CN116802402A - 一种采用滚动支撑的水润滑高压泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用滚动支撑的水润滑高压泵，涉及高压水泵技术领域，包括驱动机构、壳体、滚动轴承、隔离结构、至少一个柱塞及柱塞腔；驱动机构包括主轴和至少一个偏心结构，主轴至少在一侧通过滚动轴承与壳体转动连接；偏心结构位于壳体的第一内腔，第一内腔同时用于填充水或水溶液；滚动轴承位于壳体的第二内腔，隔离结构用于密封所述壳体内的水或水溶液，防止进入所述第二内腔；偏心结构旋转时，偏心结构能够推动柱塞在柱塞腔中运动实现对水或水溶液的增压。本发明的驱动机构不采用润滑油，主轴支撑结构采用传统滚动轴承，避免了静压支撑，结构简单。
Description
本发明涉及高压水泵技术领域，特别是涉及一种采用滚动支撑的水润滑高压泵。
高压水泵用于生产高压水，作为核心部件，广泛应用于高压清洗、细雾灭火、喷雾、海水淡化、去除机械零件毛刺等领域。
目前广泛应用的高压水泵有往复式泵，水润滑轴向柱塞泵。
往复式泵具有悠久的历史，大量用于生产高压水，主要由曲轴、连杆、十字头、柱塞等部件组成，采用润滑油对动力端进行润滑，需要采用接触式密封结构对增压水进行密封，同时隔绝水和润滑油。该类型泵最主要的问题在于：需要定期更换润滑油，且润滑油会污染环境；密封结构的寿命较短，更换麻烦。
上世界90年代，以丹佛斯为代表成功推出了商业化的水润滑轴向柱塞泵，相比往复式泵具有环保、能效高等优点；主要运动部件采用流体静压支承，实现了最大16MPa的压力输出。此外，公开号为CN105240237A的中国专利提出了一种水润滑柱塞泵。
采用动力端水润滑技术实现的高压水泵，具有环保性和高效率，无疑是高压水泵重要的发展方向。但水的粘度低，适用于水的高性能材料有限，运动副设计匹配困难，所以至今仍然未商业化实现具有更高压力、耐受环境适应性强、且经济性良好的水润滑高压水泵。
其中，制约动力端水润滑高压水泵发展的一个重要具体问题是主轴的支撑问题；在受载条件下，凸轮轴或者曲轴会产生挠曲变形，因此传统油润滑机械主轴两端的支撑普遍采用适应挠曲变形较好的滚动轴承。在水环境条件，GCr15等经济型轴承钢材料无法耐受腐蚀；由于缺乏润滑，且传统不锈钢材料接触疲劳强度远远不能保证长寿命的使用要求，因此除了采用昂贵的陶瓷滚动体轴承，没有经济型滚动轴承可以支撑水环境下的高强 度使用要求。此外，滑动轴承寿命长，可以耐腐蚀，但对轴的挠曲变形敏感，特别是针对低粘度流体环境条件，也难以使用。为此专利CN105240237A中，水泵主轴支撑不得不采用了流体静压支撑，显著提高了结构复杂性，同时带来高压流体泄露，污染物敏感等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用滚动支撑的水润滑高压泵，使现有高压水泵主轴在显著挠曲变形条件下，能够实现经济且可靠的支撑。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种采用滚动支撑的水润滑高压泵，包括驱动机构、壳体、滚动轴承、隔离结构、至少一个柱塞及柱塞腔；所述驱动机构包括主轴和设置在所述主轴上的至少一个偏心结构，所述主轴至少在一侧通过所述滚动轴承与所述壳体转动连接；所述偏心结构位于所述壳体的第一内腔，所述第一内腔同时用于填充水或水溶液；所述滚动轴承位于所述壳体的第二内腔，所述隔离结构用于密封所述壳体内的水或水溶液，防止进入所述第二内腔；所述偏心结构旋转时，所述偏心结构能够推动所述柱塞在所述柱塞腔中运动实现对水或水溶液的增压。
优选地，所述隔离结构为密封结构，所述密封结构为接触式密封结构。
优选地，所述滚动轴承采用润滑脂进行润滑。
优选地，各所述偏心结构的外侧套设有推力结构，所述推力结构均位于所述壳体的所述第一内腔，所述推力结构与所述偏心结构能够相对转动，所述推力结构与所述偏心结构组成第一滑动摩擦副，水或水溶液能够进入所述第一内腔中的所述第一滑动摩擦副，所述偏心结构旋转时，所述推力结构能够推动所述柱塞在所述柱塞腔中运动实现对水或水溶液的增压。
优选地，所述推力结构垂直于所述主轴轴线的截面的外缘曲线包括第一曲线和第二曲线，所述第一曲线上的点到所述主轴轴线的垂直距离由所述第一曲线的一端向所述第一曲线的另一端逐渐增大，所述第二曲线上的点到所述主轴轴线的垂直距离由与所述第一曲线的另一端连接的所述第二曲线的一端向与所述第一曲线的一端连接的所述第二曲线的另一端逐 渐减小。
优选地，所述偏心结构的外表面和/或所述推力结构的内表面设置有第一减摩层；所述第一减摩层采用塑料制成。
优选地，所述柱塞包括柱塞本体，所述柱塞本体的一端伸入所述柱塞腔中，所述柱塞本体与所述柱塞腔组成第二摩擦副，所述柱塞本体的外表面和/或所述柱塞腔的内表面固定有第二减摩层；所述第二减摩层采用塑料制成。
优选地，所述隔离结构和所述滚动轴承之间设置有排水腔，所述排水腔内设置有挡水圈，所述挡水圈套设在所述主轴上，所述排水腔与所述壳体的流体通道连通，所述排水腔内的水或水溶液通过所述流体通道排出至所述壳体的外部。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的高压水泵驱动机构采用水和水溶液实现润滑，同时水和水溶液能够有效解决运动副的散热问题；通过隔离结构对滚动轴承所在壳体空间(第二内腔)的隔离，避免了水或者水溶液对滚动轴承的影响，使主轴支撑结构采用经济的传统滚动轴承结构成为可能，解决了困扰高压水泵的主轴挠曲支撑的问题。同时，滚动轴承所在的第二内腔对应的壳体可以将滚动轴承运转所产生的热量传递给水或水溶液，避免了热量的累积，使高压水泵能够在高载荷条件下长时间连续工作。本发明的高压水泵的驱动机构不采用润滑油，无需定时进行更换润滑油的维护工作，输出压力超过30MPa，对保护环境也具有积极意义。本发明的主轴支撑结构采用传统的滚动轴承，避免了静压支撑，结构简单，经济性好，且无流量损失，有助于高压水泵达到更高的压力和容积效率，抗污染能力也显著提高。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的采用滚动支撑的水润滑高压泵的内部结构示意图(实施例一)；
图2为本发明的图1的A-A剖视图(实施例一中的隔离结构一，采用油封密封结构)；
图3为本发明的图1的A-A剖视图(实施例一中的隔离结构二，采用具有补偿功能的唇形密封结构)；
图4为本发明的图1的A-A剖视图(实施例一中的隔离结构三，采用机械密封结构)；
图5为本发明的驱动机构示意图一(实施例一)；
图6为图5的B-B剖视图(实施例一)；
图7为本发明的驱动机构示意图二(实施例二)；
图8为图7的C-C剖视图(实施例二)；
其中：100-采用滚动支撑的水润滑高压泵，1-液缸体，2-壳体，3-柱塞本体，4-驱动机构，5-主轴，6-凸轮，7-推力结构，8-第一减摩层，9-回弹结构，10-第一挡板，11-第一弹性元件，12-柱塞腔，13-第二减摩层，14-隔离结构，15-挡水圈，16-弹性挡圈，17-滚动轴承，18-第一内腔，19-第二内腔，20-排水腔，21-柱塞，22-第一曲线，23-第二曲线，24-流体通道，32-偏心结构，35-连杆轴颈，36-曲柄，37-单向阀，54-壳体入水口，55-液缸体入水口。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种采用滚动支撑的水润滑高压泵，使现有高压水泵主轴在显著挠曲变形条件下，能够实现经济且可靠的支撑。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图6所示：本实施例提供了一种采用滚动支撑的水润滑高压泵100，包括驱动机构4、液缸体1、回弹结构9、滚动轴承17、至少一 个柱塞21及柱塞腔12；液缸体1也称为泵头，同现有往复泵的液缸体1功能相同，是泵中主要承受液压的零件之一；液缸体1内有高低压流体通道及单向阀37，一个柱塞21对应一个吸入阀和排出阀实现流体的配流，实现低压水的流入和高压水的输出；柱塞腔12可以设置在液缸体1或者壳体2上，液缸体1可以整体加工成型，也可以多部件组合而成；壳体2固定连接于液缸体1的右端，液缸体1和壳体2为可拆卸连接或者一体成型制造；壳体2也可由多部件组合固定而成。驱动机构4包括主轴5和设置在主轴5上的至少一个偏心结构32，本实施例中，偏心结构32为凸轮6，优选偏心轮形式。主轴5至少在一侧通过滚动轴承17与壳体2转动连接，滚动轴承17的内圈套接在主轴5上，滚动轴承17的外圈套接在壳体2内部，滚动轴承17优选润滑脂进行润滑。
各凸轮6的外侧套设有推力结构7，推力结构7与凸轮6能够相对转动，推力结构7与凸轮6组成第一滑动摩擦副；推力结构7垂直于主轴5轴线的截面的外缘曲线包括第一曲线22和第二曲线23，第一曲线22上的点到主轴5轴线的垂直距离由第一曲线22的一端向第一曲线22的另一端逐渐增大，第二曲线23上的点到主轴5轴线的垂直距离由与第一曲线22的另一端连接的第二曲线23的一端向与第一曲线22的一端连接的第二曲线23的另一端逐渐减小。
凸轮6和推力结构7均位于壳体2的第一内腔18，滚动轴承17位于壳体2的第二内腔19，第一内腔18和第二内腔19之间设置有隔离结构14，第一内腔18同时用于填充水或水溶液，水或水溶液能够进入第一滑动摩擦副，使第一滑动摩擦副能够通过水或水溶液来改善润滑和散热；偏心结构32旋转时，推力结构7能够推动柱塞21在柱塞腔12中运动实现对水或水溶液的增压；各柱塞21的左端位于液缸体1中，各柱塞21的右端与推力结构7接触，柱塞21上设置有回弹结构9。主轴5的一端与动力设备(如电机)相连，主轴5带动凸轮6旋转时，推力结构7在抵靠柱塞21接触面滚动(可能有部分滑动)的同时，通过接触推动柱塞21在液缸体1的柱塞腔12中向液缸体1的方向运动，实现对水或水溶液的增压并排出水；再通过回弹结构9的作用，确保柱塞21在回程过程中，柱塞21保持和推力结构7的接触，并吸入水。
如图2-图4所示隔离结构14将偏心结构32所在的第一内腔18的空间与滚动轴承17所在的第二内腔19的空间进行隔离。隔离结构14安装在壳体2和主轴5之间，且隔离结构14位于最外端的偏心结构32和滚动轴承17之间，滚动轴承17的外侧设置有弹性挡圈16。隔离结构14能够防止壳体2中第一内腔18的水进入第二内腔19的滚动轴承17安装空间，隔离结构14可以选择油封密封结构、具有补偿功能的唇形密封结构，或者机械密封结构等。在工作中，由于现有接触密封结构难以实现对水的完全密封，可能会有微量的水或水溶液通过隔离结构14由第一内腔18进入到第二内腔19，为了防止水或水溶液对滚动轴承17的侵蚀，在隔离结构14和滚动轴承17间的主轴5上固定有挡水圈15，挡水圈15同时位于排水腔20内，排水腔20设置有流体通道24至壳体2外部。挡水圈15可以进一步阻挡泄露的水或水溶液沿轴向到达滚动轴承17，同时泄露的水或水溶液通过流体通道24可从排水腔20排出到壳体2外部，确保滚动轴承17彻底和水或水溶液隔绝。接触密封结构是易损件，挡水圈15和排水腔20的设置也有助于在接触密封件受损时保护滚动轴承17。
本实施例中，凸轮6的外表面和/或推力结构7的内表面设置有第一减摩层8。第一减摩层8具体可通过粘接、过盈配合与凸轮6或推力结构7进行固定，也可直接注塑、喷涂等工艺直接在表面成型，水或水溶液进入第一滑动摩擦副中产生流体动压润滑效应。
第一减摩层8采用塑料制成，优选热塑性材料，例如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚芳醚等，通过在塑料中添加纤维、石墨、聚四氟乙烯等可以有效改善摩擦学性能。
本实施例中，凸轮6可以和主轴5制造成为整体部件，也可以分部件制造并组装固定而成，使凸轮6和主轴5同步旋转。各推力结构7分别套设在各凸轮6上，本实施例在主轴5上设置三个凸轮6，每个凸轮6推动一个柱塞21对水或水溶液进行增压；在旋转方向，三个凸轮6之间互有120度相位差。
柱塞21可以通过单一零件或者多个零件组合构成，本实施例中，柱塞21包括柱塞本体3。各柱塞本体3均布置在主轴5的一侧，可简化结构，方便制造。柱塞本体3的一端伸入液缸体1的柱塞腔12中，柱塞本 体3与柱塞腔12组成第二摩擦副，第二摩擦副中设置有1μm-30μm的间隙，间隙保证柱塞本体3在柱塞腔12内顺畅运动，同时抑制柱塞腔12内的高压流体泄露到低压端，水或水溶液在间隙中起到摩擦副的润滑作用，同时带走摩擦热。
本实施例中柱塞本体3的外表面和/或柱塞腔12的内表面固定有第二减摩层13。第二减摩层13为塑料，优选热塑性材料，例如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚芳醚等，通过在塑料中添加纤维、石墨、聚四氟乙烯等可以有效改善摩擦学性能。
本实施例中，第二减摩层13可通过粘接、过盈配合与柱塞本体3外表面或者柱塞腔12内表面进行固定，也可直接采用注塑、喷涂等工艺直接在第二摩擦副表面成型。
本实施例中，回弹结构9包括第一挡板10和第一弹性元件11，第一挡板10与柱塞本体3的右端固定，第一弹性元件11的一端与液缸体1相抵，第一弹性元件11的另一端与第一挡板10相抵。
本实施例结构简单，驱动机构4无需润滑油，维护便利，可以实现超过30MPa的压力输出。
实施例二
如图7-图8所示：本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中，偏心结构32为曲轴，连杆轴颈35均通过曲柄36与主轴5连接，推力结构7套在连杆轴颈35的外周上，第一减摩层8设置连杆轴颈35的外表面和/或推力结构7的内表面。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
- 一种采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：包括驱动机构、壳体、滚动轴承、隔离结构、至少一个柱塞及柱塞腔；所述驱动机构包括主轴和设置在所述主轴上的至少一个偏心结构，所述主轴至少在一侧通过所述滚动轴承与所述壳体转动连接；所述偏心结构位于所述壳体的第一内腔，所述第一内腔同时用于填充水或水溶液；所述滚动轴承位于所述壳体的第二内腔，所述隔离结构用于密封所述壳体内的水或水溶液，防止进入所述第二内腔；所述偏心结构旋转时，所述偏心结构能够推动所述柱塞在所述柱塞腔中运动实现对水或水溶液的增压。
- 根据权利要求1所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述隔离结构为密封结构，所述密封结构为接触式密封结构。
- 根据权利要求2所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述滚动轴承采用润滑脂进行润滑。
- 根据权利要求2所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：各所述偏心结构的外侧套设有推力结构，所述推力结构均位于所述壳体的所述第一内腔，所述推力结构与所述偏心结构能够相对转动，所述推力结构与所述偏心结构组成第一滑动摩擦副，水或水溶液能够进入所述第一内腔中的所述第一滑动摩擦副，所述偏心结构旋转时，所述推力结构能够推动所述柱塞在所述柱塞腔中运动实现对水或水溶液的增压。
- 根据权利要求4所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述推力结构垂直于所述主轴轴线的截面的外缘曲线包括第一曲线和第二曲线，所述第一曲线上的点到所述主轴轴线的垂直距离由所述第一曲线的一端向所述第一曲线的另一端逐渐增大，所述第二曲线上的点到所述主轴轴线的垂直距离由与所述第一曲线的另一端连接的所述第二曲线的一端向与所述第一曲线的一端连接的所述第二曲线的另一端逐渐减小。
- 根据权利要求5所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述偏心结构的外表面和/或所述推力结构的内表面设置有第一减摩层；所述第一减摩层采用塑料制成。
- 根据权利要求2所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述柱塞包括柱塞本体，所述柱塞本体的一端伸入所述柱塞腔中，所述柱 塞本体与所述柱塞腔组成第二摩擦副，所述柱塞本体的外表面和/或所述柱塞腔的内表面固定有第二减摩层；所述第二减摩层采用塑料制成。
- 根据权利要求1所述的采用滚动支撑的水润滑高压泵，其特征在于：所述隔离结构和所述滚动轴承之间设置有排水腔，所述排水腔内设置有挡水圈，所述挡水圈套设在所述主轴上，所述排水腔与所述壳体的流体通道连通，所述排水腔内的水或水溶液通过所述流体通道排出至所述壳体的外部。
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