一种实施方式同样的附图标记。为简便起见，下文主要描述第二种实施方式与第一种实施方式的区别点。第二种实施方式中的组合活塞构成不仅包括第一活塞体2和第二活塞体6，还包括有第三活塞体11(具体结构见图8)。第三活塞体11外圆表面与缸筒12内壁之间存在微小径向间隙，形成第二间隙密封；第三活塞体11外圆表面开有若干个彼此平行的第二环形均压槽10；第三活塞体11左端内凹设有与第二支撑件9右端凸缘9a相配合的定位凹槽11a；第三活塞体11与第二活塞体6之间通过螺纹连接固定相连。因此，第二种实施方式的组合活塞在轴向方向上，同时设置了三道密封，包括第一活塞体2上的第一间隙密封、第二活塞体6上的密封圈密封，和第三活塞体11上的第二间隙密封。这种三重密封组合的优选结构，相比于第一种实施方式的双重密封组合结构，其密封性能更好。

第三活塞体11内孔与活塞杆19之间装有第二o型密封圈21。第三活塞体11外圆表面的第二环形均压槽10，其数量、纵截面形状及尺寸，与第一活塞体2外圆表面的第一环形均压槽3的数量、纵截面形状及尺寸，均对应相同，或者不相同。比如，各第二环形均压槽10的纵截面形状可以为半圆形，也可以为其他任何一种所需要的形状，比如非半圆的弧形、v形、u形，以及半圆形与v形、u形、梯形、矩形分别组合而成的形状。再如，当各第二环形均压槽10的纵截面形状为半圆形时，沟槽半径尺寸为0.25mm～0.5mm，深度为0.5～1mm；各第二环形均压槽10彼此之间的间距为2mm～5mm。此外，第三活塞体11沿圆周方向均布有阶梯型通孔11b，阶梯型通孔11b一端安装有连接第三活塞体11与第二活塞体6的螺纹连接件，另一端置有第一堵塞件20，第一堵塞件20的作用类似于第一活塞体2中的第二堵塞件24，此处不再赘述。

上述第一种实施方式和第二种实施方式，均包括相应的用于液压缸活塞的组合密封装置，以及设置有该液压缸活塞组合密封装置的液压缸。

本发明实施方式一的工作过程简述如下：

当压力油从进出油口1进入到液压缸无杆腔，驱动活塞及活塞杆向右运动，并通过进出油口13回油。在阻止压力油从无杆腔向有杆腔泄漏的过程中，第一活塞体2上的第一间隙密封，是截断压力油泄漏通道的第一道密封屏蔽。即使第一道密封无法完全封堵油液泄漏，对于流过第一道密封的泄漏油液，第二活塞体6上的密封圈密封构成第二道密封屏蔽，进一步阻隔泄漏。这种双重密封作用，在很大程度上能抑制活塞两侧无杆腔与有杆腔之间的油液内泄漏。因此，即使在油液压力增大到高压时，泄漏量仍然在很大程度上被有效抑制，从而减小或消除泄漏量随压力增大而增加的现象。而且，由于第一道密封结构具有屏蔽缓冲作用，压力油液流经第一道密封时会发生压力衰减，然后再作用至第二道密封结构的密封件上，尤其在油压较高的情况下，这种压力衰减作用可明显减弱密封件所受到的油液冲击与损伤，降低压力能损失所带来的密封件发热和温升，有利于延长密封件工作寿命，实现良好而可靠的密封。

当压力油从进出油口13进入液压缸并通过进出油口1回油时，活塞及活塞杆向左运动，此时第二活塞体6上的密封圈密封为阻止油液泄漏的第一道密封，第一活塞体2上的第一间隙密封为第二道密封。这种双重密封结构，仍然能在很大程度上有效地抑制活塞左右两腔的内泄漏，减小或消除泄漏量随压力增大而增加的现象。这种良好而可靠的密封效果，是单个间隙密封或单个密封圈密封所不能达到的。

本发明实施方式二的工作过程简述如下：

在第二种实施方式情况下，液压缸活塞组成除了有第一活塞体2与第二活塞体6之外，还包括有第三活塞体11，对应有三重密封的组合密封结构。具体来说，包括位于活塞轴向中间位置的第二活塞体6上的密封圈密封，以及对称分布于密封圈密封两侧的第一活塞体2上的第一间隙密封和第三活塞体11上的第二间隙密封。当压力油从进出油口1进入液压缸并经进出油口13回油时，活塞及活塞杆向右运动，此时压力油要依次先后流经第一间隙密封、密封圈密封、第二间隙密封这三道密封后，才能从无杆腔泄漏到有杆腔。相比于第一种实施方式的双重密封作用，第二种实施方式的泄漏油液会更少，能更好地减小或消除泄漏量随压力增大而增加的现象。而且，由于第一间隙密封结构的压力衰减作用，使中间位置的密封圈密封结构中密封件所受到的油液冲击与损伤减少，降低压力能损失所带来的密封件发热和温升，有益于提高密封件工作寿命，实现可靠密封。因为第一间隙密封和第二间隙密封相对于中间位置密封圈密封的对称分布，当压力油从进出油口13进入液压缸并经进出油口1回油时，活塞及活塞杆向左运动，密封作用过程与活塞向右运动的情况类似。

上述具体实施方式是对本发明的说明解释，而非限制。在不脱离本发明的原理和精神的情况下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都落在本发明的保护范围之内。