CN114320804A - 表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其包括配流盘和缸体。在配流盘和/或缸体的表面设有若干条条状仿生复合织构，仿生复合织构自配流盘和/或缸体的圆心从内向外延伸形成类渐开线形状，且仿生复合织构从内向外延伸的方向与配流副旋转方向相反。仿生复合织构上至少包括一个仿硅藻壳多级凹坑织构，位于同一条仿生复合织构上的仿硅藻壳多级凹坑织构之间通过圆弧形沟槽织构相连。仿硅藻壳多级凹坑织构由不同深度、不同形状、不同横截面积的多个内径逐渐变小的同轴凹坑组成。由于本发明在配流副的表面设计了若干条条状仿硅藻壳的复合织构，有效地提高了配流副润滑液膜的承载能力，降低了配流副表面的摩擦力和磨损率。

Description

表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副

技术领域

本发明涉及一种应用于海水中的轴向柱塞泵配流副，具体地说，涉及一种表面具有仿 生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副。本发明属于海水液压元件技术领域。

背景技术

海水液压传动与控制系统、反渗透海水淡化系统、深潜器以及水下无人潜航器浮力调 节系统中的海水液压系统的核心动力元件是高压海水轴向柱塞泵，配流副是海水轴向柱塞 泵内结构最大的摩擦副,也是海水轴向柱塞泵中极易发生磨损失效的摩擦副之一。配流副运 行在润滑效果很差的水境中，由于海水黏度低、润滑性极差、气化压力高，并且具有很强 的腐蚀作用，特别是海水中还存在很多成分复杂的颗粒状磨粒，在高速重载工况下，配流 副极易因腐蚀、磨损、气蚀等原因失效，严重影响高压海水轴向柱塞泵的正常工作和使用 寿命，也影响整个系统和设备的工作稳定性。

近年来，可以显著改善工件表面性能的表面织构技术，受到了国内外科研人员的广泛 关注，且研究发现复合织构在工件表面特定工况下的性能优于单一织构。然而，目前海水 轴向柱塞泵配流副表面复合织构设计以及复合织构拓扑化分布的设计还比较薄弱。为应对 实际的工况需要，如何设计配流副表面复合织构以提高海水轴向柱塞泵配流副表面的摩擦 学性能、降低配流副的磨损率、延长海水轴向柱塞泵使用寿命就显得尤为重要。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配 流副。本发明能够改善轴向柱塞泵在海水高压、重载润滑条件下配流副的润滑条件，降低 配流副表面的磨损，提高海水润滑条件下配流副的动压承载能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种表面具有仿生复合织构的海水轴向柱 塞泵配流副，它包括配流盘和缸体；

所述配流盘和/或缸体的表面设有若干条条状仿生复合织构，所述仿生复合织构自所述 配流盘和/或所述缸体的圆心从内向外延伸形成类渐开线形状，且所述仿生复合织构从内向 外延伸的方向与配流副旋转方向相反；

所述仿生复合织构上至少包括一个仿硅藻壳多级凹坑织构，位于同一条所述仿生复合 织构上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构之间通过圆弧形沟槽织构相连通；

所述仿硅藻壳多级凹坑织构由不同深度、不同形状、不同横截面积的多个内径逐渐变 小的同轴凹坑组成。

优选地，构成所述仿硅藻壳多级凹坑织构的第一级凹坑为倒圆台形凹坑，其下底直径 φ1＝150～225μm，上底直径φ2＝100～150μm，凹坑深度h₁＝10～15μm。

优选地，构成所述仿硅藻壳多级凹坑织构的第二级凹坑为圆柱形凹坑或方柱形凹坑， 其边长或直径φ2＝100μm～150μm，凹坑深度h₂＝10～30μm。

优选地，所述仿硅藻壳多级凹坑织构以同心圆状均匀排布在配流盘表面和/或缸体表面， 每个同心圆上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构依次等角度分布，相邻的同心圆阵列上相邻的 所述仿硅藻壳多级凹坑织构彼此交错排布，从内到外相邻的两个同心圆阵列上相邻交错排 列的两个所述仿硅藻壳多级凹坑织构之间的角度偏移率为0.1～0.5；

每一个分布圆上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构与其内外两个相邻分布圆上的两个同向 所述仿硅藻壳多级凹坑织构中心的连线夹角为60度。

优选地，所述圆弧形沟槽织构的深度与所述仿硅藻壳多级凹坑织构的倒圆台形的第一 级凹坑的深度相同，其深度为10～15μm，其宽度为100μm～150μm。

优选地，当所述缸体表面设有所述仿生复合织构时，其表面所述仿生复合织构的面积 占所述缸体表面积的5％～30％。

优选地，当所述配流盘表面均匀地设有所述仿生复合织构时，其表面所述仿生复合织 构的面积占所述配流盘表面积的5％～30％。

优选地，当所述配流盘表面非均匀地设有所述仿生复合织构时，所述配流盘吸油腔侧， 所述仿生复合织构的面积占所述配流盘吸油腔侧表面积的15％～30％；所述配流盘压油腔侧， 所述仿生复合织构的面积占所述配流盘压油腔侧表面积的5％～15％。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

1、由于本发明在配流副的表面采用仿硅藻壳的复合织构设计，使得配流副表面能够更 好地存储海水介质中的颗粒状磨粒，防止这些磨粒直接与配流副表面硬性摩擦，有效地降 低了配流副表面的摩擦系数。

2、本发明采用仿生复合织构设计可产生更强的局部动压支撑，使配流副表面的动压承 载能力提高了两倍以上。

3、本发明将配流副表面的仿生复合织构设计成由内向外延伸的类渐开线形状，更有利 于配流副表面的液体流动，提高了海水在配流副旋转方向上流动的速度，提高了配流副表 面润滑液膜的承载能力，增加了润滑液膜的稳定性。

4、本发明将配流副表面的仿生复合织构设计成由内向外延伸的类渐开线形状还可以提 高构成复合织构的多级凹坑织构的利用率，通过海水的流动清理一部分凹坑内的磨粒，当 一个凹坑被磨粒填满后，磨粒在海水的带动下通过沟槽织构被运送到其它没有被填满的凹 坑中，有效避免了磨粒的外溢对凹坑织构的损坏，提高了凹坑织构的使用寿命。

5、本发明将配流盘吸油腔侧和压油腔侧仿生复合织构设计成不同的面积占有率可以提 高配流盘吸油腔侧润滑液膜的承载能力，使配流副表面的受力更加均匀，有效降低了配流 副表面的偏磨磨损。

6、本发明无需改变配流副的材料，无需增加多余零件，仅在配流副表面进行微观形貌 的改变即可改善其性能，提高海水轴向柱塞泵的性能。本发明加工过程方便，易于实现， 可进行大规模生产。

附图说明

图1为传统海水轴向柱塞泵配流副配流盘结构示意图；

图2为传统海水轴向柱塞泵配流副缸体结构示意图；

图3为本发明表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副实施例1缸体立体结构 示意图；

图4为本发明表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副实施例1配流盘俯视图；

图5为本发明实施例1仿生复合织构局部放大图；

图6为图4的A-A剖面图；

图7为本发明实施例1仿硅藻壳三级凹坑织构剖面图；

图8为本发明实施例1仿硅藻壳二级凹坑织构剖面图；

图9为本发明实施例1仿硅藻壳四级凹坑织构剖面图；

图10为本发明实施例1另一种仿硅藻壳三级凹坑织构剖面图；

图11为本发明实施例1再一种仿硅藻壳三级凹坑织构剖面图；

图12为本发明实施例1仿生复合织构排布角度图；

图13为本发明实施例2配流盘立体结构图。

主要附图标记：1、配流盘，11、腰形配流窗口，12、吸油腔侧，13、压油腔侧，2、缸体，21、端面配流窗口，3、仿生复合织构，31、仿硅藻壳多级凹坑织构，32、圆弧形沟槽 织构，311、第一级凹坑，312、第二级凹坑，313、第三级凹坑，314、第四级凹坑。

具体实施方式

以下，将参照附图详细说明本发明的示例性实施例和特征。附图中相同的附图标记表 示功能相同或相似的元件，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出， 不必按比例绘制附图。

如图1和图2所示，一种表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，包括配流 盘1和缸体2。配流盘1的表面开有两个腰形配流窗口11，其中一个腰形配流窗口对应海水轴向柱塞泵的吸油腔，一个腰形配流窗口对应海水柱塞泵的压油腔。缸体2的表面开有若干个端面配流窗口21。配流盘1和缸体2配合使用，润滑介质经配流盘腰形配流窗口11 和缸体端面配流窗口21流入轴向柱塞泵的吸油腔内，再经配流盘的腰形配流窗口11和缸 体的端面配流窗口21从压油腔内流出。

如图1、图2所示，传统的配流盘1和缸体2的表面是光滑的，由于海水黏度低、润 滑性极差、气化压力高，腐蚀性强，而且海水中还存在很多成分复杂的磨粒，所以，配流 副磨损率高，极易因腐蚀、磨损、气蚀等原因而失效。本发明人经长期的观察研究发现， 在同样的海洋环境下，由于硅藻壳的表面具有一个个多层次的孔隙结构，硅藻运动时，硅 藻壳表面的这些多级孔状结构不仅没有阻碍硅藻的运动，反而在硅藻运动时能显著地减小 硅藻壳表面与海水之间的摩擦力，同时还增大了硅藻壳的承载力，使硅藻能够自由地在海 水中游动，且长期地在海水中生存，故本发明人模仿硅藻壳，在海水轴向柱塞泵配流副的 表面设计仿生复合织构。

如图3-图6所示，本发明在海水轴向柱塞泵配流副的配流盘1和/或缸体2的表面设计有若干条条状仿生复合织构3，这些仿生复合织构3自配流盘、缸体的圆心从内向外延 伸形成类渐开线形状，且这些仿生复合织构3从内向外延伸的方向与配流副旋转方向相反。

如图所示，每条仿生复合织构3上至少包括一个仿硅藻壳多级凹坑织构31，位于同一 条仿生复合织构上的仿硅藻壳多级凹坑织构31之间通过圆弧形沟槽织构32相连通。仿硅 藻壳多级凹坑织构31由不同深度、不同形状、不同横截面积的多个内径逐渐变小的同轴凹 坑组成。如图7-图9所示，仿硅藻壳多级凹坑织构31可以是三级凹坑，也可以是二级凹坑，也可以是四级凹坑……。

如图7所示，在本发明实施例1中，仿硅藻壳多级凹坑织构31为三级凹坑，从上往下各级凹坑同轴、且内径逐渐减小，第一级凹坑311为倒圆台形凹坑，其下底直径φ1＝150～225μm，上底直径φ2＝100～150μm，凹坑深度h₁＝10～15μm。第二级凹坑312为柱形凹坑，如圆柱形凹坑或方柱形凹坑，其边长或直径φ2＝100μm～150μm，凹坑深度h₂＝10～30μm。第三级凹坑313为方柱形凹坑或圆柱形凹坑，其边长或直径φ3＝50μm～75μm，凹坑深度 h₃＝10～25μm。

图9所示的仿硅藻壳多级凹坑织构是四级凹坑，第一级凹坑311为倒圆台形凹坑，第 二级凹坑312、第三级凹坑313、第四级凹坑314均为柱形凹坑。

图10所示的仿硅藻壳多级凹坑织构31也是三级凹坑，第一级凹坑311为倒圆台形凹 坑，第二级凹坑312为柱形凹坑，第三级凹坑313为圆锥形凹坑。

图11所示的仿硅藻壳多级凹坑织构31也是三级凹坑，其与图7、图10所示三级凹坑的区别在于：其第三级凹坑313为半球形凹坑。

构成仿生复合织构3的仿硅藻壳多级凹坑织构31可以均匀地分布在配流盘、缸体表面， 也可以不均匀地分布在其表面。在本发明的实施例1中，仿硅藻壳多级凹坑织构31均匀地 分布在配流盘和/或缸体表面。如图12所示，仿硅藻壳多级凹坑织构31以同心圆状均匀排 布在配流盘表面和/或缸体表面，每个同心圆上的多个仿硅藻壳多级凹坑织构31依次等角 度分布，相邻的同心圆阵列上相邻的仿硅藻壳多级凹坑织构31彼此交错排布，从内到外相 邻的两个同心圆阵列上相邻交错排列的两个仿硅藻壳多级凹坑织构31之间的角度偏移率 为0.1～0.5。每一个分布圆上的仿硅藻壳多级凹坑织构与其内外两个相邻分布圆上的两个 同向仿硅藻壳多级凹坑织构中心的连线夹角为60度。

构成同一条仿生复合织构3的不同同心圆阵列上的仿硅藻壳多级凹坑织构31通过圆弧 形沟槽织构32连接起来形成从内向外延伸的类渐开线形状的仿生复合织构3，且仿生复合 织构由内向外延伸的方向与配流副旋转方向相反。圆弧形沟槽织构32的深度与仿硅藻壳多 级凹坑织构31的倒圆台形的第一级凹坑311的深度h1相同，均为10～15μm，圆弧形沟 槽织构的宽度为100μm～150μm。

由于本发明将配流盘和/或缸体表面的仿生复合织构设计成由内向外的类渐开线形状， 故有利于配流副表面的液体流动，提高海水在配流副旋转方向上流动的速度，提高轴向柱 塞泵润滑液膜的承载能力，增加润滑液膜的稳定性。同时，还可以提高构成复合织构的多 级凹坑织构的利用率，通过海水的流动清理一部分凹坑内的磨粒，当一个凹坑被磨粒填满 后，磨粒在海水的带动下通过沟槽织构被运送到其它没有被填满的凹坑中，有效避免了磨 粒的外溢对凹坑织构的损坏，提高了凹坑织构的使用寿命，更重要的是减小海水与配流盘、 缸体的摩擦，降低配流盘、缸体表面的磨损。

本发明表面具有仿生复合织构的缸体可采用耐腐蚀合金加工而成，表面具有仿生复合 织构的配流盘可采用碳纤维增强聚醚醚酮加工而成。当配流盘表面均匀地设计有表面复合 织构时，其表面仿生复合织构的面积占有率为5％～30％；当缸体表面设计有仿生复合织构 时，其表面仿生复合织构的面积占有率为5％～30％。

表面仿生复合织构3可以均匀地布设在配流盘1表面，也可以非均匀地布设在配流盘 表面。如图13所示，在配流盘的吸油腔侧12，其表面仿生复合织构3的面积占有率为15％～ 30％，在配流盘的压油腔侧13，其表面仿生复合织构3的面积占有率为5％～15％。这种仿生 复合织构在配流盘表面不均匀分布的设计可以提高配流盘吸油腔侧润滑液膜的承载能力， 使配流副表面的受力更加均匀，有效降低配流副表面的偏磨磨损。

试验证明，安装有本发明公开的表面具有仿生复合织构的配流副的海水轴向柱塞泵， 其容积效率、机械效率和总效率与安装有表面光滑配流副的海水轴向柱塞泵相比分别提高 了0.1％～0.7％，0.4％～0.8％，0.1％～0.5％。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行 限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出 的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其包括配流盘和缸体；其特征在于：

所述配流盘和/或缸体的表面设有若干条条状仿生复合织构，所述仿生复合织构自所述配流盘和/或所述缸体的圆心从内向外延伸形成类渐开线形状，且所述仿生复合织构从内向外延伸的方向与配流副旋转方向相反；

所述仿生复合织构上至少包括一个仿硅藻壳多级凹坑织构，位于同一条所述仿生复合织构上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构之间通过圆弧形沟槽织构相连通；

所述仿硅藻壳多级凹坑织构由不同深度、不同形状、不同横截面积的多个内径逐渐变小的同轴凹坑组成。

2.根据权利要求1所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：构成所述仿硅藻壳多级凹坑织构的第一级凹坑为倒圆台形凹坑，其下底直径φ1＝150～225μm，上底直径φ2＝100～150μm，凹坑深度h₁＝10～15μm。

3.根据权利要求2所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：构成所述仿硅藻壳多级凹坑织构的第二级凹坑为圆柱形凹坑或方柱形凹坑，其边长或直径φ2＝100μm～150μm，凹坑深度h₂＝10～30μm。

4.根据权利要求1-3之一所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：所述仿硅藻壳多级凹坑织构以同心圆状均匀排布在配流盘表面和/或缸体表面，每个同心圆上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构依次等角度分布，相邻的同心圆阵列上相邻的所述仿硅藻壳多级凹坑织构彼此交错排布，从内到外相邻的两个同心圆阵列上相邻交错排列的两个所述仿硅藻壳多级凹坑织构之间的角度偏移率为0.1～0.5；

每一个分布圆上的所述仿硅藻壳多级凹坑织构与其内外两个相邻分布圆上的两个同向所述仿硅藻壳多级凹坑织构中心的连线夹角为60度。

5.根据权利要求4所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：所述圆弧形沟槽织构的深度与所述仿硅藻壳多级凹坑织构的倒圆台形的第一级凹坑的深度相同，其深度为10～15μm，其宽度为100μm～150μm。

6.根据权利要求5所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：当所述缸体表面设有所述仿生复合织构时，其表面所述仿生复合织构的面积占所述缸体表面积的5％～30％。

7.根据权利要求6所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：当所述配流盘表面均匀地设有所述仿生复合织构时，其表面所述仿生复合织构的面积占所述配流盘表面积的5％～30％。

8.根据权利要求6所述的表面具有仿生复合织构的海水轴向柱塞泵配流副，其特征在于：当所述配流盘表面非均匀地设有所述仿生复合织构时，所述配流盘吸油腔侧，所述仿生复合织构的面积占所述配流盘吸油腔侧表面积的15％～30％；所述配流盘压油腔侧，所述仿生复合织构的面积占所述配流盘压油腔侧表面积的5％～15％。

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