全水潤滑超高壓柱塞式水泵的製作方法

2023-12-09 06:57:31 3

專利名稱：全水潤滑超高壓柱塞式水泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及水液泵技術領域，具體涉及一種全水潤滑超高壓柱塞式水泵。
背景技術：
由於水液壓傳動技術具有安全、阻燃性、環境友好、使用可靠及維護方便等優點， 滿足人類可持續發展的強烈需要，因此該技術得到了世界各國的重視，已成為流體傳動與 控制領域前沿課題。作為水液壓傳動的動力源件_水液壓泵已取得一定的發展。目前，國內外有關水液壓泵的研究大多集中在中高壓範圍，壓力在10 21MPa之 間。國外，如丹麥Danfoss(丹弗斯)公司開發出的Nessie(尼思)系列水泵是目前國際上技 術最成熟、應用最廣的一種柱塞式水泵，該泵採用配流盤配流，其流量從lOL/min到170L/ min，壓力達到14 16MPa，總效率大於82%。日本Kayaba(萱場)公司與法國Bronzavia Air-equipment (布龍扎維亞航空裝備)公司合作，研製出壓力為21MPa，排量7. 05mL/r，容 積效率85 %以上，機械效率達到90 %的海水液壓泵，該泵為三柱塞斜盤旋轉結構型式，採 用了閥配流方式，斜盤、柱塞均採用陶瓷。國內，華中科技大學1996年研製出閥配流海水 液壓柱塞泵，額定工作壓力3. 5MPa、最高工作壓力6. 3MPa，容積效率大於86%，總效率大於 74%，流量lOOL/min的海水泵，用於深潛救生艇的對口裙排水。壓力在10 21MPa之間，能滿足大部分場合的需要，但還不能滿足一些特殊場合 的需要。如海洋的探索與開發中使用的現代化載人深潛器，由於潛水器取樣後由於重量的 增加，或是由於水介質的特性(壓力、溫度)而引起海水密度的變化，或是隨著下潛深度的 增加，潛水器耐壓結構發生彈性變形，這些因素均會引起排水體積的變化，從而使儲備浮力 發生變化。為確保潛水器在一定深度具有相對穩定的作業姿態，需要對其進行浮力微調。載 人深隨著載人深潛器下潛深度的增加，對浮力調節系統中海水液壓泵輸出壓力的要求相應 也增加，如下潛6500m，則要求泵的輸出壓力為65MPa。因此目前中高壓水泵不能滿足潛器 浮力調節系統的需要，而關於超高壓水泵的研究較少，針對載人潛器特殊需要的水壓泵就 更少了。

發明內容
本發明的目的在於提供全水潤滑超高壓軸向柱塞泵，所有摩擦副均由水潤滑，從 結構上避免了油水分離式液壓泵由於密封和高壓水滲入潤滑油腔而引起的失效；採用特殊 的結構設計達到減摩抗磨目的，解決高速重載條件下摩擦副的摩擦磨損問題，提高超高壓 水泵的可靠性和壽命。全水潤滑超高壓柱塞式水泵，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；以及柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設於所述泵主體內，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 和潤滑腔，所述配流閥組件與所述壓力腔流體相通，所述旋轉單元設於所述潤滑腔內，所述 潤滑腔與水泵入口流體相通；所述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，同時通過水泵入口向潤滑腔輸入水以給所 述旋轉單元提供流體潤滑。作為優選實施例，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。作為優選實施例，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所述潤滑腔流體相通。作為優選實施例，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。作為優選實施例，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。作為優選實施例，所述滑靴底部設有階梯形支承腔，所述支承腔與所述潤滑腔流 體連通。作為優選實施例，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，主軸盤通過滾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。本發明的技術效果體現在1、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，同時通過水泵入口向潤滑腔輸入水以給所述 旋轉單元提供流體潤滑。作為優化，將柱塞滑靴組件的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摩 擦磨損問題，提高了超高壓泵的使用壽命。2.潤滑腔通過水泵入口的水供應，實現全水潤滑，在此基礎上，考慮到滑動軸承在 水潤滑工況下嚴重的摩擦磨損問題，優選滾動軸承代替滑動軸承，解決了高速重載條件下 高壓水泵的全水潤滑，使高壓水泵不需使用潤滑油，因此使用更加環保，維護方便。同時使 該超高壓水泵應用海下時無需增加壓力補償器，簡化了結構，具有特別的優勢。3.其中位於柱塞的高壓端四個球形凹坑還通過細小阻尼孔與高壓腔連通，使柱塞 與柱塞套間形成雙阻尼效應，預防柱塞卡死，並減小兩者之間直接磨損。4.配流閥為吸入閥與壓出閥集成一體的整體組件形式，維護時可以快速更換組件，縮短維修時間。配流閥密封形式為球閥，同時採用軟硬結合，閥座為PEEK，閥芯為陶瓷， 具有結構簡湊，不僅提高了高壓條件下密封可靠性，同時降低了閥芯與閥座之間的撞擊聲， 從而降低泵的整體噪聲。閥芯採用陶瓷，由於陶瓷相對金屬，具有硬度高，密度小的特點，因 此提高了抗氣蝕的能力；有利於減小閥芯的重量，提高配流配的響應特性，減小配流閥的滯 後時間，從而提高高速下容積效率。


圖1所示為本發明結構原理圖。圖2所示為配流閥組件結構原理圖。圖3為階梯柱塞滑靴組件結構圖，其中圖3a)所示為階梯柱塞滑靴組件三維圖，圖 3b)所示為階梯柱塞滑靴組件二維結構原理圖。圖4所示為二階抗卡死阻尼孔三維放大圖。
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。圖1所示的閥配流全水潤滑軸向柱塞高壓海/淡水泵，包括水泵腔體，水泵腔體由 前端蓋2、後端蓋15、缸體14及殼體4順序連接構成，旋轉主軸1通過陶瓷軸承5、6、23與 殼體4及缸體14連接。後端蓋15左端面沿軸向加工有兩個孔，分別為水泵入口和出口，在另一端面沿軸 向均勻加工有環形通流槽18。在後端蓋的徑向均勻分布有與柱塞數相等的階梯孔，階梯孔 的外側加工有螺紋，用於配流閥組件16的安裝與固定，配流閥組件安裝到位以後，再安裝 鎖緊螺母17將配流閥組件16鎖死，預防配流閥組件16在液壓力循環作用下出現鬆動，提 高了該海/淡泵在水下使用時的可靠性。配流閥組件16如圖1和圖2所示，由閥體28、吸 入閥和壓出閥組成，吸入閥和壓出閥一體化設計，閥體28的上部分安裝吸入閥，下部分安 裝壓出閥。吸入閥依次為吸入閥安裝螺母25、吸入閥閥座26、吸入閥閥芯27、吸入閥彈簧 29，壓出閥依次為壓出閥閥座30、壓出閥閥芯31、壓出閥彈簧32、壓出閥彈簧導向套34。閥 體28在兩閥相接處形成有與吸入閥、壓出閥和外界連通的通道，既作為吸入閥的出口又作 為壓出閥的入口。閥體28上還開有吸入閥的入口和壓出閥的出口，吸入閥的入口與水泵入 口相通，壓出閥的出口通過後端蓋上的環形通流槽18及閥體上流道33與水泵出口相通。壓 出閥彈簧導向套34與閥體28為螺紋連接，壓出閥鎖緊螺母35與閥體也為螺紋連接，具有 預防配流閥在液壓力循環作用下出現鬆動，提高水下使用時配流閥工作的可靠性。將吸入 閥與壓出閥設計成組件的形式，配流閥維護時可進行整體更換，使得故障平均可修復時間 MTTR得到減小，提高了現場的可維護性。配流閥組件16的徑向布置減小水泵的軸向尺寸， 提高了功率重量比。配流閥密封形式為球閥，同時採用軟硬結合，閥座26、30為PEEK，閥芯 37、31為陶瓷，具有結構簡湊的優點，不僅提高了高壓條件下密封可靠性，同時降低了閥芯 37,31與閥座26、30之間的撞擊聲，從而降低泵的整體噪聲。閥芯37、31採用陶瓷，由於陶 瓷相對金屬，具有硬度高，密度小的特點，因此提高了抗氣蝕的能力，同時減小了閥芯的重 量，提高了配流配的響應特性，減小了配流閥的滯後時間，從而提高高轉速工況下泵的容積 效率。
如圖1和圖3所示，缸體14內靠近配流閥組件安裝柱塞滑靴組件24，柱塞滑靴組 件24包括軸向放置的一階梯形柱塞套20，柱塞套20內安放有階梯形柱塞37，柱塞37的大 直徑端連接滑靴39形成球鉸副，小直徑端與柱塞套20之間的空腔形成壓力腔19，壓力腔 19與吸入閥出口也即壓出閥入口相通，大直徑端與柱塞套20形成的空腔經流道21與潤滑 腔11相連通，以防止該空腔內形成高壓水增加滑靴39與斜盤9間的接觸應力。柱塞37與 滑靴39表面加工有球形或橢球形凹坑38，在柱塞左端加工有細小阻尼孔38，如圖4所示， 通過細小阻尼孔38使柱塞表面其中一組凹坑與高壓腔19相連通。滑靴39端面加工有三級 臺階支承腔41，支承腔41通過流道40與殼體內腔相通。階梯形柱塞，減小了超高壓條件下 滑靴39與斜盤9之間接觸應力。三級臺階支承腔41使滑靴39在斜盤9上滑動時，通過改 變水膜厚度從而產生動壓支承。凹坑38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38使一組凹坑37與高壓腔19相通，使柱塞37與柱塞套 20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與柱塞間隙導致的 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37及柱塞套20之間的磨 損。上述各結構有針對性地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。旋轉主軸1前後通過徑向滾動軸承23、5分別與缸體14和殼體4相連，並經過機 械密封3和前端蓋2從殼體4中伸出實現與原動機(如電動機、汽油機等)的連接。旋轉 主軸1上加工有與旋轉主軸成一定傾角的主軸盤，主軸盤的左側通過徑向滾動軸承8連接 推力滾動軸承7，推力軸承7再與斜盤9連接，主軸盤的右側通過推力軸承6與殼體4相連。 通過組合使用徑向滾動軸承8和推力滾動軸承7，使滑靴39與斜盤9沿圓周方向的相對運 動速度理論上為零，兩者之間運動只有滑靴39相對斜盤9擺動而產生較小的相對運動速 度，減小了滑靴39與斜盤9之間在水潤滑條件的磨損。套在旋轉主軸1上的復位彈簧13 通過球鉸12和回程盤10使滑靴39和斜盤9始終保持接觸。殼體4上與缸體14固定的連 接孔為螺紋孔，缸體14、後端蓋15及殼體4之間用螺栓進行連接固定，當螺栓安裝於殼體4 上的螺紋孔之後，再將殼體鎖緊螺母22安裝於螺栓上將螺栓鎖死。該超高壓水泵的工作過程具體為旋轉主軸1在原動機的帶動下順時或逆時針轉 動，帶動安裝於旋轉主軸斜盤上的推力軸承7動環轉動，從而推動與之連接的斜盤9擺動。 復位彈簧13通球鉸12和回程盤9將作用力均勻地施加於每個滑靴39之上，使滑靴39緊貼 在斜盤9上滑動。柱塞37受到斜盤9給滑靴39的作用力，使柱塞36在柱塞套20中作往 復運動。當斜盤沿極限位置(如圖1所示位置)開始運動時，配流閥組件16的壓出閥閥芯 31處於關閉狀態。滑靴39在回程盤24的壓緊力作用下，帶動柱塞37向右運動，柱塞37與 柱塞套形成的高壓腔19的容積增大，壓力下降，當下降到一定值時，當吸入閥閥芯27因泵 入口的壓力大於高壓腔19內的壓力和吸入閥彈簧29作用力的合力時，吸入閥開啟，水由泵 入口通過吸入閥吸入口流至高壓腔19中，實現吸水。當斜盤沿極限位置(如圖1的位置) 運動180°後，此時柱塞37處於全部外伸的狀態，當旋轉主軸繼續旋轉時，滑靴39受斜盤的 作用力，推動柱塞37向左動運，高壓腔19的容積漸漸減小，腔內力升高，將吸入閥關閉，同時 克服壓出閥彈簧32力及泵出口壓力的合力，將壓出閥打開，使高壓腔19內高壓水經壓出閥出 口從泵出口流出，實現排水。當旋轉主軸1旋轉一周，各柱塞吸水及壓水各一次，隨著旋轉主 軸1的不斷旋轉，各柱塞也連續地獨立完成吸水與排水的動作，從而使泵連續輸出流量。
權利要求
全水潤滑超高壓柱塞式水泵，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；以及柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設於所述泵主體內，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潤滑腔，所述配流閥組件與所述壓力腔流體相通，所述旋轉單元設於所述潤滑腔內，所述潤滑腔與水泵入口流體相通；所述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，同時通過水泵入口向潤滑腔輸入水以給所述旋轉單元提供流體潤滑。
2.根據權利要求1所述的柱塞式水泵，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所述潤滑腔流體相通。
4.根據權利要求3所述的柱塞式水泵，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所述的柱塞式水泵，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，主軸盤通過滾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
本發明提供了一種全水潤滑超高壓柱塞式水泵，主要包括腔體、旋轉主軸和柱塞配流單元，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潤滑腔，柱塞滑靴組件在旋轉主軸的帶動下進行往復運動，使得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，同時通過水泵入口向潤滑腔輸入水以給旋轉單元提供流體潤滑，實現全水潤滑。其中配流閥組件採用一體化設計，維護時可以快速更換組件，縮短維修時間；柱塞為階梯形結構，圓柱表面有凹坑形貌，滑靴底部設有階梯型支承腔，解決了高速重載條件下柱塞/柱塞套運動副及滑靴/斜盤副的摩擦磨損問題，提高水泵的使用壽命。
文檔編號F04B1/16GK101956685SQ20101028932
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, 唐輝, 朱玉泉, 李斌, 毛旭耀, 蔣卓, 郭志恆, 陳經躍 申請人:華中科技大學