全水润滑超高压柱塞式水泵

摘要

本发明提供了一种全水润滑超高压柱塞式水泵，主要包括腔体、旋转主轴和柱塞配流单元，柱塞配流单元包括配流阀组件和柱塞滑靴组件，柱塞滑靴组件将腔体分成相互独立的压力腔和润滑腔，柱塞滑靴组件在旋转主轴的带动下进行往复运动，使得配流阀组件通过水泵入口和水泵出口进行吸水和排水动作，同时通过水泵入口向润滑腔输入水以给旋转单元提供流体润滑，实现全水润滑。其中配流阀组件采用一体化设计，维护时可以快速更换组件，缩短维修时间；柱塞为阶梯形结构，圆柱表面有凹坑形貌，滑靴底部设有阶梯型支承腔，解决了高速重载条件下柱塞/柱塞套运动副及滑靴/斜盘副的摩擦磨损问题，提高水泵的使用寿命。

权利要求

1.全水润滑超高压柱塞式水泵，包括：

泵主体，所述泵主体包括腔体、水泵入口以及水泵出口；

旋转单元，所述旋转单元包括旋转主轴，并设于所述泵主体内；以及

柱塞配流单元，所述柱塞配流单元设于所述泵主体内，所述柱塞配流单元包括配流阀组件和柱塞滑靴组件；

其中，所述柱塞滑靴组件设于所述腔体内，并将所述腔体分成相互独立的压力腔和润滑腔，所述配流阀组件与所述压力腔流体相通，所述旋转单元设于所述润滑腔内，所述润滑腔与水泵入口流体相通；

所述柱塞滑靴组件在所述旋转主轴的带动下进行往复运动，使得所述配流阀组件通过水泵入口和水泵出口进行吸水和排水动作，同时通过水泵入口向润滑腔输入水以给所述旋转单元提供流体润滑。

2.根据权利要求1所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述配流阀组件包括一体设置的吸入阀与压出阀，其中，所述吸入阀的入口与所述水泵入口流体连通，所述压出阀的出口与所述水泵出口流体连通，所述吸入阀的出口与所述压出阀的入口流体连通。

3.根据权利要求1所述的柱塞式水泵，其特征在于，

所述旋转单元还包括依次设于所述旋转主轴上的复位弹簧、回程盘和斜盘，所述柱塞滑靴组件包括阶梯柱塞和滑靴，其中所述阶梯柱塞通过球铰副与所述滑靴可动连接，所述腔体内还设有柱塞通道，所述阶梯柱塞可滑动设置于所述柱塞通道内，其中，所述回程盘的一侧与所述复位弹簧相接触，所述回程盘的另一侧与所述滑靴相接触，在所述复位弹簧的作用下所述回程盘使得所述滑靴的底部紧贴于所述斜盘的表面，进而使得所述斜盘的旋转运动经所述滑靴传递到所述阶梯柱塞，促使所述阶梯柱塞在所述柱塞通道内往复运动，所述阶梯柱塞的小直径端与所述柱塞通道间形成所述压力腔，所述阶梯柱塞的大直径端与所述柱塞通道间的空腔与所述润滑腔流体相通。

4.根据权利要求3所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述柱塞滑靴组件还包括设于所述柱塞通道内的阶梯柱塞套，所述阶梯柱塞设于所述阶梯柱塞套内，并与所述阶梯柱塞套直接可滑动接触。

5.根据权利要求4所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述阶梯柱塞包括设于其表面的凹坑以及径向设置的与所述压力腔流体连通的阻尼孔，所述凹坑与所述阻尼孔相连通。

6.根据权利要求3所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述滑靴底部设有阶梯形支承腔，所述支承腔与所述润滑腔流体连通。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的柱塞式水泵，其特征在于，所述旋转单元还包括与所述旋转主轴配合的滚动轴承和主轴盘，主轴盘通过滚动轴承作用于所述斜盘，保证所述斜盘与所述滑靴沿圆周方向相对静止。

说明书

全水润滑超高压柱塞式水泵

技术领域

[0001] 本发明涉及水液泵技术领域，具体涉及一种全水润滑超高压柱塞式水泵。技术背景

[0002] 由于水液压传动技术具有安全、阻燃性、环境友好、使用可靠及维护方便等优点，满足人类可持续发展的强烈需要，因此该技术得到了世界各国的重视，已成为流体传动与控制领域前沿课题。作为水液压传动的动力源件-水液压泵已取得一定的发展。

[0003] 目前，国内外有关水液压泵的研究大多集中在中高压范围，压力在10～21MPa之间。国外，如丹麦Danfoss(丹弗斯)公司开发出的Nessie(尼思)系列水泵是目前国际上技术最成熟、应用最广的一种柱塞式水泵，该泵采用配流盘配流，其流量从10L/min到170L/min，压力达到14～16MPa，总效率大于82％。日本Kayaba(萱场)公司与法国Bronzavia Air-equipment(布龙扎维亚航空装备)公司合作，研制出压力为21MPa，排量7.05mL/r，容积效率85％以上，机械效率达到90％的海水液压泵，该泵为三柱塞斜盘旋转结构型式，采用了阀配流方式，斜盘、柱塞均采用陶瓷。国内，华中科技大学1996年研制出阀配流海水液压柱塞泵，额定工作压力3.5MPa、最高工作压力6.3MPa，容积效率大于86％，总效率大于74％，流量100L/min的海水泵，用于深潜救生艇的对口裙排水。

[0004] 压力在10～21MPa之间，能满足大部分场合的需要，但还不能满足一些特殊场合的需要。如海洋的探索与开发中使用的现代化载人深潜器，由于潜水器取样后由于重量的增加，或是由于水介质的特性(压力、温度)而引起海水密度的变化，或是随着下潜深度的增加，潜水器耐压结构发生弹性变形，这些因素均会引起排水体积的变化，从而使储备浮力发生变化。为确保潜水器在一定深度具有相对稳定的作业姿态，需要对其进行浮力微调。载人深随着载人深潜器下潜深度的增加，对浮力调节系统中海水液压泵输出压力的要求相应也增加，如下潜6500m，则要求泵的输出压力为65MPa。因此目前中高压水泵不能满足潜器浮力调节系统的需要，而关于超高压水泵的研究较少，针对载人潜器特殊需要的水压泵就更少了。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供全水润滑超高压轴向柱塞泵，所有摩擦副均由水润滑，从结构上避免了油水分离式液压泵由于密封和高压水渗入润滑油腔而引起的失效；采用特殊的结构设计达到减摩抗磨目的，解决高速重载条件下摩擦副的摩擦磨损问题，提高超高压水泵的可靠性和寿命。

[0006] 全水润滑超高压柱塞式水泵，包括：

[0007] 泵主体，所述泵主体包括腔体、水泵入口以及水泵出口；

[0008] 旋转单元，所述旋转单元包括旋转主轴，并设于所述泵主体内；以及[0009] 柱塞配流单元，所述柱塞配流单元设于所述泵主体内，所述柱塞配流单元包括配流阀组件和柱塞滑靴组件；

[0010] 其中，所述柱塞滑靴组件设于所述腔体内，并将所述腔体分成相互独立的压力腔和润滑腔，所述配流阀组件与所述压力腔流体相通，所述旋转单元设于所述润滑腔内，所述润滑腔与水泵入口流体相通；

[0011] 所述柱塞滑靴组件在所述旋转主轴的带动下进行往复运动，使得所述配流阀组件通过水泵入口和水泵出口进行吸水和排水动作，同时通过水泵入口向润滑腔输入水以给所述旋转单元提供流体润滑。

[0012] 作为优选实施例，所述配流阀组件包括一体设置的吸入阀与压出阀，其中，所述吸入阀的入口与所述水泵入口流体连通，所述压出阀的出口与所述水泵出口流体连通，所述吸入阀的出口与所述压出阀的入口流体连通。

[0013] 作为优选实施例，所述旋转单元还包括依次设于所述旋转主轴上的复位弹簧、回程盘和斜盘，所述柱塞滑靴组件包括阶梯柱塞和滑靴，其中所述阶梯柱塞通过球铰副与所述滑靴可动连接，所述腔体内还设有柱塞通道，所述阶梯柱塞可滑动设置于所述柱塞通道内，其中，所述回程盘的一侧与所述复位弹簧相接触，所述回程盘的另一侧与所述滑靴相接触，在所述复位弹簧的作用下所述回程盘使得所述滑靴的底部紧贴于所述斜盘的表面，进而使得所述斜盘的旋转运动经所述滑靴传递到所述阶梯柱塞，促使所述阶梯柱塞在所述柱塞通道内往复运动，所述阶梯柱塞的小直径端与所述柱塞通道间形成所述压力腔，所述阶梯柱塞的大直径端与所述柱塞通道间的空腔与所述润滑腔流体相通。

[0014] 作为优选实施例，所述柱塞滑靴组件还包括设于所述柱塞通道内的阶梯柱塞套，所述阶梯柱塞设于所述阶梯柱塞套内，并与所述阶梯柱塞套直接可滑动接触。

[0015] 作为优选实施例，所述阶梯柱塞包括设于其表面的凹坑以及径向设置的与所述压力腔流体连通的阻尼孔，所述凹坑与所述阻尼孔相连通。

[0016] 作为优选实施例，所述滑靴底部设有阶梯形支承腔，所述支承腔与所述润滑腔流体连通。

[0017] 作为优选实施例，所述旋转单元还包括与所述旋转主轴配合的滚动轴承和主轴盘，主轴盘通过滚动轴承作用于所述斜盘，保证所述斜盘与所述滑靴沿圆周方向相对静止。

[0018] 本发明的技术效果体现在：

[0019] 1、柱塞滑靴组件在所述旋转主轴的带动下进行往复运动，使得所述配流阀组件通过水泵入口和水泵出口进行吸水和排水动作，同时通过水泵入口向润滑腔输入水以给所述旋转单元提供流体润滑。作为优化，将柱塞滑靴组件的柱塞设计成阶梯形状，降低高速、重载条件下滑靴与斜盘之间接触应力；并在柱塞及滑靴表面增加球形或随球形凹坑，减小配合面接触应力、限制磨粒运动及形成局部动压支承，从而解决高速重载条件下摩擦副的摩擦磨损问题，提高了超高压泵的使用寿命。

[0020] 2.润滑腔通过水泵入口的水供应，实现全水润滑，在此基础上，考虑到滑动轴承在水润滑工况下严重的摩擦磨损问题，优选滚动轴承代替滑动轴承，解决了高速重载条件下高压水泵的全水润滑，使高压水泵不需使用润滑油，因此使用更加环保，维护方便。同时使该超高压水泵应用海下时无需增加压力补偿器，简化了结构，具有特别的优势。

[0021] 3.其中位于柱塞的高压端四个球形凹坑还通过细小阻尼孔与高压腔连通，使柱塞与柱塞套间形成双阻尼效应，预防柱塞卡死，并减小两者之间直接磨损。

[0022] 4.配流阀为吸入阀与压出阀集成一体的整体组件形式，维护时可以快速更换组件，缩短维修时间。配流阀密封形式为球阀，同时采用软硬结合，阀座为PEEK，阀芯为陶瓷，具有结构简凑，不仅提高了高压条件下密封可靠性，同时降低了阀芯与阀座之间的撞击声，从而降低泵的整体噪声。阀芯采用陶瓷，由于陶瓷相对金属，具有硬度高，密度小的特点，因此提高了抗气蚀的能力；有利于减小阀芯的重量，提高配流配的响应特性，减小配流阀的滞后时间，从而提高高速下容积效率。

附图说明

[0023] 图1所示为本发明结构原理图。

[0024] 图2所示为配流阀组件结构原理图。

[0025] 图3为阶梯柱塞滑靴组件结构图，其中图3a)所示为阶梯柱塞滑靴组件三维图，图3b)所示为阶梯柱塞滑靴组件二维结构原理图。

[0026] 图4所示为二阶抗卡死阻尼孔三维放大图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0028] 图1所示的阀配流全水润滑轴向柱塞高压海/淡水泵，包括水泵腔体，水泵腔体由前端盖2、后端盖15、缸体14及壳体4顺序连接构成，旋转主轴1通过陶瓷轴承5、6、23与壳体4及缸体14连接。

[0029] 后端盖15左端面沿轴向加工有两个孔，分别为水泵入口和出口，在另一端面沿轴向均匀加工有环形通流槽18。在后端盖的径向均匀分布有与柱塞数相等的阶梯孔，阶梯孔的外侧加工有螺纹，用于配流阀组件16的安装与固定，配流阀组件安装到位以后，再安装锁紧螺母17将配流阀组件16锁死，预防配流阀组件16在液压力循环作用下出现松动，提高了该海/淡泵在水下使用时的可靠性。配流阀组件16如图1和图2所示，由阀体28、吸入阀和压出阀组成，吸入阀和压出阀一体化设计，阀体28的上部分安装吸入阀，下部分安装压出阀。吸入阀依次为吸入阀安装螺母25、吸入阀阀座26、吸入阀阀芯27、吸入阀弹簧29，压出阀依次为压出阀阀座30、压出阀阀芯31、压出阀弹簧32、压出阀弹簧导向套34。阀体28在两阀相接处形成有与吸入阀、压出阀和外界连通的通道，既作为吸入阀的出口又作为压出阀的入口。阀体28上还开有吸入阀的入口和压出阀的出口，吸入阀的入口与水泵入口相通，压出阀的出口通过后端盖上的环形通流槽18及阀体上流道33与水泵出口相通。压出阀弹簧导向套34与阀体28为螺纹连接，压出阀锁紧螺母35与阀体也为螺纹连接，具有预防配流阀在液压力循环作用下出现松动，提高水下使用时配流阀工作的可靠性。将吸入阀与压出阀设计成组件的形式，配流阀维护时可进行整体更换，使得故障平均可修复时间MTTR得到减小，提高了现场的可维护性。配流阀组件16的径向布置减小水泵的轴向尺寸，提高了功率重量比。配流阀密封形式为球阀，同时采用软硬结合，阀座26、30为PEEK，阀芯
37、31为陶瓷，具有结构简凑的优点，不仅提高了高压条件下密封可靠性，同时降低了阀芯
37、31与阀座26、30之间的撞击声，从而降低泵的整体噪声。阀芯37、31采用陶瓷，由于陶瓷相对金属，具有硬度高，密度小的特点，因此提高了抗气蚀的能力，同时减小了阀芯的重量，提高了配流配的响应特性，减小了配流阀的滞后时间，从而提高高转速工况下泵的容积效率。

[0030] 如图1和图3所示，缸体14内靠近配流阀组件安装柱塞滑靴组件24，柱塞滑靴组件24包括轴向放置的一阶梯形柱塞套20，柱塞套20内安放有阶梯形柱塞37，柱塞37的大直径端连接滑靴39形成球铰副，小直径端与柱塞套20之间的空腔形成压力腔19，压力腔19与吸入阀出口也即压出阀入口相通，大直径端与柱塞套20形成的空腔经流道21与润滑腔11相连通，以防止该空腔内形成高压水增加滑靴39与斜盘9间的接触应力。柱塞37与滑靴39表面加工有球形或椭球形凹坑38，在柱塞左端加工有细小阻尼孔38，如图4所示，通过细小阻尼孔38使柱塞表面其中一组凹坑与高压腔19相连通。滑靴39端面加工有三级台阶支承腔41，支承腔41通过流道40与壳体内腔相通。阶梯形柱塞，减小了超高压条件下滑靴39与斜盘9之间接触应力。三级台阶支承腔41使滑靴39在斜盘9上滑动时，通过改变水膜厚度从而产生动压支承。凹坑38可以减小了配合面接触应力、限制磨粒运动，而且形成局部动压支承。细小阻尼孔38使一组凹坑37与高压腔19相通，使柱塞37与柱塞套
20间形成双阻尼效应，解决了为提高超高压泵的容积效率而减小柱塞套与柱塞间隙导致的柱塞卡死问题，并且减小两者之间直接接触的概率，从而减小柱塞37及柱塞套20之间的磨损。上述各结构有针对性地解决高速重载条件下摩擦副的磨损问题，提高了超高压泵的使用寿命。

[0031] 旋转主轴1前后通过径向滚动轴承23、5分别与缸体14和壳体4相连，并经过机械密封3和前端盖2从壳体4中伸出实现与原动机(如电动机、汽油机等)的连接。旋转主轴1上加工有与旋转主轴成一定倾角的主轴盘，主轴盘的左侧通过径向滚动轴承8连接推力滚动轴承7，推力轴承7再与斜盘9连接，主轴盘的右侧通过推力轴承6与壳体4相连。通过组合使用径向滚动轴承8和推力滚动轴承7，使滑靴39与斜盘9沿圆周方向的相对运动速度理论上为零，两者之间运动只有滑靴39相对斜盘9摆动而产生较小的相对运动速度，减小了滑靴39与斜盘9之间在水润滑条件的磨损。套在旋转主轴1上的复位弹簧13通过球铰12和回程盘10使滑靴39和斜盘9始终保持接触。壳体4上与缸体14固定的连接孔为螺纹孔，缸体14、后端盖15及壳体4之间用螺栓进行连接固定，当螺栓安装于壳体4上的螺纹孔之后，再将壳体锁紧螺母22安装于螺栓上将螺栓锁死。

[0032] 该超高压水泵的工作过程具体为：旋转主轴1在原动机的带动下顺时或逆时针转动，带动安装于旋转主轴斜盘上的推力轴承7动环转动，从而推动与之连接的斜盘9摆动。复位弹簧13通球铰12和回程盘9将作用力均匀地施加于每个滑靴39之上，使滑靴39紧贴在斜盘9上滑动。柱塞37受到斜盘9给滑靴39的作用力，使柱塞36在柱塞套20中作往复运动。当斜盘沿极限位置(如图1所示位置)开始运动时，配流阀组件16的压出阀阀芯
31处于关闭状态。滑靴39在回程盘24的压紧力作用下，带动柱塞37向右运动，柱塞37与柱塞套形成的高压腔19的容积增大，压力下降，当下降到一定值时，当吸入阀阀芯27因泵入口的压力大于高压腔19内的压力和吸入阀弹簧29作用力的合力时，吸入阀开启，水由泵入口通过吸入阀吸入口流至高压腔19中，实现吸水。当斜盘沿极限位置(如图1的位置)运动180°后，此时柱塞37处于全部外伸的状态，当旋转主轴继续旋转时，滑靴39受斜盘的作用力，推动柱塞37向左动运，高压腔19的容积渐渐减小，腔内力升高，将吸入阀关闭，同时克服压出阀弹簧32力及泵出口压力的合力，将压出阀打开，使高压腔19内高压水经压出阀出口从泵出口流出，实现排水。当旋转主轴1旋转一周，各柱塞吸水及压水各一次，随着旋转主轴1的不断旋转，各柱塞也连续地独立完成吸水与排水的动作，从而使泵连续输出流量。