【技术领域】

本发明涉及容积式液压泵， 具体涉及一种柱塞式水泵， 更具体地涉及一种 全水滑润超高压柱塞式水泵。

【背景技术】

随着世界能源危机的出现及人们环保意识的提 高， 以及水介质本身所具有 的特殊理化特性， 使水液压技术在许多领域（如水下作业， 载人潜器浮力调节 等）具有油压系统无法比拟的优势， 从而使得水液压技术得到了快速的发展。

但由于水的粘度约为常用液压油的 1/30 1/50, 不易形成水膜， 润滑性差， 同时由于水特别是海水的腐蚀性强， 材料的选择上受到了限制， 这给水压元件 摩擦副的设计带来很大困难， 因此， 相对油压泵， 较成熟的轴向水压泵的压力 以中高压为主， 压力为 12-21MPa为主。

现有技术的一种全水润滑的海 /淡水泵釆用配流盘配流， 其流量从 10L/min 到 170L/min, 压力达到 14 ~ 16MPa, 总效率大于 82%, 该系列泵的结构原理图 如附图 1 所示， 具有结构紧凑、 摩擦副全部由水润滑、 维护方便的优点， 但该 泵存在以下几点不足：

最高工作压力为 16MPa, 不满足特殊场合的需要，如大深度（下潜深度 大于 3000米）载人潜器浮力调节系统的要求。

釆用配流盘配流， 一方面对污染敏感， 不适合用于开式系统中， 另一方面 难以保证高压化后的容积效率。

3. 釆用斜盘滑靴机构， 柱塞对缸体的侧向力较大， 高压化后该对摩擦副将 磨损严重。 更高压力的水压泵常釆用曲柄连杆结构， 主要摩擦副釆用矿物油润滑的油 水分离结构， 该结构的水压泵是目前国际上使用最广的超高 压水泵之一， 如现 有技术的一种三柱泵， 压力范围为 55~275MPa。 但该结构水泵主要存在的问题：

1 )转速较低（ 100~500rev/min ) , 体积大， 功率重量比低； 如果提高转速 可以减小泵的体积， 但是水腔和润滑油腔之间的密封件将发热严重 ， 容易失效， 尤其是在高压情况下这种情况将会加剧； 与此同时， 密闭润滑油腔的油液也会 由于散热不畅而造成温度升高， 从而引起油液变质。

2 )需要釆用油进行润滑， 势必造成油污染， 另外将其用于深海环境时， 需 要添加压力补偿装置， 使得其整体结构复杂。

【发明内容】

本发明实施例的目的在于提供一种柱塞式水泵 ， 其可实现所有摩擦副的水 润滑， 并保证在超高压工作条件下， 该泵具有较高的容积效率和功率重量比， 同时减小摩擦副在高速重载条件下的摩擦磨损 ， 提高泵的使用寿命。 该泵适宜 以海水或淡水作为工作介质， 也适宜以其他低粘度流体作为工作介质。

本发明实施例提供的一种柱塞式水泵包括泵主 体、 旋转单元以及柱塞配流 单元， 其中， 该泵主体包括腔体、 水泵入口以及水泵出口； 该旋转单元包括旋 转主轴， 并设于该泵主体内； 该柱塞配流单元设于该泵主体内， 该柱塞配流单 元包括配流阃组件、 柱塞滑靴组件以及支承阃组件， 其中， 该柱塞滑靴组件设 于该腔体内， 并将该腔体分成相互独立的高压腔、 低压腔以及润滑腔， 该支承 阀组件与低压腔流体相通， 该配流阀组件与高压腔流体相通， 该旋转单元设于 该润滑腔内并经过流道及支承阃组件与该低压 腔流体连通， 该柱塞滑靴组件在 该旋转主轴的带动下进行往复运动， 进而促使该配流阀组件和该支承阀组件协 同作业， 使得该配流阃组件通过水泵入口和水泵出口进 行吸水和排水动作， 同 时使得该支承阀组件向该旋转单元提供流体润 滑。 根据本发明的一优选实施例， 该配流阀组件包括一体设置的吸入阀与压出 阀， 其中， 该吸入阀的入口与该水泵入口流体连通， 该压出阀的出口与该水泵 出口流体连通， 该吸入阀的出口与该压出阀的入口流体连通。

根据本发明的另一优选实施例， 该旋转单元还包括依次设于该旋转主轴上 的复位弹簧、 回程盘和斜盘， 该柱塞滑靴组件包括阶梯柱塞、 连杆和滑靴， 其 中该连杆通过球铰副在该连杆的两端分别与该 阶梯柱塞和该滑靴可动连接， 该 腔体内还设有柱塞通道， 该阶梯柱塞的一端可滑动设置于该柱塞通道内 ， 其中， 该回程盘的一侧与该复位弹簧相接触， 该回程盘的另一侧与该滑靴相接触， 在 该复位弹簧的作用下该回程盘使得该滑靴的底 部紧贴于该斜盘的表面， 进而使 得该斜盘的旋转运动经该滑靴、 该连杆传递到该阶梯柱塞， 促使该阶梯柱塞在 该柱塞通道内往复运动， 所述阶梯柱塞的小直径端和大直径端分别与所 述柱塞 通道间形成相互独立的所述高压腔和所述低压 腔。

根据本发明的又一优选实施例， 该柱塞滑靴组件还包括设于该柱塞通道内 的阶梯柱塞套， 该阶梯柱塞设于该阶梯柱塞套内， 并与该阶梯柱塞套直接可滑 动接触。

根据本发明的又一优选实施例， 该阶梯柱塞包括设于其表面的凹坑以及径 向设置的与该高压腔流体连通的阻尼孔， 该凹坑与该阻尼孔相连通。

根据本发明的又一优选实施例， 该斜盘的与该滑靴的底部接触的该表面上 镶有高分子材料耐磨层， 该高分子材料耐磨层可以为 PEEK或聚四氟乙烯。

根据本发明的又一优选实施例， 该连杆与该阶梯柱塞形成球铰副的球头端 釆用两个半球环卡紧， 该半球环的表面加工有螺紋， 该半球环与该阶梯柱塞或 者该连杆之间螺紋连接。

根据本发明的又一优选实施例， 该支承阀组件包括支承吸入阀和支承压出 阀， 该低压腔与该支承吸入阀的出口和该支承压出 阀的入口流体连通， 该旋转 单元还包括与该旋转主轴配合的轴向滑动轴承 和径向滑动轴承， 该旋转主轴和 该泵主体的内部分别设置有流体通道， 该流体通道相应地使该承压出阀与该轴 向滑动轴 7 和径向滑动轴 7 保持流体连通 , 从而实现对该轴向滑动轴 7 和该径 向滑动轴承的润滑和支承。

根据本发明的又一优选实施例， 该柱塞滑靴组件的滑靴的底部设有阶梯形 的支承腔， 该支承腔与该低压腔流体连通； 该旋转单元还包括设于该泵主体的 内部的阻尼器， 该轴向滑动轴承的一端面设有环形槽， 该环形槽与该阻尼器流 体连通， 该阻尼器还通过该泵主体的内部设置的流道与 该支承压出阀的出口流 体连通。

1.该水泵的所有摩擦副均由工作介质水进行� ��滑， 减小了泵的体积， 同时使 得泵工作中产生的热量被工作介质带走， 保证该泵较低的热平衡温度； 全水润 滑使该泵无需定期更换润滑油， 简化了维护， 降低了使用成本， 同时解决了润 滑油可能外泄造成的环境污染， 具有环境友好的特点。

2. 阶梯柱塞与阶梯柱塞套间形成的两个密闭容腔 分别与相互独立的配流阀 组件和支承阀组件相通， 使超高压泵输出的高压水与用于静压支承和润 滑的低 压水相互独立， 保证了超高压水泵的超高压条件下的容积效率 和摩擦副高速重 载条件下的流体支承与润滑。

3. 通过动静压混合流体支承， 解决了高速重载条件下， 滑动轴承在水润滑 工况下严重的摩擦磨损问题， 实现高压水泵的全水润滑。 全水润滑超高压水泵 具有环保， 维护方便优点， 特别在深海使用时， 与油水分离的高压水泵相比， 无需增加压力补偿器， 简化了结构， 提高了可靠性。

4. 斜盘连杆的驱动结构形式， 减小了柱塞对阶梯柱塞套的侧向力， 从而减 轻这对摩擦副的磨损。

5. 阶梯柱塞可降低超高压条件下，连杆球头与柱 塞及滑靴副间的接触比压， 增加滑靴流体支承的面积， 从而可提高滑靴与斜盘间的流体支承和润滑性 能。

6. 位于柱塞的球形凹坑还通过细小阻尼孔与高压 腔连通， 使柱塞与阶梯柱 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。 柱塞表面 的凹坑还具有减小配合面接触应力、 限制磨粒运动及形成局部动压支承的作用， 从而解决高速重载条件下柱塞副的磨损问题， 提高了超高压泵的使用寿命。

7. 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， 缩短维护时间。 配流阀釆用球阀结构， 同时釆用软硬结合密封形式， 阀座为 PEEK (聚醚醚酮）， 阀芯为陶瓷， 结构简凑， 不仅提高了高压条件下密 封可靠性， 同时降低阀芯与阀座之间的撞击声， 从而降低泵的整体噪声。 阀芯 釆用工程陶瓷， 由于陶瓷相对金属具有硬度高、 密度小的特点， 因此提高抗气 蚀的能力， 同时减小阀芯的重量， 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】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对实施例描述中所 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。 其中

图 1 为现有技术的柱塞泵的结构原理图；

图 2为才艮据本发明实施例的柱塞式水泵的结构� �意图， 其中图 2a中显示了 对应高压腔容积最小时的状态， 图 2b中显示了对应高压腔容积最大时的状态； 图 3为图 2中所示柱塞式水泵的配流阀组件的结构示意� �；

图 4为图 2中所示柱塞式水泵的柱塞滑靴组件的结构示� �图；

图 5为图 4中所示柱塞滑靴组件的半球环的结构示意图� � 以及

图 6为图 4中所示柱塞滑靴组件的阶梯柱塞的局部结构� �意图， 具体显示 了其中的抗卡死阻尼结构。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说 明。 根据本发明实施例的柱塞式水泵的结构示意图 如图 2所示。 该柱塞式水泵 包括泵主体、 旋转单元以及柱塞配流单元等模块。 其中， 该泵主体包括腔体以 及水泵入口和水泵出口。 该旋转单元包括旋转主轴 1。 该柱塞配流单元主要包括 柱塞滑靴组件 23、 配流阀组件 13以及支承阀组件。 其中该支承阀组件包括支承 吸入阀 17和支承压出阀 18。 该柱塞滑靴组件 23设于该腔体内， 并将该腔体分 成相互独立的高压腔 16、 低压腔 19 以及润滑腔 28 , 该支承阀组件与该低压腔 流 19体相通， 该配流阀组件 13与该高压腔 16流体相通， 该旋转单元设于该润 滑腔 28内并经过流道该支承阃组件与该低压腔流体� ��通。

如图所示， 泵主体主要由端盖 10、 缸体 9以及壳体 3组合而成。 其中缸体 9的一端连接壳体 3 , 另一端设有端盖 10, 端盖 10、 缸体 9和壳体 3内的空腔 共同组成了上述的腔体。 旋转主轴 1固定于缸体 9和壳体 3所构成的润滑腔 28 内。 以旋转主轴 1为中心沿同一圓周均勾分布有多个柱塞配流� �元（一般为 3~7 个， 具体数量根据不同使用环境对水压泵流量脉动 的不同要求确定） 。 下面将 详细描述具体结构和工作过程。

后端盖 10左端面加工有两螺紋孔， 分别为超高压水泵的入口和出口， 右端 面加工有通流孔 11和环形通流槽 14。 在后端盖 10的径向均勾分布有与柱塞配 流单元数相等的阶梯孔， 阶梯孔的外侧加工有螺紋， 用于配流阀组件 13的安装 与固定， 配流阀组件安装到位以后， 再安装锁紧螺母 12将配流阀组件 13锁死， 预防配流阀组件 13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。

配流阀组件如图 3所示， 包括阀体 27、 吸入阀和压出阀， 吸入阀的入口通 过环形通流槽 14与水泵入口相通， 吸入阀的出口与压出阀入口相通， 压出阀的 出口与水泵出口相通。 图中阀体 27的上部分安装压出阀， 下部分安装吸入阀。 压出阀从上至下依次为压出阀锁紧螺母 35、 压出阀弹簧 34、 压出阀阀芯 33、 压 出阀阀座 32, 吸入阀从上至下依次为吸入阀弹簧 31、 吸入阀阀芯 30、 吸入阀阀 座 29、 吸入阀锁紧螺母 28。 压出阀和吸入阀相接处既作为吸入阀的出口又 作为 压出阀入口。 将吸入阀与压出阀设计成组件的形式， 维护时配流阀组件可进行 整体更换， 使得故障平均可修复时间 MTTR ( Mean Time To Repair, 平均修复 时间）得到减小， 提高了现场的可维护性。

配流阀组件釆用径向布置， 减小水泵的轴向尺寸， 提高了功率重量比。 配 流阀密封形式釆用球阀， 同时釆用软硬配对， 阀座为 PEEK, 阀芯为陶瓷， 结构 简凑， 不仅提高了高压条件下的密封可靠性， 同时降低了阀芯与阀座之间的撞 击声， 从而降低水泵的整体噪声。 阀芯釆用陶瓷， 由于陶瓷相对金属， 具有硬 度高， 密度小的特点， 因此提高抗气蚀能力； 同时有利于减小阀芯的重量， 提 高配流阀的响应特性， 减小配流阀的滞后时间， 从而提高了高速下容积效率。

缸体 9加工有流道 8 ,使水泵入口与润滑腔相通。缸体 9沿轴向加工有与柱 塞相同的阶梯孔， 在径向分布有两倍于柱塞数的阶梯孔， 其中两个一组与轴向 阶梯相通。 轴向阶梯孔内安装阶梯柱塞套 7 ,每一组径向分布的阶梯孔分别用于 安装支承吸入阀 17和支承压出阀 18, 支承吸入阀 17的入口通过流道 15、 后端 盖的环形通流槽 14与超高压海水泵的入口相通。 阶梯柱塞套 7内安装有阶梯柱 塞组件 23 , 如图 4所示。 阶梯柱塞组件 23包括阶梯柱塞 36、 半球环 38、 连杆 37和滑靴 39。 连杆 37加工有细长阻尼孔与滑靴 39的底部支承腔 42相通， 支 承腔 42为多级阶梯形结构。 在阶梯柱塞较大直径端有阶梯形螺紋孔， 螺紋孔底 部加工有球窝。 每一个柱塞组件 23有两个半球环 38, 如图 5所示， 两者由事先 已加工好外螺紋和球窝的零件切开而形成两个 零件， 其外螺紋与柱塞的内螺紋 相配合， 球窝与连杆球头相配合。 连杆 37两端是大小不同球头， 将小球头与柱 塞内球窝相配合， 然后将一对半球环旋入阶梯柱塞 36的螺紋内， 使连杆与阶梯 柱塞 36连接， 两者间形成球铰副。 该结构消除了常用滚压法安装连杆小球头和 柱塞时在柱塞表面产生的塑性变形， 提高了柱塞表面与柱塞孔间的配合精度， 使密封性和摩擦性能都得到了提高。 连杆的大球头与滑靴的球窝配合， 可通过 滚压成型使两者相连， 形成球铰副。 阶梯柱塞 36较小直径端表面加工有球形凹 坑 41和细小阻尼孔 40, 如图 6所示。 斜盘连杆式驱动结构， 主要是减小阶梯柱塞 36与阶梯柱塞套 7间的侧向力 以及阶梯柱塞 36所受的弯矩。 柱塞小直径端与阶梯柱塞套 7之间的容腔为高压 腔 16, 该腔压力水通过位于端盖上的配流阀与水泵出 口相通， 输出超高压压力 水； 而柱塞大直径端与阶梯柱塞套 7之间则形成低压腔 19 , 该低压腔 19与滑靴 39支承腔 42相通， 实现滑靴 39与斜盘间的静压支承，静压支承与滑靴 39底部 的多级阶梯结构的支承腔 42产生的动压支承共同作用提高滑靴与斜盘间� ��支承 性能， 用于支承的水介质通过滑靴 39与斜盘的轴向间隙流入润滑腔 28 (如图 2 所示） ， 而润滑腔与泵入口相通。 低压腔 19还与支承吸入阀 17 出口和支承压 出阀 18入口相通， 通过支 压出阀 18对轴向滑动轴 6、 径向滑动轴 5和 20提供压力支承， 实现动静压混合支承和润滑。 阶梯柱塞 36表面的球形凹坑 41通过细小阻尼孔 40及位于阶梯柱塞头部的一排凹坑与高压腔 16相连通， 使 阶梯柱塞 36与阶梯柱塞套 7间形成双阻尼效应， 解决了为提高超高压泵的容积 效率而减小阶梯柱塞套 7与阶梯柱塞 36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。 这些凹坑不仅减小配合面接触应力、 限制磨粒运动， 而且形成局部动压支承。 通过连杆机构、 二级阻尼、 表面形貌设计等方法， 解 决了高速重载条件下柱塞副的磨损问题。

旋转主轴 1左端通过径向滑动轴承 20分别与缸体 9相连， 右端通过轴向滑 动轴承 6和径向滑动轴承 5与壳体 3相连， 并通过机械密封 2从壳体 3伸出。 轴向滑动轴承 6左端面加有环形槽和球形凹坑， 环形槽连通阻尼器 4, 阻尼器 4 通过壳体 3上的流道 26与支承压出阀 18的出口相通， 通过阻尼器 4可使轴向 滑动轴承 6支承压力随负载而变化。 旋转主轴 1上加工有流道 27 , 使压力水可 以经轴向滑动轴承 6的内侧流至径向滑动轴承 5及 20, 提供压力支承， 润滑和 冷却， 用于润滑和冷却的这部分水介质通用轴向滑动 轴承 6及径向滑动轴承 5 和 20流入了壳体 3和缸体 9所构成的润滑腔 28,并经过缸体上与润滑腔相通的 流道 8流至泵的入口。 径向滑动轴承 5及 20设计成偏心的结构， 在介质水的作 用下， 形成动压， 实现动压力混合支承和润滑。 旋转主轴 1 上加工有侧面与旋 转主轴成一定倾角 （7~15度）的斜盘 24 , 斜盘左侧镶有高分子材料 (如 PEEK 、 聚四氟乙烯)， 使高分子材料直接与滑靴相接触， 提高两者的摩擦特性。

该超高压水泵的工作过程是这样实现的： 旋转主轴 1 顺时或逆时针转动， 斜盘 24随旋转主轴一起转动。 复位弹簧 21通过球铰 25和回程盘 22将作用力 均匀地施加于滑靴 39之上， 使滑靴 39紧贴在斜盘上滑动。 阶梯柱塞 36通过连 杆 37受到斜盘 24给滑靴的作用力， 使阶梯柱塞 36在阶梯柱塞套 7中作往复运 动。 当斜盘沿极限位置即高压腔 16容积最小 (如图 2a所示）位置开始运动时， 配流阀组件 13的压出阀阀芯 33处于关闭状态。 滑靴 39在回程盘 22的压紧力 作用下， 带动阶梯柱塞 36向右运动， 封闭的高压腔 16的容积逐渐增大， 压力 下降， 当下降到一定值时， 吸入阀阀芯 30因入水口的压力大于高压腔 16 内的 压力和吸入阀弹簧作用力的合力时， 吸入阀开启， 水由水泵入口进入吸入阀入 口再流入高压腔 16中， 实现吸水。 当斜盘从如图 2a所示极限位置转过 180。后 到达图 2b所示位置即为高压腔 16容积最大时， 此时阶梯柱塞 36处于全部外伸 的状态。 旋转主轴 1继续旋转， 滑靴 39受斜盘 24的作用力， 推动柱塞 39向左 动运， 高压腔 16的容积为逐渐减小， 高压腔内的压力升高， 将吸入阀关闭， 同 时克服压出阀弹簧 34作用力及水泵水口压力的合力， 将压出阀芯 33打开， 使 高压腔 16内的高压水经压出阀出水口流出水泵出口， 实现排水。 当旋转主轴旋 转一周， 各柱塞吸水及排水各一次， 随着旋转主轴的不断旋转， 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。 在旋转主轴旋转 360。 的过程中， 阶梯柱塞 36与阶梯柱塞套 7形成的低压腔 19也在做相应的变化， 容积变大时， 通过支 7 吸入阀 17吸水， 当容积变小时， 一部分压力水通过流道 流至连杆球铰副内， 并经连杆流入滑靴 39底部， 支承滑靴； 另一部分压力水经 缸体上的流道 26, 流至阻尼器 4, 经阻尼器 4流至轴向滑动轴承 6的环形槽内， 起支承与润滑的作用。 从轴向滑动轴承 6 内侧流出的压力水通过旋转主轴内的 流道 27 , 流至左右径向滑动轴承 5及 20 , 提供静压支承， 加上径向轴承自身的 动压支承， 实现动静压混合支承和润滑。 以上针对本发明的一优选实施例进行了相应介 绍。 需要说明的是， 以上实 施例可以有多种变型。 比如， 可以省去阶梯柱塞套 7 , 而将阶梯柱塞 36直接放 置于腔体内对应的柱塞通道内。 此外， 图 4中所示的柱塞滑靴组件 23中的阶梯 柱塞 36的大直径端为球窝结构，而连杆 37与阶梯柱塞 36的连接端设置为球头， 而实际应用中， 可以不受此限， 球头也可以设置在阶梯柱塞上 36上， 对应地球 窝设置在连杆上， 这时需要半球环 38与连杆 37之间螺紋连接。 此外， 尽管本 发明实施例是以高压全水润滑水泵进行的说明 。 但是， 本发明并不受限于此， 本发明实施例可以应用于非全水润滑的、 甚至压力不是^^高的柱塞泵。 具体以 权利要求所覆盖的范围为准。

在上述实施例中， 仅对本发明进行了示范性描述， 但是本领域技术人员在 阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神 和范围的情况下对本发明进行各 种修改。