CN107748032A - 一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，由连接套筒、密封环、壳体、柱塞、柱塞套、动力端等部件组成；在柱塞外面加工特殊的柱塞套，在柱塞套一定位置上沿径向加工测压引流小孔和环形槽，并在环形槽之间安装环形密封圈，柱塞套和柱塞用单边10微米以下的间隙配合，所述柱塞套外部安装壳体，壳体上加工传感器安装孔和引流小孔，壳体和柱塞套的引流小孔通过环形槽相连通。所述壳体用双头螺柱把壳体和配流端盖及动力端固定。所述壳体内部安装密封环，用以密封柱塞腔泄漏水。

Description

一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置

技术领域

本发明涉及超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量技术，属于机械工程中液压元件技术领域。

背景技术

随着国家经济开发向深海进军，对深海资源的开采，需要研制专用的大深度潜水器，而大深度潜水器的研制，需要一台超高压柱塞泵为其浮力调节系统提供动力。

超高压柱塞泵，安装在潜水器中，通过调节潜水器中的海水容量来平衡潜水器自重，实现潜水器的上浮和下潜，是深水液压设备中不可或缺的能源转换动力单元。超高压柱塞泵在柱塞往复工作过程中，柱塞和缸体之间的泄漏会降低海水泵的工作效率，当海水泵处于超高压海水环境中时，泄漏量被进一步放大，这一问题严重制约了超高压海水柱塞泵的容积效率，因此需要专门的超高压海水泵柱塞副间隙流动测量装置，来研究柱塞副间隙内部流动规律。

国内外学者对柱塞副间隙的研究很多，如“水压环形缝隙泄漏特性的理论和试验研究”（华中科技大学, 2012. P49）在低压条件下，对水液压环形缝隙流动做过研究，并搭建单柱塞试验台，得到往复移动过程中柱塞副的泄漏量。但是其试验条件仅限在低压状态，并没有针对超高压环境下的间隙泄漏量和压力分布进行研究。在《2012 Annual Report》（P28）

美国普渡大学搭建油压单柱塞泵试验台，测得了柱塞副间隙的摩擦力和油膜厚度及泄漏量，其研究也只是局限于介质为液压油的低压柱塞泵，并未涉及对超高压、小间隙的水压流动特性和间隙压力变化规律，况且由于水和油的理化性质存在重大差异，前者的研究也不能作为超高压柱塞泵柱塞副间隙流动规律的重要参考。“轴向柱塞泵的虚拟样机及油膜压力特性研究”（浙江大学, 2009. P143），基于模型泵的思想，在不改变柱塞泵结构的条件下，对柱塞泵间隙的压力分布进行研究。但是，其研究仅针对现有油压柱塞泵，并未考虑低粘度水等介质，更不是在超高压的工作压力下，而且其试验研究不能面向不同宏观参数的柱塞副偶件，因此不具有广泛的适用范围。

柱塞副间隙压力分布，直接或间接影响着柱塞副间隙的流动规律。Analysis ofLubricant Flow through Reynolds Equation（2009），柱塞副间隙的压差不但会使流体产生泊肃叶流动，而且间隙介质的压力，会导致柱塞副偶件的局部高温，在偶件局部产生较大形变，造成配合间隙减小，甚至阻塞间隙流动，导致柱塞副间隙的润滑条件恶劣，严重降低超高压柱塞泵的工作寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，解决超高压柱塞泵柱塞副内部流动的测量问题。

本发明是一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，包括连接套筒1、密封环2、壳体3、柱塞4、柱塞套5、双头螺柱6、配流端盖7、螺母8、端面密封圈9、环形密封圈10、轴用加强型直角组合密封圈11、环形密封圈12和动力端13，所述的壳体3、配流端盖7、动力端13通过双头螺柱6和螺母8连接；在壳体3的上表面和前表面上开设压力传感器的安装孔3-1，并在安装孔3-1处沿径向开设引流小孔3-4，引流小孔3-4和柱塞套5处的环形槽5-1相连通；壳体3后表面开设泄漏端接头安装孔3-2，在泄漏端接头安装孔3-2处开设泄漏引流小孔3-5；柱塞套5安装在壳体3内部，柱塞套5一端贴合密封环2，另一端贴合配流端盖7，在柱塞套5内孔安装柱塞泵柱塞4；柱塞4和柱塞套5之间采用间隙配合；在柱塞套5圆柱面沿轴向方向，按预设间隔开设环形槽5-1，环形槽5-1的数量与压力传感器数量一致，在环形槽5-1处沿径向开设引流孔5-2；在柱塞套5上各环形槽5-1之间开设密封圈安装槽5-3，柱塞套5的一端开设泄漏环形腔5-4，沿环形腔5-4径向开设泄漏引流孔5-5，柱塞套5的泄漏端的内孔直径大于另一端柱塞套5的内孔直径。

本发明的有益之处为：本发明应用于对超高压柱塞泵柱塞副间隙流动的研究，特别是在超高压、小间隙的工况下，能够对柱塞泵的间隙分布压力特性进行全方位测试。不但可以研究在柱塞4往复移动时，配合间隙中海水的流动特性和压力分布规律，进而得到在柱塞往复运动过程中柱塞副间隙的泄漏规律，而且由于本测量装置中柱塞套5和柱塞4的可替换性，可以加工不同宏观和微观参数的柱塞4和柱塞套5，来对比研究在不同的柱塞副配对下，柱塞副间隙流动特性规律，获取最佳配对的柱塞副偶件。其中，宏观参数包括柱塞4和柱塞套5直径、材料、最小留缸长度、最小容腔等，微观参数包括柱塞4和柱塞套5的表面形貌参数及表面织构。

附图说明

图1是本发明的测试装置结构剖视图，图2是壳体结构三维图，图3是另一个壳体结构三维图，图4是壳体结构剖视图，图5是柱塞套结构三维图。

具体实施方式

如图1~图5所示，本发明是一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，包括连接套筒1、密封环2、壳体3、柱塞4、柱塞套5、双头螺柱6、配流端盖7、螺母8、端面密封圈9、环形密封圈10、轴用加强型直角组合密封圈11、环形密封圈12和动力端13，所述的壳体3、配流端盖7、动力端13通过双头螺柱6和螺母8连接；在壳体3的上表面和前表面上开设压力传感器的安装孔3-1，并在安装孔3-1处沿径向开设引流小孔3-4，引流小孔3-4和柱塞套5处的环形槽5-1相连通；壳体3后表面开设泄漏端接头安装孔3-2，在泄漏端接头安装孔3-2处开设泄漏引流小孔3-5；柱塞套5安装在壳体3内部，柱塞套5一端贴合密封环2，另一端贴合配流端盖7，在柱塞套5内孔安装柱塞泵柱塞4；柱塞4和柱塞套5之间采用间隙配合；在柱塞套5圆柱面沿轴向方向，按预设间隔开设环形槽5-1，环形槽5-1的数量与压力传感器数量一致，在环形槽5-1处沿径向开设引流孔5-2；在柱塞套5上各环形槽5-1之间开设密封圈安装槽5-3，柱塞套5的一端开设泄漏环形腔5-4，沿环形腔5-4径向开设泄漏引流孔5-5，柱塞套5的泄漏端的内孔直径大于另一端柱塞套5的内孔直径。在泄漏端接头安装孔处加工泄漏引流小孔，泄漏引流小孔把柱塞副间隙的泄漏水和外界测量装置连通，用于收集测量。

如图1所示，所述的壳体3内部安装密封环2，密封环2一端贴合柱塞套5，另一端贴合连接套筒1；密封环2沿轴向开设阶梯孔，大孔朝向柱塞套5，在大孔内安装轴用加强型直角组合密封圈11，轴用加强型直角组合密封圈11的内孔安装柱塞泵柱塞4；轴用加强型直角组合密封圈11由内圈和外圈组成，内圈是耐磨环，材料是聚四氟乙烯，外圈是一个O形圈；密封环2的外部开设密封圈安装密封圈12的安装槽。

如图1所示，所述的配流端盖7的一端贴合壳体3及柱塞套5的端面，另一端安装吸/排水单向阀，且在壳体3和配流端盖7之间安装端面密封圈9。

如图1所示，所述的连接套筒1一端安装在壳体3内，另一端安装在动力端13之中。

如图1、图5所示，在柱塞套5圆柱面沿轴向方向，按预设间隔至少开设5个环形槽5-1，在壳体3的上表面上至少开设3个压力传感器的安装孔3-1，安装3个压力传感器，在壳体3的前表面上至少开设2个压力传感器的安装孔3-1，安装2个压力传感器。

如图1所示，柱塞4和柱塞套5之间采用间隙配合，两者配合间隙取单边小于10微米。

壳体表面加工压力传感器安装孔，并在安装孔处加工引流小孔，使得引流小孔和柱塞套处的环形槽相连通。由于安装空间和位置的限制，将本发明的实施例采用5个压力传感器（可根据实际安装空间大小合理选择传感器数量），分别安装在壳体的上表面和前表面上，上表面安装3个，前表面安装2个。在泄漏端接头安装孔处加工泄漏引流小孔，泄漏引流小孔把柱塞副间隙的泄漏水和外界测量装置连通，用于收集测量。

如图1所示，柱塞套圆柱面沿轴向方向，按预设间隔加工5个环形槽（环形槽数量与前面压力传感器数量一致），在柱塞套环形槽处，沿径向加工引流孔。这样，柱塞副间隙的泄漏水就经环形槽和壳体内的引流小孔流至压力传感器感应腔，用以测量柱塞副间隙的压力分布。在柱塞套上各环形槽之间加工密封圈安装槽，用以安装6个密封圈，将各个环形槽之间的泄漏水分隔开，这样压力传感器采集的压力才是柱塞副对应位置的真实压力。柱塞套一端加工泄漏环形腔，沿环形腔径向加工泄漏引流孔，并加工柱塞套泄漏端的内孔直径大于另一端柱塞套内孔直径，这样柱塞副间隙的泄漏水就经泄漏引流孔引至泄漏环形腔，再经壳体引流孔和外界测量装置连通。

如图1所示，壳体内部安装密封环，密封环一端贴合柱塞套，另一端贴合连接套筒。密封环沿轴向开设阶梯孔，大孔朝向柱塞套，在大孔内安装轴用加强型直角组合密封圈，密封圈内部安装柱塞泵柱塞。其中，该轴用加强型直角组合密封圈由内圈和外圈组成，内圈是耐磨环，材料是聚四氟乙烯，外圈是一个O形圈，用于密封柱塞泵泄漏水。密封环外部加工密封圈安装槽，用于安装密封圈，防止泄漏水经密封环外表面的间隙外流。

配流端盖一端安装壳体及柱塞套端面，另一端安装吸、排水单向阀，且在壳体和配流端盖之间安装端面密封圈，用以防止柱塞腔的水经配流端面流失。

壳体3表面加工压力传感器安装孔3-1，并在安装孔3-1处沿径向加工引流小孔3-4，使得引流小孔3-4和柱塞套5处的环形槽5-1相连通。由于安装空间和位置的限制，将本发明的实施例采用5个压力传感器（可根据实际安装空间大小合理选择传感器数量），分别安装在壳体3上表面和前表面上，上表面安装3个，前表面安装2个。壳体3后表面加工泄漏端接头安装孔3-2，在泄漏接头安装孔3-2处沿径向加工引流小孔3-5，用以把柱塞副间隙的泄漏水和外界测量装置连通，进行收集测量。

柱塞套5安装在壳体3内部，柱塞套5一端贴合密封环2，另一端贴合配流端盖7，在柱塞套5内孔安装柱塞泵柱塞4。柱塞4和柱塞套5之间采用间隙配合，由于海水粘度较低、润滑水膜较薄，配合间隙取单边小于10微米。

如图1所示，在柱塞套5圆柱面沿轴向方向，按预设间隔加工5个环形槽5-1（环形槽5-1的数量与压力传感器数量一致），在柱塞套5的各环形槽处，沿径向加工引流孔5-2，使得环形槽引得柱塞副间隙的泄漏水，最终泄漏水通过柱塞套5的引流小孔5-2，经环形槽和壳体3的引流小孔3-4引到压力传感器的感应腔，用以测量柱塞副间隙的压力分布。各个环形槽之间加工6个密封圈安装槽5-3，用以安装密封圈10，使得各个环形槽之间的泄漏水分隔开，这样压力传感器采集的压力才是柱塞副对应位置的真实压力。柱塞套5一端加工泄漏环形腔5-4，沿环形腔5-4径向加工泄漏引流孔5-5，并加工柱塞套5的泄漏端的内孔直径大于另一端柱塞套5内孔直径，这样柱塞副间隙的泄漏水就经泄漏引流孔5-5，被引至泄漏环形腔5-4，再经壳体3上的引流孔3-5和外界测量装置连通。

如图1所示，壳体3内部安装密封环2，密封环2一端贴合柱塞套5，另一端贴合连接套筒1。密封环2沿轴向加工阶梯孔，大孔朝向柱塞套5，在大孔内安装轴用加强型直角组合密封圈11，轴用加强型直角组合密封圈11内部安装柱塞泵柱塞4。其中，该轴用加强型直角组合密封圈11由内圈和外圈组成，内圈是耐磨环，材料是聚四氟乙烯，外圈是一个O形圈，用于密封柱塞泵泄漏水。密封环2外部加工密封圈安装槽，安装密封圈12，防止泄漏水经密封环2外流。

如图1所示，配流端盖7一端贴合壳体3及柱塞套5端面，另一端安装吸排水单向阀，且在壳体3和配流端盖7之间安装端面密封圈9，用以防止柱塞腔的水经配流端面流失。

本发明是针对超高压水压柱塞泵压力分布测量，并不局限于水介质，它对液压油等其他介质同样适用，属于本发明的保护范围。另外，柱塞的往复驱动方式，可以选择凸轮结构、曲柄机构或者常规的斜盘式柱塞泵等正弦运动机构。

本发明对本领域的技术从业人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，包括连接套筒（1）、密封环（2）、壳体（3）、柱塞（4）、柱塞套（5）、双头螺柱（6）、配流端盖（7）、螺母（8）、端面密封圈（9）、环形密封圈（10）、轴用加强型直角组合密封圈（11）、环形密封圈（12）和动力端（13），其特征在于所述的壳体（3）、配流端盖（7）、动力端（13）通过双头螺柱（6）和螺母（8）连接；在壳体（3）的上表面和前表面上开设压力传感器的安装孔（3-1），并在安装孔（3-1）处沿径向开设引流小孔（3-4），引流小孔（3-4）和柱塞套（5）处的环形槽（5-1）相连通；壳体（3）后表面开设泄漏端接头安装孔（3-2），在泄漏端接头安装孔（3-2）处开设泄漏引流小孔（3-5）；柱塞套（5）安装在壳体（3）内部，柱塞套（5）一端贴合密封环（2），另一端贴合配流端盖（7），在柱塞套（5）内孔安装柱塞泵柱塞（4）；柱塞（4）和柱塞套（5）之间采用间隙配合；在柱塞套（5）圆柱面沿轴向方向，按预设间隔开设环形槽（5-1），环形槽（5-1）的数量与压力传感器数量一致，在环形槽处沿径向开设引流孔（5-2）；在柱塞套（5）上各环形槽（5-1）之间开设密封圈安装槽（5-3），柱塞套（5）的一端开设泄漏环形腔（5-4），沿环形腔（5-4）径向开设泄漏引流孔（5-5），柱塞套（5）的泄漏端的内孔直径大于另一端柱塞套（5）的内孔直径。

2.根据权利要求1所述的超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，其特征在于所述的壳体（3）内部安装密封环（2），密封环（2）一端贴合柱塞套（5），另一端贴合连接套筒（1）；密封环（2）沿轴向开设阶梯孔，大孔朝向柱塞套（5），在大孔内安装轴用加强型直角组合密封圈（11），轴用加强型直角组合密封圈（11）的内孔安装柱塞泵柱塞（4）；轴用加强型直角组合密封圈（11）由内圈和外圈组成，内圈是耐磨环，材料是聚四氟乙烯，外圈是一个O形圈；密封环（2）的外部开设密封圈安装密封圈（12）的安装槽。

3.根据权利要求1所述的超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，其特征在于所述的配流端盖（7）的一端贴合壳体（3）及柱塞套（5）的端面，另一端安装吸/排水单向阀，且在壳体（3）和配流端盖（7）之间安装端面密封圈（9）。

4.根据权利要求1所述的超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，其特征在于所述的连接套筒（1）一端安装在壳体（3）内，另一端安装在动力端（13）之中。

5.根据权利要求1所述的超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，其特征在于在柱塞套（5）圆柱面沿轴向方向，按预设间隔至少开设5个环形槽（5-1），在壳体（3）的上表面上至少开设3个压力传感器的安装孔（3-1），安装3个压力传感器，在壳体（3）的前表面上至少开设2个压力传感器的安装孔（3-1），安装2个压力传感器。

6.根据权利要求1所述的超高压柱塞泵柱塞副间隙分布压力测量装置，柱塞（4）和柱塞套（5）之间采用间隙配合，其特征在于两者配合间隙取单边小于10微米。