[实用新型]基于仿生的多级结构往复式柱塞

说明书

本实用新型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。本实用新型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。

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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，本实用新型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，本实用新型提出一种基于仿生的多级结构新型柱塞也得益于此。

发明内容

本实用新型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。

本实用新型目的的实现方法，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。