適用于自來水工作介質的水壓缸研制

韓雪松，鐘麗珠，羅廣權

(廣西水利電力職業技術學院機電工程系，廣西南寧 530023)

0 前言

水是自然界中非常豐富的綠色資源，以水作為液壓系統的工作介質，不僅成本低廉，使用方便，還不會因泄漏或排放而對環境造成污染。水液壓技術因具有清潔、阻燃和環保特性，已經成為液壓技術的一個發展方向，目前已經開始在冶金、消防設備、食品機械和水利等行業中應用。此外，水液壓技術在助老、助殘產品領域也能發揮獨特的作用，利用自來水系統的壓力驅動水壓缸，可以為如廁輔助起身座椅或淋浴床提供動力。自來水壓力驅動技術不僅節能環保，還能完全解決電力驅動方案在高度潮濕環境下具有的潛在漏電安全隱患問題，具有廣闊的市場推廣前景。

水壓缸是水液壓裝置中的執行機構，作用是將自來水系統的壓力轉換為驅動力。水壓缸的工作介質是自來水，其特性與傳統液壓缸使用的液壓油有很大的區別，主要表現在以下幾個方面：(1)自來水系統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生銹蝕；(3)黏度低，對工作部件的潤滑能力弱。因此現有的液壓缸產品不能適用于自來水工作介質，需要針對自來水的特點設計專用的水壓缸。

1 水壓缸整體設計

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，應用三通球閥控制水壓缸的進水和排水。當水壓缸接通自來水源時，自來水進入缸體，依靠水壓推動活塞桿伸出，驅動坐墊上升；當水壓缸連接排水管時，依靠負荷的重力將活塞桿壓回缸體，缸體內的水排入水箱，實現坐墊緩慢下降。水壓缸的設計要符合產品使用需求，同時要適應城鎮自來水系統環境。水壓缸的主要設計指標如表1所示。

表1 水壓缸的主要設計指標

1.1 水壓缸結構

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度要求的機械零件，同時滿足產品輕量化的設計需求。

圖1 水壓缸裝配圖

缸筒與上、下缸蓋采用螺紋直接連接，結構緊湊拆裝方便。下缸蓋末端設置有鉸接孔，側面開設有3.175 mm(1/8英寸)管螺紋接口，便于連接標準自來水管件。

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，同時節省了活塞桿與活塞間的密封裝置，使活塞結構更加緊湊。為了防止活塞桿螺紋連接松動，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 活塞桿防松結構

在活塞底部設置有3 mm高的圓柱形凸臺，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水口。

活塞與缸筒內壁間設置Y形密封圈。Y形密封圈主要用于往復運動的密封，依靠唇邊對耦合面的緊密接觸，并在水壓作用下產生較大的接觸壓力，達到密封作用。水壓缸選用Y形TPU材質密封圈(型號51*63*14)，該型號密封圈具有優秀的耐磨性和低壓密封性，運行速度不大于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緊力壓縮密封墊片，達到密封效果。

1.2 水壓缸結構參數計算

(1)缸筒內徑計算

依據住房和城鄉建設部發布的行業標準——《城鎮供水服務》(CJ/T 316—2009)中第6.2條要求：供水水壓應符合CJJ58—2007中第3.1.3條要求，供水管網末梢壓力不應低于14 m(約等于0.14 MPa)。通過對206戶城市和鄉鎮居民家庭的供水壓力進行實際檢測，平均水壓為0.33 MPa，僅5戶自來水壓小于0.2 MPa。根據如廁輔助起身座椅產品能適用于95%的城鎮家庭水壓環境的設計目標，以及座椅的基礎舉升力，確定水壓缸的工作參數。工作壓力=0.2 MPa，活塞桿推力=545 N，載荷率=0.85，水壓缸缸筒內徑按下式計算：

10=63.9 mm

(1)

將缸筒內徑圓整為標準值，取=63 mm 。

(2)缸筒壁厚計算

根據GB50242—2002《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》，自來水供水壓力標準是試驗壓力均為工作壓力的1.5倍，但不得小于0.6 MPa。實測的城鎮居民家庭自來水壓力的最大值為0.47 MPa，1.5倍為0.705 MPa，為了進一步提高安全性，將水壓缸的試驗壓力定為1 MPa。缸筒材料為6061鋁合金，其抗拉強度=124 MPa，取安全系數=8，則缸筒材料許用應力為

[]=/=15.5 MPa

(2)

缸筒壁厚按下式計算：

(3)

為了提高缸筒的機械強度并降低加工難度，取=5 mm。

(3)活塞桿穩定性校核

水壓缸兩端都采用鉸鏈連接方式，工作時承受軸向壓力，當軸向力達到極限力后，活塞桿會產生永久性彎曲變形，出現不穩定現象，按下式計算：

(4)

式中:為材料強度實驗值，鋁合金取50 MPa；實驗常數=1/750;活塞桿計算長度=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,當座椅承受1 000 N額定負載時，水壓缸推力=681 N，< ，因此水壓缸活塞桿的結構穩定。

2 水壓缸潤滑裝置設計

水壓缸的工作介質是自來水，水的黏度低將導致液膜的厚度大為減小，使水壓元件對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，從而引發嚴重的黏著磨損和疲勞磨損。針對上述問題，為水壓缸創新設計了獨特的雙腔型潤滑裝置，潤滑裝置安裝在水壓缸內部，該裝置能夠對水壓缸的活塞及活塞桿進行潤滑，有效降低活塞及活塞桿的運行阻力，減輕密封件的磨損，解決了水壓缸因使用自來水介質而存在的潤滑不良問題。

2.1 潤滑裝置結構

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。潤滑器中部設置有隔板，隔板上開設有一個中心孔和若干個通油孔，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，再將彈簧放入封堵塞上端的彈簧孔內。

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、下兩個儲油腔室，在上儲油腔中填充吸油棉，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齊并連通，用于保持缸體內外氣壓平衡。彈簧的一端接觸上缸蓋，另一端給封堵塞施加向下的推力，當活塞沒有接觸封堵塞時，封堵塞移動到潤滑器連通孔的下止點，封堵塞的凹槽與下儲油腔形成通道，如圖6所示；當活塞向上移動并接觸封堵塞時，封堵塞被逐漸推動到連通孔的上止點，連通孔與下儲油腔的通道被關閉，如圖7所示。

圖6 潤滑裝置連通孔打開狀態

圖7 潤滑裝置連通孔關閉狀態

2.2 潤滑裝置的工作過程

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

活塞自下而上移動時，彈簧推動封堵塞打開連通孔的通道，使水壓缸上腔中的空氣經過通氣孔排出缸體，同時下儲油腔中的潤滑油也隨活塞向上移動。當活塞接觸封堵塞后，封堵塞向上移動逐漸關閉排氣通道，防止潤滑油外溢，下儲油腔中的潤滑油通過隔板上的通油孔被擠壓進入上儲油腔中，補充吸油棉中的油量。活塞自上而下移動時，封堵塞隨之向下移動，逐漸打開進氣通道，讓空氣進入缸體，使缸體內外氣壓保持平衡，同時上儲油腔中的過量潤滑油也能經過通油孔回流到下儲油腔中。

上缸蓋的通氣孔同時也用于加注潤滑油，當缸體內的潤滑油損耗到一定量時，可以往通氣孔內注油，潤滑油則可以經過通氣孔進入連通孔，并進入下儲油腔，以此來實現潤滑油加注。

2.3 潤滑油的選擇

作為應用于城鎮自來水系統環境的水壓缸，其潤滑油的性能除了要滿足活塞潤滑需求外，還應具有良好的環境友好性和較長的維護周期。與礦物油相比較，硅油的抗氧化能力強，蒸發損失小，毒性極低，因此能延長潤滑油的補充周期，同時不會污染環境，非常符合水壓缸的使用需求。

3 結論

使用自來水作為工作介質的水壓缸有別于傳統的液壓缸，在缸體材料、密封結構以及潤滑方式上都要針對自來水的特點進行設計。根據自來水系統壓力和活塞推力等參數確定了水壓缸各零部件的尺寸，通過樣機試驗(產品委托廣西壯族自治區產品質量檢驗研究院進行性能測試，檢驗報告編號J21-001575)驗證了水壓缸設計的可行性，得出的相關結論如下：

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

(2)精簡密封結構，使用一只Y形TPU材質密封圈進行活塞密封，既能滿足自來水系統壓力環境下的密封要求，又能降低活塞的運行阻力；

(3)創新設計的雙腔型潤滑裝置使潤滑油能在上下儲油腔中循環流動，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的水液壓設備設計提供參考。