CN114934886A - 一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，以解决柱塞泵超高压高速工况下的技术难题。柱塞泵缸体和主轴采用分体式设计，二者通过花键连接传动，并且使用前后两轴承对缸体进行复合支撑，使得缸体受到的不平衡侧向力引起的弯曲力矩可以由装在缸体上的前后轴承所承担，缸体受到的负载力及弯矩作用也更加均衡，主轴只需传递扭矩，极大地减小了主轴的挠度，解决了超高压高转速工况下缸体易倾覆以及主轴挠度大影响与缸体紧密关联的配流副及柱塞副密封、润滑、承载等问题。缸体前后凸台外径都可以优化设计成最小，能实现最大程度地减小缸体外表面与支撑轴承接触面之间的相对转动线速度与PV值，降低了柱塞泵缸体外径过大导致的轴承设计难度。

Description

一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵

技术领域

本发明涉及流体传动与控制技术领域，尤其涉及一种超高压高速斜盘式轴向柱塞泵。

背景技术

液压***在重型工业机械、大型装备、军工航天等众多关键性领域占据着重要的地位，液压泵作为液压***的主要动力元件，其性能直接影响液压***的正常工作。轴向柱塞泵与其它类型的液压泵相比，具有压力等级高，变量简单，流量调节范围大，结构尺寸紧凑，容积效率高等优点，因此广泛应用于各类机械装备的液压***中，其性能直接影响着各类机械装备的性能。

随着科技的发展，工业领域对柱塞泵的性能要求越来越高，超高压、高效率、大功率质量比已经成为当前轴向柱塞泵的主要发展趋势。提高额定压力等级是降低能耗和提高功率重量比的最佳解决方案。在相同功率下，高压力可以降低负载流量，意味着液压元件与***的体积和重量都将减小，节约材料与制造费用。此外，小流量不但降低压力损失，提高传动效率，而且将减少石油基传动介质的使用量以及环保处理成本。35MPa压力等级体制已经统治液压行业30多年，一直未有突破，近几年国外学术界和工业界持续研讨下一代液压元件的额定压力等级，迹象表明，开发研制更高额定压力等级的液压元件已是必然趋势。高额定压力将面临缸体倾覆力矩增大、摩擦副偶件间隙的内泄漏增加、摩擦副PV值增高以及振动噪声加剧等一系列难题，给液压元件的设计与制造带来严峻挑战，但同时也给国内液压行业带来机遇，因此高压化是国内企业自主创新和可持续发展的必由之路。

高额定压力诱使主轴挠度增大、缸体倾覆加剧，危害缸体配流盘摩擦副以及缸体柱塞摩擦副的正常工作，促使缸体配流盘、缸体柱塞摩擦副偶件间隙的内泄漏增加，诱导摩擦副发生偏磨直至磨损失效，是超高压高速轴向柱塞泵需要解决的关键技术问题之一。调研国内外超高压柱塞泵缸体结构，主要有两种方案，一种方案是改变传统轴向柱塞泵盘配流为阀配流型式，缸体采用固定静止结构而不是像传统轴向柱塞泵中缸体为随主轴旋转结构，另一种方案是在缸体外圈采用轴承冗余支撑型式，强制限制缸体径向位移。综合两种方案，第一种阀配流方案轴向柱塞泵的额定流量与变量控制性能受到配流阀性能的极大制约，第二种方案当轴向柱塞泵排量较大时缸体直径往往也较大，装在缸体外圈的轴承需要承受更大的PV值，增大了轴向柱塞泵的径向尺寸，使得轴向柱塞泵额定工作压力与转速受到外圈轴承设计与性能的制约。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，目的是解决在超高压高转速工况下柱塞泵缸体易倾覆以及主轴挠度大影响到缸体紧密关联的配流副及柱塞副密封、润滑、承载等工作性能问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，包括缸体，前轴承，后轴承，主轴，弹簧，摇摆座，斜盘，滑靴，柱塞，轴套，配流盘，回程盘，辅助泵，伺服活塞，控制阀，弹簧底座，压缩弹簧，调节螺钉，限位螺堵，拨块，密封件，轴端盖，后端盖，O形圈，固定螺钉；所述缸体包括圆柱形缸体主体、前凸台和后凸台，所述圆柱形缸体主体、前凸台和后凸台构成一个整体，缸体主体上均匀分布多个轴向柱塞孔，柱塞孔内装有柱塞，柱塞与缸体轴线平行，缸体主体侧面开设多个润滑导油孔；所述密封件安装在主轴与前端盖之间，所述轴端盖通过螺钉固定安装在前壳体上，同时在轴端盖与密封件之间安装有O形密封圈；所述前轴承内圈安装在主轴上，由主轴上的轴肩、摇摆座左端面以及垫片、弹性挡圈轴向限位；所述柱塞与滑靴通过球铰副铰接形成柱塞滑靴组件，回程盘通过球铰支承扣压在滑靴上，斜盘安装在摇摆座上；通过伺服变量机构推动改变斜盘倾斜角度进行变量，所述伺服变量机构包括伺服活塞、控制阀、拨块、伺服活塞大弹簧、限位块和调节螺钉，伺服活塞由螺堵和限位块定位，压缩弹簧底部固定在弹簧座上，并且沿活塞方向螺旋缠绕，伺服活塞的运动受功率阀与控制阀以及调节螺钉控制，所述的控制阀通过螺栓固定在后端盖上部；所述的配流盘通过销钉固定安装在后端盖上，其正面与缸体底面贴合，背面与后端盖贴合；所述的后端盖内部设置辅助泵、进出油流道、轴套、密封圈，后端盖内部的流道为流线型，流道与配流盘上的槽口连接，后端盖的中心有一段与主轴上轴承的外圈配合，后端盖中心孔的直径设定成梯形以配合轴承，并限定轴承的轴向位移；所述的后端盖通过固定螺钉与外壳体连接，并由滚针轴承支承在主轴上，主轴末端设有花键与内齿轴套连接，内齿轴套外侧开有键槽，通过平键与辅助泵中的小齿轮连接；

所述的缸体，通过在缸体中心孔上的花键结构与主轴连接，主轴再与原动机连接。所述前凸台包括前凸台第一段、前凸台第二段和前凸台第三段，前凸台第一段与缸体主体为一体式结构，前凸台第二段与前凸台第一段为一体式结构，前凸台第三段与前凸台第二段为一体式结构，三段凸台结构分别与泵的其它零部件安装装配，并依据相配合的泵的其它零部件的尺寸三段凸台结构的轴径随之逐渐减小，以实现与泵其它零部件的精密安装装配，其中，前凸台第三段用于安装轴承，实现与轴承的精密装配；前凸台第一段和前凸台第二段用于与泵中的球铰零件进行安装装配，所述的后凸台有段阶梯结构，用于安装垫圈和后轴承，以实现对缸体进行支撑定位；

所述的主轴分别由轴端前侧的圆柱滚子轴承和后端的滚针轴承支撑，缸体由缸体前凸台上的滚针轴承及后凸台上的滚针轴承支撑限位，支撑缸体的滚针轴承分别布置安装于缸体两侧延伸出来的前凸台第三段及后凸台上。

所述的主轴后端的支撑主轴的滚针轴承，以及缸体前凸台和缸体后凸台上的用于支撑缸体的滚针轴承，也可以替换为滑动轴承或者轴瓦。

所述的缸体主体侧面开设了9个沿着缸体径向的径向润滑导油孔，9个径向润滑导油孔围绕缸体一周均匀分布，贯穿直至缸体中心孔；与配流盘贴合的缸体底面也开设了9个轴向润滑导油孔；轴向润滑导油孔与径向润滑导油孔相连通。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1. 缸体由安装在前凸台结构第三段2上的前轴承和安装在后凸台结构9上的后轴承共同支撑，使得缸体负载力与弯矩作用更加均衡，克服了现有方案中完全由缸体外圈一个轴承支撑导致轴承与受到弯矩作用的缸体之间的侧向力局部区域增大致使摩擦磨损加剧难题，提高了超高压高转速工况下缸体的运动学、动力学性能；

2. 用于安装支撑限位缸体的前轴承和后轴承的前凸台结构第三段2及后凸台结构9，其外径可以依据轴承所需承受的超高压载荷和所允许的高速转动线速度来进行灵活的设计，具有比现有方案更大的设计灵活度和设计空间，相比于现有的在缸体主体外圈添加支撑轴承的缸体，前凸台结构第三段2及后凸台结构9的外径可以设计成远远小于缸体主体外径，同时不影响泵的排量，得益于外径的大大减小，支撑缸体的轴承所需承受的相对转动线速度也显著得到了降低，克服了现有方案中由于缸体主体外径较大，导致轴承线速度很大，由于轴承允许线速度和许用PV值的限制，使得泵所能达到的最高工作压力、最高转速和最大排量受到极大制约的难题，为超高压高转速泵的设计创造了极为有利的条件，尤其是大排量的泵。

附图说明

图1是柱塞泵半剖视图。

图2是柱塞泵外观示意图。

图3是柱塞泵伺服变量机构示意图。

图4是柱塞泵变量机构安装示意图。

图5是柱塞泵缸体主轴支承方案剖视图。

图6是柱塞泵缸体主轴支承部分剖视图。

图7是柱塞泵一体式结构缸体剖面图。

图8是柱塞泵一体式结构缸体正面与前凸台示意图。

图9是柱塞泵缸体导油孔结构示意图。

图10是柱塞泵缸体底面与后凸台示意图。

图11是柱塞泵缸孔有铜套的缸体剖视图。

图1-11标号为：1、前轴承（开口型冲压外圈滚针轴承），2、前凸台第三段，3、前凸台第二段，4、前凸台第一段，5、弹簧孔，6、弹簧，7、缸体主体，8、后轴承，9、后凸台，10、内花键，11、吸排油腰型槽，12、缸孔，13、柱塞，14、滑靴，15、外壳体，16、轴端盖，17、斜盘，18、后端盖，19、固定螺栓，20、伺服活塞，21、控制阀，22、拨块，23、弹簧底座，24、压缩弹簧，25、功率阀，26、调节螺钉，27、主轴，28、限位螺堵，29、圆柱滚子轴承，30、滚针轴承，31、轴套，32、密封件，33、摇摆座，34、卡簧，35、配流盘。

具体实施方式

如图1-11所示：

本发明提供一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，该柱塞泵包括前轴承（开口型冲压外圈滚针轴承）1，前凸台第三段2，前凸台第二段3，前凸台第一段4，弹簧孔5，弹簧6，缸体主体7，后轴承8，后凸台9，内花键10，吸排油腰型槽11，缸孔12，柱塞13，滑靴14，外壳体15，轴端盖16，斜盘17，后端盖18，固定螺栓19，伺服活塞20，控制阀21，拨块22，弹簧底座23，压缩弹簧24，功率阀25，调节螺钉26，主轴27，限位螺堵28，圆柱滚子轴承29，滚针轴承30，轴套31，密封件32，摇摆座33，卡簧34，配流盘35。

所述的缸体主体7上正面开有9个缸孔12和9个弹簧孔5，每个弹簧孔内均安装有弹簧6，缸体主体7底面开有9个吸排油腰型槽11，所述的9个吸排油腰型槽11与所述的9个缸孔12相连通，缸体主体侧面开了9个润滑导油孔。所述的缸体前凸台15由缸体主体7正面延伸而出，前凸台由前凸台第一段4、前凸台第二段3、前凸台第三段2三段组成，前凸台第一段4与缸体主体7连接，前凸台第二段3与前凸台第一段4连接，前凸台第三段2与前凸台第二段3连接，前凸台第三段2可用于安装前轴承1，所述的后凸台9由缸体主体7底面延伸而出，后凸台9用于安装后轴承8，前凸台第三段2及后凸台9轴径都允许可以优化设计成最小，使得与轴承接触面上的线速度最小，PV值最低，所述前凸台、缸体主体7和后凸台9为一个完整的一体式结构，共同构成缸体。缸体中间开有通孔，通孔上开有内花键10，主轴通过内花键10与缸体连接并驱动缸体旋转，缸体由前轴承1及后轴承8支撑并固定限位安装于外壳体15中。外接电动机驱动主轴27，主轴27通过花键带动缸体7旋转，而斜盘17和配流盘35在工作时是固定的，柱塞13头部装有滑靴14，两者之间为球面接触，采用静压支承结构使得滑靴与斜盘始终紧贴。当缸体7旋转时，在斜盘17和低压油的共同作用下，使柱塞13产生往复运动，各柱塞13与缸体7间的密封腔容积便发生增大或缩小的变化，通过配油盘35上的窗口进行吸油和压油。其中斜盘17与缸体7之间倾斜一定角度；伺服变量机构可以推动改变斜盘倾斜角度进行变量，当摆角为零时，泵为零排量（即排量为零），斜盘摆角由伺服活塞移动而改变，伺服活塞的运动受控制阀21与功率阀25以及调节螺钉26控制。

所述的伺服变量机构由伺服活塞20，控制阀体21，拨块22，弹簧底座23，压缩弹簧24，功率阀25，调节螺钉26，和限位螺堵28组成，服变量机构可以推动改变斜盘倾斜角度进行变量，具体结构如图3、4所示。

所述的主轴由圆柱滚子轴承和滚针轴承支承，缸体由一对滚针轴承支承，所述的缸体双凸台前后轴承支撑方案如图5所示。

缸体主体侧面开设了9个沿着缸体径向的径向润滑导油孔，9个径向润滑导油孔围绕缸体一周均匀分布，贯穿直至缸体中心孔；与配流盘贴合的缸体底面也开设了9个轴向润滑导油孔；轴向润滑导油孔与径向润滑导油孔相连通，解决了花键的润滑问题，减轻了花键的磨损，大大提高了花键的使用寿命，具体结构如图8所示。

本发明的工作过程如下：

如图1、3、4、6所示，缸体前凸台15由缸体主体7正面延伸而出，前凸台由前凸台第一段4、前凸台第二段3、前凸台第三段2三段组成，前凸台第一段4与缸体主体7连接，前凸台第二段3与前凸台第一段4连接，前凸台第三段2与前凸台第二段3连接，前凸台第三段2可用于安装前轴承1，所述的后凸台9由缸体主体7底面延伸而出，后凸台9用于安装后轴承8，前凸台第三段2及后凸台9轴径都允许可以优化设计成最小，使得与轴承接触面上的线速度最小，PV值最低，所述前凸台、缸体主体7和后凸台9为一个完整的一体式结构，共同构成缸体。缸体中间开有通孔，通孔上开有内花键10，主轴通过内花键10与缸体连接并驱动缸体旋转，缸体由前轴承1及后轴承8支撑并固定限位安装于外壳体15中。外接电动机驱动主轴27，主轴27通过花键带动缸体7旋转，而斜盘17和配流盘35在工作时是固定的，柱塞13头部装有滑靴14，两者之间为球面接触，采用静压支承结构使得滑靴与斜盘始终紧贴。当缸体7旋转时，在斜盘17和低压油的共同作用下，使柱塞13产生往复运动，各柱塞13与缸体7间的密封腔容积便发生增大或缩小的变化，通过配油盘35上的窗口进行吸油和压油。当缸孔自最低位置向上方转动时，柱塞17向左运动，柱塞端部和缸体7间的密封容积增大，通过配油盘37吸油窗口吸油；当缸孔自最高位置向下方转动时，柱塞13被斜盘17逐步压入缸体7，柱塞13端部和缸体7间的密封容积减小，通过配油盘37压油窗口压油。缸体每转一转，每个柱塞13各完成一次吸油和压油，缸体连续旋转，柱塞则不断地吸油和压油。其中斜盘17与缸体7之间倾斜一定角度；伺服变量机构可以推动改变斜盘倾斜角度进行变量，当摆角为零时，泵为零排量（即排量为零），斜盘摆角由伺服活塞移动而改变，伺服活塞的运动受控制阀21与功率阀25以及调节螺钉26控制。

所述的缸体前凸台结构分为前凸台第一段、前凸台第二段和前凸台第三段，前凸台第一段与缸体主体为一体式结构，前凸台第二段与前凸台第一段为一体式结构，前凸台第三段与前凸台第二段为一体式结构，所述的前轴承安装在前凸台第三段上。所述的缸体前凸台结构由前凸台第一段、前凸台第二段、前凸台第三段三段组成，三段凸台结构分别与泵的其它零部件安装装配，并依据相配合的泵的其它零部件的尺寸三段凸台结构的轴径随之逐渐减小，以实现与泵其它零部件的精密安装装配：前凸台第三段用于安装轴承，实现与轴承的精密装配；前凸台第一段和前凸台第二段用于与泵中的球铰零件进行安装装配，所述的缸体后凸台有段阶梯结构，用于安装垫圈和后轴承，以实现对缸体进行支撑定位。

所述的缸体安装在前凸台结构第三段2上的前轴承和安装在后凸台结构9上的后轴承共同支撑，使得缸体负载力与弯矩作用更加均衡，克服了现有方案中完全由缸体外圈一个轴承支撑导致轴承与受到弯矩作用的缸体之间的侧向力局部区域增大致使摩擦磨损加剧难题，提高了超高压高转速工况下缸体的运动学、动力学性能；用于安装支撑限位缸体的前轴承和后轴承的前凸台结构第三段2及后凸台结构9，其外径可以依据轴承所需承受的超高压载荷和所允许的高速转动线速度来进行灵活的设计，具有比现有方案更大的设计灵活度和设计空间，相比于现有的在缸体主体外圈添加支撑轴承的缸体，前凸台结构第三段2及后凸台结构9的外径可以设计成远远小于缸体主体外径，同时不影响泵的排量，得益于外径的大大减小，支撑缸体的轴承所需承受的相对转动线速度也显著得到了降低，克服了现有方案中由于缸体主体外径较大，导致轴承线速度很大，由于轴承允许线速度和许用PV值的限制，使得泵所能达到的最高工作压力、最高转速和最大排量受到极大制约的难题，为超高压高转速泵的设计创造了极为有利的条件，尤其是大排量的泵。

综上所述，本发明由于用于安装前轴承、后轴承的缸体前凸台结构及后凸台结构外径都允许可以优化设计成最小，因此可以实现最大程度地减小缸体外表面与支撑轴承接触面之间的相对转动线速度与PV值，克服了现有的柱塞泵缸体外圈单轴承支撑方案中由于缸体外径过大导致的轴承设计技术难度大问题，提高了轴承预期寿命与可靠性，通过前轴承及后轴承对缸体的共同固定限位作用，可以使得柱塞泵缸体负载力及弯矩作用更加均衡，同时主主轴只需传递扭矩，极大地减小了主轴的挠度以及缸体的倾覆，解决了高转速超高压工况下缸体易倾覆以及主轴挠度大影响与缸体紧密关联的配流副及柱塞副密封、润滑、承载等工作性能问题。

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包涵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 (3)

1.一种超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，其特征在于：包括缸体，前轴承，后轴承，主轴，弹簧，摇摆座，斜盘，滑靴，柱塞，轴套，配流盘，回程盘，辅助泵，伺服活塞，控制阀，弹簧底座，压缩弹簧，调节螺钉，限位螺堵，拨块，密封件，轴端盖，后端盖，O形圈，固定螺钉；所述缸体包括圆柱形缸体主体、前凸台和后凸台，所述圆柱形缸体主体、前凸台和后凸台构成一个整体，缸体主体上均匀分布多个轴向柱塞孔，柱塞孔内装有柱塞，柱塞与缸体轴线平行，缸体主体侧面开设多个润滑导油孔；所述密封件安装在主轴与前端盖之间，所述轴端盖通过螺钉固定安装在前壳体上，同时在轴端盖与密封件之间安装有O形密封圈；所述前轴承内圈安装在主轴上，由主轴上的轴肩、摇摆座左端面以及垫片、弹性挡圈轴向限位；所述柱塞与滑靴通过球铰副铰接形成柱塞滑靴组件，回程盘通过球铰支承扣压在滑靴上，斜盘安装在摇摆座上；通过伺服变量机构推动改变斜盘倾斜角度进行变量，所述伺服变量机构包括伺服活塞、控制阀、拨块、伺服活塞大弹簧、限位块和调节螺钉，伺服活塞由螺堵和限位块定位，压缩弹簧底部固定在弹簧座上，并且沿活塞方向螺旋缠绕，伺服活塞的运动受功率阀与控制阀以及调节螺钉控制，所述的控制阀通过螺栓固定在后端盖上部；所述的配流盘通过销钉固定安装在后端盖上，其正面与缸体底面贴合，背面与后端盖贴合；所述的后端盖内部设置辅助泵、进出油流道、轴套、密封圈，后端盖内部的流道为流线型，流道与配流盘上的槽口连接，后端盖的中心有一段与主轴上轴承的外圈配合，后端盖中心孔的直径设定成梯形以配合轴承，并限定轴承的轴向位移；所述的后端盖通过固定螺钉与外壳体连接，并由滚针轴承支承在主轴上，主轴末端设有花键与内齿轴套连接，内齿轴套外侧开有键槽，通过平键与辅助泵中的小齿轮连接；

所述的缸体，通过在缸体中心孔上的花键结构与主轴连接，主轴再与原动机连接，所述的缸体前凸台包括前凸台第一段、前凸台第二段和前凸台第三段，前凸台第一段与缸体主体为一体式结构，前凸台第二段与前凸台第一段为一体式结构，前凸台第三段与前凸台第二段为一体式结构，三段凸台结构分别与泵的其它零部件安装装配，并依据相配合的泵的其它零部件的尺寸三段凸台结构的轴径随之逐渐减小，以实现与泵其它零部件的精密安装装配，其中，前凸台第三段用于安装轴承，实现与轴承的精密装配；前凸台第一段和前凸台第二段用于与泵中的球铰零件进行安装装配，所述的后凸台有段阶梯结构，用于安装垫圈和后轴承，以实现对缸体进行支撑定位；

所述的主轴分别由轴端前侧的圆柱滚子轴承和后端的滚针轴承支撑，缸体由缸体前凸台上的滚针轴承及后凸台上的滚针轴承支撑限位，支撑缸体的滚针轴承分别布置安装于缸体两侧延伸出来的前凸台第三段及后凸台上。

2.根据权利要求1所述的超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，其特征在于：所述的主轴后端的支撑主轴的滚针轴承，以及缸体前凸台和缸体后凸台上的用于支撑缸体的滚针轴承，替换为滑动轴承或者轴瓦。

3.根据权利1要求所述的超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵，其特征在于：柱塞泵缸体主体侧面开设了9个沿着缸体径向的径向润滑导油孔，9个径向润滑导油孔围绕缸体一周均匀分布，贯穿直至缸体中心孔；与配流盘贴合的缸体底面也开设了9个轴向润滑导油孔；轴向润滑导油孔与径向润滑导油孔相连通。

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