自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵的製作方法

2023-09-13 21:11:40 1

專利名稱：自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及容積泵領域，具體涉及一種自補水式閥配流柱塞超高壓水泵。
背景技術：
水壓泵一直作為水液壓技術中的關鍵技術被研究。由於水與礦物油相比，在理化 特性方面有著較大的差別，如水的粘度較小，水膜厚度較薄，腐蝕性大，增加了密封、潤滑的 難度。由於水介質自身的理化特性，目前國際上水壓泵以採用柱塞式結構為主，如丹麥 Danfoss (丹弗斯)生產的Nessie (尼思)系列水泵，德國Hauhinco (豪森科)水泵，以及日 本小松工作室生產海水泵均為柱塞泵。因為柱塞泵與葉片式及齒輪式液壓泵相比，關鍵摩 擦副以面接觸為主，接觸PV值相對較小，相對容易解決水潤滑性差的摩擦副磨損大等技術 難點。1996年華中科技大學研製出了中國第一臺海水液壓泵，用於潛艦救生器對口裙的疏 水，該泵為解決水介質的腐蝕性強、潤滑性差等特點，採用了油壓水分離式技術方案。在柱 塞套與柱塞間通過兩道格來圈將油腔與水壓腔分離，使球頭\滑靴副，滑靴\斜盤副的潤滑 介質為油，成功解決了這兩對摩擦磨損問題，提高泵整體的可靠性及使用壽命。但將這種油 水分離式柱塞泵在陸上使用時，會存在油腔的溫度過高，加速了潤滑油的失效，增加了運行 成本和維護的複雜性；同時，容易出現自吸不足，影響泵的效率與噪聲，並容易導致氣蝕，從 而影響泵的使用壽命，特別作為水壓作業工具的水液壓動力源在岸邊或船上工作時，不能 直接從河中、湖水或海水吸水，需要潛水泵為其補水。

發明內容
本發明的目的是提供一種自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵，解決油水分離式水 液壓泵在陸上使用時存在潤滑油溫度過高及自吸不足的問題，從而降低運行成本及提高水 泵的運行壽命。自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵，包括泵主體，所述泵主體包括腔體、水泵入口以及水泵出口 ；旋轉單元，所述旋轉單元包括旋轉主軸，並設於所述泵主體內；冷卻單元，所述冷 卻單元包括冷卻器和補水泵，所述冷卻器為一空心圓環，並設於腔體內，所述旋轉主軸穿過該圓環，所述補水泵安裝在所述旋 轉主軸上，補水泵的入口流體連通水泵入口，補水泵的出口流體連通冷卻器的入口 ；柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設於所述腔體內，所述柱塞配流單元包括配流 閥組件和柱塞滑靴組件；其中，所述柱塞滑靴組件設於所述腔體內，並將所述腔體分成相互 獨立的壓力腔和油潤滑腔，所述配流閥組件分別與所述壓力腔和冷卻器的出口流體相通；所述補水泵在所述旋轉主軸的帶動下，將水泵入口的水壓入冷卻器，再從冷卻器 流出到配流閥組件，實現對所述油潤滑腔的冷卻以及給配流閥組件的低壓力水供應，同時 柱塞滑靴組件在所述旋轉主軸的帶動下進行往復運動，使得所述配流閥組件通過水泵入口和水泵出口進行吸水和排水動作。作為優化，所述配流閥組件包括一體設置的吸入閥與壓出閥，其中，所述吸入閥的 入口與所述水泵入口流體連通，所述壓出閥的出口與所述水泵出口流體連通，所述吸入閥 的出口與所述壓出閥的入口流體連通。作為優化，所述旋轉單元還包括依次設於所述旋轉主軸上的復位彈簧、回程盤和 斜盤，所述柱塞滑靴組件包括階梯柱塞和滑靴，其中所述階梯柱塞通過球鉸副與所述滑 靴可動連接，所述腔體內還設有柱塞通道，所述階梯柱塞可滑動設置於所述柱塞通道內，其中，所述回程盤的一側與所述復位彈簧相接觸，所述回程盤的另一側與所述滑 靴相接觸，在所述復位彈簧的作用下所述回程盤使得所述滑靴的底部緊貼於所述斜盤的表 面，進而使得所述斜盤的旋轉運動經所述滑靴傳遞到所述階梯柱塞，促使所述階梯柱塞在 所述柱塞通道內往復運動，所述階梯柱塞的小直徑端與所述柱塞通道間形成所述壓力腔， 所述階梯柱塞的大直徑端與所述柱塞通道間的空腔與通過流道與外界相通。作為優化，所述柱塞滑靴組件還包括設於所述柱塞通道內的階梯柱塞套，所述階 梯柱塞設於所述階梯柱塞套內，並與所述階梯柱塞套直接可滑動接觸。作為優化，所述階梯柱塞包括設於其表面的凹坑以及徑向設置的與所述壓力腔流 體連通的阻尼孔，所述凹坑與所述阻尼孔相連通。作為優化，所述滑靴底部設有階梯形支承腔，所述支承腔與所述油潤滑腔流體連
ο作為優化，所述旋轉單元還包括與所述旋轉主軸配合的滾動軸承和主軸盤，主軸 盤通過滑動軸承作用於所述斜盤，保證所述斜盤與所述滑靴沿圓周方向相對靜止。本發明的技術效果有1.自帶離心泵，自吸能力好，特別作為水壓作業工具動力源時，在海邊或船上使用 時可以減小補水泵。2.在油缸內設有冷卻器，解決了油水分離泵潤滑油工作溫度過高的問題，有效降 低了潤滑油的使用壽命。3.油水分離結構，解決了水介質潤滑性差帶來的摩擦副間磨損嚴重的問題，較好 地解決球頭/滑靴副與滑靴\斜盤副的磨損，選用成熟的碳鋼滾動軸承，不僅低廉，工作可罪。4、將柱塞設計成階梯形狀，降低高速、重載條件下滑靴與斜盤之間接觸應力；並在 柱塞及滑靴表面增加球形或隨球形凹坑，減小配合面接觸應力、限制磨粒運動及形成局部 動壓支承，從而解決高速重載條件下摩擦副的磨損問題，提高了超高壓泵的使用壽命。5、位於柱塞的高壓端四個球形凹坑還通過細小阻尼孔與壓力腔連通，使柱塞與柱 塞套間形成雙阻尼效應，預防柱塞卡死，及減小兩者之間直接磨損。


圖1為本發明結構原理圖。圖2為缸體B-B剖視圖。
圖3為柱塞滑靴組件結構原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。參見圖1和2，缸體8 —端連接殼體17，另一端設有端蓋3，端蓋3上開有水泵入口 和出口，端蓋3上安裝有與旋轉主軸1連接的補水泵35。缸體8內開有階梯通孔37和階梯 孔38，階梯通孔37的左側安裝吸入閥7，階梯孔38內安裝壓出閥32。階梯通孔的右側安裝 有階梯形柱塞套13，柱塞套13兩端相嵌有高分子支承環，柱塞套13中間部分開有兩個環 形槽，用於安裝格來圈14，在支承環內安裝有柱塞滑靴組件11，如圖3所示，柱塞41的圓柱 表面與格來圈14相接觸，實現階梯柱41塞左側的介質水與柱塞右側41的介質油相分離。 柱塞套13兩環形槽之沿徑向分布有小孔，小孔與缸體上的環形槽12相通，環形槽開有通孔 29與外界相通，使柱塞41左右兩側的流體介質經格來圈洩漏的流體可以排出。柱塞滑靴組件11如圖1，3所示，柱塞41為階梯形狀，與滑靴2三相連端直徑較 大，另一端直徑較小，小直徑端與柱塞套和吸入閥一起形成的空腔為壓力腔10。柱塞41與 滑靴25表面加工有球形或橢球形凹坑42，在柱塞左端加工有細小阻尼孔40，通過細小阻尼 孔40使柱塞表面其中一組凹坑與壓力腔10相連通。滑靴43底部加工有三級臺階支承腔 45，支承腔45通過流道44與油潤滑腔相通。階梯形柱塞41，減小了超高壓條件下滑靴43 與斜盤25之間接觸應力。三級臺階支承腔45使滑靴43在斜盤25上滑動時，通過改變水 膜厚度從而產生動壓支承。凹坑42可以減小了配合面接觸應力、限制磨粒運動，而且形成 局部動壓支承。細小阻尼孔40使一組凹坑42與壓力腔10相通，使柱塞41與柱塞套13間 形成雙阻尼效應，解決了為提高超高壓泵的容積效率而減小柱塞套13與柱塞41間隙導致 的柱塞卡死問題，並且減小兩者之間直接接觸的概率，從而減小柱塞41及柱塞套13之間的 磨損。各結構的綜合作用解決高速重載條件下摩擦副的磨損問題，提高了超高壓泵的使用 壽命ο缸體8與殼體17間的空腔形成油潤滑腔22，在油潤滑腔內缸體8的右側安放冷卻 器15，冷卻器為一圓環結構，圓環的內外壁間形成流道，冷卻器15流道的入口與位於缸體 上的通道6相通，出口與通道28相通，通道28與吸入閥7的入口相通，缸體8與冷卻器15 為密封連接，可以將水介質與油介質分離開。旋轉主軸19通過徑向滾動軸承30、20分別與 缸體8和殼體17相連。旋轉主軸19上加工有與旋轉主軸成一定傾角的旋轉主軸盤，旋轉主軸盤的左側 通過徑向軸承24連接推力軸承23，推力軸承23再與一斜盤25連接，旋轉主軸盤的右側通 過推力軸承21與殼體17相連。通過組合使用徑向軸承24和推力軸承23，使滑靴43與斜 盤25沿旋轉主軸周方向的相對運動速度理論上為零，兩者之間運動為滑靴43相對斜盤25 擺動而產生較小的相對運動速度，減小了滑靴43與斜盤25之間的磨損。位於缸體8內的復 位彈簧27通過球鉸26和回程盤16使滑靴43和斜盤25始終保持接觸。旋轉主軸19的右 端通過機械密封18伸出殼體17，左端從缸體8中伸出與離心泵35相連。離心泵的入口與 後端蓋3上的泵入口相連通，出口與後端蓋上的流道4相通，流道4與通道6相通。旋轉主 軸左端圓柱面與安裝於缸體的旋轉格來圈36相接觸，兩格圈之間形成空腔A通過流道28、 冷卻器15、流道6與補水泵35相通，並通過吸入閥7與壓力腔10相通。
該超高壓海水泵的工作過程是這樣實現的旋轉主軸19順時針轉動，帶動補水泵 35 (以離心泵為例說明)轉動，其中的介質水隨著補水泵的葉輪一起旋轉，在離心力的作用 下，飛離葉輪向外射出，射出的液體在後端蓋擴散室內速度逐漸變慢，壓力逐漸增加，然後 使初步加壓介質水經通道6-冷卻器15-通道流28-容腔A，最後流至吸入閥7的入口。旋 轉主軸轉動同時帶動安裝於旋轉主軸盤上的推力軸承23動環轉動，推動與之連接的斜盤 25擺動。復位彈簧27通球鉸26和回程盤16將作用力均勻地施加於滑靴43之上，使滑靴 43緊貼在斜盤25上滑動。柱塞41受到斜盤25給滑靴43的作用力，使柱塞41在柱塞套13 中作往復運動。當旋轉主軸盤沿極限位置(如圖1所示位置)運動時，壓出閥閥芯33處於 關閉狀態。滑靴43在回程盤16的壓緊力作用下，帶動柱塞41向右運動，壓力腔10的容積 增大，壓力下降，當下降到一定值時，當吸入閥閥芯9因補水泵出口的壓力大於壓力腔10中 的壓力和吸入閥彈簧2作用力的合力時，吸入閥開啟，水由泵入口經補水泵35-流道4-流 道6-冷卻器15-空腔A-吸入閥7-壓力腔10，實現吸水。由於該過程實介質水經過冷卻器 流動，通過冷卻器的熱交換可帶走油腔中部分的熱量。當主軸盤沿極限位置(如圖1的位 置)運動180°後，此時柱塞41處於全部外伸的狀態，當旋轉主軸繼續旋轉時，滑靴43受 斜盤25的作用力，推動柱塞41向左動運，壓力腔10的容積為漸漸減小，壓力腔10的壓力 升高，將吸入閥7關閉，同時壓出前期閥芯33克服壓出閥彈簧34作用力及泵出口壓力的合 力開啟，使壓力腔10內的高壓水經壓出閥32出水口流入該泵的出口，實現排水。當旋轉主 軸旋轉一周，合柱塞吸水及壓水各一次，隨著旋轉主軸的不斷旋轉，補水泵35不斷給壓力 腔10補水，而各柱塞也連續地獨立完成吸水與排水的動作，使該泵能其它水壓元件提供高 壓介質水，提供動力。
權利要求
自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵，包括泵主體，所述泵主體包括腔體、水泵入口以及水泵出口；旋轉單元，所述旋轉單元包括旋轉主軸，並設於所述泵主體內；冷卻單元，所述冷卻單元包括冷卻器和補水泵，所述冷卻器為一空心圓環，並設於腔體內，所述旋轉主軸穿過該圓環，所述補水泵安裝在所述旋轉主軸上，補水泵的入口流體連通水泵入口，補水泵的出口流體連通冷卻器的入口；柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設於所述腔體內，所述柱塞配流單元包括配流閥組件和柱塞滑靴組件；其中，所述柱塞滑靴組件設於所述腔體內，並將所述腔體分成相互獨立的壓力腔和油潤滑腔，所述配流閥組件分別與所述壓力腔和冷卻器的出口流體相通；所述補水泵在所述旋轉主軸的帶動下，將水泵入口的水壓入冷卻器，再從冷卻器流出到配流閥組件，實現對所述油潤滑腔的冷卻以及給配流閥組件的低壓力水供應，同時柱塞滑靴組件在所述旋轉主軸的帶動下進行往復運動，使得所述配流閥組件通過水泵入口和水泵出口進行吸水和排水動作。
2.根據權利要求1所述的柱塞式超高壓水泵，其特徵在於，所述配流閥組件包括一體 設置的吸入閥與壓出閥，其中，所述吸入閥的入口與所述水泵入口流體連通，所述壓出閥的 出口與所述水泵出口流體連通，所述吸入閥的出口與所述壓出閥的入口流體連通。
3.根據權利要求1所述的柱塞式超高壓水泵，其特徵在於，所述旋轉單元還包括依次設於所述旋轉主軸上的復位彈簧、回程盤和斜盤，所述柱塞滑靴組件包括階梯柱塞和滑靴，其中所述階梯柱塞通過球鉸副與所述滑靴可 動連接，所述腔體內還設有柱塞通道，所述階梯柱塞可滑動設置於所述柱塞通道內，其中，所述回程盤的一側與所述復位彈簧相接觸，所述回程盤的另一側與所述滑靴相 接觸，在所述復位彈簧的作用下所述回程盤使得所述滑靴的底部緊貼於所述斜盤的表面， 進而使得所述斜盤的旋轉運動經所述滑靴傳遞到所述階梯柱塞，促使所述階梯柱塞在所述 柱塞通道內往復運動，所述階梯柱塞的小直徑端與所述柱塞通道間形成所述壓力腔，所述 階梯柱塞的大直徑端與所述柱塞通道間的空腔與通過流道與外界相通。
4.根據權利要求3所述的柱塞式超高壓水泵，其特徵在於，所述柱塞滑靴組件還包括 設於所述柱塞通道內的階梯柱塞套，所述階梯柱塞設於所述階梯柱塞套內，並與所述階梯 柱塞套直接可滑動接觸。
5.根據權利要求4所述的柱塞式超高壓水泵泵，其特徵在於，所述階梯柱塞包括設於 其表面的凹坑以及徑向設置的與所述壓力腔流體連通的阻尼孔，所述凹坑與所述阻尼孔相 連通。
6.根據權利要求3所述的柱塞式水泵，其特徵在於，所述滑靴底部設有階梯形支承腔， 所述支承腔與所述油潤滑腔流體連通。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的柱塞式超高壓水泵，其特徵在於，所述旋轉 單元還包括與所述旋轉主軸配合的滾動軸承和主軸盤，主軸盤通過滑動軸承作用於所述斜 盤，保證所述斜盤與所述滑靴沿圓周方向相對靜止。
全文摘要
本發明提供了一種自補水型閥配流柱塞式超高壓水泵，主要包括腔體、冷卻單元、旋轉主軸和柱塞配流單元。冷卻單元包括冷卻器和補水泵，柱塞配流單元包括配流閥組件和柱塞滑靴組件。柱塞滑靴組件將腔體分成相互獨立的壓力腔和油潤滑腔。補水泵在旋轉主軸的帶動下，將水泵入口的水壓入冷卻器，再從冷卻器流出到配流閥組件，實現對所述油潤滑腔的冷卻以及給配流閥組件提供低壓的壓力水，同時柱塞滑靴組件在所述旋轉主軸的帶動下進行往復運動，使得所述配流閥組件通過水泵入口和水泵出口進行吸水和排水動作。本發明解決油水分離式水液壓泵在陸上使用時存在潤滑油溫度過高及自吸不足的問題，從而降低運行成本及提高水泵的運行壽命。
文檔編號F04B23/10GK101956688SQ20101028930
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者劉銀水, 吳德發, 朱玉泉, 朱碧海, 李曉暉, 賀小峰 申請人:華中科技大學