專利名稱：全水潤滑超高壓柱塞式水泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及水液泵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全水潤滑超高壓柱塞式水泵。 技術(shù)背景由于水液壓傳動技術(shù)具有安全、阻燃性、環(huán)境友好、使用可靠及維護方便等優(yōu)點， 滿足人類可持續(xù)發(fā)展的強烈需要，因此該技術(shù)得到了世界各國的重視，已成為流體傳動與 控制領(lǐng)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(fā)展。目前，國內(nèi)外有關(guān)水液壓泵的研究大多集中在中高壓范圍，壓力在10 21MPa之 間。國外，如丹麥Danfoss(丹弗斯)公司開發(fā)出的Nessie(尼思)系列水泵是目前國際上技 術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣的一種柱塞式水泵，該泵采用配流盤配流，其流量從lOL/min到170L/ min，壓力達到14 16MPa，總效率大于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，研制出壓力為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(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型式，采 用了閥配流方式，斜盤、柱塞均采用陶瓷。國內(nèi)，華中科技大學1996年研制出閥配流海水 液壓柱塞泵，額定工作壓力3. 5MPa、最高工作壓力6. 3MPa，容積效率大于86%，總效率大于 74%，流量lOOL/min的海水泵，用于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(fā)中使用的現(xiàn)代化載人深潛器，由于潛水器取樣后由于重量的 增加，或是由于水介質(zhì)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(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)生變化。為確保潛水器在一定深度具有相對穩(wěn)定的作業(yè)姿態(tài)，需要對其進行浮力微調(diào)。載 人深隨著載人深潛器下潛深度的增加，對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中海水液壓泵輸出壓力的要求相應(yīng) 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(diào)節(jié)系統(tǒng)的需要，而關(guān)于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。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于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(jié)構(gòu)上避免了油水分離式液壓泵由于密封和高壓水滲入潤滑油腔而引起的失效；采 用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)單元，所述旋轉(zhuǎn)單元包括旋轉(zhuǎn)主軸，并設(shè)于所述泵主體內(nèi)；以及柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設(shè)于所述泵主體內(nèi)，所述柱塞配流單元包括配 流閥組件和柱塞滑靴組件；
3[0010]其中，所述柱塞滑靴組件設(shè)于所述腔體內(nèi)，并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(zhuǎn)單元設(shè)于所述潤滑腔內(nèi)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)單元提供流體潤滑。作為優(yōu)選實施例，所述配流閥組件包括一體設(shè)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(yōu)選實施例，所述旋轉(zhuǎn)單元還包括依次設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)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(nèi)還設(shè)有柱塞通道，所述階梯柱塞可滑動設(shè)置于所述柱塞通道 內(nèi)，其中，所述回程盤的一側(cè)與所述復位彈簧相接觸，所述回程盤的另一側(cè)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于所述斜盤的表面，進 而使得所述斜盤的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)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(nèi)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(yōu)選實施例，所述柱塞滑靴組件還包括設(shè)于所述柱塞通道內(nèi)的階梯柱塞套， 所述階梯柱塞設(shè)于所述階梯柱塞套內(nèi)，并與所述階梯柱塞套直接可滑動接觸。作為優(yōu)選實施例，所述階梯柱塞包括設(shè)于其表面的凹坑以及徑向設(shè)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(yōu)選實施例，所述滑靴底部設(shè)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(yōu)選實施例，所述旋轉(zhuǎn)單元還包括與所述旋轉(zhuǎn)主軸配合的滾動軸承和主軸 盤，主軸盤通過滾動軸承作用于所述斜盤，保證所述斜盤與所述滑靴沿圓周方向相對靜止。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在1、柱塞滑靴組件在所述旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)單元提供流體潤滑。作為優(yōu)化，將柱塞滑靴組件的柱塞設(shè)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(yīng)力；并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(yīng)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(yīng)，實現(xiàn)全水潤滑，在此基礎(chǔ)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(yōu)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(huán)保，維護方便。同時使 該超高壓水泵應(yīng)用海下時無需增加壓力補償器，簡化了結(jié)構(gòu)，具有特別的優(yōu)勢。3.其中位于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(yīng)，預(yù)防柱塞卡死，并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，同時采用軟硬結(jié)合，閥座為PEEK，閥芯為陶瓷， 具有結(jié)構(gòu)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。閥芯采用陶瓷，由于陶瓷相對金屬，具有硬度高，密度小的特點，因 此提高了抗氣蝕的能力；有利于減小閥芯的重量，提高配流配的響應(yīng)特性，減小配流閥的滯 后時間，從而提高高速下容積效率。

圖1所示為本實用新型結(jié)構(gòu)原理圖。圖2所示為配流閥組件結(jié)構(gòu)原理圖。圖3為階梯柱塞滑靴組件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理圖。圖4所示為二階抗卡死阻尼孔三維放大圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。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、后端蓋15、缸體14及殼體4順序連接構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)主軸1通過陶瓷軸承5、6、23與 殼體4及缸體14連接。后端蓋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(huán)形通流槽18。在后端蓋的徑向均勻分布有與柱塞數(shù)相等的階梯孔，階梯孔 的外側(cè)加工有螺紋，用于配流閥組件16的安裝與固定，配流閥組件安裝到位以后，再安裝 鎖緊螺母17將配流閥組件16鎖死，預(yù)防配流閥組件16在液壓力循環(huán)作用下出現(xiàn)松動，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(shè)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，壓出閥的出口通過后端蓋上的環(huán)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(yù)防配流閥在液壓力循環(huán)作用下出現(xiàn)松動，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(shè)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(xiàn)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，同時采用軟硬結(jié)合，閥座26、30為PEEK，閥芯 37、31為陶瓷，具有結(jié)構(gòu)簡湊的優(yōu)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采用陶瓷，由于陶 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(yīng)特性，減小了配流閥的滯后時間，從而提高高轉(zhuǎn)速工況下泵的容積 效率。
5[0030]如圖1和圖3所示，缸體14內(nèi)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(nèi)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(jīng)流道21與潤滑 腔11相連通，以防止該空腔內(nèi)形成高壓水增加滑靴39與斜盤9間的接觸應(yīng)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(nèi)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(yīng)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(chǎn)生動壓支承。凹坑38可以減小了配合面接觸應(yīng)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(yīng)，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，并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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)主軸1前后通過徑向滾動軸承23、5分別與缸體14和殼體4相連，并經(jīng)過機 械密封3和前端蓋2從殼體4中伸出實現(xiàn)與原動機(如電動機、汽油機等)的連接。旋轉(zhuǎn) 主軸1上加工有與旋轉(zhuǎn)主軸成一定傾角的主軸盤，主軸盤的左側(cè)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(cè)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(chǎn)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(zhuǎn)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、后端蓋15及殼體4之間用螺栓進行連接固定，當螺栓安裝于殼體4 上的螺紋孔之后，再將殼體鎖緊螺母22安裝于螺栓上將螺栓鎖死。該超高壓水泵的工作過程具體為旋轉(zhuǎn)主軸1在原動機的帶動下順時或逆時針轉(zhuǎn) 動，帶動安裝于旋轉(zhuǎn)主軸斜盤上的推力軸承7動環(huán)轉(zhuǎn)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于每個滑靴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 于關(guān)閉狀態(tài)?；?9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 力大于高壓腔19內(nèi)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(xiàn)吸水。當斜盤沿極限位置(如圖1的位置)運動180° 后，此時柱塞37處于全部外伸的狀態(tài)，當旋轉(zhuǎn)主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)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(nèi)力升高，將吸入閥關(guān)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(nèi)高壓水經(jīng)壓出閥出口從泵出口流 出，實現(xiàn)排水。當旋轉(zhuǎn)主軸1旋轉(zhuǎn)一周，各柱塞吸水及壓水各一次，隨著旋轉(zhuǎn)主軸1的不斷旋 轉(zhuǎn)，各柱塞也連續(xù)地獨立完成吸水與排水的動作，從而使泵連續(xù)輸出流量。
權(quán)利要求1.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(zhuǎn)單元，所述旋轉(zhuǎn)單元包括旋轉(zhuǎn)主軸，并設(shè)于所述泵主體內(nèi)；以及柱塞配流單元，所述柱塞配流單元設(shè)于所述泵主體內(nèi)，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(shè)于所述腔體內(nèi)，并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(zhuǎn)單元設(shè)于所述潤滑腔內(nèi)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)單元提供流體潤滑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述配流閥組件包括一體設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)單元還包括依次設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)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(nèi)還設(shè)有柱塞通道，所述階梯柱塞可滑動設(shè)置于所述柱塞通道內(nèi)，其中，所述回程盤的一側(cè)與所述復位彈簧相接觸，所述回程盤的另一側(cè)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于所述斜盤的表面， 進而使得所述斜盤的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)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(nèi)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(jù)權(quán)利要求3所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述柱塞滑靴組件還包括設(shè)于所 述柱塞通道內(nèi)的階梯柱塞套，所述階梯柱塞設(shè)于所述階梯柱塞套內(nèi)，并與所述階梯柱塞套 直接可滑動接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述階梯柱塞包括設(shè)于其表面的 凹坑以及徑向設(shè)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(jù)權(quán)利要求3所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述滑靴底部設(shè)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(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)單元還包 括與所述旋轉(zhuǎn)主軸配合的滾動軸承和主軸盤，主軸盤通過滾動軸承作用于所述斜盤，保證 所述斜盤與所述滑靴沿圓周方向相對靜止。
專利摘要本實用新型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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)單元提供流體潤滑，實現(xiàn)全水潤滑。其中配流閥組件采用一體化設(shè)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(jié)構(gòu)，圓柱表面有凹坑形貌，滑靴底部設(shè)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F04B53/18GK201786595SQ20102053898
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者劉銀水, 吳德發(fā), 唐輝, 朱玉泉, 李斌, 毛旭耀, 蔣卓, 郭志恒, 陳經(jīng)躍 申請人:華中科技大學