CN114483506A - 一种机械密封水液压二维柱塞泵 - Google Patents

Abstract

一种机械密封水液压二维柱塞泵，包括左端盖、泵头壳、泵体和法兰盘、通盖，法兰盘和通盖上设有泵轴，泵轴通过拨盘拨杆传动机构将输入的动力传递给空间凸轮/锥滚轮传动机构，再由空间凸轮/锥滚轮传动机构传递给缸体中的活塞，活塞的配流槽与缸体上的配流窗口构成液压泵的自配流机构，以实现所述二维柱塞泵吸排水的过程；缸体与空间凸轮/锥滚轮传动机构之间设有机械密封机构；机械密封机构位于泵头壳与泵体之间，机械密封机构包括动环、波纹管、弹簧和右端密封环，传动轴穿过波纹管和弹簧与活塞通过销轴连接。本发明不仅结构简单紧凑、体积小、质量轻、无传统意义上的滑动摩擦副，而且动态特性良好，在压力、效率和功重比上具有明显的优势。

Description

一种机械密封水液压二维柱塞泵

技术领域

本发明涉及流体传动及控制领域，尤其涉及一种机械密封水液压二维柱塞泵。

背景技术

液压泵是液压传动系统的动力装置，把原动机的机械能转换成液体的压力能，对系统性能、工作效率起决定性作用。水液压传动技术具有抗燃性强、安全性高、无环境污染、效率高等优点，在水下作业、海水淡化、高压水清洗等领域取得了广泛运用。水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件，其主要功能是为水液压传动系统提供足够压力、流量的高压水。目前投入市场的产品主要以轴向柱塞式结构为主。

机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合且相对滑动所构成的防止流体泄漏的装置。目前，机械密封已广泛地运用于水泵之中。水介质(海水/淡水)较液压油具有黏度低、润滑性差等特点，使得水液压泵泄漏与磨损较为严重，影响泵的寿命。为提高泵的寿命，二维活塞泵运用机械密封技术，将工作介质与润滑介质分离，实现油水分离。因其核心原理是在工作时有两个维度的运动，被称为二维(2D)活塞泵。相较于水液压柱塞泵，二维活塞水液压泵具有寿命长、功率重量比大、效率高等优势。由于二维活塞水液压泵不仅有轴向旋转运动，而且有轴向往复运动，传统的机械密封密封不能满足二维活塞水泵的密封结构要求。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种机械密封水液压二维柱塞泵。

本发明采用的技术方案是：一种机械密封水液压二维柱塞泵，包括同轴且依次连接的左端盖、泵头壳、泵体和法兰盘、通盖，法兰盘和通盖上设有泵轴，泵轴通过拨盘拨杆传动机构将输入的动力传递给空间凸轮/锥滚轮传动机构，再由空间凸轮/锥滚轮传动机构传递给缸体中的活塞，活塞的配流槽与缸体上的配流窗口构成液压泵的自配流机构，以实现所述二维柱塞泵吸排水的过程；所述缸体与空间凸轮/锥滚轮传动机构之间设有机械密封机构；

所述拨盘拨杆传动机构包括拨盘和拨杆，拨盘右端面设有泵轴安装孔，泵轴的左端插入泵轴安装孔内，并通过销钉与拨盘连接；拨盘的左端面沿周向设有多个矩形孔，矩形孔在径向方向上设有螺纹孔；拨杆右端插入矩形孔中与拨盘过盈连接并通过螺纹孔内设置的紧定螺钉保持稳定；拨杆左端插入右空间凸轮的拨杆安装槽中，拨杆安装槽在径向方向上设有盲孔，盲孔内固定插设有限位滑块；

所述空间凸轮/锥滚轮传动机构包括左空间凸轮、两组锥滚轮和右空间凸轮；每组锥滚轮包括两个相互垂直的锥滚轮，两组锥滚轮相位相差°，且两组锥滚轮在水平方向上相距一定距离；锥滚轮通过圆锥滚子轴承安装在锥滚轮轴上，锥滚轮轴与泵体通过螺纹固联；锥滚轮与圆锥滚子轴承外圈过盈安装固联，圆锥滚子轴承内圈与锥滚轮轴固联；

左空间凸轮、右空间凸轮分别设置在两组锥滚轮的左右两侧，左空间凸轮、右空间凸轮在轴向上的投影为圆环形，左空间凸轮、右空间凸轮朝向相对的一侧表面为等加速等减速曲面，等加速等减速曲面具有轴向的起伏；位于左侧的锥滚轮组与左空间凸轮接触，位于右侧的锥滚轮组与右空间凸轮接触；左空间凸轮的最高点与右空间凸轮的最高点对应，左空间凸轮的最低点与右空间凸轮的最低点对应；

左空间凸轮、右空间凸轮之间通过传动轴连接，泵轴与左空间凸轮、右空间凸轮、传动轴的回转中心重合；右空间凸轮与拨盘通过拨杆连接，左空间凸轮通过传动销与机械密封机构实现周向连接；当左空间凸轮、右空间凸轮随泵轴转动时，受到锥滚轮的约束使传动轴沿轴向运动；

所述机械密封机构位于泵头壳与泵体之间，机械密封机构包括动环、波纹管、弹簧和右端密封环，右同心环的左端与缸体通过销连接；动环的右端设有卡口，波纹管的内部左端设有与开口配合的卡块，动环右端插入波纹管内，通过卡口和卡块配合定位；波纹管的内圈设有弹簧，波纹管右端设有螺旋形槽，弹簧通过螺旋形槽旋入；右端密封环与波纹管内右端配合连接，波纹管右端与左空间凸轮通过传动销实现周向连接；

所述缸体设置在泵头壳内，缸体内设有左同心环、活塞和右同心环，活塞的两侧分别套设有左同心环与右同心环；左同心环通过半圆键与泵头壳连接，右同心环的右端设有机械密封机构的动环；传动轴穿过波纹管和弹簧与活塞通过销轴连接，活塞与传动轴的回转中心重合且同步运动；

左端盖、左同心环、缸体和活塞围合成左密闭活塞腔，活塞、缸体、右同心环和机械密封机构之间围合成右密闭活塞腔；左密闭活塞腔、右密闭活塞腔的容积随活塞的运动变化，容积增大的活塞腔吸入，容积减小的活塞腔排出。

进一步，所述等加速等减速曲面具有两个最高点和两个最低点，活塞上间隔分布有四个开口方向相反的左配流槽和右配流槽；缸体上设有两对高压配流窗口和低压配流窗口，两对高压配流窗口和低压配流窗口沿周向交替均布；高压配流窗口靠近左同心环设置，低压配流窗口靠近右同心环设置；左配流槽与高压配流窗口沟通，右配流槽与低压配流窗口沟通；高压配流窗口和低压配流窗口分别与泵头壳上设置的吸入口、排出口沟通。

进一步，所述传动轴为花键轴，传动轴两端分别装有球形螺母，传动轴与左空间凸轮、右空间凸轮通过花键传动。

进一步，所述泵轴通过深沟球轴承与骨架油封与拨盘通过销钉连接。

进一步，所述左端盖与泵头壳，泵体与泵头壳、法兰盘，缸体与右同心环、左同心环之间均通过径向O型圈径向密封。

本发明的有益效果是：将工作容腔与传动部件通过机械密封实现分离，有效降低泄漏并有效提高水泵使用寿命。本发明设计的机械密封水液压泵不仅结构简单紧凑、体积小、质量轻、无传统意义上的滑动摩擦副，而且动态特性良好，在压力、效率和功重比上具有明显的优势。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是拨盘拨杆机构及与之连接的右空间凸轮的三维视图。

图3是为空间凸轮/锥滚轮驱动机构的三维视图。

图4是机械密封结构的爆炸图。

图5是机械密封与左空间凸轮连接部分的爆炸图。

图6a是泵头壳的结构图。

图6b是图6a中A-A向的剖视图。

图7a是缸体的结构图

图7b是图7a中A-A向的剖视图。

图8是活塞的三维视图

附图标记说明：1左端盖；2第一圆柱头内六角螺钉；3半圆键；4缸体；5泵头壳；6右同心环；7动环；8波纹管；9泵体；10右端密封环；11螺母；12左空间凸轮；13锥滚轮轴；14锥滚轮；15拨杆；16法兰盘；17通盖；18泵轴；19骨架油封；20第二圆柱头内六角螺钉；21第一垫片；22第一弹簧垫圈；23深沟球轴承；24销钉；25拨盘；26紧定螺钉；27限位滑块；28球面螺母；29右空间凸轮；30圆锥滚子轴承；31传动轴；32传动销；33销轴；34弹簧；35第一O型密封圈；36活塞；37第二O型密封圈；38左同心环；39第三O型密封圈；40第二弹簧垫圈；41第二垫片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，一种机械密封水液压二维柱塞泵，包括同轴且依次连接的左端盖1、泵头壳5、泵体9和法兰盘16、通盖17，法兰盘16和通盖17上设有泵轴18，泵轴18通过拨盘拨杆传动机构将输入的动力传递给空间凸轮/锥滚轮传动机构，再由空间凸轮/锥滚轮传动机构传递给缸体4中的活塞36，活塞的配流槽与缸体上的配流窗口构成液压泵的自配流机构，以实现所述二维柱塞泵吸排水的过程；所述缸体4与空间凸轮/锥滚轮传动机构之间设有机械密封机构；

所述拨盘拨杆传动机构包括拨盘25和拨杆15，拨盘25右端面设有泵轴安装孔，泵轴18的左端插入泵轴安装孔内，通过深沟球轴承23与骨架油封19与拨盘25通过销钉24连接。拨盘25的左端面沿周向设有多个矩形孔，矩形孔在径向方向上设有螺纹孔；拨杆15右端插入矩形孔中与拨盘25过盈连接并通过螺纹孔内设置的紧定螺钉26保持稳定；拨杆15左端插入右空间凸轮29的拨杆安装槽中，拨杆安装槽在径向方向上设有盲孔，盲孔两两一组，限位滑块27插入盲孔固定；

所述空间凸轮/锥滚轮传动机构包括左空间凸轮12、两组锥滚轮和右空间凸轮29；每组锥滚轮包括两个相互垂直的锥滚轮14，两组锥滚轮相位相差90°，且两组锥滚轮在水平方向上相距一定距离；锥滚轮14通过圆锥滚子轴承30安装在锥滚轮轴13上，锥滚轮轴13与泵体9通过螺纹固联；锥滚轮14与圆锥滚子轴承29外圈过盈安装固联，圆锥滚子轴承30内圈与锥滚轮轴13固联；

左空间凸轮12、右空间凸轮29分别设置在两组锥滚轮的左右两侧，左空间凸轮12、右空间凸轮29在轴向上的投影为圆环形，左空间凸轮12、右空间凸轮29朝向相对的一侧表面为等加速等减速曲面，等加速等减速曲面具有轴向的起伏，所述等加速等减速曲面具有两个最高点和两个最低点；位于左侧的锥滚轮组与左空间凸轮12接触，位于右侧的锥滚轮组与右空间凸轮29接触；左空间凸轮12的最高点与右空间凸轮29的最高点对应，左空间凸轮12的最低点与右空间凸轮29的最低点对应；当右空间凸轮29最高点与右锥滚轮组接触时，左空间凸轮最低点与左锥滚轮组接触，活塞位于右极限位置；当左空间凸轮12最高点与左锥滚轮组接触时，右空间凸轮最低点与右锥滚轮组接触，活塞位于左极限位置。

左空间凸轮12、右空间凸轮29之间通过传动轴31连接，泵轴18与左空间凸轮12、右空间凸轮29、传动轴31的回转中心重合；右空间凸轮29与拨盘25通过拨杆15连接，左空间凸轮12通过传动销32与机械密封机构实现周向连接；当左空间凸轮12、右空间凸轮29随泵轴18转动时，受到锥滚轮14的约束使传动轴31沿轴向运动；

所述机械密封机构位于泵头壳5与泵体9之间，机械密封机构包括动环7、波纹管8、弹簧34和右端密封环10，右同心环6的左端与缸体4通过销连接；动环7的右端设有卡口，波纹管8的内部左端设有与开口配合的卡块，动环7右端插入波纹管8内，通过卡口和卡块配合定位；波纹管8的内圈设有弹簧34，波纹管8右端设有螺旋形槽，弹簧34通过螺旋形槽旋入；右端密封环10与波纹管8内右端配合连接，波纹管8右端与左空间凸轮通过传动销实现周向连接，即，左空间凸轮转动会带动波纹管转动；

所述缸体4设置在泵头壳5内，缸体4内设有左同心环38、活塞36和右同心环6，活塞36的两侧分别套设有左同心环38与右同心环6；左同心环38通过半圆键3与泵头壳5连接，右同心环6的右端设有机械密封机构的动环7；传动轴31穿过波纹管8和弹簧34与活塞36通过销轴33连接，活塞36与传动轴31的回转中心重合且同步运动；传动轴31为花键轴，传动轴31两端分别装有球形螺母28，传动轴31与左空间凸轮12、右空间凸轮29通过花键传动。

左端盖1、左同心环38、缸体4和活塞36围合成左密闭活塞腔，活塞36、缸体4、右同心环6和机械密封机构之间围合成右密闭活塞腔；左端盖1与泵头壳5，泵体9与泵头壳5、法兰盘16，缸体4与右同心环6、左同心环38之间均通过径向O型圈径向密封。

活塞36上间隔分布有四个开口方向相反的左配流槽和右配流槽，缸体4设有2对高压配流窗口和低压配流窗口，轴向上看周向均布，高压配流窗口靠近左同心环38，低压配流窗口靠近右同心环6，配流时与左配流槽和右配流槽一一对应；高压配流窗口和低压配流窗口分别与泵头壳5上设置的吸入口、排出口沟通。左密闭活塞腔、右密闭活塞腔的容积随活塞36的运动规律变化，容积增大的活塞腔吸入，容积减小的活塞腔排出。

具体的工作原理为：当电机启动时，由泵轴18输入一初始转矩，通过拨盘拨杆传动机构、空间凸轮/锥滚轮传动机构将动力传递到缸体中的活塞36，活塞的轴向配流槽与缸体4上的配流窗口构成液压泵的自配流机构；活塞36、左同心环38和缸体4形成左密闭活塞腔；活塞36、右同心环6和缸体4形成右密闭活塞腔。活塞与传动轴31的回转中心重合且同步运动，绕自身轴线的旋转运动以及在轴向方向的往复直线运动；当活塞转动时，使得左、右密闭活塞腔的容积的大小随着活塞的运动规律而变化，左、右密闭活塞腔的容积增大与减少，泵实现吸入或排出功能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种机械密封水液压二维柱塞泵，包括同轴且依次连接的左端盖、泵头壳、泵体和法兰盘、通盖，法兰盘和通盖上设有泵轴，泵轴通过拨盘拨杆传动机构将输入的动力传递给空间凸轮/锥滚轮传动机构，再由空间凸轮/锥滚轮传动机构传递给缸体中的活塞，活塞的配流槽与缸体上的配流窗口构成液压泵的自配流机构，以实现所述二维柱塞泵吸排水的过程；其特征在于：所述缸体与空间凸轮/锥滚轮传动机构之间设有机械密封机构；

所述拨盘拨杆传动机构包括拨盘和拨杆，拨盘右端面设有泵轴安装孔，泵轴的左端插入泵轴安装孔内，并通过销钉与拨盘连接；拨盘的左端面沿周向设有多个矩形孔，矩形孔在径向方向上设有螺纹孔；拨杆右端插入矩形孔中与拨盘过盈连接并通过螺纹孔内设置的紧定螺钉保持稳定；拨杆左端插入右空间凸轮的拨杆安装槽中，拨杆安装槽在径向方向上设有盲孔，盲孔内固定插设有限位滑块；

所述空间凸轮/锥滚轮传动机构包括左空间凸轮、两组锥滚轮和右空间凸轮；每组锥滚轮包括两个相互垂直的锥滚轮，两组锥滚轮相位相差°，且两组锥滚轮在水平方向上相距一定距离；锥滚轮通过圆锥滚子轴承安装在锥滚轮轴上，锥滚轮轴与泵体通过螺纹固联；锥滚轮与圆锥滚子轴承外圈过盈安装固联，圆锥滚子轴承内圈与锥滚轮轴固联；

左空间凸轮、右空间凸轮分别设置在两组锥滚轮的左右两侧，左空间凸轮、右空间凸轮在轴向上的投影为圆环形，左空间凸轮、右空间凸轮朝向相对的一侧表面为等加速等减速曲面，等加速等减速曲面具有轴向的起伏；位于左侧的锥滚轮组与左空间凸轮接触，位于右侧的锥滚轮组与右空间凸轮接触；左空间凸轮的最高点与右空间凸轮的最高点对应，左空间凸轮的最低点与右空间凸轮的最低点对应；

左空间凸轮、右空间凸轮之间通过传动轴连接，泵轴与左空间凸轮、右空间凸轮、传动轴的回转中心重合；右空间凸轮与拨盘通过拨杆连接，左空间凸轮通过传动销与机械密封机构实现周向连接；当左空间凸轮、右空间凸轮随泵轴转动时，受到锥滚轮的约束使传动轴沿轴向运动；

所述机械密封机构位于泵头壳与泵体之间，机械密封机构包括动环、波纹管、弹簧和右端密封环，右同心环的左端与缸体通过销连接；动环的右端设有卡口，波纹管的内部左端设有与开口配合的卡块，动环右端插入波纹管内，通过卡口和卡块配合定位；波纹管的内圈设有弹簧，波纹管右端设有螺旋形槽，弹簧通过螺旋形槽旋入；右端密封环与波纹管内右端配合连接，波纹管右端与左空间凸轮通过传动销实现周向连接；

所述缸体设置在泵头壳内，缸体内设有左同心环、活塞和右同心环，活塞的两侧分别套设有左同心环与右同心环；左同心环通过半圆键与泵头壳连接，右同心环的右端设有机械密封机构的动环；传动轴穿过波纹管和弹簧与活塞通过销轴连接，活塞与传动轴的回转中心重合且同步运动；

左端盖、左同心环、缸体和活塞围合成左密闭活塞腔，活塞、缸体、右同心环和机械密封机构之间围合成右密闭活塞腔；左密闭活塞腔、右密闭活塞腔的容积随活塞的运动变化，容积增大的活塞腔吸入，容积减小的活塞腔排出。

2.如权利要求1所述的一种机械密封水液压二维柱塞泵，其特征在于：所述等加速等减速曲面具有两个最高点和两个最低点，活塞上间隔分布有四个开口方向相反的左配流槽和右配流槽；缸体上设有两对高压配流窗口和低压配流窗口，两对高压配流窗口和低压配流窗口沿周向交替均布；高压配流窗口靠近左同心环设置，低压配流窗口靠近右同心环设置；左配流槽与高压配流窗口沟通，右配流槽与低压配流窗口沟通；高压配流窗口和低压配流窗口分别与泵头壳上设置的吸入口、排出口沟通。

3.如权利要求1所述的的一种机械密封水液压二维柱塞泵，其特征在于：所述传动轴为花键轴，传动轴两端分别装有球形螺母，传动轴与左空间凸轮、右空间凸轮通过花键传动。

4.如权利要求1所述的的一种机械密封水液压二维柱塞泵，其特征在于：所述泵轴通过深沟球轴承与骨架油封与拨盘通过销钉连接。

5.如权利要求1所述的的一种机械密封水液压二维柱塞泵，其特征在于：所述左端盖与泵头壳，泵体与泵头壳、法兰盘，缸体与右同心环、左同心环之间均通过径向O型圈径向密封。

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