專(zhuān)利名稱：軸向柱塞式水液壓泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液體變?nèi)輽C(jī)械；泵類(lèi)。
水液壓泵是水液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵動(dòng)力元件，是水液壓系統(tǒng)的心臟，其性能優(yōu)劣直接決定著整個(gè)水液壓系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。目前國(guó)際上研發(fā)出的水液壓泵主要有三種代表結(jié)構(gòu)第一種是油水分離式、閥配流軸向柱塞式水液壓泵結(jié)構(gòu)，如美國(guó)Telarwae大學(xué)、日本三菱重工及我國(guó)華中科技大學(xué)相繼研發(fā)的水液壓泵等，這種泵采用錐閥配流，柱塞及柱塞孔在相對(duì)于主軸的圓周上呈軸向均布，靠斜盤(pán)和中心彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。除配流閥和柱塞孔浸沒(méi)在水中以外，其它主要摩擦副(如柱塞球頭/滑靴球窩、滑靴靴底/斜盤(pán)、各類(lèi)軸承等)均浸沒(méi)在潤(rùn)滑油中用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，用油潤(rùn)滑的摩擦副材料均不耐水腐蝕，必須在柱塞/缸孔摩擦副上加一道或兩道密封圈來(lái)將柱塞孔中的水和潤(rùn)滑油室中的潤(rùn)滑油隔開(kāi)，其壽命取決于密封圈的壽命，一旦密封圈損壞，油水相通，用油潤(rùn)滑的摩擦副將很快失效。此類(lèi)泵是水液壓技術(shù)發(fā)展初期的一種技術(shù)過(guò)渡，暫時(shí)用于解決水潤(rùn)滑摩擦副材料短缺的難題。這類(lèi)泵只能用于中低壓或小流量場(chǎng)合，在高壓、大流量場(chǎng)合很難實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油與水不相互滲漏。
第二種是德國(guó)Hauhinco GmbH公司開(kāi)發(fā)的全水潤(rùn)滑、閥配流徑向柱塞式水液壓泵，該泵采用平板閥配流，柱塞及柱塞孔在相對(duì)于主軸的圓周上呈徑向均布，靠主軸上的偏心輪和各柱塞根部的回程彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其所有摩擦副均直接用水潤(rùn)滑和冷卻。該泵效率高，能夠用于中高壓(甚至是超高壓)、大流量場(chǎng)合，不足是泵的徑向尺寸太大，體積、重量比同等規(guī)格的其它結(jié)構(gòu)的水液壓泵要大得多，比功率(單位重量功率)較小。
第三種是全水潤(rùn)滑、端面配流軸向柱塞式水液壓泵，如英國(guó)Fenner公司、丹麥Danfoss公司以及日本小松制作所等研制開(kāi)發(fā)的水液壓泵等。這類(lèi)泵采用配流盤(pán)端面配流，柱塞及柱塞孔在相對(duì)于主軸的圓周上呈軸向均布，靠斜盤(pán)和中心彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其所有摩擦副均直接用水潤(rùn)滑和冷卻。該類(lèi)泵的徑向尺寸小、體積小、重量輕、比功率大。不足的是端面配流副(缸體端面與配流盤(pán))是一對(duì)高速、重載摩擦副，在水潤(rùn)滑的條件下，要實(shí)現(xiàn)可靠工作，避免偏摩和燒盤(pán)，多采用工程陶瓷材料對(duì)偶，設(shè)計(jì)和加工制造均非常困難，在高壓時(shí)泄漏量較大，容積效率相對(duì)較低。
本發(fā)明的一種軸向柱塞式水液壓泵，其缸體內(nèi)周向均勻分布與缸體軸線平行的柱塞孔，柱塞滑靴組件的柱塞置于鑲嵌于柱塞孔的缸套之中，置于缸體中心的中心彈簧通過(guò)球鉸和回程盤(pán)將每個(gè)柱塞滑靴組件之滑靴與摩擦盤(pán)壓緊；主軸的前、后軸徑分別置于前端蓋中心和缸體中心，主軸通過(guò)其推力盤(pán)連接斜盤(pán)，摩擦盤(pán)嵌于斜盤(pán)內(nèi)，推力盤(pán)與推力軸承滑動(dòng)連接，后者鑲嵌在前端蓋上，其特征在于吸入閥位于缸體上，與其對(duì)應(yīng)的壓出閥位于后端蓋，柱塞孔、柱塞滑靴組件、吸入閥及壓出閥的數(shù)目相等并隨柱塞孔的位置軸向成組布置；柱塞開(kāi)有柱塞中心孔、柱塞球頭中心孔，滑靴開(kāi)有滑靴中心孔；后端蓋、缸體、泵殼、前端蓋上分別開(kāi)有流道，所述各流道一端連通壓出閥閥腔，另一端連通推力盤(pán)和推力軸承對(duì)偶摩擦副之間隙，推力軸承中心部位開(kāi)有環(huán)形腔室；主軸和推力盤(pán)接成一體，接合部開(kāi)有徑向流道，連通主軸內(nèi)軸向流道，后者連通主軸后端面并在兩端開(kāi)有徑向流道，連通主軸前、后軸徑表面。
所述的軸向柱塞式水液壓泵，其進(jìn)一步的特征在于缸套由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料構(gòu)成，與柱塞孔牢固組合；柱塞由耐蝕合金構(gòu)成，主軸及與之接成一體的推力盤(pán)采用耐蝕合金材料，與推力盤(pán)對(duì)偶的推力軸承、與主軸對(duì)偶的前滑動(dòng)軸承、后滑動(dòng)軸承以及止推軸承均采用碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料制成。
所述的軸向柱塞式水液壓泵，所述柱塞滑靴組件的柱塞可以由兩部分組成由耐蝕合金材料制成的柱塞和由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料制成的半球頭兩部分粘接復(fù)合為一體；滑靴亦可以由兩部分組成由耐蝕合金材料制成的滑靴靴體和由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料制成的滑靴靴底兩部分復(fù)合為一體。
本發(fā)明有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)或特點(diǎn)(1)采用閥配流軸向柱塞式結(jié)構(gòu)，配流閥(吸入閥和壓出閥)與柱塞同軸布置，不僅使液流順暢、改善了配流閥的響應(yīng)特性，也減小了體積重量；(2)配流閥采用平板閥結(jié)構(gòu)，閥座采用耐蝕合金材料，閥芯采用高分子復(fù)合材料，不僅密封可靠、水力半徑大、過(guò)流特性好、響應(yīng)快，而且沖擊小、噪聲低；(3)柱塞孔鑲嵌增強(qiáng)高分子復(fù)合材料缸套與金屬柱塞配合，改善了柱塞/柱塞孔摩擦副的摩擦學(xué)特性；同時(shí)柱塞孔周邊的缸體部分完全浸入水中，并借助吸入通道的過(guò)流作用傳遞熱量，可使柱塞/柱塞孔摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱及時(shí)被帶走耗散，可有效地避免柱塞/柱塞孔摩擦副的粘著和卡死現(xiàn)象(4)柱塞由耐蝕合金材料柱塞和增強(qiáng)高分子復(fù)合材料或陶瓷材料半球頭復(fù)合而成，滑靴也由耐蝕合金滑靴靴體和增強(qiáng)高分子復(fù)合材料或陶瓷材料的滑靴靴底復(fù)合而成，同時(shí)通過(guò)柱塞及滑靴中心的小孔將柱塞腔的高壓水引入球窩和靴底，形成靜壓支承，從對(duì)偶材料和潤(rùn)滑兩方面來(lái)大大改善球頭/球窩摩擦副和滑靴/斜盤(pán)摩擦副的摩擦學(xué)特性，可有效降低摩擦、減小摩損和提高工作壽命；
(5)將泵出口的高壓水引至止推軸承使止推軸承形成靜壓支承，同時(shí)止推軸承出來(lái)的潤(rùn)滑水又通過(guò)主軸上的通道傳至前、后滑動(dòng)軸承，這樣止推軸承、前后滑動(dòng)軸承不僅得到了良好的潤(rùn)滑，而且可以通過(guò)潤(rùn)滑液流及時(shí)帶走摩擦熱主軸與推力盤(pán)做成一體，便于控制止推盤(pán)/止推軸承、滑動(dòng)軸承/軸徑摩擦副間的間隙，防止偏斜使間隙過(guò)大而導(dǎo)致潤(rùn)滑水損失過(guò)大降低容積效率；(6)泵的全部零件均可浸沒(méi)于水中，在水下工作時(shí)可以自動(dòng)補(bǔ)償水深壓力，避免了因水深壓力引起的能源消耗；(7)體積小、重量輕、容積效率高、比功率大，工作可靠、使用壽命長(zhǎng)；能夠適用于海水、淡水及高水基等低粘度液壓介質(zhì)。
缸體41中周向均布著若干個(gè)(如5個(gè)、7個(gè)或9個(gè))與缸體軸線平行(軸向)的柱塞孔7，柱塞孔中鑲嵌外金屬缸套50和內(nèi)塑料缸套9，柱塞滑靴組件的柱塞11置于塑料缸套9之中吸入閥閥口由吸入閥閥芯6、缸體41及外金屬缸套50的控制邊構(gòu)成；壓出閥閥口由壓出閥閥芯4及后端蓋1的控制邊構(gòu)成置于缸體41中心的中心彈簧35通過(guò)球鉸33和回程盤(pán)34將每個(gè)柱塞滑靴組件之滑靴13壓向摩擦盤(pán)15，使靴底14始終緊貼嵌在斜盤(pán)32中的摩擦盤(pán)15上；主軸55和推力盤(pán)16做成一體，主軸55的前、后軸徑分別置于位于前端蓋26中心的前滑動(dòng)軸承25和位于缸體41中心的后滑動(dòng)軸承44之中，主軸55通過(guò)推力盤(pán)16上的傳力銷(xiāo)31帶動(dòng)斜盤(pán)32旋轉(zhuǎn)，推力盤(pán)16和置于前端蓋上的推力軸承30將柱塞11產(chǎn)生的軸向推力傳遞到前端蓋26上；缸體41中后滑動(dòng)軸承44的左端設(shè)置一端面止推軸承48，用以承受主軸55的軸向載荷。
該泵的泵水過(guò)程是這樣實(shí)現(xiàn)的主軸55帶動(dòng)斜盤(pán)32及摩擦盤(pán)15旋轉(zhuǎn)，中心彈簧35通過(guò)球鉸33和回程盤(pán)34將中心彈簧35的作用力平均施加到每個(gè)滑靴上，以保證滑靴13的靴底14始終緊貼在摩擦盤(pán)15上滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)柱塞11在缸體41的缸套9中不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞11向左運(yùn)動(dòng)到左極限位置時(shí)(如

圖1下面的柱塞位置)，吸入閥和壓出閥的閥口均關(guān)閉，形成柱塞孔7的封閉容腔；隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，滑靴在彈簧力的作用下緊貼斜盤(pán)上的摩擦盤(pán)滑動(dòng)，帶動(dòng)柱塞11向右運(yùn)動(dòng)，使柱塞孔的封閉容積增大、水壓力降低，當(dāng)柱塞孔中的水壓力降低到一定值時(shí)，吸入閥閥芯6兩面的受力平衡狀態(tài)將被打破，泵腔36內(nèi)的水壓力將克服柱塞孔內(nèi)的水壓力及吸入閥彈簧5作用力的合力作用使吸入閥閥芯6開(kāi)啟，進(jìn)入泵吸入口10的水將通過(guò)泵腔36、流道8、環(huán)形腔室49及吸入閥閥口流入壓力較低的柱塞孔7，實(shí)現(xiàn)吸水過(guò)程；當(dāng)柱塞向右運(yùn)動(dòng)到其右極限位置時(shí)(如圖1上面的柱塞位置)，柱塞孔的容積不能再增大，且隨著主軸的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞11將轉(zhuǎn)向左運(yùn)動(dòng)，柱塞孔7的容積將逐漸減小，此時(shí)柱塞孔7中的水壓力將逐漸升高，并首先集合吸入閥彈簧5的作用力去克服泵腔36內(nèi)水壓力的作用將吸入閥閥芯6關(guān)閉，這時(shí)封閉的柱塞孔7中的水壓力將隨著柱塞11繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)而進(jìn)一步升高，直到能夠克服壓出閥彈簧3的作用力及泵出口47的水壓力的合力而將壓出閥閥芯4打開(kāi)，使柱塞孔7中的高壓水通過(guò)壓出閥閥口、流道46及泵出口47排出，即實(shí)現(xiàn)排水過(guò)程；當(dāng)柱塞到達(dá)左極限位置時(shí)，柱塞孔7的容積將不再減小，在壓出閥彈簧3的作用力的作用下壓出閥閥芯4將關(guān)閉壓出閥閥口，再次構(gòu)成柱塞孔7內(nèi)的封閉容積，完成一次吸、排水過(guò)程。隨著泵主軸55的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)柱塞孔將不斷地吸、排水，且多個(gè)柱塞按一定的先后次序各自獨(dú)立的完成吸、排水工作，并使每個(gè)柱塞排出的高壓水在泵出口47有序的疊加，從而實(shí)現(xiàn)了泵出流量連續(xù)、均勻的高壓水。
該泵的所有摩擦副均直接采用水潤(rùn)滑和冷卻，包括缸套與柱塞、柱塞球頭與滑靴球窩、滑靴靴底與摩擦盤(pán)、推力盤(pán)與推力軸承、主軸與滑動(dòng)軸承等。具體是這樣實(shí)現(xiàn)的缸套9與柱塞11之間有一定的間隙，靠間隙實(shí)現(xiàn)密封；在排水過(guò)程中，柱塞孔7中是高壓水，在缸套與柱塞密封間隙兩端形成高低壓力差，使得柱塞孔中的高壓水通過(guò)密封間隙泄漏至低壓的泵腔36中；這部分的泄漏水在間隙中的壓力是依次減小的，有相當(dāng)?shù)某休d能力，對(duì)于缸套與柱塞摩擦副來(lái)說(shuō)，起到了至關(guān)重要的支承、潤(rùn)滑和冷卻作用。
柱塞孔7中的高壓水還通過(guò)柱塞中心孔51、柱塞球頭中心孔52及滑靴中心孔53分別導(dǎo)至柱塞球頭與滑靴球窩、滑靴底與摩擦盤(pán)兩對(duì)摩擦副，對(duì)此兩對(duì)摩擦副起靜壓支承、潤(rùn)滑和冷卻作用；泵出口47與流道46和壓出閥閥腔43連通，泵出口的高壓水通過(guò)流道46、壓出閥閥腔43、流道40、39、37、28、27、29等導(dǎo)入推力盤(pán)16與推力軸承30對(duì)偶摩擦副之間，起靜壓支承、潤(rùn)滑和冷卻作用。通過(guò)推力盤(pán)16與推力軸承30對(duì)偶摩擦副的高壓水流出至環(huán)形腔室19到主軸55中的徑向流道23并分成兩路一路通過(guò)主軸55上的流道24進(jìn)入主軸與前滑動(dòng)軸承25之間的間隙，對(duì)主軸與前滑動(dòng)軸承起支承、潤(rùn)滑和冷卻作用，并通過(guò)前端蓋26上的流道20及18返回至低壓泵腔36中；另一路經(jīng)過(guò)主軸上的流道42、45引至主軸與后滑動(dòng)軸承44、止推軸承48之間，起支承、潤(rùn)滑和冷卻作用，并通過(guò)主軸與后滑動(dòng)軸承之間的間隙返回至低壓泵腔36中。
該泵的主要摩擦副采用了耐蝕合金、陶瓷或高分子復(fù)合材料等耐蝕、耐摩、自潤(rùn)滑的高性能材料，可以有效保證在水潤(rùn)滑條件下獲得高的可靠性和使用壽命。具體是這樣實(shí)現(xiàn)的柱塞孔7中鑲嵌碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料缸套9，并與耐蝕合金柱塞11組成對(duì)偶摩擦副。缸套9通過(guò)過(guò)盈和粘接劑粘接的雙重方法與柱塞孔7牢固地組合成一體。柱塞11分成兩部份一部分是由耐蝕合金材料制成的柱塞11，另一部分是由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料制成的半球頭12，二者通過(guò)粘接劑粘接的方法復(fù)合而成?；ヒ彩怯蓛刹糠謴?fù)合而成由耐蝕合金制成的滑靴靴體13和由碳纖維增強(qiáng)的高分復(fù)合材料或陶瓷材料制成的滑靴靴底14，二者通過(guò)過(guò)盈及粘接的雙重方法復(fù)合在一起。摩擦盤(pán)15可以用整體陶瓷材料或耐蝕合金材料制成。這樣球頭與球窩摩擦副就是碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料與耐蝕合金材料對(duì)偶，靴底與摩擦盤(pán)摩擦副就是碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料與耐蝕合金材料或陶瓷材料對(duì)偶。
另外，為保證主軸55的強(qiáng)度和剛性，主軸采用耐蝕合金材料制作，與之焊接成一體的推力盤(pán)16則也用同種耐蝕合金制成；與推力盤(pán)對(duì)偶的推力軸承30、與主軸對(duì)偶的前滑動(dòng)軸承25、后滑動(dòng)軸承44以及止推軸承48則均用碳纖維增強(qiáng)的高分復(fù)合材料制成。推力軸承30通過(guò)銷(xiāo)17鑲嵌在前端蓋26上，前滑動(dòng)軸承、后滑動(dòng)軸承以及止推軸承則均采用過(guò)盈和粘接劑粘接的雙重方法分別與前端蓋26及缸體41牢固的組合在一起。
這樣，本發(fā)明的水泵所用的主要摩擦副對(duì)偶材料均是由高分子復(fù)合材料與耐蝕合金、高分子復(fù)合材料與陶瓷、或耐蝕合金與陶瓷組成，既保證了水液壓泵中結(jié)構(gòu)零部件的耐蝕性、強(qiáng)度、韌性和剛度，又保證了對(duì)偶摩擦副的自潤(rùn)滑、耐摩、減摩等摩擦學(xué)特性，能夠有效地避免在高速、重載且是水潤(rùn)滑工況下摩擦副間的粘著摩損、腐蝕摩損和卡死等現(xiàn)象，可大大改善對(duì)偶摩擦副的摩擦學(xué)特性，有效降低對(duì)偶摩擦副的摩擦、減小摩損和提高工作可靠性和使用壽命。
本發(fā)明采用以上技術(shù)的水液壓泵，其綜合技術(shù)性能指標(biāo)(包括壓力、流量、效率、噪聲、比功率等)完全能夠與現(xiàn)有同樣規(guī)格的油壓泵媲美。
權(quán)利要求
1.一種軸向柱塞式水液壓泵，其缸體內(nèi)周向均勻分布與缸體軸線平行的柱塞孔，柱塞滑靴組件的柱塞置于鑲嵌于柱塞孔的缸套之中，置于缸體中心的中心彈簧通過(guò)球鉸和回程盤(pán)將每個(gè)柱塞滑靴組件之滑靴與摩擦盤(pán)壓緊；主軸的前、后軸徑分別置于前端蓋中心和缸體中心，主軸通過(guò)其推力盤(pán)連接斜盤(pán)，摩擦盤(pán)嵌于斜盤(pán)內(nèi)，推力盤(pán)與推力軸承滑動(dòng)連接，后者鑲嵌在前端蓋上，其特征在于吸入閥位于缸體上，與其對(duì)應(yīng)的壓出閥位于后端蓋，柱塞孔、柱塞滑靴組件、吸入閥及壓出閥的數(shù)目相等并隨柱塞孔的位置軸向成組布置；柱塞開(kāi)有柱塞中心孔、柱塞球頭中心孔，滑靴開(kāi)有滑靴中心孔；后端蓋、缸體、泵殼、前端蓋上分別開(kāi)有流道，所述各流道一端連通壓出閥閥腔，另一端連通推力盤(pán)和推力軸承對(duì)偶摩擦副之間隙，推力軸承中心部位開(kāi)有環(huán)形腔室；主軸和推力盤(pán)接成一體，接合部開(kāi)有徑向流道，連通主軸內(nèi)軸向流道，后者連通主軸后端面并在兩端開(kāi)有徑向流道，連通主軸前、后軸徑表面。
2.如權(quán)利要求1所述的軸向柱塞式水液壓泵，其特征在于缸套由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料構(gòu)成，與柱塞孔牢固組合；柱塞由耐蝕合金構(gòu)成，主軸及與之接成一體的推力盤(pán)采用耐蝕合金材料，與推力盤(pán)對(duì)偶的推力軸承、與主軸對(duì)偶的前滑動(dòng)軸承、后滑動(dòng)軸承以及止推軸承均采用碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的軸向柱塞式水液壓泵，其特征在于所述柱塞滑靴組件的柱塞由兩部分組成由耐蝕合金材料制成的柱塞和由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料制成的半球頭兩部分粘接復(fù)合為一體；滑靴亦由兩部分組成由耐蝕合金材料制成的滑靴靴體和由碳纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料或陶瓷材料制成的滑靴靴底兩部分復(fù)合為一體。
全文摘要
軸向柱塞式水液壓泵，屬于液體變?nèi)輽C(jī)械；泵類(lèi)，兼顧閥配流和端面配流柱塞式水液壓泵的優(yōu)點(diǎn)，并要減小徑向尺寸和體積、減輕重量、提高比功率和容積效率、延長(zhǎng)使用壽命。本發(fā)明采用平板閥配流，柱塞及柱塞孔在相對(duì)于主軸的圓周上軸向均布，靠斜盤(pán)和中心彈簧實(shí)現(xiàn)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞、柱塞球頭和滑靴開(kāi)有中心孔；后端蓋、缸體、泵殼、前端蓋上分別開(kāi)有流道、推力軸承中心部位有環(huán)形腔室，主軸內(nèi)有軸向流道，表面開(kāi)有徑向流道，各流道連通使所有摩擦副直接水潤(rùn)滑和冷卻，主要摩擦副采用了耐蝕合金、陶瓷或高分子復(fù)合材料，可有效降低摩擦，延長(zhǎng)工作壽命，體積小、重量輕、容積效率高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)，能適用于海水、淡水及高水基等低粘度液壓介質(zhì)。
文檔編號(hào)F04B1/12GK1434209SQ0311863
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者楊曙東, 李壯云, 朱玉泉 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)