一种活塞结构及串联式活塞泵的制作方法

1.本发明涉及一种活塞结构及串联式活塞泵，属于流体机械技术领域。


背景技术：

2.泵是一种将机械能与流体压力能间进行相互转化的能量转换装置，通常用于输出高压流体。一般的活塞式、叶片式、齿轮式、螺杆式等传统泵，在工作过程中其机械结构的运动副主要为滑动摩擦方式，因而产生大量的摩擦能量损耗，并且零部件形状复杂，加工成本较高。
3.双运动自由度活塞泵将轴和活塞一体化设计，并利用活塞“周向旋转 轴向往复”双自由度运动原理实现连续的吸排油，省去了传统柱塞泵的配流盘结构。同时，采用对称式凸轮滚子结构替代滑靴斜盘结构，由原来滑动摩擦副转变为滚动摩擦，并且对称式的受力结构使得活塞在径向没有受力，省去了活塞与缸体、缸体与配流盘两个摩擦副，因而泵效率更高，也突破了滑动摩擦副对泵性能等方面的制约。
4.在现有的双运动自由度活塞泵结构中，主要存在以下几个问题：1、凸轮滚子采用固定支座结构支撑，由于加工精度与装配间隙的存在，固定支座上的滚子不可能全部与凸轮接触，这样活塞上的受力并不是理论上的完全对称，偏载的受力由活塞与缸体上的衬套承担，这样的结果必然造成柱塞与缸体上的衬套形成一对滑动摩擦副，降低泵的效率，同时容易发生活塞在缸体内粘连卡滞。2、现有的配流结构，不利于高速化。现有结构中，双自由度活塞外壁面设置配流槽与固定缸体内侧配流孔配合实现配流，高速旋转时，活塞配流槽内液体的离心力阻碍了吸油过程，需要更大的入口压力才能实现吸油。同时，活塞配流槽内液体受离心力作用下往外甩油过程中会在配流区域形成一个紊流区，造成吸排油过程中较大的流动损失。特别是转速达到8000r/min以上，这个流动损失比较大，严重影响了泵的效率。3、凸轮盘的结构形式和尺寸较大，高速工作时，凸轮盘在流体中的阻力损失较大。4、凸轮盘、滚子、衬套和活塞配流结构在轴向依次串联排布，轴向尺寸较长，特别是在串联式双泵结构中，轴向尺寸过长，刚度减低，产品可靠性不好。
5.专利cn201720439347.5公开了一种串联式二维活塞输油泵，采用中间联轴器的方式连接双泵，其横截面、体积、重量很大，泵旋转的水力也损失大，同时传动结构复杂，串联双泵结构需多次转换传递扭矩，高速重载条件下其结构不稳定容易损坏。专利201610779346.5公开了一种浮动型二维双联柱塞泵，该结构通过滚轮轴与活塞用销轴连接成一体，滚轮可沿活塞上销轴做周向转动，同时导轨(凸轮盘)在柱塞腔内油液的作用下可沿柱塞轴向浮动，从而实现滚轮和导轨(凸轮盘)的始终贴合。但是该结构滚轮和活塞是连接成一体，滚轮上的偏载力最终还是由活塞与缸体上的衬套承担，同时导轨(凸轮盘)浮动结构使得活塞和滚轮上的惯性力始终与导轨(凸轮盘)作用在滚轮上的支承力轴向分力反向，因而增大了滚轮与(凸轮盘)的摩擦损耗。
6.以上专利公开的二维活塞泵、结构复杂，加工难度大，且均没有设置滚动轴承与导轨支撑结构，滚轮在高速运转工作过程中不能始终与导轨曲面保持接触，泵振动、冲击大，
泵结构可靠性差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术不足之一，提供一种活塞结构及串联式活塞泵。
8.本发明的技术解决方案：一种活塞结构，包括活塞和双面凸轮，双面凸轮设置在活塞中部，与活塞固定连接，活塞内部设置配油槽。
9.一种采用上述活塞结构的串联式活塞泵。
10.一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯组件，泵芯组件沿轴线同轴设置在泵壳体内腔中，所述的泵芯组件包括第一凸轮活塞、第一滚轮、第二凸轮活塞、第二滚轮、中心通油管和中间传动轮，第一凸轮活塞一端与拨叉传动结构连接传动，另一端与第二凸轮活塞通过中间传动轮连接传动；
11.所述的第一凸轮活塞和第二凸轮活塞采用活塞与双面凸轮一体化结构，双面凸轮设置在活塞中部，与活塞固定连接，活塞内部设置配油槽，中心通油管安装在第一凸轮活塞、第二凸轮活塞内，所述的第一凸轮活塞和第二凸轮活塞以一定相位角设置，中心通油管的配油口与第一凸轮活塞和第二凸轮活塞的配油槽配合实现配油，所述的第一凸轮活塞、第二凸轮活塞的凸轮盘面被第一滚轮、第二滚轮夹持。
12.本发明与现有技术相比的有益效果：
13.(1)本发明采用特殊的凸轮活塞结构，不会阻碍吸油和造成额外的流动损失，有利于提高泵效率和高速化；
14.(2)本发明采用特殊的凸轮活塞结构，在轴向上实现并联排布，极大缩短了泵的轴向尺寸，使泵的体积、重量大大减小；
15.(3)本发明结构简单，便于加工，转速更高，效率更高，重量轻，体积小；
16.(4)本发明采用平衡支撑及间隙补偿结构，避免出现单侧滚轮受力导致活塞倾斜与铜衬套刮蹭而造成滚轮超载损坏以及柱塞与铜衬套粘连卡滞等失效，可以减少泵振动、冲击，使泵运转更可靠，从而提高泵的长时间工作可靠性和机械效率，利于实现产品转速高速化；
17.(5)本发明通过设置拉簧结构，可以有效地补偿由于加工精度、装配间隙和磨损造成的间隙，使凸轮上下两侧平衡架上的滚轮始终与凸轮面贴合，减小泵的冲击振动，使泵运转更可靠，提高泵的寿命；
18.(6)发明采用的导轨为双面凸轮盘结构形式，其搅油水力损失减少效果明显，泵在高转速下效率更高。
附图说明
19.图1为本发明结构示意图；
20.图2为本发明传动拨叉机构结构示意图；
21.图3为本发明传动拨叉机构结构侧视图；
22.图4为图3c-c方向的剖视图；
23.图5为本发明泵芯组件结构示意图；
24.图6为本发明泵芯组件剖视图；
25.图7为本发明第一凸轮活塞结构示意图；
26.图8为本发明第一凸轮活塞结构剖视图；
27.图9为本发明中心通油管结构示意图；
28.图10为本发明中心通油管侧视图；
29.图11为图10a-a方向剖视图；
30.图12为图10b-b方向剖视图；
31.图13为本发明增加平衡支撑结构示意图；
32.图14为本发明平衡支撑及间隙补偿结构示意图；
33.图15为本发明平衡支撑及间隙补偿结构主视图；
34.图16为本发明平衡架结构示意图。
具体实施方式
35.本发明提供一种活塞结构，采用活塞与双面凸轮一体化结构，双面凸轮设置在活塞中部，与活塞固定连接，柱塞内部设置配油槽。
36.本发明活塞内部设置配油槽的结构，在高速旋转时，由于活塞外壁面封闭，活塞配流槽内液体的离心力始终被封闭的外壁面对液体的作用力平衡，因此，不会阻碍吸油和造成额外的流动损失，有利于提高泵效率和高速化。活塞封闭的外壁面可以设置凸轮盘，使得凸轮盘、滚子结构与活塞配流槽结构、衬套结构等在轴向并联排布，极大缩短了泵的轴向尺寸。
37.进一步，本发明活塞结构串联使用，通过传动结构连接。优选的，活塞结构活塞一端设置卡槽，两个串联的活塞结构的卡槽夹持传动结构实现活塞结构之间的传动。
38.进一步优选，本发明提供一种采用上述活塞结构的串联式活塞泵。
39.进一步，本发明提供一种串联式活塞泵，包括泵壳体和泵芯组件，泵壳体包括沿轴线依次同轴设置的第一端盖、泵壳和第二端盖，三者固连形成泵壳体内腔。
40.泵芯组件沿轴线同轴设置在泵壳体内腔中，包括第一凸轮活塞、第一滚轮、第二凸轮活塞、第二滚轮、中心通油管和中间传动轮，第一凸轮活塞一端与拨叉传动结构连接传动，另一端与第二凸轮活塞通过中间传动轮连接传动。
41.第一凸轮活塞和第二凸轮活塞采用活塞与双面凸轮一体化结构，双面凸轮设置在活塞中部，活塞内部设置配油槽，中心通油管安装在第一凸轮活塞、第二凸轮活塞内，中心通油管的配油口与配油槽配合实现配油，所述的第一凸轮活塞、第二凸轮活塞的凸轮盘面通过第一滚轮和第二滚轮进行夹持。
42.下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
43.如图1所示，本发明包括泵壳体和泵芯组件，泵壳体包括沿轴线依次同轴设置的第一端盖1、泵壳2和第二端盖3，第一端盖1、泵壳2和第二端盖3通过螺钉14固连形成泵壳体内腔。
44.本发明泵芯组件沿轴线同轴设置在泵壳体内腔中，如图5、6所示，包括第一凸轮活塞4、第一滚轮8、第二凸轮活塞5、第二滚轮8'、中心通油管6和中间传动轮11。第一凸轮活塞4一端与拨叉传动结构10连接传动，另一端与第二凸轮活塞5通过中间传动轮11连接传动，第一凸轮活塞4、第二凸轮活塞5除一端结构略有不同，其他结构相同。
45.第一凸轮活塞4、第二凸轮活塞5在轴向上通过中心通油管6上设置的多个衬套7进行支撑，第一凸轮活塞和第二凸轮活塞采用活塞与双面凸轮一体化结构，双面凸轮设置在活塞中部，活塞内部设置配油槽，中心通油管6的配油口与配油槽配合实现配油，第一凸轮活塞4、第二凸轮活塞5的凸轮盘面通过第一滚轮8和第二滚轮8'进行夹持。
46.支柱13用来固定和支撑滚轮，如图1所示，第一滚轮8和第二滚轮8'安装在支柱13上，支柱13两端固定安装在第一端盖1和第二端盖3上。
47.如图1所示，拨叉传动结构10通过轴封12和固定轴承9安装在第一端盖1内，电机带动拨叉传动机构10转动，将扭矩传递给第一凸轮活塞4，第一凸轮活塞4通过中间传动轮11将扭矩传递给第二凸轮活塞5。第一凸轮活塞4和第二凸轮活塞5在凸轮曲面的引导下做轴向往复运动。油液从泵壳中间的进口进入泵腔，经过第一凸轮活塞和第二凸轮活塞增压后的高压油通过中心通油管6从第二端盖出口排出泵体。
48.拨叉传动机构10实现滚动传扭功能，如图2、3、4所示，拨叉传动机构10包括传动轴101、固定螺母102、传动块103和传动轴承104。电机带动拨叉传动轴101转动，固定螺母102将传动轴101和传动块103连接在一起对传动块103进行轴向限位，传动轴承104通过光杆轴105支撑置于传动块103内，传动轴承104成对设置，第一凸轮活塞4的拨叉41安装在每对传动轴承104之间，传动块103通过传动轴承104将扭矩传递给第一凸轮活塞4。
49.第一凸轮活塞与第二凸轮活塞在中心通油管上以一定相位角安装，优选的两者凸轮型面采用错位45
°
相位角的安装方式通过中心通油管和中间传动轮连接形成串联结构。
50.如图5、7、8所示，第一、第二凸轮活塞采用活塞与双面凸轮一体化的结构。第一、第二凸轮活塞结构基本一致，只在一端不同。第一凸轮柱塞为第一凸轮活塞，一端与拨叉传动机构10连接，因此设置为拨叉41，与拨叉传动机构10中的传动轴承104连接；而第二凸轮活塞设置为平面，与中心通油管6的端面配合；其余结构第一、第二凸轮活塞结构一致。
51.如图7、8所示，第一凸轮活塞中部设有双面凸轮导轨型面42，与第一滚轮8接触，在凸轮曲面的引导下做轴向往复运动。第一凸轮活塞另一端设有卡槽43，与第二凸轮活塞一端的卡槽配合，用于中间传动轮11定位。第一凸轮活塞内部开有配油槽44，与中心通油管6的低压配油口62和高压配油口63相互作用实现吸排油功能。
52.本发明采用活塞与双面凸轮一体化的结构，与以往的活塞两侧设置两个单面凸轮结构相比，凸轮盘数量减少，同时配合螺栓型滚轮共同使用，减小了凸轮盘回转半径，凸轮活塞组合体旋转往复运动阻力减小、凸轮旋转往复的搅油功率损失大幅减少，提高了泵的效率；同时，凸轮盘与活塞一体化后，使泵芯的轴向长度减小，减小了泵的体积重量。
53.本发明采用的凸轮活塞内部设置配油槽，在高速旋转时，由于活塞外壁面封闭，活塞配流槽内液体的离心力始终被封闭的外壁面对液体的作用力平衡，因此，不会阻碍吸油和造成额外的流动损失，有利于提高泵效率和高速化。活塞封闭的外壁面可以设置凸轮盘，使得凸轮盘、滚子结构与活塞配流槽结构、衬套结构等在轴向并联排布，极大缩短了泵的轴向尺寸。
54.中心通油管，其功能用于内部配流及衬套固定。如图9～12所示，中心通油管为双层筒状结构，周向设置多个进油口65，进油口65轴向两侧加工与第一、第二凸轮活塞配油槽配合的配油口，进油口65与壳体低压油腔相通；低压油从进油口65进入中心通油管的外侧流道，经低压的配油口62进入第一、第二凸轮活塞内侧的配油槽，经第一、第二凸轮活塞旋
转增压后从第一、第二凸轮活塞内侧的配油槽从高压的配油口63进入到内侧流道经出油口66排出泵。
55.进一步，中心通油管6的端部设有定位销孔61，通过定位销与第二端盖固定连接。外壁开有销孔64，通过销轴与衬套7固定。
56.进一步，提高泵的长时间工作可靠性和机械效率，如图13所示，本发明在第一、第二凸轮柱塞4、5处增加平衡支撑结构15，平衡支撑结构15安装在立柱13上，第一、第二滚轮8、8'安装在平衡支撑结构。
57.如图14、15，平衡支撑结构15包括一对平衡架151，设置在凸轮两侧，第一、第二滚轮8、8'安装在平衡架上，对第一、二凸轮活塞的凸轮进行夹持，实现滚轮与第一、二凸轮活塞的凸轮面贴合。
58.平衡架的作用是固定滚轮和平衡凸轮两侧滚轮的承载力。进一步，平衡架151如图16所示，在圆周直径方向上加工长圆孔1511，通过螺钉154将平衡架安装在立柱13上，平衡架以螺钉154为轴旋转，实现平衡架在俯仰方向上进行位置调节。平衡架周向直径上设有滚轮安装孔1512，通过紧固螺母155与滚轮安装固定。优选的，长圆孔1511与滚轮安装孔1512在平衡架直径方向上正交。平衡架上的固定安装孔为长圆孔，轴向可以小幅度调节，可以避免由于零件加工公差造成的装配过紧或过松。
59.本发明第一、二凸轮活塞的导轨型面置于两个平衡架中间，由两侧的滚轮夹持。工作过程中，凸轮活塞的旋转运动通过与活塞内壁面配合的衬套支撑，往复运动通过平衡架上两个滚轮组件支撑。由于加工精度的原因，两个滚轮不可能在同一水平面上，如果滚轮是固定的或不可调节的，就会使两个滚轮不能同时接触到凸轮导轨型面。通过设置平衡支撑结构后，在平衡架的调节下，位于凸轮导轨同一侧的两个滚轮在平衡架的平衡机制下同时接触并均匀受力，保证滚轮对凸轮活塞的支撑力始终对称，避免出现单个滚轮受力以及活塞倾斜与衬套刮蹭，造成滚轮超载损坏以及活塞与衬套粘连卡滞等失效，从而提高泵的长时间工作可靠性和机械效率。
60.进一步，如图14、15、16所示，平衡支撑结构在两平衡架151之间均匀设置不少于2个的拉簧153转换为平衡支撑及间隙补偿结构。如图16所示，平衡架周向方向上均布多个拉簧安装孔1512，用于固定螺钉152及拉簧安装调整。滚轮安装在平衡架上，平衡架151之间通过拉簧153连接进而调节导轨与滚轮间隙，使导轨上下两侧平衡架上的滚轮始终与导轨面贴合。
61.进一步优选，拉簧安装孔1512设置在相邻的长圆孔1511和滚轮安装孔1512之间，在平衡架周向上均布，至少为两个。
62.本发明平衡架周向设置有拉簧，可以通过拉簧的安装，使凸轮上下两侧平衡架上的滚轮始终与凸轮面贴合，即使运动过程中滚轮或凸轮存在磨损，也能保证两者是贴合的，从而减小泵的冲击振动，使泵运转更可靠，提高泵的寿命。
63.本发明通过设置拉簧，可以有效地补偿由于加工精度、装配间隙和磨损造成的间隙，使凸轮上下两侧平衡架上的滚轮始终与凸轮面贴合，减小泵的冲击振动，使泵运转更可靠，提高泵的寿命。
64.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。