专利名称：一种全深度浮力调节海水泵的制作方法
技术领域：
本发明属于容积式液压泵，具体涉及一种柱塞式水压泵，更具体地涉及一种全深度海水液压浮力调节海水泵。
背景技术：
随着陆地资源日渐枯竭，全世界的目光都在占有地球绝大面积的海洋的转移，以寻求人类生存所需的能源，矿产以及食物等资源。海洋的开发，需以高科技的海洋装备为物质基础，其中各种潜器是海洋开发的主要装备，是进行高效海洋勘探、科学考察、开发作业、军事侦测及作战平台的重要装备。潜水器取样后由于重量的增加或施放其它装备后重量的减小，或是由于不同水 域，不同深度，不同温度而引起海水密度的变化；并随着下潜深度的增加，潜水器耐压结构发生弹性变形而引起排水体积的变化，这些因素均导致重力和浮力的平衡经常被打破的。因此，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。海水液压浮力调节系统相比传统油压浮力调节系统具有浮力调节范围广，工作深度大，环境友好等优点，是国内外潜器浮力调节系统的发展趋势，其工作原理图如图I所示，海水泵通过多种控制阀与浮力调节压载舱及海洋环境相连通，当需要增加潜器重量，则通过海水泵将环境中海水注入压载舱；当需要减小潜器重量，则通过海水泵将压载舱中的排入海洋环境中。海水液压浮力调节系统区别一般常用的液压动力系统，作为一般液压系统动力源的海水泵的柱塞腔的压力始终大于环境压力，而作为海水液压浮力调节系统关键部件的海水液压泵，其柱塞腔的压力会大于环境压力，有时也会小于环境压力，由具体工况决定。当增加潜器重量时，压行程柱塞腔的压力大于环境压力，吸行程柱塞腔压力基本等于环境压力，则些柱塞主要受压力；当减小潜器重量时，压行程柱塞腔压力约等于环境压力，吸行程柱塞腔压力小于环境压力，柱塞柱要受拉力，使柱塞远离斜盘。因此常规海水泵的柱塞的弹簧复位结构不足以克服液压力使柱塞回程，从而致柱塞不能顺利完成吸水动作，海水泵失效。
发明内容
本发明实的目的在于提供一种全深度浮力调节海水泵，实现在任何深度的海域内对潜水器的浮力调节。一种全深度浮力调节海水泵，包括前端盖I. 11、壳体I. 7、缸体I. 5、后端盖I. 2、传力及复位机构、柱塞滑靴组件I. 21、柱塞套I. 22、配流阀组件I. 26和压力补偿器I. 8 ；前端盖I. 11、壳体I. 7、缸体I. 5和后端盖I. 2依次相接；后端盖I. 2为圆柱形，其圆形端面开有入口 I. 30和出口 1.31，环侧面加工有环行槽I. 4，后端盖I. 2内加工有将环行槽I. 4与出口 I. 31连通的径向流道；配流阀组件I. 26设与后端盖I. 2内，配流阀组件的吸入阀入口与后端盖I. 2的入口 I. 30相连通，配流阀组件的压出阀出口通过后端盖的环行槽I. 4、径向流道与出口 1.31相连通；柱塞套I. 22设于缸体I. 5内，柱塞套I. 22内开有阶梯孔，阶梯孔内放置有柱塞滑靴组件I. 21，阶梯孔的小孔端2. I与配流阀组件中的吸入阀出口 I. 28及压出阀入口 1.27相连通；柱塞滑靴组件I. 21设于柱塞套I. 22的阶梯孔内，柱塞滑靴组件I. 21包括小柱塞
3.I、左球窝3. 2、右球窝3. 3、大柱塞3. 4及滑靴3.6 ;大柱塞3. 4的尾端开有凹槽，右球窝
3.3安放于凹槽内，小柱塞3. I的球头放入凹槽紧贴右球窝3. 3，再将左球窝3. 2放入凹槽与右球窝3. 3配合实现小柱塞3. I与大柱塞3. 4之间的球铰连接；大柱塞3. 4的球头连接滑靴3. 6 ；传力及复位机构设于壳体I. 7内，传力及复位机构包括主轴I. 9，主轴I. 9通过角 接触轴承或圆锥滚子轴承I. 10与壳体I. 7相连，主轴I. 9上加工有斜坡型的主轴盘，主轴盘通过径向轴承I. 15连接推力轴承I. 13，推力轴承I. 13再连接斜盘I. 14，斜盘I. 14与回程盘I. 17的一侧相连，回程盘的另一侧通过圆锥滚子轴承I. 18与主轴I. 9相连，柱塞滑靴组件I. 21的滑靴位于斜盘I. 14与回程盘I. 17之间的间隙；环境压力补偿器I. 8连接壳体I. 7，用于平衡壳体内压力与环境压力。进一步地，所述柱塞套I. 22的内衬采用陶瓷材料，内衬表面包覆不锈钢外套，内衬内开有阶梯孔。进一步地，所述柱塞套1.22内的阶梯孔的台肩处加工有泄漏孔2. 4，阶梯孔的大孔端2. 7加工有冷却孔2. 6，大孔的内表面加工有两端分别连通泄漏孔2. 4与冷却孔2. 6的冷却槽沟2. 5进一步地，还包括冷却润滑罩I. 24，冷却润滑罩I. 24为环状结构，左右两端分别与后端盖I. 2和缸体I. 5密封连接，冷却润滑罩I. 24的空腔放置柱塞套I. 23，柱塞套的泄漏孔2. 4及冷却孔2. 6与冷却润滑罩I. 24的空腔向连通。本发明的技术效果体现在I.柱塞的固定间隙强制复位结构取代常用的弹簧球铰复位结构，使柱塞的复位更加可靠，加之主轴可双向受力的设计，使海水泵满足海水液压浮力调节的特殊工况，即柱塞腔压力有时高于环境压力，有时小于环境压力，带来的柱塞复位问题和主轴需承受双向作用力的问题。2、润滑腔设有压力补偿器，使润滑腔压力与环境压力相等，以解决传动同伸出海水泵润滑腔与原动机相连而导致的润滑腔与环境的动密封问题，同时解决了壳体的耐压问题，有利于浮力调节海水泵的全深度设计，以及海洋装备对重量的要求。3、为解决该浮力调节海水泵柱塞副高速重载的问题，采用阶梯柱塞形式，大小柱塞为两体结构，小柱塞密封，大柱塞承受侧向力，两者间通过球铰连接，因而从理论上消除了小柱塞与阶梯柱塞套之间的侧向力，解决了超高压海水泵这一关键摩擦副的强度设计、密封与摩擦磨损问题。4、为进一步提高柱塞副的抗磨粒磨损的性能，柱塞与柱塞套均采用新型的陶瓷或硬质合金材料，阶梯形复合式柱塞套，内衬为陶瓷，外衬为金属，充分利用陶瓷优异的摩擦学特性，同时利用金属的韧性解决陶瓷的脆性问题；球铰型阶梯柱塞也采用复合材料结构，基体为不锈钢，柱塞表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，使柱塞可承受一定冲击，同时又耐磨，与柱塞套共同作用，实现超高压海水泵的高可靠性及长寿命设计。5.为提高该海水泵在超高压条件下的可靠性，小柱塞与阶梯柱塞套之间采用间隙密封，取消了超高压水泵普遍采用而又易失效的密封件。6.为防止大柱塞承受额外的作用力而降低海水泵的效率，阶梯柱塞套设有泄漏孔，避免大柱塞腔的压力大于环境压力而使大柱塞承受额外的作用力。7.为防止大柱塞和柱塞套之间摩擦热积累而导致两者的卡死问题，阶梯柱塞套大阶梯孔内壁设有冷却槽沟，使泄漏孔与冷却孔相通，实现柱塞运动时，冷却水在大柱塞与柱塞套之间流动，从而带走柱塞和柱塞套之间的摩擦热。8.为提高海水泵配流阀连接的可靠性，配流阀的径向布置，以及配流阀组件高压出口与高压通流环相通，使超高压条件下，配流阀组件在超高压液压力作用下可靠地与后端盖连接，并利高压通流环的材料抗压特性承受超高压液压力代替螺纹连接有利于可靠性 的提高及重量的优化。9.为满足全深度浮力调节海水泵作为海洋装备时对重量的严格要求，同时也可作为一般动力源在陆地使用，海水泵设有冷却润滑罩，陆地使用时外接冷却水，从使该泵在重量最优条件下陆地使用时散热的问题得到解决，使得该泵可以在水下及陆地环境使用。
图I所示为全深度海水液压浮力调节系统原理图；图2所示为本发明全深度浮力调节海水泵结构图；图3所示为本发明复合式阶梯柱塞套结构图；图4所示为球铰式阶梯柱塞滑靴组件结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。全深度浮力调节海水泵结构图如图2所示，后端盖I. 2径向安装有若干组配流阀组件I. 26，后端盖的径向有高压通流环I. I。如图2所示后端盖的右端与柱塞套I. 22的一端相连，柱塞套的数量与配流阀组件的数量相同，柱塞套的另一端与缸体I. 5相连，后端盖与缸体之间设有冷却润滑罩I. 24,柱塞套位于冷却润滑罩内。缸体与壳体I. 7的一端相连，壳体另一端与前端盖I. 11相连。壳体内腔称为润滑腔，与环境压力补偿器I. 8相连，润滑腔内安装有主轴I. 9，主轴I. 9 一端通过一对圆锥滚子轴承或角接触轴承I. 10与壳体相连接，主轴I. 9另一端与柱塞滑靴组件I. 21的一端相连，柱塞滑靴组件的数量与配流阀组件数量相同，柱塞组件均布分布于以主轴为轴线的圆周上，柱塞滑靴组件的另一端与柱塞套
I.22相连。下面详细描述具体结构和工作过程。如图I所示，后端盖I. 2左端面加工有海水泵的入口 I. 30和出口 I. 31 ;后端盖的外圆柱面加工有环行槽I. 4，并加工有径向流道使环行槽I. 4与海水泵出口相通，环行槽的径向及两侧分别由高压通流环I. I和密封件I. 3密封，从而使环行槽只通过后端盖上的径向流道与海水泵的出口相连；后端盖的径向均匀分布有若干阶梯孔，阶梯孔指向圆心方向，并与海水泵的入口相通，阶梯孔指向圆周方向为大孔，大孔与环行槽相连，并通过环行槽与海水泵的出口相通。配流阀组件I. 26安装在后端盖阶梯孔内，配流阀组件的吸入阀入口
1.29与后端盖径向阶梯孔的小孔相通，通过阶梯孔的小孔与海水泵的入口相通；压出阀的出口 I. 25与后端盖的环行槽相通，经后端盖上的径向流道与海水泵的出口相通。配流阀组件的径向布置，以及配流阀组件高压出口与高压通流环相通，使超高压条件下，配流阀组件在超高压液压力作用下可靠的与后端盖连接，并利高压通流环的材料抗压特性承受超高压液压力代替螺纹连接有利于海水泵可靠性的提高及重量的优化。如图2和3所示，阶梯柱塞套，采用陶瓷与金属结合的方式，充分利用陶瓷优异的摩擦学特性，同时利用金属的韧性解决陶瓷的脆性问题。复合式柱塞套的内衬2. 2采用陶瓷材料，内衬2. 2外表面包覆有不锈钢外套2. 3，内衬2. 2内加工有阶梯孔。阶梯孔的小孔端2. I与后端盖相连，小孔端2. I与配流阀组件中的吸入阀出口 I. 28及压出阀入口 1.27相通。在复合式柱塞套阶梯孔的台肩处加工有泄漏孔2. 4，阶梯孔的大孔2. 7的右端加工有冷却孔2. 6，大孔的内表面加工有两端分别连通泄漏孔2. 4与冷却孔2. 6的冷却槽沟2. 5。泄漏孔的存在避免大柱塞腔的压力大于环境压力，使大柱塞承受额外的作用力；冷却槽沟
2.5与冷却孔2. 6的设计是使柱塞运动时，冷却水可以在大柱塞与柱塞套之间流动从而带走柱塞和柱塞套之间的摩擦热，防止两者发热严重而造成大柱塞与柱塞套的卡死。如图2与4所示，柱塞滑靴组件I. 21由小柱塞3. 1，左球窝3. 2，右球窝3. 3，大柱塞3. 4，柱塞球头3. 5及滑靴3. 6组成。小柱塞3. I与大柱塞3. 4之间通过球铰相连接，球铰的球窝采用分体式结构，由左球窝3. 2和右球窝3. 3组成。将小柱塞与大柱塞通过左右球窝连接后，将左球窝与大柱塞通过激光焊接固定形成球铰式阶梯形柱塞。阶梯形柱塞的大柱塞端依次与柱塞球头3. 5及滑靴3. 6相连构成柱塞滑靴组件。小柱塞与大柱塞分别与阶梯型柱塞套I. 23的小孔和大孔相配合，小柱塞与柱塞套小孔间采用间隙密封。间隙密封相比常规超高压海水泵采用的软密封结构，更有利于提高超高压海水泵的可靠性和可维护性，因为软密封在高速重载条件下寿命经常较短。在超高压条件，单级柱塞难以承受柱塞与柱塞套之间的巨大的侧向力，尤其间隙密封无法承受巨大侧向力所造成的柱塞与柱塞套的磨损。球铰式阶梯柱塞结构综合解决了上述问题，使巨大的侧向力由大柱塞承受，小柱塞输出高压水。相对整体式阶梯柱塞，当大柱塞受较大侧向力时，由于两者为刚性连接，从而使小柱塞无法避免承受一部分侧向力，然而本实施例的阶梯柱塞的大小柱塞间通球铰相连。故当大柱塞承受较大侧向力时，由于大柱塞与小柱塞之间为具有3自由度的球铰副，使小柱塞与柱塞间侧向力从理论上完全削除，从而有效的保护了超高压海水泵这最为重要的摩擦副，从而实现超高压海水泵的长寿命设计。小柱塞3. I和大柱塞3. 4均采用复合结构，柱塞基体为不锈钢，采用超音速喷或等离子喷涂等热喷涂工艺在基体表面熔敷或喷涂一层耐磨材料，如陶瓷或硬质合金。复合结构柱塞解决了陶瓷等耐磨材料的脆性断裂所造成的突然失效，同时又解决金属材料在水润滑条件下的摩擦特性较差的问题。如图2所示，冷却润滑罩I. 24为环状结构，左右两端分别与后端盖I. 2和缸体I. 5密封连接，腔内是柱塞套I. 23，腔内空间与柱塞套的泄漏孔2. 4及冷却孔2. 6相通。冷却润滑罩设有进水口 I. 23和出水口 I. 6，进出口设有滤网，在海水泵海洋环境中使用时，进出水口敞开，其内腔与海洋环境相通，腔内注满海水；当海水泵在陆地环境使用时，进出口分别与低压冷却水的进水和回水通道相连，冷却水在腔内不断循环。
如图2所示,主轴I. 9通过一对角接触轴承或圆锥滚子轴承I. 10与壳体I. 7相连，并经过机械密封I. 12和前端盖I. 11从壳体I. 7中伸出实现与原动机的连接，该轴系区别于常规海水泵轴系，其可以承受柱塞两个方向的受力。主轴上加工有与主轴成一定倾角的主轴盘，主轴盘的左侧通过径向轴承I. 15连接推力轴承I. 13，推力轴承再与斜盘I. 14连接，斜盘I. 14与回程盘I. 17的一侧相连，回程盘的另一侧通过圆锥滚子轴承I. 18与主轴相连，圆锥滚子轴承由螺母I. 19与轴用挡圈I. 20进行定位。滑靴3. 6的复位形式为固定间隙强制复位，滑靴位于斜盘I. 14与回程盘I. 17之间的间隙由间隙环确定，间隙环的厚度与滑靴厚度相一致的。通过组合使用径向轴承8和推力轴承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之间的磨损。该浮力调节海水泵的工作过程是这样实现的主轴I在原动机的带动下顺时或逆时针转动，带动安装于主轴盘上的推力轴承7动环转动，从而推动与之连接的斜盘9摆动。斜盘的摆动驱动柱塞滑靴组件往左运动(如图2所示)，此时小柱塞腔容积变小，为柱塞的压行程；在回程盘驱动下柱塞滑靴组件向右回复运动，此时小柱塞腔容积变大，为柱塞的吸行程。柱塞的往复运动，使柱塞与柱塞套之间形成的小柱塞腔的容积在不断变化，当容积变大 时，配流阀吸水，当容腔变小，配流阀压水，如此循环往复实现海水泵对外界供水。当海水泵应用于海水液压浮力调节系统，在海下使用时，使用前将壳体及与壳体相连的环境压力补偿器内注满液压油，随着海深的增加，环境压力补偿器被压缩，壳体内的压力与环境压力相等，使壳体无需耐压，有利于减小海水泵的重量。如图I和2所示，当潜器需增加浮力，需将压载舱内的海水排向海洋环境，则压行程小柱塞腔的液压力约等于环境压力，而吸行程的小柱塞腔的液压力等于压载舱压力。而滑靴所在的壳体内压力在环境压力补偿器作用下等于环境压力，大柱塞腔与冷却润滑腔相通，其压力等于环境压力。吸行程柱塞两端的压力差等于环境压力与压载舱压力差，当潜器处在大深度海域，压载舱内压力又很小时，此时吸行程柱塞两端的压力差较大；而压行程柱塞两端压力相等，均为环境压力，压力差可忽略。该工况下柱塞受力区别于常规液压泵所受工况，吸行程柱塞所受液压作用力非常大，因此常规弹簧球铰复位机构根本无法满足要求，实施例中海水泵结构为强制复位机构，可以满足该工况的需要。同时，该工况，海水泵主轴承受向左的拉力，区别常于海水泵主轴一直承受压力的运行工况，因而实施例中主轴与壳体连接的为一对圆锥滚子或角接触轴承区别常规液压泵的单向承力的推力轴承结构，使其可以承受拉力。如图I和2所示，当潜器需减小浮力，需将环境中的海水排入压载舱，此时吸行程小柱塞压力等于环境压力，而压行程小柱塞腔压力等于压载舱压力，滑靴所在的壳体与大柱塞腔压力均为环境压力。当潜器处于较潜深度，压载舱不断被注入海水，舱内压力较大时。此时，吸行程柱塞两端压力差可忽略，而压行程柱塞两端压力差较大，柱塞与主轴均受向右(如图2所示)的压力，该工况与常规液压泵工况相似。本实施例中斜盘与主轴之间有推力轴承，可承受柱塞的压力，同时主轴可双向受力的轴系及固定间隙回程结构可满足此时的工况。总之，本实施例中海水泵结构可以满足海水液压浮力调节系统的特殊工况需求，同时也适用于常规海水泵所应用的场合，在陆地使用时冷却润滑罩接冷却水，海下使用冷却润滑罩内腔与环境相通。同时，阶梯形复合式柱塞套及球铰型阶梯柱塞的特殊结构可有效解决海水泵的超高压条件下的摩擦磨损以其密封问题，从而使该泵可适用全球最深的海域海水液压浮力调节。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种全深度浮力调节海水泵，包括前端盖(I. 11)、壳体(I. 7)、缸体(I. 5)、后端盖(I. 2)、传力及复位机构、柱塞滑靴组件(I. 21)、柱塞套(I. 22)、配流阀组件(I. 26)和压力补偿器(I. 8); 前端盖(I. 11)、壳体(I. 7)、缸体(I. 5)和后端盖(I. 2)依次相接； 后端盖(I. 2)为圆柱形，其圆形端面开有入口(I. 30)和出口(I. 31)，环侧面加工有环行槽(I. 4)，后端盖(I. 2)内加工有将环行槽(I. 4)与出口(I. 31)连通的径向流道； 配流阀组件(I. 26)设与后端盖(I. 2)内，配流阀组件的吸入阀入口与后端盖(I. 2)的入口(I. 30)相连通，配流阀组件的压出阀出口通 过后端盖的环行槽(I. 4)、径向流道与出口(I. 31)相连通； 柱塞套(I. 22)设于缸体(I. 5)内，柱塞套(I. 22)内开有阶梯孔，阶梯孔内放置有柱塞滑靴组件(I. 21)，阶梯孔的小孔端(2. I)与配流阀组件中的吸入阀出口(I. 28)及压出阀入口(I. 27)相连通； 柱塞滑靴组件(1.21)设于柱塞套(I. 22)的阶梯孔内，柱塞滑靴组件(1.21)包括小柱塞(3. I)、左球窝(3. 2)、右球窝(3. 3)、大柱塞(3. 4)及滑靴(3. 6);大柱塞(3. 4)的尾端开有凹槽，右球窝(3. 3)安放于凹槽内，小柱塞(3. I)的球头放入凹槽紧贴右球窝(3. 3)，再将左球窝(3. 2)放入凹槽与右球窝(3. 3)配合实现小柱塞(3. I)与大柱塞(3. 4)之间的球铰连接；大柱塞(3. 4)的球头连接滑靴(3. 6)； 传力及复位机构设于壳体(I. 7)内，传力及复位机构包括主轴(I. 9)，主轴(I. 9)通过角接触轴承或圆锥滚子轴承(I. 10)与壳体(I. 7)相连，主轴(I. 9)上加工有斜坡型的主轴盘，主轴盘通过径向轴承(L 15)连接推力轴承(L 13)，推力轴承(I. 13)再连接斜盘(I. 14),斜盘(I. 14)与回程盘(I. 17)的一侧相连，回程盘的另一侧通过圆锥滚子轴承(I. 18)与主轴(I. 9)相连，柱塞滑靴组件(I. 21)的滑靴位于斜盘(I. 14)与回程盘(I. 17)之间的间隙； 环境压力补偿器(I. 8)连接壳体(I. 7)，用于平衡壳体内压力与环境压力。
2.根据权利要求I所述的全深度浮力调节海水泵，其特征在于，所述柱塞套(I.22)的内衬采用陶瓷材料，内衬表面包覆不锈钢外套，内衬内开有阶梯孔。
3.根据权利要求I所述的全深度浮力调节海水泵，其特征在于，所述柱塞套(I.22)内的阶梯孔的台肩处加工有泄漏孔(2. 4)，阶梯孔的大孔端(2. 7)加工有冷却孔(2. 6)，大孔的内表面加工有两端分别连通泄漏孔(2. 4)与冷却孔(2. 6)的冷却槽沟(2. 5)。
4.根据权利要求3所述的全深度浮力调节海水泵，其特征在于，还包括冷却润滑罩(I. 24),冷却润滑罩(I. 24)为环状结构,左右两端分别与后端盖(I. 2)和缸体(I. 5)密封连接，冷却润滑罩(I. 24)的空腔放置柱塞套(I. 23)，柱塞套的泄漏孔(2. 4)及冷却孔(2. 6)与冷却润滑罩(1. 24 )的空腔向连通。
全文摘要
本发明公开了一种全深度浮力调节海水泵，主要包括配流阀组件、柱塞滑靴组件、柱塞套、传力及复位机构和压力补偿器；压力补偿器用于平衡润滑腔与环境压力，传力及复位机构驱动柱塞滑靴组件交替循环进行压行程和吸行程，从而使得配流阀组件交替循环吸水和压水；其中，柱塞滑靴组件采用固定间隙强制复位结构使柱塞的复位更加可靠；传力及复位机构采用双向受力的结构设计，使海水泵满足海水液压浮力调节的特殊工况；采用阶梯柱塞形式，大小柱塞通过球铰连接，解决了超高压海水泵这一关键摩擦副的强度设计、密封与摩擦磨损问题。本发明能够实现在任何深度的海域内对潜水器的浮力调节，具有结构简单，适用性强，工作可靠性的特点。
文档编号F04B1/16GK102720648SQ20121016999
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者刘银水, 吴德发, 唐辉, 方无迪, 李东林, 杨珍, 江涛 申请人:华中科技大学