CN114263584A - 一种串联式活塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯，包括泵壳体和泵芯，泵芯设置在泵壳体内，所述的泵芯包括第一泵芯和第二泵芯，第一泵芯和第二泵芯按一定相位角、相对串联安装在传动通轴上，通过传动通轴给第一泵芯和第二泵芯独立传动；第一、第二泵芯的导轨和滚轮密封在独立润滑腔中，独立润滑腔与活塞泵的流道不连通。本发明通过通轴传动双泵结构大幅度改善了泵的脉动、振动，传动方式选用通轴滚动传扭结构，使泵的体积、重量大大减小，传动通轴与两个泵芯分别独立传动，相比两个泵芯耦合在一起的拨叉传动，传动更加稳定可靠，更利于高速化。

Description

一种串联式活塞泵

技术领域

本发明涉及一种串联式活塞泵，特别是涉及一种带独立润滑的串联式活塞泵属于技术领域。

背景技术

泵是一种将机械能与流体压力能间进行相互转化的能量转换装置，通常用于输出高压流体。一般的活塞式、叶片式、齿轮式、螺杆式等传统泵，在工作过程中其机械结构的运动副主要为滑动摩擦方式，因而产生大量的摩擦能量损耗，并且零部件形状复杂，加工成本较高。

双运动自由度活塞泵将轴和活塞一体化设计，并利用活塞“周向旋转+轴向往复”双自由度运动原理实现连续的吸排油，省去了传统柱塞泵的配流盘结构。同时，采用对称式导轨滚子结构替代滑靴斜盘结构，由原来滑动摩擦副转变为滚动摩擦，并且对称式的受力结构使得活塞在径向没有受力，省去了活塞与缸体、缸体与配流盘两个摩擦副，因而泵效率更高，也突破了滑动摩擦副对泵性能等方面的制约。

在现有的双运动自由度活塞泵结构中，主要存在以下几个问题：1、导轨滚子采用固定支座结构支撑，由于加工精度与装配间隙的存在，固定支座上的滚子不可能全部与导轨接触，这样活塞上的受力并不是理论上的完全对称，偏载的受力由活塞与缸体上的衬套承担，这样的结果必然造成柱塞与缸体上的衬套形成一对滑动摩擦副，降低泵的效率，同时容易发生活塞在缸体内粘连卡滞。2、导轨与滚子等旋转机构完全浸入油中，在工作时旋转运动会产生较大的搅油损失，影响泵工作效率。3、双泵串联时采用的拨叉联轴器结构使得泵体结构较长，上联拨动下联的形式使得两个泵芯的特性耦合在一起，不利于高速化，同时，拨叉与联轴器的结构形式及装配间隙无法准确保证上下联泵芯的相位差，从而双泵输出的瞬间流量值并非恒定值，依然存在较大的流量脉动。4、导轨盘的结构形式和尺寸较大，高速工作时，导轨盘在流体中的阻力损失较大。

专利201710275241.0提供了一种串联式二维活塞输油泵，采用中间联轴器的方式连接双泵，其横截面、体积、重量很大，泵旋转的水力损失也大，同时传动结构复杂，串联双泵结构需多次转换传递扭矩，高速重载条件下其结构不稳定容易损坏；专利201610779346.5公开了一种浮动型二维双联柱塞泵，该结构通过滚轮轴与活塞用销轴连接成一体，滚轮可沿活塞上销轴做周向转动，同时导轨(导轨盘)在柱塞腔内油液的作用下可沿柱塞轴向浮动，从而实现滚轮和导轨(导轨盘)的始终贴合。但是该结构滚轮和活塞是连接成一体，滚轮上的偏载力最终还是由活塞与缸体上的衬套承担，同时导轨(导轨盘)浮动结构使得活塞和滚轮上的惯性力始终与导轨(导轨盘)作用在滚轮上的支承力轴向分力反向，因而增大了滚轮与(导轨盘)的摩擦损耗。专利202010894767.9公开了一种叠滚型重载二维活塞泵，其滚动轴承采用锥滚轮形式，锥滚轮的轴向固定通过高压油静压支承(弹簧力压紧或磁力支承)实现，锥滚轮的径向固定通过滚轮之间的压紧来实现，其内部平衡靠依靠锥滚轮和平衡导轨相配合，未有平衡支撑及补偿结构，零件容易磨损，寿命不高；其以上专利公开的二维活塞泵、结构复杂，加工难度大，且均没有设置滚动轴承与导轨支撑结构，滚轮在高速运转工作过程中不能始终与导轨曲面保持接触，泵振动、冲击大，泵结构可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足之一，提供一种串联式活塞泵。

本发明的技术解决方案：一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯，包括泵壳体和泵芯，泵芯设置在泵壳体内，其特征在于：所述的泵芯包括第一泵芯和第二泵芯，第一泵芯和第二泵芯按一定相位角、相对串联安装在传动通轴上，通过传动通轴给第一泵芯和第二泵芯独立传动；

所述的泵壳体内布置有低压和高压流道，所述的第一泵芯、第二泵芯结构一致，包括缸体、柱塞、导轨和滚轮，柱塞一端与导轨固连，另一端加工配流槽，与缸体的柱塞腔油口配合，缸体内加工流道与泵壳体的流道连通，滚轮安装在缸体上，与导轨配合，第一、第二泵芯的缸体一侧端面与泵壳体连接，另一侧端面与泵壳体内表面形成封闭的独立润滑腔，将第一、第二泵芯的导轨和滚轮密封在独立润滑腔中，独立润滑腔与活塞泵的流道不连通。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明结构紧凑、简单、工作可靠性高、机械效率高；

(2)本发明通过通轴传动双泵结构大幅度改善了泵的脉动、振动，传动方式选用通轴滚动传扭结构，使泵的体积、重量大大减小，传动通轴与两个泵芯分别独立传动，相比两个泵芯耦合在一起的拨叉传动，传动更加稳定可靠，更利于高速化；

(3)本发明通过平衡支撑及间隙补偿结构提高了泵的可靠性和使用寿命；

(4)本发明采用了摩擦副独立润滑形式，保证了泵在较宽的工作温度范围内均能获得较好的效率特性，避免了内部旋转/往复运动部件对泵内流场产生影响，降低了高速运动时的搅油损失，提高了摩擦副长时间工作可靠性，有效提高了泵的工作效率；

(5)本发明通过泵壳内的流道设计，将低压腔、高压腔及独立润滑腔分隔，避免了内部旋转/往复运动部件对泵内流场产生影响，降低了高速运动时的搅油损失，工作介质在低压腔/高压腔内的循环流动也为独立润滑腔内润滑油提供了冷却的作用，提高了摩擦副长时间工作可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明泵芯结构示意图；

图3为本发明缸体结构示意图；

图4为本发明缸体侧视图；

图5为本发明柱塞结构示意图；

图6为本发明柱塞侧视图；

图7为本发明第一、二泵芯相位差示意图；

图8为本发明传动通轴结构示意图；

图9为本本发明衬套A结构示意图；

图10为发明衬套B结构示意图；

图11为本发明导轨结构示意图；

图12为本发明增加平衡支撑及间隙补偿结构的泵芯结构示意图；

图13为本发明平衡支撑及间隙补偿结构示意图；

图14为本发明平衡支撑及间隙补偿结构剖视图；

图15为本发明平衡架结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯，泵壳体包括沿轴线依次同轴设置的第一端盖、泵壳和第三端盖，第一端盖、泵壳和第三端盖固连形成泵壳体结构。泵壳壁内布置有低压和高压流道，与第一、第三端盖内的流道配合形成泵壳体结构的低压腔和高压腔。

泵壳体内沿轴线同轴设置第一泵芯和第二泵芯，第一泵芯和第二泵芯结构一致，按一定相位角相对安装在传动通轴上，通过传动通轴和滚珠连接传动。

第一、第二泵芯包括缸体、柱塞、导轨和滚轮，柱塞一端与导轨固连，形成导轨柱塞组合体，另一端加工配流槽，缸体一端为圆台型，中心加工柱塞腔，柱塞配流端安装在柱塞腔内，与柱塞腔的油口配合，缸体内加工流道与泵壳体结构的流道连通，缸体一端为支撑结构，滚轮安装在缸体支撑结构上，将导轨夹持在中间，第一、第二泵芯的缸体圆台型一侧端面分别与第一、第二端盖连接，另一侧端面与泵壳内表面形成封闭的独立润滑腔，将第一、第二泵芯的导轨和滚轮密封在独立润滑腔中，独立润滑腔与活塞泵的油路独立，活塞泵中的油无法进入到独立润滑腔。

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，串联活塞泵包括第一端盖1、泵壳2、第二端盖3、第一泵芯6、第二泵芯6'、传动通轴9、传动滚珠5以及轴承和密封圈等。第一、第二端盖1、3和泵壳2通过螺钉连接形成内腔，内腔中布置有第一泵芯6、第二泵芯6'、传动通轴9、滚珠5。优选的，第一泵芯6、第二泵芯6'采用相位角相错45°的双泵串联结构安装在传动通轴9上。

传动通轴9如图1、8所示，传动通轴9的轴部位沿轴向开有两组与轴线平行的直线滚珠槽道91，用于放置滚珠5，传动通轴9旋转时，传动通轴9带动滚珠5运动实现传扭功能。传动通轴9通过轴承7、轴封8与第一端盖1连接；通过滚珠5与第一泵芯6、第二泵芯6'连接，传递扭矩；通过轴承4与第二端盖3连接。

传动通轴9上的2组滚珠槽91，分别对应第一、第二泵芯的柱塞内孔的滚珠槽，滚珠槽内放置滚珠5。传动通轴9通过滚珠带动第一、第二泵芯的导轨柱塞组合体旋转，同时导轨柱塞组合体在导轨曲面的引导下轴向往复运动。

进一步，每一组直线滚珠槽道91在传动通轴9周向上均布，所有的直线滚珠槽道91长度和深度相同。

优选的，滚珠在直线滚珠槽道内间隙ΔL＝h+κD，其中h为导轨行程，D为滚珠直径，κ为间隙系数。

若间隙系数κ太小，远小于0.1，比如小于0.01，滚珠在滚珠槽中运动可能会处于滑动状态而非滚动状态，滚珠易卡在滚珠槽中；若间隙系数κ太大，如大于1.0，产生的倾侧力矩较大，可能会影响传动通轴和柱塞之间的运动，使两者之间形成干涉。进一步优选，κ的取值范围为0.1～0.5。

进一步优选的，直线滚珠槽道91长度为L＝nD+h+κD，其中n为滚珠个数，滚珠个数根据滚珠的承载能力和需要传递的扭矩共同决定，具体设置为本领域公知技术。

由于直线滚珠槽道91中滚珠不布满槽道，而各槽道上滚珠初始位置不一致会导致滚珠对传动通轴和柱塞产生一个倾侧力矩，通过设计槽道内滚珠的间隙值，用来保证通过传动通轴和柱塞的支撑轴承(两端端盖内的轴承、衬套)平衡此倾侧力矩。

本发明采用传动通轴和滚珠配合的直槽滚动传扭，代替已往的拨叉传动结构，省去了拨叉结构在轴向的长度尺寸，使得泵的总体长度尺寸大幅减小；传动通轴的两端通过轴承限位，与第一、第二泵芯分别独立传动，相比第一、第二泵芯耦合在一起的拨叉传动，传动更加稳定可靠，更利于高速化。

进一步，传动通轴、传动通轴上的直线滚珠槽道、第一、第二泵芯的柱塞上的滚珠槽和配流槽、导轨的型面采用一次装夹加工完成。通过传动通轴上的直线滚珠槽道与柱塞上的直线滚珠槽道无间隙配合、导轨柱塞组合体能够精确保证第一、第二泵芯输出的瞬时流量始终保持恒定，从而很好地消除流量脉动与压力脉动。

本发明的传动通轴的滚珠槽采用直槽滚动传扭相比滚珠花键环形槽滚动传扭更为简单可靠、尺寸更小。但是相比滚珠花键环形槽布满滚珠循环滚动，通轴直槽结构滚珠没有布满槽道，而各槽道上滚珠初始位置不一致会导致滚珠对通轴和柱塞产生一个倾侧力矩。本发明通过特殊设计槽道内滚珠的间隙值，来保证通过通轴和柱塞的支撑轴承平衡此倾侧力矩。

进一步优选，传动通轴沿周向均布有四个半圆型的直线滚珠槽道，在柱塞内也对应均布四个半圆槽，槽内放置有多个传动滚珠5。电机轴与传动通轴9一端连接，带动传动通轴9旋转；传动通轴9通过均布圆槽内的传动滚珠5驱动第一、第二泵芯的柱塞旋转；第一、第二泵芯通过传动通轴串联，并与泵壳形成封闭的独立润滑腔。

本发明第一泵芯和第二泵芯结构一致，均包括柱塞、缸体、导轨滚轮和衬套。本发明以第一泵芯的结构为例介绍第一泵芯和第二泵芯结构。

如图1、2所示，第一泵芯6包括缸体60、柱塞61、衬套A62、衬套B64、导轨68和螺栓型滚轮67。衬套A62、衬套B64通过螺钉63安装于缸体60上，柱塞61通过衬套A62、衬套B64与缸体60连接，导轨68通过定位销69与柱塞61一端固定，螺栓型滚轮67安装于缸体60上，将导轨68夹持在中间。密封圈65安装在缸体60与泵壳体2接触的圆周面上，防止流道内的油进入独立润滑腔。

如图3、4所示，缸体60一端为圆台型，中心加工柱塞腔601，缸体一端为支撑结构604，滚轮67通过安装孔606安装在支撑结构604上。缸体内加工流道602与泵壳体结构的流道11连通，形成独立的低压腔和高压腔，柱塞腔内加工油口，与安装在其内的柱塞配流槽配合，沿中心轴对称的油口分别与低压腔和高压腔流道连通。优选均布四个，进油口、出油口各2个，两两中心对称分布。

进一步，缸体圆台型两端面加工安装孔605，用于固定安装衬套A62、衬套B64。缸体圆台型一侧端面安装支耳607，与第一端盖1连接，圆周侧面在602流道两侧加工密封槽603，安装密封65，用于流道密封。

第一、第二泵芯的缸体圆台型另一侧端面与泵壳内表面形成封闭的独立润滑腔10，将滚轮、导轨组成的滚动摩擦副密封在独立润滑腔内。

本发明采用滚动摩擦副的独立润滑结构，使用润滑油进行摩擦副润滑能够获得比工作介质更好的润滑效果，且工作条件的改变不会对摩擦副工作状态产生较大的影响，保证泵在较宽的工作温度范围内均能获得良好的性能特性，有效提高了泵的效率。

本发明柱塞集配流、吸排油、传动三种功能一体。如图5、6所示，柱塞61一端为配流柱，配流柱上沿周向均布多个配油槽612，与缸体60中心的柱塞腔601内周向均布的油口沟通，用于配流和吸排油。柱塞61另一端为导轨柱，用于与导轨68连接传动，导轨柱上对应导轨加工传动扁613用于与导轨角向定位，同时传动扭矩。柱塞61中心加工通轴孔611，在通轴孔611的孔壁上加工与直线滚珠槽道91同角向位置的滚珠槽614，用于滚珠传动。

进一步，配流柱上沿周向均布四个配油槽612，与缸体60对应，进油、出油各2个，两两中心对称分布。

进一步，如图2所示，柱塞61在通轴孔611一端安装有动密封圈，与传动通轴9配合保证工作介质不会泄漏至独立润滑腔内。

进一步优选的，为使安装时两个泵芯相位角相差准确、易于操作，两个泵芯柱塞的滚珠槽分别对应同一泵芯导轨最高点和最低点位置错开所需相位角。如图7所示，两个泵心相位角相差45°，其中一个柱塞的滚珠槽对应同一泵芯导轨的最高点和最低点的中间位置，而另一个柱塞的滚珠槽对应同一泵芯导轨的最高点和最低点；在安装到传动通轴上时，通过槽道和滚珠保证两泵芯相位角相差45°，保证活塞泵出口理论流量无脉动。

如图9、10所示，衬套A和衬套B为中心通孔的柱装结构，起支撑与密封功能。优选的，衬套B内安装有动密封圈，与柱塞配合保证工作介质不会泄漏至独立润滑腔内。

如图11所示，导轨68通过定位销69固定于柱塞61上，其工作曲面可根据运动规律需要设计，两对螺栓型滚轮67在工作曲面上运动。

进一步，导轨68内孔加工凸起平台，用于加工时的轴向定位，内孔开有传动扁681，用于与柱塞配合角向定位，外侧开有销钉通孔682，用于传扭与轴向承载。优选的，导轨68为双面导轨，导轨曲面各有两波峰、波谷。进一步优选，滚轮分布在导轨两侧，每侧至少为2个。

进一步，本发明采用中空的双面导轨，与以往的柱塞两侧设置两个单面导轨结构相比，导轨盘数量减少，同时配合螺栓型滚轮共同使用，减小了导轨盘回转半径，导轨柱塞组合体旋转往复运动阻力减小、导轨旋转往复的搅油功率损失大幅减少，提高了泵的效率；同时，导轨滚轮结构集中分布在一侧，使泵芯的轴向长度减小，减小了泵的体积重量。

本发明工作原理：

活塞泵通过电机驱动中间的传动通轴及传动滚珠带动泵芯旋转，同时利用螺栓型滚轮和导轨机构，使泵芯在旋转的同时进行往复运动。传动通轴配合传动滚珠、导轨实现扭矩传递功能；导轨配合螺栓型滚轮完成旋转运动与轴向往复运动的转换，实现运动转换功能；旋转往复运行的柱塞配合缸体实现吸排油功能。泵通过第二端盖开设的进油口进行吸油，利用泵壳中的低压流道将低压油引入上下两端的低压腔内；通过柱塞增压后，高压油利用泵壳中的高压流道排出泵外。

进一步，为提高泵的长时间工作可靠性和机械效率、减小泵的冲击振动，使泵运转更可靠，提高泵的寿命，本发明在泵芯中增加平衡支撑结构。

如图12所示，平衡支撑结构安装在通过安装孔606安装在支撑结构604上，将导轨夹持在中间。

平衡支撑结构如图13、14所示，包括一对平衡架661，平衡架661上安装滚轮。平衡架用来固定滚轮和平衡导轨两侧滚轮的承载力，如图15所示，平衡架设有定位孔1611，用于与缸体连接定位，平衡架可在定位安装点绕缸体转动；平衡架设有安装孔1612，通过紧固螺母与滚轮安装固定，平衡架外侧设有开有安装孔的凸台1613，用于固定螺钉及拉簧安装调整。

进一步，在两平衡架661之间均匀设置的不少于2个的拉簧662，平衡支撑结构转换为平衡支撑及间隙补偿结构，平衡架661之间通过拉簧662连接进而调节导轨与滚轮间隙，使导轨上下两侧平衡架上的滚轮始终与导轨面贴合。

本发明采用平衡支撑及间隙补偿结构，通过设置此种结构，保证滚轮对导轨柱塞组合体的支撑力始终对称，避免出现单侧滚轮受力导致柱塞倾斜与铜衬套刮蹭而造成滚轮超载损坏以及柱塞与铜衬套粘连卡滞等失效，从而提高泵的长时间工作可靠性和机械效率。同时通过设置拉簧结构，可以有效地补偿由于加工精度、装配间隙和磨损造成的间隙，使导轨上下两侧平衡架上的滚轮始终与导轨面贴合，减小泵的冲击振动，使泵运转更可靠，提高泵的寿命。

进一步，独立润滑腔内注入润滑油和氮气，使独立润滑腔内的导轨和螺栓型滚轮之间处于飞溅润滑的状态，保证滚动摩擦副的润滑和冷却效果。在工作过程中，泵壳壁内高压流道和低压流道内的工作介质能对独立润滑腔内的润滑油进行冷却换热。

如图1所示，工作介质由进油口进入壳体低压腔，经过缸体、柱塞配流加压后排出至壳体高压腔，再从出油口排出，整个油路不与独立润滑腔沟通。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (14)

1.一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯，包括泵壳体和泵芯，泵芯设置在泵壳体内，其特征在于：所述的泵芯包括第一泵芯和第二泵芯，第一泵芯和第二泵芯按一定相位角、相对串联安装在传动通轴上，通过传动通轴给第一泵芯和第二泵芯独立传动；

所述的泵壳体内布置有低压和高压流道，所述的第一泵芯、第二泵芯结构一致，包括缸体、柱塞、导轨和滚轮，柱塞一端与导轨固连，另一端加工配流槽，与缸体的柱塞腔油口配合，缸体内加工流道与泵壳体的流道连通，滚轮安装在缸体上，与导轨配合，第一、第二泵芯的缸体一侧端面与泵壳体连接，另一侧端面与泵壳体内表面形成封闭的独立润滑腔，将第一、第二泵芯的导轨和滚轮密封在独立润滑腔中，独立润滑腔与活塞泵的流道不连通。

2.根据权利要求1所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的传动通轴沿轴向开有两组与轴线平行的直线滚珠槽道，所述的直线滚珠槽道内布置滚珠，通过直线滚珠槽道和滚珠与第一泵芯和第二泵芯传动配合。

3.根据权利要求2所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的直线滚珠槽道在传动通轴周向上均布，两组直线滚珠槽道在轴向位置一致。

4.根据权利要求3所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的滚珠在直线滚珠槽道内间隙ΔL＝h+κD，其中h为导轨行程，D为滚珠直径，κ为间隙系数。

5.根据权利要求4所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的间隙系数κ取值范围为0.1～0.5。

6.根据权利要求5所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的直线滚珠槽道长度为L＝nD+h+κD，其中n为滚珠个数。

7.根据权利要求2所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的缸体一端为圆台型，中心加工柱塞腔，柱塞配流端通过衬套A、衬套B安装在柱塞腔内，缸体一端为支撑结构，滚轮安装支撑结构上，与安装在柱塞一端的导轨配合，缸体圆台型一侧端面与泵壳体连接，另一侧端面与泵壳体形成独立润滑腔。

8.根据权利要求7所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的柱塞与导轨的连接端，加工与导轨对应的传动扁；所述的配油槽沿柱塞周向均布；所述的柱塞内侧加工的滚珠槽与直线滚珠槽道配合。

9.根据权利要求8所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的传动通轴、传动通轴上的直线滚珠槽道、柱塞上的滚珠槽和配流槽、导轨的型面采用一次装夹加工完成。

10.根据权利要求7所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的导轨为双面导轨，滚轮分布在导轨两侧，导轨内孔加工凸起平台和传动扁。

11.根据权利要求10所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的独立润滑腔内设置平衡支撑结构，所述的平衡支撑结构包括一对设置在导轨两侧的平衡架，滚轮安装在平衡架上，平衡架安装在缸体上，能绕安装点转动。

12.根据权利要求11所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的平衡架之间均匀设置不少于2个的拉簧，在拉簧作用下，调整两个平衡架轴向距离。

13.根据权利要求1所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的泵壳体包括沿轴线依次同轴设置的第一端盖、泵壳和第三端盖，第一端盖、泵壳和第三端盖固连形成泵壳体结构，所述的泵壳壁内布置有低压和高压流道，与第一、第三端盖内的流道配合形成泵壳体结构的低压腔和高压腔，所述的传动通轴通过轴封、固定轴承与第一、第二端盖连接。

14.根据权利要求1所述的一种串联式活塞泵，其特征在于：所述的第一泵芯和第二泵芯相位角相差45°，其中一个泵芯柱塞的滚珠槽对应同一泵芯导轨的最高点和最低点的中间位置，另一个泵芯柱塞的滚珠槽对应同一泵芯导轨的最高点和最低点。

Images