本發(fā)明屬于流體機(jī)械工程及仿生領(lǐng)域，具體涉及一種基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞。

技術(shù)背景

往復(fù)式柱塞與柱塞缸孔之間存在兩方面問題一直備受關(guān)注，一方面是因兩者之間相對運(yùn)動而發(fā)生摩擦磨損問題；另一方面是兩者之間存在配合間隙，實(shí)際工作中流體會通過兩者配合間隙處流出從而產(chǎn)生泄漏。這兩方面原因造成功率損失，包括摩擦功率損失和泄漏功率損失。為解決摩擦磨損問題，許多研究采用改變柱塞或柱塞缸孔內(nèi)壁形狀，從而引入流體動壓潤滑技術(shù)。在柱塞相對缸孔往復(fù)運(yùn)動過程中，柱塞和柱塞缸孔間隙處流體形成液膜，產(chǎn)生承載力，從而具有潤滑和降低摩擦磨損作用。然而泄漏問題往往被忽視，甚至在一定程度上增大了泄漏量。若減少兩者之間配合間隙，雖有利于減小泄漏量，但卻使柱塞和柱塞缸之間液膜過薄，承載力較低，很難起到流體動壓支撐和潤滑的作用，此時柱塞和柱塞缸之間的摩擦磨損又變得嚴(yán)重，降低使用壽命。為解決這一矛盾，本發(fā)明提出一種基于仿生的二級結(jié)構(gòu)新型柱塞，有利于形成流體動壓潤滑，即能降低泄漏量，又能提高液膜承載能力，降低摩擦磨損，一方面減小功率損失，另一方面延長摩擦副使用壽命。

多級結(jié)構(gòu)是自然界生物材料的主要特征之一。目前廣泛報道的有貝殼、骨頭、牙齒、絲瓜卷須、爬山虎的腳等等天然生物材料，它們優(yōu)異的力學(xué)性能均源自于具有多級結(jié)構(gòu)特征的微觀結(jié)構(gòu)。例如，貝殼95％的成分是碳酸鈣，但是貝殼的多級結(jié)構(gòu)特征使其抗沖擊韌性高于碳酸鈣多達(dá)3000倍。也有人對牛角的角蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行sem掃描電鏡微觀觀察，發(fā)現(xiàn)牛角蛋白微觀的多級正弦結(jié)構(gòu)使其具有較好的抗沖擊性能。自然界生物材料的多級結(jié)構(gòu)是自然選擇、優(yōu)勝劣汰的結(jié)果，極大地提高了生物材料的性能，有利于生物生命在惡劣自然環(huán)境中的生存，這種天然的多級結(jié)構(gòu)也是普遍存在的，為人類仿生設(shè)計(jì)提供了豐富的素材，本發(fā)明提出一種基于仿生的多級結(jié)構(gòu)新型柱塞也得益于此。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，既能有效提高液膜承載能力避免摩擦副直接接觸，降低摩擦磨損，又能降低泄漏量。

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)方法，基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，包括柱塞、一級正弦曲面結(jié)構(gòu)和二級正弦曲面結(jié)構(gòu)，所述的柱塞表面上沿軸向分布著一級正弦曲面，所述的一級正弦曲面周期為λ1，振幅為a1，所述的一級正弦曲面上分布著二級正弦曲面，所述的二級正弦曲面周期為λ2，振幅為a2。所述的一級正弦曲面周期λ1和振幅為a1均分別大于或遠(yuǎn)大于所述的二級正弦曲面周期為λ2和振幅為a2。柱塞的多級正弦曲面與柱塞缸孔壁形成的多級正弦曲面式凸凹不平的間隙，并在此間隙內(nèi)形成液膜，柱塞在柱塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，液膜在多級正弦曲面式凸凹不平的間隙處形成大量“楔形區(qū)”，進(jìn)而形成液膜動壓支撐，避免柱塞與柱塞缸孔壁之間的直接接觸，保證其處于流體潤滑狀態(tài)，能有效降低柱塞和柱塞缸孔壁的摩擦磨損。另一方面，多級正弦曲面式凸凹不平的間隙將起到“迷宮密封”的作用，大量消耗流體動能，從而大大地降低了工作介質(zhì)的泄漏。

本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，其一級正弦曲面周期λ1和振幅為a1可以變化，但比值a1/λ1相同時，對柱塞降低泄漏量和提高液膜承載力的影響一致。

本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，其二級正弦曲面周期λ2和振幅為a2可以變化，但比值λ2/a2相同時，對柱塞降低泄漏量和提高液膜承載力的影響一致。

本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，其二級正弦曲面對柱塞降低泄漏量和提高液膜承載力的影響優(yōu)于一級正弦曲面，這充分體現(xiàn)出了二級正弦曲面結(jié)構(gòu)的重要性和必要性。

本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，其表面結(jié)構(gòu)可由高精度機(jī)床、3d打印、激光或化學(xué)刻蝕等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在加工精度滿足的前提下，可以考慮將多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞的表面結(jié)構(gòu)提高到三級或者更高級數(shù)。

本發(fā)明的有益效果在于從自然界生物材料多級結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，得到了一種既能提高液膜承載能力從而降低摩擦磨損、又能降低泄漏量的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，能為精密器械的發(fā)展提供技術(shù)支撐和借鑒。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞的三維結(jié)構(gòu)及其輪廓曲線示意圖。

圖2為本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞與柱塞缸的裝配示意圖。

圖3為本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞的具體實(shí)施例。

圖中，1-柱塞，2-一級正弦曲面，3-二級正弦曲面，4-柱塞，5-多級正弦曲面，6-間隙，7-柱塞缸孔壁，8-柱塞缸，9-工作介質(zhì)的進(jìn)出口，10-轉(zhuǎn)軸，11-斜盤，12-滑靴，13-柱塞，14-柱塞缸，15-配流盤，16-吸入口，17-排出口。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種基于仿生多級結(jié)構(gòu)的往復(fù)式柱塞，包括柱塞1、一級正弦曲面結(jié)構(gòu)2和二級正弦曲面結(jié)構(gòu)3，所述的柱塞表面上沿軸向分布著一級正弦曲面2，所述的一級正弦曲面2周期為λ1，振幅為a1，所述的一級正弦曲面2上分布著二級正弦曲面3，所述的二級正弦曲面3周期為λ2，振幅為a2。所述的一級正弦曲面2周期λ1和振幅為a1均分別大于或遠(yuǎn)大于所述的二級正弦曲面3周期為λ2和振幅為a2。

圖2為本發(fā)明一種基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞與柱塞缸的裝配示意圖，仿生多級結(jié)構(gòu)的往復(fù)式柱塞4的多級正弦曲面5與柱塞缸8的內(nèi)壁7形成多級正弦曲面式凸凹不平的間隙6，并在間隙6內(nèi)形成液膜，當(dāng)柱塞4在柱塞缸8內(nèi)往復(fù)運(yùn)動時，液膜在具有多級結(jié)構(gòu)特征的間隙6處形成數(shù)量巨大的微“楔形區(qū)”，進(jìn)而形成液膜動壓支撐，避免柱塞4與柱塞缸8的內(nèi)壁7之間的直接接觸，保證其處于流體潤滑狀態(tài)，能有效降低柱塞4和柱塞缸8的內(nèi)壁7之間的摩擦磨損。另一方面，具有多級結(jié)構(gòu)特征的間隙6將起到“迷宮密封”的作用，大量消耗間隙6內(nèi)的流體動能，從而大大地降低了工作介質(zhì)的泄漏。9為工作介質(zhì)的進(jìn)出口。

圖3為本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞的具體實(shí)施例，典型的軸向柱塞泵，柱塞13通過滑靴12與斜盤11相互作用，轉(zhuǎn)軸10轉(zhuǎn)動時帶動柱塞缸14、柱塞13、滑靴12一起轉(zhuǎn)動，在斜盤11的作用下，柱塞13在柱塞缸14內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)柱塞13在柱塞缸14內(nèi)向左運(yùn)動，即柱塞腔容積增大時，工作介質(zhì)通過吸入口16和配流盤15進(jìn)入柱塞腔內(nèi)；柱塞13、滑靴12和柱塞缸14隨轉(zhuǎn)軸10旋轉(zhuǎn)，在斜盤11作用下，柱塞13在柱塞缸14內(nèi)向右運(yùn)動，即使柱塞腔容積減小時，工作介質(zhì)通過配流盤15和排出口17排出，整個過程完成泵的吸入和排出。

本發(fā)明仿生多級結(jié)構(gòu)的往復(fù)式柱塞可運(yùn)用于汽車發(fā)動機(jī)、液壓泵等各種容積式液壓裝置，且適用于多種工作介質(zhì)，尤其是粘度小，易泄漏、不易產(chǎn)生流體動壓，潤滑差的介質(zhì)，不一一舉例闡述。值得說明的是，基于上述多級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，為解決同樣的技術(shù)問題，即使在本發(fā)明上做出一些無實(shí)質(zhì)性質(zhì)的改動或潤色，采用的技術(shù)方案實(shí)質(zhì)仍與本發(fā)明一樣，故其也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞，包括柱塞、一級正弦曲面結(jié)構(gòu)和二級正弦曲面結(jié)構(gòu)。柱塞上沿軸向分布一級正弦曲面，其周期為λ1，振幅為A1；一級正弦曲面上分布二級正弦曲面，其周期為λ2，振幅為A2；一級正弦曲面周期λ1和振幅A1均分別大于或遠(yuǎn)大于二級正弦曲面周期λ2和振幅A2。本發(fā)明基于仿生的多級結(jié)構(gòu)往復(fù)式柱塞在工作時，柱塞的多級正弦曲面與柱塞缸孔壁形成具有多級結(jié)構(gòu)特征的間隙，構(gòu)成“楔形區(qū)”，利于形成流體動壓支撐，提高液膜承載力，從而降低柱塞和柱塞缸孔的摩擦磨損。另一方面，具有多級結(jié)構(gòu)特征的間隙起到“迷宮密封”的作用，利于形成渦流，從而降低柱塞與柱塞缸孔間隙的泄漏量。

技術(shù)研發(fā)人員：張晞;張?zhí)禚?吳進(jìn)軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.23
技術(shù)公布日：2017.08.01