基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵的製作方法

2023-04-27 05:39:11 1

專利名稱：基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於柱塞泵類，涉及一種端面配流式軸向海水柱塞泵。
背景技術：
海水液壓泵是海水液壓傳動領域中的核心動力元件，現在國際上己 經開發的海水液壓泵主要有齒輪式、葉片式和柱塞式結構型式，它們各 自具有特點。 一般來說，齒輪泵的自吸能力好，抗汙染能力強，結構簡 單，但嚙合齒面的接觸比功(PV值)很大；葉片泵具用壽命長、噪音低、 流量均勻和體積小等優點，但對介質的汙染較敏感，又因受葉片甩出力、 吸入速度和磨損等因素的影響，其轉速受到一定的限制，結構也較為復
雜且密封效果差；柱塞泵具有結構緊湊、重量輕、工作壓力高等特點， 在同等工況條件下其PV值相對上述兩種泵較小，且採用端面配流結構的 柱塞泵可以實現靜壓支承，密封效果較好，能夠保證泵的容積效率。綜 上所述，柱塞式的結構形式較適用於以海水作為工作介質的液壓泵中，目 前國內外許多國家所研製的海水液壓泵絕大多數都採用了柱塞式結構。
按結構形式柱塞泵可分為斜盤式和斜軸式，斜軸式水壓軸向柱塞泵 在工作中不受徑向不平衡力的影響，其傾斜角度可以較大，所以同流量 的斜軸泵比斜盤泵具有更小柱塞和缸體尺寸。傳統的斜軸式油壓泵均採 用連杆撥動柱塞驅動缸體運動來完成配流工作，所以在缸體每迴轉一周 的時間內柱塞和缸體的側壁要承受頻率很高的換杆衝擊，這對於採用此 結構的海水柱塞泵而言，其柱塞副部位的密封圈就會因為頻繁的換杆撞 擊而極易疲勞失效，見上海煤礦機械研究所編《液壓傳動設計手冊》 p259 263，第四章柱塞油泵和柱塞油馬達，上海人民出版社，1976;所以目前海水柱塞泵很少採用該結構。
柱塞泵的配流方式有軸配流、閥式配流和端面配流等形式。軸配流 的柱塞泵的主要結構形式是缸體轉動的徑向式柱塞泵，但該類泵的結構 較為複雜，體積和重量大，製造工藝複雜，成本高，而且配流軸彎曲等 造成缸體和配流軸之間的間隙較大，磨損後又無法補償，對於粘度較低 的海水介質而言，其洩露量大，容積效率低且不易建立起壓力，所以在 海水柱塞泵中很少採用該結構形式。
閥配流是液壓泵中最早採用的配流方式，柱塞泵中的配流閥其主要 特點是用吸入閥和壓出閥控制泵的吸水和排水。由於配流閥結構的密封 性能良好，可在高壓狀態下工作，因此被廣泛地應用於各種高壓、超高 壓液壓泵中。在柱塞泵工作時，配流閥與缸體等零部件一起構成了密閉 的工作容腔，並隨著柱塞的往復運動依次將配流閥的的吸水口和壓水口 和柱塞腔連通或斷開，從而實現泵的正常工作。對於採用海水作為工作 介質的液壓泵而言，對配流閥結構的設計也就提出了更高的要求配流 閥閥芯和彈簧的材料必須有良好的抗衝擊、氣蝕能力和耐腐蝕能力；而 且閥芯、閥座之間還必須有很好的密封性能，這樣也給選材和加工帶來 來了一定的困難。
端面配流式海水柱塞泵通過缸體與配流盤之間的運動使水經過配流 盤上的配流窗口從低壓區流向高壓區，從而實現吸、排水過程。端面配 流結構克服了閥配流結構中配流閥的滯後性以及軸配流中洩漏大的一些 缺陷，具有以下優點其配流副的接觸面積大並能建立一定的潤滑膜厚 度，在磨損後能進行自動補償，通過對配流副結構的合理設計，可以平 衡端面配流柱塞泵中缸體和配流盤的力和力矩，降低液壓衝擊和噪音， 因此在海水液壓傳動中得到了廣泛的應用。如1994年芬蘭Hytar 0y公 司和Tamper理工大學合作研製出用於海洋水下作業工具可攜式動力源的 端面配流式軸向柱塞泵(TerSva J., Kuikko T. and Vilenius M.. Developmentof Seawater Hydraulic Power Pack. Proc. of她Scandinavian Int. Conf. on Fluid Power, Finland, Sept. 26-29， 1995: 978~991)，全部採用海水潤滑。該 泵的結構簡單、噪音低、壓力脈動小，並可作為馬達使用。其關鍵對偶 摩擦副均採用纖維增強塑料與硬化的金屬或陶瓷組合，壓力為21MPa，流 量30L/min，容積效率達92%，使用壽命達8000小時。但該配流方式也 存在一些不足高壓工作時洩露量較大，而且端面配流副是一對長期處
於高速、重載的關鍵摩擦副，容易磨損，所以此對摩擦副多採用工程陶 瓷材料，但其加工成本較高且製造難度大。
發明內容
本實用新型提供一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，其目的在 於消除斜軸式液壓泵結構中連杆和柱塞間的碰撞、減小柱塞對柱塞孔的 側向力，提高海水柱塞泵的使用壽命和工作的平穩性；同時減小海水柱 塞泵的洩漏，穩定流量，以適用於高壓、大流量的工作場合。
本實用新型的一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，包括順序連 接的前、後泵體和後端蓋，主軸盤通過前、後滾動軸承定位於前泵體內， 主軸盤末端法蘭上均勻分布5 9個圓孔，與連杆一端的大球頭活動連接， 與主軸盤成傾角的缸體通過芯軸定位於後泵體內，缸體分布圓上均勻開 有柱塞孔，裝入柱塞孔中的柱塞與連杆另一端的小球頭配合，缸體通過 配流盤連接於後端蓋；其特徵在於(1)前泵體側壁上開有入水口，連 通前泵腔；(2)弧齒錐齒輪過盈安裝在主軸盤末端法蘭上，與裝配在缸 體上的弧齒錐齒輪壓蓋形成嚙合；(3)所述缸體上各柱塞孔的底部開有 圓孔，內裝有滑動配合的圓筒形浮動套，浮動套一端與浮動襯板過盈連 接，浮動襯板通過浮動套和缸體活動連接；(4)所述缸體上、相鄰兩柱 塞孔之間、靠近軸心的分布圓上開有與柱塞數目相同的通孔，其中裝有 彈簧推桿和壓緊彈簧，浮動襯板在壓緊彈簧的作用下緊貼在固定於後端蓋的配流盤上。
所述的一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，其特徵在於(1) 前泵體內裝配有套筒，套筒上開有環形槽，環形槽上開有四個呈十字形 分布的通孔，裝配時，與前泵體的進水孔及前泵腔連通；(2)固定在前 泵體上的平面推力軸承緊貼在主軸盤末端的法蘭表面上，形成一對摩擦 副，平面推力軸承上均勻地開有圓環形和輪輻形溝槽，圓環形溝槽用於 儲存介質改善摩擦副處的摩擦狀態，輪輻形溝槽將前、後泵體的容腔相 連通；(3)所述缸體的側壁上對應各柱塞孔均開有引水通道，使柱塞孔 腔與後泵腔連通；(4)配流盤右側開有低壓腰形窗口，和後端蓋的環形 槽相通，配流盤左側開有高壓腰形窗口，與後端蓋上的出水口相通，配 流盤圓心位置圓形孔用於限定芯軸。
所述的一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，其進一步特徵在於 所述連杆的小球頭與球頭套以及一對半球環配合好後一起裝入柱塞的內 孔，再將緊固銷壓入開在柱塞側壁的銷孔和半球環的環形槽中，使球頭 套固定在柱塞內孔裡，連杆小球頭和柱塞形成球面副配合；所述柱塞和 缸體上各柱塞孔之間裝有柱塞套。
本實用新型通過採用一對互相嚙合的弧齒錐齒輪代替連杆柱塞結構 來傳遞主軸與缸體間的運動和轉矩，消除了斜軸式液壓泵結構中連杆和 柱塞間的碰撞並減小柱塞對柱塞孔的側向力，充分發揮了斜軸式結構的 優勢，從而極大地提高了海水柱塞泵的使用壽命和工作的平穩性；同時 本實用新型採用了浮動襯板和配流盤配流的結構形式，該結構具有壓力 的自動補償功能，可以減小海水柱塞泵的洩漏，穩定流量。本實用新型 體積小、重量輕、流量大、散熱性能好且工作平穩，各零部件均可浸沒 在海水中工作，適用能力強，特別適用於高壓、大流量的工作場合。

圖l為本實用新型的結構示意圖2為本實用新型中平面推力軸承的三維視圖3為本實用新型中缸體與其軸線垂直的截面示意圖4為本實用新型中連杆柱塞組件結構示意圖5為本實用新型中配流盤的配流面示意圖6為本實用新型中後端蓋的前向三維視圖7為本實用新型中後端蓋的後向三維視圖。
具體實施方式
圖1 圖7中的標記為定位螺釘l、內六角緊固螺釘2、浮動襯板 3、通孔4、壓緊彈簧5、缸體6、彈簧推桿7、芯軸8、後泵體9、內六 角螺釘10、前泵體11、定位銷12、後滾動軸承13、套筒14、主軸盤15、 前滾動軸承16、彈簧卡圈17、螺釘18、平鍵19、油封圈20、前端蓋21、 定位擋圈22、入水口23、前泵腔24、軸承保護套25、平面推力軸承26、 輪輻形溝槽27、弧齒錐齒輪28、球窩套29、壓盤30、圓頭螺釘31、弧 齒錐齒輪壓蓋32、緊固螺釘33、柱塞套34、密封圈35、引水通道36、 摩擦面37、柱塞連杆組件38、後泵腔39、柱塞孔40、浮動套41、圓柱 通道42、腰形配流口 43、環形槽44、配流盤45、後端蓋46、球頭套47、 半球環48、緊固銷49、柱塞50、連杆51、低壓腰形窗口52、高壓腰形 窗口53、後端蓋配合面54、腰形出水口55、螺紋出水口56。
如圖1所示，本實用新型的主軸盤15通過後滾動軸承13和前滾動 軸承16定位在前泵體11上，後滾動軸承13可採用角接觸球陶瓷軸承， 前滾動軸承16可採用深溝球陶瓷軸承；過盈安裝在主軸盤15末端的弧 齒錐齒輪28與通過緊固螺釘33裝配在缸體6上的弧齒錐齒輪壓蓋32形 成嚙合，弧齒錐齒輪28採用齒面微弧氧化的TC4鈦合金，弧齒錐齒輪壓 蓋32採用表面熱處理的高強度不鏽鋼，具用抗海水腐蝕，耐摩擦磨損等特點。
壓盤30通過圓頭螺釘31將柱塞連杆組件38中連杆51的大球頭緊固在 主軸盤15上，連杆51的大球頭與鑲嵌在主軸盤末端法蘭分布圓孔中的 球窩套29形成球面配合，連杆51另一端的小球頭則與柱塞50配合；與 主軸盤成一定傾角的缸體6由芯軸8支撐，缸體6上開有與柱塞數目相 同的柱塞孔40，每個柱塞孔中都鑲嵌有塑料柱塞套34起導向作用，以保 證柱塞50和柱塞孔間的同心配合與潤滑；浮動襯板3的正面開有與柱塞 數相同的腰形配流口 43，背面開有與每個腰形配流口 43相通的圓柱形沉 孔，與柱塞數相同的浮動套41的一端和浮動襯板3背面的各個圓柱形沉 孔過盈連接，另一端與缸體6低部對應的圓孔滑動配合，因此浮動襯板 能夠沿缸體的軸線方向來回移動；缸體上與柱塞數目相同的通孔4中裝 有彈簧推桿7和壓緊彈簧5，浮動襯板3在壓緊彈簧5的作用下緊貼於固 定在後端蓋46的配流盤45上。浮動襯板3和配流盤45的材料分別採用 夾布膠木(增強酚醛樹脂)和表面微弧氧化處理的TC4鈦合金，利用該 一軟一硬的材料配對形成的配流摩擦副，其摩擦係數低，接觸比功小， 耐磨損性能好，極大的提高了泵的使用壽命。作為一個實例，主軸盤末 端法蘭分布圓孔數目為7個，即柱塞和柱塞孔數目為7個。 如圖2所示，平面推力軸承26上均勻開有輪輻形溝槽27。 如圖3所示，缸體6上均勻開有柱塞孔40，並且在相鄰兩柱塞孔之 間、靠近軸心的分布圓上又開有與柱塞數目相同的通孔4。
如圖4所示，本實用新型的柱塞連杆組件38由球頭套47、半球環 48、緊固銷49、柱塞50、連杆51構成；連杆51的小球頭與球頭套47 以及一對半球環48和配合好後一起裝入柱塞50的內孔，再利用溫裝法 將緊固銷49過盈壓入開在柱塞側壁的銷孔和半球環48的環形槽中，使 球頭套47固定在柱塞50的內孔裡，這樣連杆小球頭便和柱塞形成了球 面副配合。這種結構消除了採用滾壓法安裝連杆小球頭和柱塞時在柱塞表面產生的凹槽，使柱塞表面與柱塞孔間的配合精度更高，密封性更好。
如圖5所示，配流盤45右側開有低壓腰形窗口 52，左側開有高壓腰 形窗口53，配流盤圓心位置圓形孔用於限定芯軸8。
圖6、圖7分別為後端蓋46的前、後向三維視圖。如圖6所示，後 端蓋46前表面開有環形槽44，環形槽44所環繞的部分為後端蓋配合面 54，後端蓋配合面54上開有腰形出水口 55和M形溝槽，M形溝槽與環形 槽44連通。如圖7所示，後端蓋46後表面開有偏心的螺紋出水口 56與 所述腰形出水口 55連通。
本實用新型採用全海水潤滑的結構形式。前泵體11側壁上的入水口 23與裝配在前泵體內的套筒14上的環形槽相通，套筒14的環形槽上沿 十字方向開有四個通孔與泵體的前泵腔24連通；平面推力軸承26通過 定位銷12固定在前泵體上，與主軸盤15末端的法蘭表面緊貼形成一對 摩擦副，平面推力軸承26上的輪輻形溝槽27將前泵腔24和後泵腔39 連通；在缸體6的側壁對應各柱塞孔40均開有引水通道36，使柱塞孔 40與後泵腔39相通，可以將低壓水引入柱塞50和柱塞孔40外壁間的摩 擦面37處來降低摩擦帶來的溫升；配流盤45通過四個定位螺釘1固定 在後端蓋46上，配流盤45右側的低壓腰形窗口 52和後端蓋的環形槽44 連通，配流盤左側的高壓腰形窗口 53則與後端蓋配合面54上的腰形出 水口 55相通，在配流盤背面對應高壓腰形窗口 53位置開有環繞高壓腰 形窗口53的密封槽，其內置密封圈，在配流盤45和後端蓋配合面54之 間緊貼時保證低、高壓腰形窗口不發生串通。
本實用新型的工作過程如下工作前，由入水口23通入的海水，從 前泵腔24經過後滾動軸承13的縫隙和平面推力軸承26的輪輻形溝槽27， 流入後泵腔39，使整個泵腔均勻地充滿同一種介質；泵工作時，泵腔中 的低壓水經缸體側壁的引水通道36流入柱塞和柱塞孔間的摩擦面37處 起潤滑作用，減小了柱塞和柱塞套之間的摩擦磨損，而且泵腔中的低壓水一面在柱塞的往復運動下通過配流窗口排出泵體外， 一面又從入水口 處得到不斷的補充，這樣泵腔就形成了一個循環水通道，其中各摩擦副 因工作產生的熱量可以通過循環水帶走，從而解決了整個泵體的溫升問 題。
主軸盤15的軸線和缸體6的軸線不在一條直線上，而是成一定的擺 角，弧齒錐齒輪28在主軸盤15帶動下沿逆時針(從軸端看)方向一同 旋轉，同時撥動與弧齒錐齒輪28嚙合的弧齒錐齒輪壓蓋32轉動，由於 缸體6和弧齒錐齒輪壓蓋32之間是用緊固螺釘33連接的，所以缸體6 也會隨弧齒錐齒輪壓蓋一起旋轉，這時柱塞孔40中的柱塞50被缸體驅 動並隨之作旋轉運動，同時鉸接於主軸盤15法蘭末端的連杆51在主軸 盤的作用下又帶動柱塞50在柱塞孔內作往復運動。當柱塞在缸體的驅動 下，從下極限位置沿逆時針旋轉180°運動到上極限位置時(圖1中最上 面柱塞所處的位置)，連杆在主軸盤的作用下也同時帶動柱塞不斷(相對 於柱塞孔)向外伸出，這樣柱塞在上述運動過程中，柱塞孔40腔中的封 閉容積會逐漸增大，柱塞腔內會形成局部真空，後泵腔39內的海水通過 後端蓋46的環形槽44進入配流盤45右側的低壓腰形窗口 52，再經過與 配流盤45緊貼的浮動襯板3正面的腰形配流口 43以及浮動套41上的圓 柱通道42流入柱塞孔40中，實現吸水過程；當柱塞50在缸體的驅動下， 從上極限位置沿逆時針繼續旋轉180°運動到下極限位置時(缸體帶動柱 塞正好旋轉一周)，連杆51則帶動柱塞50不斷(相對於柱塞孔)往裡縮 回，柱塞孔40中的封閉容積會逐漸減小，柱塞孔腔內的海水受壓後經浮 動套41的圓柱通道42和浮動襯板3正面的腰形配流口 43流入配流盤45 左側的高壓腰形窗口 53，最後經後端蓋46上的腰形出水口 55從螺紋出 水口56排出，實現壓水過程。在吸、壓水過程中，壓緊彈簧5在彈簧推 杆7的作用下使浮動襯板3緊貼在配流盤45上形成配流副，當配流副處 的壓力突然增大時，浮動襯板會被推向缸體6方向移動，並與配流盤脫開，與此同時作用在浮動襯板上並隨浮動襯板的移動量而增大的壓緊彈 簧力又會將襯板反推向配流盤，使浮動襯板與配流盤再次緊貼，從而減 小了配流副處因壓力突增而出現的洩露，實現了壓力的自動補償功能。
當主軸盤15帶動弧齒錐齒輪28旋轉一周時，缸體中的每個柱塞50各吸 水、壓水一次，隨著主軸盤的不斷旋轉，各柱塞50也連續地獨立完成吸、 壓水的動作，從而使海水柱塞泵正常工作。
權利要求1.一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，包括順序連接的前、後泵體和後端蓋，主軸盤通過前、後滾動軸承定位於前泵體內，主軸盤末端法蘭上均勻分布5～9個圓孔，與連杆一端的大球頭活動連接，與主軸盤成傾角的缸體通過芯軸定位於後泵體內，缸體分布圓上均勻開有柱塞孔，裝入柱塞孔中的柱塞與連杆另一端的小球頭配合，缸體通過配流盤連接於後端蓋；其特徵在於(1)前泵體側壁上開有入水口，連通前泵腔；(2)弧齒錐齒輪過盈安裝在主軸盤末端法蘭上，與裝配在缸體上的弧齒錐齒輪壓蓋形成嚙合；(3)所述缸體上各柱塞孔的底部開有圓孔，內裝有滑動配合的圓筒形浮動套，浮動套一端與浮動襯板過盈連接，浮動襯板通過浮動套和缸體活動連接；(4)所述缸體上、每兩柱塞孔之間、靠近軸心的分布圓上開有與柱塞數目相同的通孔，其中裝有彈簧推桿和壓緊彈簧，浮動襯板在壓緊彈簧的作用下緊貼在固定於後端蓋的配流盤上。
2. 如權利要求1所述的一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，其 特徵在於(1)前泵體內裝配有套筒，套筒上開有環形槽，環形槽上開 有四個呈十字形分布的通孔，裝配時與前泵體的進水孔及前泵腔連通；(2)固定在前泵體上的平面推力軸承緊貼在主軸盤末端的法蘭表面上， 形成一對摩擦副，平面推力軸承上均勻地開有圓環形和輪輻形的溝槽， 將前、後泵體的容腔相連通；(3)配流盤右側開有低壓腰形窗口，和後 端蓋的環形槽相通，配流盤左側開有高壓腰形窗口，與後端蓋上的出水 口相通，配流盤圓心位置圓形孔用於限定芯軸。
3. 如權利要求1或2所述的一種基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，其特徵在於所述連杆的小球頭與球頭套以及一對半球環配合好後 一起裝入柱塞的內孔，再將緊固銷壓入開在柱塞側壁的銷孔和半球環的 環形槽中，使球頭套固定在柱塞內孔裡，連杆小球頭和柱塞形成球面副 配合；所述柱塞和缸體上各柱塞孔之間裝有柱塞套。
專利摘要基於齒輪傳動的斜軸式海水柱塞泵，屬於泵類，涉及一種端面配流軸向海水柱塞泵，目的在於消除連杆和柱塞的碰撞、減小柱塞側向力，提高海水柱塞泵的壽命和穩定性。本實用新型包括前、後泵體和後端蓋，連杆一端和定位於前泵體內的主軸盤活動連接，另一端與柱塞配合，與主軸盤成傾角的缸體上均勻開有柱塞孔，其中裝有柱塞，缸體由芯軸定位並通過配流盤連接後端蓋；(1)前泵體側壁開有入水口，連通前泵腔；(2)主軸盤上的弧齒錐齒輪與弧齒錐齒輪壓蓋嚙合；(3)裝於缸體底部的浮動套將浮動襯板和缸體活動連接；(4)浮動襯板在缸體中裝有的彈簧推桿和壓緊彈簧的作用下緊貼配流盤。本實用新型體積小、重量輕、散熱性好，特別適用於水下作業。
文檔編號F04B1/12GK201129278SQ20072008840
公開日2008年10月8日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者聶松林, 罡 胡 申請人:華中科技大學