全水润滑的通轴式水液压柱塞马达

摘要

全水润滑的通轴式水液压柱塞马达，属于流体机械领域。缸体轴上开有奇数个与轴线平行的大孔和小孔，柱塞滑靴组件中的柱塞分别置于大孔内构成柱塞副；缸体轴一端装有浮动盘，均布于缸体轴小孔中的中心弹簧的一端将浮动盘压在配流盘上，中心弹簧另一端将顶杆压在装配于缸体轴上的中心球铰上，套于中心球铰外的回程盘将每个柱塞滑靴组件中的滑靴经由滑靴底压在斜盘斜面上；浮动套的一端装入缸体轴相应的缸孔中，浮动套的另一端装入浮动盘相应的孔中；。本发明采用缸体轴，避免花键或平键侧隙引起配流盘的周向窜动，避免传动键与轴接触部位的高应力腐蚀，奇数个柱塞，所有柱塞均采用回程弹簧集中回程，几乎不存在疲劳破坏，有利于在海水中长期工作。

说明书

所属技术领域

本发明涉及水液压传动中的能量转换装置、执行元件液压马达，属于流体机械领域。

背景技术

随着社会进步和科学技术发展，节约能源和资源、生态友好的绿色制造技术已成为现代机械工程的 首要目标。水液压传动技术使用过滤后的自然水(含海水和淡水)作为液压传动的工作介质实现动力传 递，不含任何添加剂，具有来源广泛、环境友好、清洁安全的独特优势，并且水本身还具有阻燃性等优 点，可以最大限度的满足人们对于安全、经济及环境保护等方面的渴求，符合人类可持续发展的需要， 已经成为当今国际流体传动及控制领域最新的发展方向之一。加之新型材料的应用，精密加工技术的进 步和新结构的液压元件研制成功，使水液压传动技术取得了长足的进步。发达国家包括美国、英国、德 国、芬兰、丹麦、日本等自20世纪70年代末或80年代初开始研制，现进入实用推广阶段，已广泛在海 洋开发、核能工业、采矿业等领域应用。我国自20世纪90年代初开始进行水液压传动技术方面的研究 工作，但发展速度相对缓慢，目前尚无定型产品投向市场，各类水液压元件的研发工作仍处于起步阶段。

水液压马达(泵)是水液压系统中的关键元件，其性能指标直接决定了整个水液压系统的性能指标。 到目前为止，已开发出来的海、淡水液压马达(泵)结构具有以下特点：

除美国最早期为水下作业工具而研制过叶片马达外，其他几乎所有的海、淡水马达(泵)都采用柱 塞式结构。

斜轴式轴向柱塞结构的传动轴为悬臂结构且承受较大的轴向力，因而对轴承提出了更为苛刻的要求。 对采用陶瓷轴承或者采用油、水分离结构时滚动轴承(油或油脂润滑)可以满足要求，但对采用水作为 润滑介质的柱塞马达(泵)而言，滑动轴承很难胜任斜轴式结构产生的巨大负载。因而水压柱塞马达(泵) 大多采用了斜盘式结构。

为了提高摩擦副的抗腐蚀磨损能力，提高海水液压马达的抗污染能力，几乎所有海、淡水液压马达 (泵)的摩擦副都广泛地采用了工程陶瓷、工程塑料以及耐腐蚀合金等材料。

国外的轴向柱塞式水压泵既有阀配流型式也有端面配流型式，阀配流结构密封性好多用来做超高压 水泵的配流机构。而水液压马达则普遍采用配流盘结构，工作转速一般为1400-1800r/min。

在国外，美国专利(专利号：6000316)公布了一种轴向柱塞泵，该泵为全水润滑半轴式前斜盘结构， 缸体通过插盘与配流盘紧贴，自吸能力受到限制。在国内目前暂无定型的商品化纯水液压马达(泵)。中 国专利(专利号：ZL03118632.7)公布了一种轴向柱塞式水液压泵，该泵采用全水润滑阀配流结构，主 轴带动斜盘转动，而缸体静止不动，结构较为复杂，加工难度较大。中国专利(申请号：200310108538.6) 公布了一种全水润滑的纯水液压轴向柱塞泵/马达，采用端面配流，靠斜盘和中心弹簧来实现柱塞往复运 动，驱动/输出轴与缸体是过盈配合采用浮动止推盘的浮动端面配流结构，结构紧凑，比功率大，加工难 度较大，但实际效果也未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种端面配流的全水润滑的通轴式水液压柱塞马达，它利用过滤后 自然水(含淡水和海水)作为工作介质，不再需要有任何其它润滑剂。

为解决上述问题，本发明的全水润滑的通轴式水液压柱塞马达包括：大端盖通过螺纹与壳体固连， 小端盖与大端盖通过螺钉固接，大端盖、壳体与小端盖构成外壳；柱塞的球头插入到滑靴的半圆形的球 窝中，靴肩垫片镶嵌在滑靴上，滑靴底压入滑靴内孔中，过盈配合，由滑靴、滑靴底、靴肩垫片、柱塞 构成了柱塞滑靴组件。

采用通轴式结构，缸体轴插入壳体的内孔中，分别由位于壳体内的前滑动轴承和位于大端盖内的后 滑动轴承支承；缸体轴上开有奇数个与轴线平行的大孔和小孔，柱塞滑靴组件中的柱塞分别置于大孔内 构成柱塞副；缸体轴一端装有浮动盘，均布于缸体轴小孔中的奇数个中心弹簧的一端将浮动盘压在配流 盘上，浮动盘和配流盘构成配流副，中心弹簧另一端将顶杆压在装配于缸体轴上的中心球铰上，套于中 心球铰外的回程盘将每个柱塞滑靴组件中的滑靴经由滑靴底压在斜盘斜面上，构成滑靴副；浮动套的一 端装入缸体轴相应的缸孔中，浮动套的另一端装入浮动盘相应的孔中，浮动盘相对于缸体轴浮动；在大 端盖中心装有定位环，定位环和定位销将配流盘固定在大端盖上，定位环将斜盘固定在壳体上，壳体、 缸体轴、斜盘上均开有导水沟槽。

柱塞内设有柱塞中心孔，在球头内设有柱塞球头中心孔，在滑靴内开有滑靴中心孔，柱塞中心孔、 柱塞球头中心孔、滑靴中心孔、滑靴底孔和滑靴底与斜盘的接触面依次相通。

在大端盖上分别设有进水孔和出水孔，配流盘内分别开有吸水腰槽和排水腰槽。吸水时高压水从大 端盖的进水孔流入与之相通的配流盘的吸水腰槽，再流入与之连通的浮动盘、浮动套的连通孔进入缸体 孔中；排水时将缸体孔中的低压水经由与之连通的浮动套、浮动盘、配流盘上的排水腰槽，从大端盖的 出水孔排出。

大端盖和壳体通过阻尼孔相连通，通过阻尼孔向壳体内引入高压水向前滑动轴承提供静压支承，并 通过壳体的泄漏口实现壳体内的泄压。

本发明具有的有益效果是：

1.缸体轴是将传动轴和缸体直接加工为一个零件，避免花键或平键侧隙引起配流盘的周向窜动，同时 也可避免传动键与轴接触部位的高应力腐蚀。

2.该液压马达有奇数个柱塞，所有柱塞均采用回程弹簧集中回程。该回程弹簧几乎不存在疲劳破坏， 有利于在海水中长期工作。

3.缸体端面的浮动盘通过缸孔内的浮动套而浮动，通过回程弹簧压紧在配流盘上。采用浮动配流结构 进行配流，配流盘的间隙小，能够确保配流表面的接触密封，并能够避免缸体与配流盘之间的偏磨 烧盘失效。

4.回程弹簧采用分散的多弹簧组合，当配流盘与浮动盘问有楔形缝隙时，各弹簧因压缩不均会产生纠 偏力矩，使配流盘与浮动盘贴合紧密。

5.主要摩擦副采用静压平衡法或剩余压紧力法进行设计，以减小水润滑摩擦副的PV(接触比压)值， 提高机械效率，延长马达寿命。

6.大多数摩擦副都采用镶嵌耐磨材料的摩擦盘或摩擦套结构，以减轻磨损，延长寿命，并为易损件的 更换创造条件。

7.采用通轴式结构，结构简单，零件数量少，可靠性较好，与油液压轴向柱塞式结构相近，便于柱塞 马达专业厂家迅速进行批量生产。

8.马达的全部零件均可浸没于水中，在水下工作时可以自动补偿水深压力，避免了因水深压力引起的 能量消耗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图左视图；

图3为本发明的配流盘结构示意图；

图4为本发明柱塞滑靴组件的放大图。

图中：1键；2缸体轴；3轴封；4小端盖；5螺钉；6大端盖；6.1大端盖进水孔；6.2大 端盖出水孔；7，8，9 O型密封圈；10定位销；11配流盘；11.1排水腰槽；11.2吸水腰槽；12中 心弹簧；13顶杆；14中心球铰；15回程盘；16壳体；16.1阻尼孔；17阀嘴；18塑料垫片； 19前滑动轴承；20定位环；21斜盘；22螺钉；23压盘；24柱塞滑靴组件；24.1滑靴底；24.11 滑靴底孔；24.2滑靴；24.21滑靴中心孔；24.3靴肩垫片，24.4柱塞；24.41柱塞球头中心孔；24.42 柱塞中心孔25浮动套；26O型密封圈；27密封挡圈；28浮动盘；29定位环；30后滑动轴承。

具体实施方式

实施图1～4结合给出了一种全水润滑的通轴式水液压柱塞马达，其主要由外壳(主要由大端盖6、 小端盖4、壳体16构成)、安装于壳体16内可旋转的缸体轴2、固定于壳体16内的斜盘21、柱塞滑靴 组件24和配流装置(包括配流盘11、浮动盘28、浮动套25)组成。

大端盖6通过螺纹与壳体16固连，小端盖4与大端盖6通过螺钉5固接，大端盖6、壳体16与小 端盖4构成外壳。

采用通轴式结构，壳体16内孔装有塑料垫片18，缸体轴2插入壳体16内孔内与塑料垫片18直接 接触，塑料垫片18能有效减小缸体轴2转动时与壳体16之间的磨损和振动，压盘23通过螺钉22与缸 体轴2左端缸体固定，从而保证柱塞24.4不从缸孔内移出。

缸体轴2的前后颈分别与位于壳体16内的前滑动轴承19和位于大端盖6内的后滑动轴承30转动相 连，缸体轴2同一圆周上均匀分布与缸体轴2轴线平行的奇数个大孔和小孔，柱塞滑靴组件的柱塞24.4 置于缸体轴2大孔内，大孔内镶嵌有增强塑料，它和不锈钢材料制成的柱塞24.4构成柱塞副，柱塞24.4 球头外包工程塑料，与滑靴24.2球窝构成球窝副；缸体轴2右边是浮动盘28，置于缸体轴2上均布的奇 数个小孔中的中心弹簧12的右端将浮动盘28压在配流盘11上，浮动盘28和配流盘11构成配流副，中 心弹簧12左端经顶杆13通过缸体轴2、缸体轴2外的中心球铰14、中心球铰14外的回程盘15将每个 柱塞滑靴组件24中的滑靴24.2经由滑靴底24.1压紧在斜盘21上，构成滑靴副，中心球铰14外球面与 回程盘15内球窝面构成中心球铰副。

采用浮动端面配流方式，浮动套25的左端装入相应的缸体轴2的大孔中，浮动套25的右端装入浮 动盘28相应的孔中，过盈配合，使浮动盘28相对于缸体轴2浮动并随缸体轴2一起转动。配流套25 内有O形橡胶密封圈26和O形密封挡圈27进行密封，确保高压水不从配流套25的径向间隙中泄露， 并补偿加工和安装误差，能够确保配流表面的接触密封。

在大端盖6中心装有定位环29，定位环29和定位销10将配流盘11固定在大端盖6上。定位环20 将斜盘21固定在壳体16上。斜盘21，缸体轴2，壳体16上均开有导水沟槽，并通过壳体16上的泄漏 口引流泄压。

缸体轴2轴端通过轴封3进行密封，大端盖6通过螺钉5与小端盖固定，并依靠O形密封圈7与大 端盖6进行密封，大端盖6与缸体轴2之间通过O形密封圈9进行密封，大端盖6与壳体阻尼孔16.1 之间通过O形密封圈8进行密封。

本发明的工作过程为：

中心弹簧12经由压杆13将作用力施加到中心球铰14上，并经回程盘15将平均施加到每个柱塞滑靴 组件24上，以保证滑靴底24.1始终紧贴在斜盘21斜面上滑动。高压水通过马达大端盖6上的进水孔6.1 流入与之连通的配流盘11上的吸水腰槽11.2，再流入与之连通的浮动盘28、浮动套25的连通孔进入缸体 轴2的大孔中，使位于进水一侧的柱塞滑靴组件24中的柱塞24.4在高压水的作用下外伸。斜盘21给柱塞 滑靴组件垂直于斜盘21斜面的反作用力，该反作用力的水平分力与柱塞组件24水平方向的液压力相平衡， 该反作用力的垂直分力使柱塞滑靴组件24产生对缸体轴2的扭矩。位于马达回水一侧的柱塞滑靴组件24 被迫内缩，将缸体孔中的水经由浮动套25和浮动盘28的连通孔、配流盘11上的排水腰槽11.1，从马达 大端盖6的出水孔6.2排出。排水一侧的柱塞滑靴组件24受力与进水一侧柱塞滑靴组件24受力相同，但 由于进出水的压力不同，产生的对缸体轴2的扭矩不同，故在柱塞滑靴组件24对缸体轴2合力矩的作用 下，缸体轴2带动柱塞滑靴组件24、浮动套25、浮动盘28产生转动，向外输出转矩和转速，从而实现柱 塞24.4在缸孔中不断的往复运动。

本发明的所用摩擦副均直接采用水润滑和冷却，包括缸孔和柱塞，柱塞球头和滑靴球窝，滑靴底与 斜盘，浮动盘和配流盘，缸体轴与前后滑动轴承，球铰与回程盘等。具体实现过程是：

缸体轴2的大孔和柱塞24.4之间有一定的间隙，靠此间隙实现密封。在吸水过程中，缸孔内是高 压水，在缸孔和柱塞24.4密封间隙两端形成高低压力差，使得缸孔中的高压水通过密封间隙泄漏到壳体 16内，此部分泄露水在间隙中的压力是依次减小的，有相当的承载能力，对于缸孔和柱塞24.4来说，起 到了支承、润滑、冷却的作用。

缸孔中的高压水还通过柱塞中心孔24.42，柱塞球头中心孔24.41、滑靴中心孔24.21到达柱塞球头 与滑靴球窝之间，起润滑作用；再通过滑靴中心孔24.21、滑靴底24.11到达滑靴底24.1与斜盘21构成 摩擦副，形成静压支承，并起到润滑、冷却的作用。

高压水通过大端盖6的进水孔6.1与壳体16相连通的小孔进入到壳体16内部的阻尼孔16.1中，并 通过壳体16内置阀嘴17引入前滑动轴承19与壳体16之间，对前滑动轴承19形成静压支承，还起到了 润滑、冷却的作用。除此之外，前滑动轴承19和缸体轴2之间均开有多条导水沟槽，将壳体16内的水 引入其中，对摩擦副起到润滑和冷却的作用。

本装置的主要摩擦副均采用不锈钢材料和工程塑料，这种匹配具有耐腐蚀、耐磨损和自润滑的特性， 可有效保证在水润滑条件下获得足够的可靠性和使用寿命。具体情况如下：

轴承副有两个：前滑动轴承19与缸体轴2，后滑动轴承30与缸体轴2，两个轴承均采用工程塑料， 缸体轴2采用不锈钢材料。球铰副是中心球铰14与回程盘15，其中中心球铰14是不锈钢材料，回程盘 15包含两部分，第一部分是不锈钢材料的基体，第二部分是在基体内注塑出一个工程塑料的球窝，它与 中心球铰14配合构成球铰副。缸体轴2也包含两部分，第一部分是不锈钢材料的基体，第二部分是缸体 基体的缸孔内注塑的工程塑料，它与不锈钢材料的柱塞24.4组成柱塞副。柱塞24.4分两部分，一部分是 不锈钢材料的基体，第二部分是柱塞球头注塑的工程塑料，它与滑靴24.2球窝构成球窝副。滑靴底24.1 为工程塑料，与不锈钢材料的斜盘21构成滑靴副。

总之，本发明所用的主要摩擦副配对材料均为不锈钢材料与工程塑料，即保证了纯水液压轴向马达 中零部件的耐腐蚀性、强度、韧性和刚度，又保证了各摩擦副的自润滑、耐磨损、减振等摩擦学特性， 能够有效地避免在高速、重载、水润滑的情况下摩擦副的粘着磨损、腐蚀磨损和卡死等现象，有效提高 了工作可靠性和使用寿命。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实 施，还可以有许多变形。本领域的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均认 为是本发明的保护范围。