CN104612956B - 可变量全水润滑轴向柱塞式水泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，主要由主轴、前端盖、轴承、壳体、斜盘、滑靴、柱塞、回程盘、球铰、回程弹簧、缸体、配流阀、卸荷阀、后端盖组成，主轴旋转时，通过斜盘与回程盘的作用实现柱塞的直线往复运动，通过控制配流阀的开启与闭合来实现柱塞泵的吸水与排水，同时通过控制卸荷阀的开启来控制实际工作的柱塞数目从而实现变量功能。本发明结构紧凑、耐污染能力强、工作压力高，相比于传统的斜盘变量机构，该发明最显著的优势就是变量机构简单，变量容易，能在高压时实现自动变量。该泵可用于泵送海水、淡水或HFA等其他低粘度液体，达到一定工作压力自动施行变量功能，减小输出流量，从而减小所需的功率，能够在多工况环境下正常工作，特别适合深海恒驱动功率的场合。

Description

可变量全水润滑轴向柱塞式水泵

技术领域

本发明涉及一种柱塞泵，具体地说是一种可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，属于柱塞泵技术领域。

背景技术

随着社会经济飞速发展，人类对资源的消耗日益严重，为应对资源紧缺所带来的问题，各国均将目光投向了资源富饶的海洋。开发海底资源，需要一系列的海洋工具，潜水器是海洋开发装备中的关键设备之一。潜水器广泛应用于海洋勘探、科学考察及军事侦察等海洋活动中。水液压系统是潜水器的重要子系统之一，直接以天然海水代替液压油作工作介质的水液压传动技术具有与海洋环境相容、无环境污染、抗燃性好、效率高、操作简单、性能稳定等特点，在海洋环境条件下具有独特的使用优势，在所有海洋开发及海军装备等领域均具有极其广阔的应用前景。作为水液压系统的核心动力元件，水液压泵性能的优劣对整个海水液压系统的性能有决定性的影响。

目前，在世界各国所进行的海洋活动中，潜水器中所使用的海水泵绝大多数为柱塞结构形式。美国许多深海潜水器所使用水液压泵为阀配流轴向斜盘柱塞泵，日本川崎重工所研制的海洋潜水器采用的也为阀配流轴向斜盘柱塞泵。自1996起，国内也研制出了多款水液压泵用于海洋开发活动中,且均表现出了比较优异的性能，应用比较成功。

但是上述大部分柱塞泵均采用油水分离式结构，泵内关键摩擦副采用液压油润滑，工作介质为海水，这种结构存在液压油泄漏从而污染海洋环境的风险；另一方面，这些柱塞泵均为定量泵，该泵的驱动功率一般按最大工作压力时所需的功率配置。受驱动功率的限制，在压力较高情况下，只能小流量工作，而在压力低时，有足够的功率余量，但也只能输出小流量，从而使得系统工作效率低，不利于潜器浮力调节系统的小型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，能够利用过滤后的自来水或海水作为工作介质和润滑介质，能够实现高压时自动变量，从而在驱动功率不变的情况下，实现低压大流量，高压小流量，提高系统的工作效率。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种带可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，包括主要由前端盖、泵壳体、缸体和后端盖组成的外壳，以及设置在所述外壳内的配流阀、卸荷机构、回程机构、柱塞、滑靴、主轴和斜盘组件；

所述主轴的动力输入端由所述前端盖穿出，并与所述前端盖之间采用机械密封，所述主轴的动力输出端在所述泵壳体内与所述斜盘相连，所述主轴采用半轴支撑方式设置在所述泵壳体内；

所述缸体外侧设有进水口和出水口，在缸体朝向斜盘的内侧同一圆周上，均匀分布有与缸体轴线平行的奇数个缸孔，所述柱塞与滑靴通过球铰活动连接，构成球面摩擦副，所述滑靴通过所述回程机构固定在所述斜盘的斜面上；柱塞置于镶嵌在缸孔中的缸套中，工作时柱塞在缸孔中做直线往复运动，与缸套形成滑动摩擦副，每个柱塞与缸孔构成的柱塞腔，经由设置在缸体上的配流阀与泵的进水口和出水口相通，所述配流阀包括安装在配流腔内的吸入阀和压出阀，所述配流腔与所述缸孔数量相同，且所述配流腔垂直于所述缸孔并分布在所述缸体的尾部；

所述卸荷机构主要由活塞和卸荷阀组成，所述卸荷阀包括安装在阀座内的阀芯和弹簧，所述阀座与所述配流腔相通，所述活塞设于阀芯后端，卸荷阀出口与泵吸水口相通，活塞一侧通过排水腔与柱塞泵的出水口相通，另一侧通过所述卸荷阀的阀座与配流腔相通；

所述回程机构包括中心弹簧、球铰和回程盘，所述中心弹簧设置在所述缸体的中心上，在所述中心弹簧外侧安装的球铰与设置在斜盘上的回程盘紧密压合；采用中心弹簧回程的最大优点就是结构简单，中心弹簧只受静载荷的作用不存在疲劳的问题，泵整体的可靠性大大增加。

本发明的柱塞泵变量机构是由活塞及卸荷阀组成的液控卸荷阀，通过高压时相应卸荷阀的开启来减少实际工作的柱塞数目，减少泵流量，从而实现变量功能。具体工作原理，卸荷阀入口与柱塞腔相通，出口与泵吸水口相通，活塞一端与柱塞泵出水口相通，另一端与柱塞腔相通。低压时，活塞受到液压力作用在卸荷阀阀芯上，液压力小于弹簧预压缩力，卸荷阀不开启，柱塞泵个柱塞正常吸水排水；高压时，作用在活塞上的液压力大于弹簧预压缩力，卸荷阀开启，柱塞腔与泵吸水口连通，柱塞腔中水无法建压，排入吸水口，与卸荷阀相连的柱塞从原理上不工作。通过设置几组不同压力的卸荷阀，可以实现柱塞泵不同压力的自动分级变量。

本发明进一步限定的技术方案是：前述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，所述斜盘与主轴采用一体化结构，所述主轴的径向方向由一对角接触陶瓷球轴承支撑，轴向布置大推力球轴承承受斜盘的轴向分力。角接触陶瓷球轴承承受主轴所有的径向力和部分的轴向力，大推力轴承用于支撑斜盘，承受斜盘所受力的大部分轴向分力。大推力轴承的一端固定在壳体内壁上，另一端固定在斜盘的轴承安装槽中；对心安装的角接触陶瓷球轴承的内圈安装在主轴上，外圈安装在壳体的轴承孔中，轴向方向上通过主轴轴肩与前端盖进行限位。

前述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，所述回程盘与球铰相接触处以及滑靴的靴底和球窝内表面均注塑有碳纤维增强工程塑料；滑靴球窝与柱塞球头构成球面摩擦副，由于摩擦副配对材料为工程塑料与耐蚀合金，摩擦系数减小，使摩擦副摩擦状况得到良好的改善。

前述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，所述机械密封由静环和动环两部分组成，所述静环固定在前端盖上，所述动环固定在主轴上随主轴转动，静动环配合面表面光滑，机械密封主要起主轴转动时的密封作用。

前述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，所述卸荷阀的数量小于或等于所述柱塞数量。

进一步的，前述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，所述泵壳体上设有与内腔相通的注液孔，在所述注液孔上设有螺塞。

本发明的有益效果是：①采用液控卸荷阀使海水泵实现多工况有级变量，变量机构结构简单紧凑，无需外在手动变量操作，自动化高、适应性强。通过变量机构，能实现低压大流量、高压小流量的功能，提高驱动电机在恒功率情况下的工作效率。在海洋潜器中，内部空间及所携带的动力均有限，该海水泵更有利于提高潜器的工作效率，也更利于潜器的小型化。因此，该可变量全水润滑轴向柱塞式水泵适合作为海洋潜器中水液压系统的动力元件，具有很好的使用性能。

②配流方式采用配流阀配流，阀配流方式即通过控制与入口及出口相连的配流阀的开启与关闭，来实现泵的吸水与排水。海水中杂质较多，即使经过过滤也存在部分杂质颗粒；潜器在海洋水下特殊环境作业，能量补充难度较大，对作业系统的效率及可靠性要求较高；潜器在深海工作时，海水压力较高。这些因素对海水泵的抗污染能力、工作效率、可靠性等由较高要求。海水柱塞泵采用阀配流，不仅抗污染能力强、效率高、工作稳定，也更有利于高压化。因此，配流阀配流方式应用于潜器海水泵中，显示出极大地优势。

③全部摩擦副均采用增强工程塑料与耐蚀合金配对，摩擦系数与磨损率小；所有轴承均采用新型的全陶瓷轴承，自润滑性能强。新型工程材料的应用，使得泵内部关键摩擦副的摩擦性能得到改善，使摩擦副能够在低润滑性能的海水中正常工作；全部摩擦副均由泵送循环海水进行冷却，这有效地提高了泵的工作可靠性与使用寿命。

附图说明

图1为本发明柱塞式水泵的结构原理示意图。

图2为本发明变量机构液控卸荷阀的结构图。

图3为液控卸荷阀的连接分布示意图。

图4为本发明可变量全水润滑轴向柱塞式水泵的理论压力流量特性图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，结构如图1至图4所示，主要由主轴1、机械密封2、泵壳体3、缸体10、后端盖12、前端盖23、斜盘6、回程球铰8、回程弹簧9、回程盘21、柱塞20、滑靴22、压出阀17、吸入阀18、活塞14和卸荷阀15组成。主轴将电机产生的机械能引入柱塞泵内，主轴的旋转带动斜盘的旋转，推动柱塞在缸体10内作直线往复运动，控制配流阀的开启与闭合实现吸水排水过程，将机械能转化为液压能。同时，控制相应卸荷阀的开闭，实现海水泵的有级变量，满足低压大流量，高压小流量的多工况要求。

如图1所示，在缸体10的同一圆周上均布有与缸体10轴线平行的七个缸孔；将柱塞20置于缸孔内,每个柱塞底部与配流腔相通，并设有四个与配流腔连通卸荷阀腔，配流阀由吸入阀18和压出阀17组成，且置于配流腔内，其数目均和柱塞数相同，并且径向分布于缸体10的外侧端部，该吸入阀18及压出阀17均由阀芯、阀座及弹簧组

成。吸入阀18和卸荷阀15出口与泵的吸水口11相通，吸入阀18出口和卸荷阀15入口与柱塞孔腔相通,卸荷阀15阀芯后端有活塞14；压出阀17的入口与柱塞腔相通，出口与排水口13相通。置于缸体10中心的回程弹簧9通过回程球铰8、回程盘21将柱塞—滑靴组件中的滑靴22紧压在斜盘6上；主轴与斜盘为一体结构，安装三个采用工程陶瓷制作的滚动轴承域泵壳体连接。泵壳体上设有与内腔相通的注液孔，在注液孔上设有螺塞7，泵壳体3与缸体10通过紧固螺钉连接在一起，前端盖23与泵壳体3通过紧固螺钉连接在一起，后端盖12与缸体10通过螺钉连接在一起。

本实施例的主轴1与斜盘6为一体化结构，采用半轴支撑方式支撑连接，使得斜盘随主轴转动的传力性能更好，减少了斜盘与主轴的连接机构，优化了泵结构。斜盘与主轴整体由一对对心安装的角接触陶瓷球轴承4和一个大推力陶瓷球轴承5支撑，角接触球轴承4承受主轴所有的径向力和部分的轴向力，大推力轴承5用于支撑斜盘，承受斜盘所受力的大部分轴向分力。大推力轴承5的一端固定在壳体内壁上，另一端固定在斜盘的轴承安装槽中；对心安装的角接触球轴承内圈安装在主轴上，外圈安装在壳体的轴承孔中，轴向方向上通过主轴轴肩与前端盖进行限位。制作滚动轴承的材料均为工程陶瓷，该类型轴承自润滑性能强，耐腐蚀性能优异，且具有较高的强度。主轴前端安装有前端盖23与机械密封2，前端盖用于对机械密封及主轴支承轴承进行限位，前端盖通过均布的6个内六角螺钉固定在壳体上。前端盖23采用耐蚀合金材料，该材料具有很强的耐海水腐蚀能力。机械密封2由静环和动环两部分组成，静环固定在前端盖上，动环固定在主轴上随主轴转动，静动环配合面表面光滑，机械密封主要起主轴转动时的密封作用。

泵的回程方式为中心弹簧回程，回程机构从右到左依次为中心弹簧9、回程球铰8和回程盘21。中心弹簧9右端与缸体10中心孔底部相接触，左端压在回程球铰8端面上，回程球铰8与回程盘21内孔球面相接触，回程盘21与滑靴接触，回程盘21相对于球铰转动完成柱塞的回程。中心弹簧9采用特殊处理的弹簧钢材料，回程盘21与回程球铰8采用耐蚀合金制作，回程盘21与球铰相接触内球面注塑有一层碳纤维增强的工程塑料。

柱塞—滑靴组件中滑靴22与柱塞20通过球铰进行连接，滑靴22由耐蚀合金制成的基体及注塑的碳纤维增强工程塑料层组成。耐蚀合金作为基体，构成滑靴的基本结构，滑靴22靴底及球窝内表面注塑有碳纤维增强工程塑料。滑靴22中心开有节流小孔，通过柱塞20中心孔与泵送的高压水相通，形成静压支承。在靴底表面设置有环形密封带，在密封带内设置有内辅助支承面。滑靴22靴底与斜盘6构成滑动摩擦副，滑靴22球窝与柱塞20球头构成球面摩擦副，由于摩擦副配对材料为工程塑料与耐蚀合金，摩擦系数减小，使摩擦副摩擦状况得到良好的改善。柱塞20采用硬化处理后的耐蚀合金制成，既能满足柱塞的强度要求，又能满足柱塞的耐腐蚀性要求。

如图2所示，为本实施例的变量机构液控卸荷阀，由活塞14和卸荷阀15组成，该卸荷阀包括卸荷阀阀芯28、弹簧29和阀座30。活塞14可以在卸荷阀阀座腔内直线运动，活塞14一端通过排水腔26与泵出水口相通，卸荷阀进口与柱塞腔24相连，出口与吸水腔25相连。活塞14受到出水口的液压力，向下运动，与卸荷阀阀芯28相接触，当活塞对阀芯的作用力大于弹簧29的预压力，卸荷阀开启，柱塞腔24与吸水腔25相通，压出阀不打开，该柱塞在原理上不工作。

如图3和图4所示，本实施例的海水泵中装有四个液控卸荷阀15，每个卸荷阀15与一个柱塞腔相连。该四个卸荷阀15分为两组，每组的压力设置不同，通过控制这两组卸荷阀的开闭，海水泵能产生三种工作流量，实现有级变量，多工况作业。从低压至高压，海水泵的压力流量特性具有明显的随压力不同流量不同的特性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，包括主要由前端盖、泵壳体、缸体和后端盖组成的外壳，以及设置在所述外壳内的配流阀、卸荷机构、回程机构、柱塞、滑靴、主轴和斜盘组件；其特征在于：

所述主轴的动力输入端由所述前端盖穿出，并与所述前端盖之间采用机械密封，所述主轴的动力输出端在所述泵壳体内与所述斜盘相连，所述主轴采用半轴支撑方式设置在所述泵壳体内；

所述缸体外侧设有进水口和出水口，在缸体朝向斜盘的内侧同一圆周上，均匀分布有与缸体轴线平行的奇数个缸孔，所述柱塞与滑靴通过球铰活动连接，构成球面摩擦副，所述滑靴通过所述回程机构固定在所述斜盘的斜面上；柱塞置于镶嵌在缸孔中的缸套中，工作时柱塞在缸孔中做直线往复运动，与缸套形成滑动摩擦副，每个柱塞与缸孔构成的柱塞腔，经由设置在缸体上的配流阀与泵的进水口和出水口相通，所述配流阀包括安装在配流腔内的吸入阀和压出阀，所述配流腔与所述缸孔数量相同，且所述配流腔垂直于所述缸孔并分布在所述缸体的尾部；

所述卸荷机构主要由活塞和卸荷阀组成，所述卸荷阀包括安装在阀座内的阀芯和弹簧，所述阀座与所述配流腔相通，所述活塞设于阀芯后端，卸荷阀出口与泵吸水口相通，活塞一侧通过排水腔与柱塞泵的出水口相通，另一侧通过所述卸荷阀的阀座与配流腔相通；

所述回程机构包括中心弹簧、球铰和回程盘，所述中心弹簧设置在所述缸体的中心上，在所述中心弹簧外侧安装的球铰与设置在斜盘上的回程盘紧密压合。

2.根据权利要求1所述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，其特征在于：所述斜盘与主轴采用一体化结构，所述主轴的径向方向由一对角接触陶瓷球轴承支撑，轴向布置大推力球轴承承受斜盘的轴向分力。

3.根据权利要求1所述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，其特征在于：所述回程盘与球铰相接触处以及滑靴的靴底和球窝内表面均注塑有碳纤维增强工程塑料。

4.根据权利要求1所述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，其特征在于：所述机械密封由静环和动环两部分组成，所述静环固定在前端盖上，所述动环固定在主轴上随主轴转动。

5.根据权利要求1所述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，其特征在于：所述卸荷阀的数量小于或等于所述柱塞数量。

6.根据权利要求1所述的可变量全水润滑轴向柱塞式水泵，其特征在于：所述泵壳体上设有与内腔相通的注液孔，在所述注液孔上设有螺塞。