Радиально-поршневой насос с жесткой связью шатуна с поршнем

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к радиально-поршневым насосам, используемым для нагнетания жидкости с высоким давлением. Насос с жесткой связью шатуна с поршнем содержит корпус 1 с, по меньшей мере, одним цилиндром 2, в котором с образованием рабочей камеры 3 установлен выполненный за одно целое с шатуном 4 поршень 5 с опорным 6 и уплотнительным 7 элементами. Контактирующие с цилиндром кромки 8 и 9 опорных и уплотнительных элементов примыкают друг к другу и лежат в плоскостях, перпендикулярных оси поршня. Отходящие от этих кромок конические поверхности выполнены с углами β, большими, чем максимальный угол γ наклона поршня в цилиндре. Обеспечивается простота и компактность, минимальные потери на трение и, соответственно, высокий КПД, работоспособность на маловязких и плохо смазывающих жидкостях и газах высокого давления. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к радиально-поршневым насосам, используемым для нагнетания различных жидкостей под высоким давлением, например в гидроприводах или нефтедобыче.

Типичным представителем таких насосов является радиально-поршневой насос с приводом поршней от кривошипно-шатунного механизма с крейцкопфными головками, устанавливаемыми между шатунами и поршнями или плунжерами (RU №2328621). Они отличаются высоким ресурсом работы цилиндро-поршневых групп из-за отсутствия радиальных нагрузок поршней или плунжеров, так как радиальные нагрузки от шатунов воспринимаются крейцкопфными головками. Недостатком таких насосов являются большие массогабаритные показатели, вызванные наличием крейцкопфных головок.

Известны радиально-поршневые насосы, в которых цилиндры размещены с дизаксиалом относительно центральной оси вала кривошипа (RU №2168064). Наличие дизаксиала позволяет повысить компактность насосов только при числе цилиндров не менее трех.

Известны безкрейцкопфные насосы, в которых шатуны шарнирно соединены непосредственно с поршнями (см. книгу Мальгина Е.В. и др. «Холодильные машины и установки». М.: Пищевая промышленность, 1980 г., стр. 94, рис. 23). Такая конструкция более компактна, но наличие радиальных нагрузок на поршни существенно осложняет работу их опорно-уплотнительных элементов и снижает ресурс и надежность насосов.

Известны аксиально-поршневые насосы с качающимися в цилиндрах поршнями, выполненными за одно целое с шатунами (см. справочник Кондакова Л.А., Голубева А.И., Овандера В.Б. «Уплотнения и уплотнительная техника». М.: Машиностроение, 1986 г., стр. 152, рис. 42б). Устранение шарнира внутри поршня с передачей его функций на поршень со стальным уплотнительным кольцом с наружной сферической контактной поверхностью существенно упрощает конструкцию, снижает ее габариты и вес. Недостаток такой конструкции - еще большее снижение ресурса и надежности насосов из-за высоких контактных давлений на узкой контактной кромке уплотнительного кольца, работающего и в качестве опорного элемента поршня.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является радиально-поршневой насос с эксцентриковым приводом (см. книгу Башты Т.М. «Машиностроительная гидравлика». М.: Машиностроение, 1971 г. стр. 164 рис. 69). Такой насос содержит корпус с цилиндрами, в которых с образованием рабочих камер установлены поршни, причем рабочие камеры через всасывающие и нагнетательные клапаны соединены с одноименными коллекторами, между которыми производится перекачка жидкости, эксцентриковый привод поршней с шатунами, один конец которых шарнирно закреплен на эксцентриках приводного вала так, что их продольная ось пересекается с центральной осью наружной поверхности эксцентрика, а второй конец шарнирно связан с поршнем-плунжером. Особенностью этого насоса является установка на один эксцентрик нескольких шатунов через подшипник качения, причем их крепление на наружную обойму этого подшипника производится через башмаки, которыми заканчиваются шатуны, и охватывающие башмаки кольца. Подвод жидкости к рабочим камерам насоса осуществляется из корпуса насоса через всасывающие клапаны золотникового типа, в которых функцию золотника выполняет поршень-плунжер.

Недостатки прототипа:

- высокие массогабаритные показатели, связанные с удлинением поршней-плунжеров и их хода в цилиндрах для исполнения клапанных функций и наличия шарниров между ними и шатунами;

- невысокие КПД и ресурс насоса из-за больших потерь на трение в поршень-плунжерах, шарнирах и башмаках шатунов, проскальзывающих по наружной обойме подшипника эксцентрика вследствие изменения расстояния между башмаками в процессе вращения эксцентрика на такте нагнетания;

- значительные потери подачи насоса и чувствительность к составу жидкости и ее загрязненности из-за щелевых уплотнений поршней-плунжеров.

Технической задачей изобретения является создание более эффективной конструкции насоса и расширение его функциональных возможностей.

Технический результат состоит в уменьшении массогабаритных показателей и издержек производства, повышении КПД и снижении чувствительности к составу жидкости.

Сущность изобретения состоит в том, что радиально-поршневой насос с жесткой связью шатуна с поршнем, содержащий корпус с, по меньшей мере, одним цилиндром, в котором с образованием рабочей камеры установлен поршень с эксцентриковым приводом, причем рабочая камера через всасывающий и нагнетательный клапаны соединена с соответствующими коллекторами, а эксцентриковый привод выполнен с шатуном, один конец которого шарнирно закреплен на эксцентрике так, что его продольная ось пересекается с центральной осью наружной поверхности эксцентрика, а второй конец выполнен за одно с поршнем, снабженным опорно-уплотнительными элементами, контактирующими с цилиндром. Согласно изобретению упомянутые опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены с кромочной контактной поверхностью, причем кромки опорных и уплотнительных элементов примыкают друг к другу и расположены в плоскостях, перпендикулярных оси поршня, а отходящие от этих кромок в стороны от места примыкания конические поверхности выполнены с углом большим, чем максимальный угол наклона поршня в цилиндре. При этом уплотнительный элемент расположен со стороны торца поршня, а опорный элемент - со стороны шатуна.

В частных случаях реализации.

Опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде размещенного в канавке поршня единого кольца пятигранной формы поперечного сечения с межгранным ребром на наружном диаметре, образующем единую контактную кромку, причем кольцо выполнено из упругого материала, например полиуретана.

Кромка опорного элемента поршня выполнена за одно с поршнем и к ней примыкает кромка уплотнительного кольца трапецеидального профиля из эластичного материала, например резины.

Опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде двух установленных в канавку поршня и примыкающих друг к другу колец из разных материалов, причем уплотнительное кольцо выполнено из эластичного материала, например резины, а опорное кольцо выполнено из жесткого упругого антифрикционного материала, например полиоксиметилена, и сопряжено с торцом поршня по конической поверхности с вершиной конуса, обращенной к торцу поршня.

Опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде колец, установленных в его канавке с зазором по торцам канавки и возможностью перемещения между ними, а в теле поршня выполнены каналы, соединяющие дно канавки с торцом поршня.

Наружная поверхность шатуна выполнена конической с углом конуса большим максимального угла наклона шатуна в цилиндре и вершиной конуса, обращенной к эксцентрику.

К эксцентрику примыкают два шатуна, цилиндры которых установлены оппозитно.

Центральная ось цилиндра расположена относительно оси приводного вала с дизаксиалом, равным 0,2÷0,5 расстояния от оси вала до оси эксцентрика, и смещена в сектор поворота оси эксцентрика в сторону цилиндра.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема радиально-поршневого насоса с жесткой связью шатуна с поршнем.

На фиг. 2 - поршень насоса с опорным элементом в виде бурта на теле поршня.

На фиг. 3 - поршень насоса с опорным кольцом из жесткого упругого антифрикционного материала и уплотнительным кольцом из более мягкого материала.

На фиг. 4 - насос с двумя цилиндрами и опорно-уплотнительными элементами поршней, выполняющими функцию всасывающих клапанов.

На фиг. 5 - разрез по Α-A эксцентрикового привода насоса с фиг. 4.

На фиг. 6 - конструктивная схема насоса с дизаксиальным расположением оси цилиндра и приводного вала.

На фиг. 7 - график зависимости углов наклона шатуна с поршнем от угла поворота вала в насосе с дезаксиалом и без него.

Радиально-поршневой насос содержит корпус 1 с по меньшей мере одним цилиндром 2, в котором с образованием рабочей камеры 3 установлен выполненный за одно целое с шатуном 4 поршень 5 с опорным 6 и уплотнительным 7 элементами. Контактирующие с цилиндром кромки 8 и 9 опорных 6 и уплотнительных 7 элементов примыкают друг к другу, соосны поршню и лежат в плоскости F, перпендикулярной оси поршня. С цилиндром они образуют линейный контакт с малой шириной S. Отходящие от этих кромок конические поверхности выполнены с углами β к оси поршня большими, чем максимальный угол γ наклона поршня в цилиндре (γ=arctg(R:L), где: R - эксцентриситет эксцентрика 21, L - длина шатуна 4 с поршнем 5 от центра эксцентрика 21 до кромки 8 опорного элемента 6).

Опорно-уплотнительные элементы 6 и 7 могут быть выполнены в виде единого кольца пятигранной формы фиг. 1 с межгранным ребром на его наружном диаметре, образующем единую контактную кромку 8-9. Такое кольцо может располагаться в канавке 10 поршня 5.

Возможен случай опорно-уплотнительных элементов, при котором опорный элемент 6 выполнен как одно целое с поршнем 5 фиг. 2, к которому примыкает кромка 9 уплотнительного кольца 7 из более мягкого упругого материала, например резины.

В другом случае фиг. 3 опорный элемент 6 выполнен в виде кольца из жесткого упругого антифрикционного материала, например полиоксиметилена, а уплотнительный элемент 7 выполнен кольцом из более мягкого упругого материала, например резины, размещенного в канавке 10 со стороны торца 11 поршня 5. При этом опорное кольцо 6 сопряжено с поршнем 5 по конической поверхности 12 с вершиной конуса, обращенной к торцу 11.

В следующем случае фиг. 4 опорные 6 и уплотнительные 7 элементы установлены в канавке 10 поршня 5 с гарантированным зазором δ по ее торцу 13 и возможностью перемещения между торцами канавки 10, а в теле поршня 5 выполнены каналы 14, соединяющие его торец 11 с дном канавки 10. Для снижения сил трения уплотнительного кольца 6, 7 по дну канавки 10 это соединение выполняется с зазором, а натяг кольца 6, 7 по цилиндру достигается сжатием кольца 6, 7 по наружному диаметру. Наружная поверхность 15 шатуна 4 может быть выполнена конической с углом φ к его оси и с вершиной конуса, обращенной к эксцентрику 21.

Рабочая камера 3 через всасывающий 16 и нагнетательный 17 клапаны соединена соответственно с всасывающим 18 и нагнетательным 19 коллекторами, между которыми происходит перекачка жидкости.

Эксцентриковый привод поршня 5 с шатуном 4 содержит вал 20 с эксцентриком 21, к которому через подшипник качения 22 примыкает цапфа 23 шатуна 4 фиг. 1 или его башмак 24 с фиксирующими кольцами 25 фиг. 4 и 5. При этом продольная ось шатуна 4 постоянно пересекается с центральной осью наружной поверхности эксцентрика 21. Вариант шатунов 4 с башмаками 24 используется в случае установки на корпус 1 двух оппозитных цилиндров 2 (на угловом расстоянии 180° друг от друга). Центральная ось цилиндров 2 может располагаться с диаксиалом Ζ фиг. 6 относительно оси вала 20. Величина диаксиала Ζ равна 0,2÷0,5 расстояния R от оси вала 20 до оси эксцентрика 21 и смещена в сектор α поворота оси эксцентрика 21 по стрелке V в сторону цилиндра 2. При Z=0,5R, как видно из фиг. 7, максимальные углы +γ наклона поршней 5 в цилиндрах 2 на такте нагнетания при их ходе в цилиндр 2 уменьшаются в 2 раза по сравнению с соосным размещением цилиндров 2, т.е. при Ζ=0. Максимальные углы -γ на такте всасывания при Ζ=0,5R увеличиваются в 1,5 раза.

Радиально-поршневой насос работает следующим образом.

При вращении вала 20 с эксцентриком 21 поршни 5 с шатунами 4 движутся возвратно-поступательно в цилиндрах 2, вызывая циклическое изменение объема рабочей камеры 3 так, что при движении их из цилиндров 2 происходит всасывание жидкости из всасывающего коллектора 18 через всасывающий клапан 16, а при последующем ходе поршня 5 внутрь цилиндра 2 - нагнетание жидкости через нагнетательный клапан 17 в нагнетательный коллектор 19. Совмещение поршней 5 с шатунами 4 приводит к их покачиванию на максимальные углы γ, пропорциональные отношению смещения R оси эксцентрика 21 от оси вала 20 к длине L шатуна 4 с поршнем 5. Покачивание поршней 5 вместе с опорными 6 и уплотнительными 7 элементами в цилиндрах 2 происходит при минимальных дополнительных деформациях этих элементов и без увеличения сил трения поршней 5 в цилиндрах 2, благодаря малой ширине S примыкающих друг к другу рабочих кромок 8 и 9 и углов β, превышающих угол γ. Расположение кромок 8 и 9 в плоскости F, перпендикулярной оси шатуна 4, и их малая ширина S обеспечивает совпадение направления равнодействующей от сил давления жидкости на поршень 5 с осью шатуна 4, поэтому радиальные силы на поршне 5 от давления жидкости не возникают и не перегружают узких кромок 8 опорных элементов 6.

Однако при наклоне вместе с шатуном 4 плоскости контакта F жестких опорных элементов 6 происходит увеличение зазоров Δ фиг. 2 между их кромками 8 и цилиндром 2, в которые может экструзироваться эластичный уплотнительный элемент 7. Прирост максимального диаметрального зазора Δ пропорционален диаметру D цилиндра 2 и квадрату угла γ наклона поршня 5 (Δ=Dγ²·0,00015). Например, Δ≈1% от D при γ=8°. Величина Δ определяет допустимое для мягкого уплотнения давление жидкости, которое обычно обратно пропорционально зазору Δ. Для его уменьшения предназначен вариант исполнения привода насоса с диаксиалом Ζ фиг. 6. При Ζ=0,5R угол γ фиг. 7 на такте нагнетания уменьшается в 2 раза, что ведет к снижению зазора Δ в 4 раза и соответствующему росту допустимых по экструзионной стойкости уплотнений давлений жидкости на такте нагнетания. Вызванное диаксиалом Ζ увеличение угла -γ при ходе всасывания при малом давлении жидкости не влияет на работу уплотнения 7. При Ζ>0,5R максимальный угол γ при нагнетании начинает увеличиваться, поэтому значения Ζ=(0,2÷0,5)R следует считать оптимальными.

Совмещение опорного 6 и уплотнительного 7 элементов в едином кольце 7-8 фиг. 1 обеспечивает простоту и компактность конструкции. Шестигранная форма поперечного сечения с единой опорно-уплотнительной кромкой 8-9 на межгранном ребре на наружном диаметре кольца обладает достаточной жесткостью для выполнения функций опорного 6 элемента поршня 5. В отличии от традиционных кромочных манжетных уплотнений поршня, лопасти которых сильно прогибаются под действием радиальных нагрузок и давления жидкости с потерей линейного контакта и перпендикулярности его плоскости F к оси качающегося поршня, такое кольцевое уплотнение сохраняет эти показатели при больших нагрузках за счет монолитности шестигранной формы поперечного сечения.

Однако в такой конструкции допустимые давления жидкости ограничиваются невысокой антиэкструзионной стойкостью единого материала для уплотнительных и опорных элементов, который для сохранения высокой герметичности должен быть эластичен.

Случай по фиг. 2 с опорным элементом 6 в виде бурта 8 поршня 5 наиболее пригоден при подводе к поршню 5 жидкой смазки для снижения изнашивания цилиндра 2. Запас жидкой смазки может находиться в корпусе 1 насоса.

Случай по фиг. 3 с отдельным опорным элементом 6 из прочной пластмассы (полиоксиметилен или полиэфирэфиркетон) позволяет работать при наибольших давлениях жидкости, благодаря его постоянному контакту с цилиндром 2 (Δ=0) за счет растягивания на опорном конусе 12 поршня 4 силами давления жидкости. В такой конструкции опорный элемент может выполняться из самосмазывающихся материалов, обеспечивающих малое трение и изнашивание без дополнительной смазки при работе на газах или маловязких и плохосмазывающих жидкостях.

Конструкция опорно-уплотнительных элементов поршня 5 фиг. 4 обладает односторонним уплотнительным действием, что позволяет ему выполнять функцию всасывающего клапана 16 насоса. При ходе поршня 5 из цилиндра 2 уплотнительное кольцо 6, 7 прижимается к ближайшему к торцу 11 поршня 5 торцу канавки 10 силами трения о цилиндр 2, инерционными силами и силами перепада давления жидкости, открывая проход жидкости из корпуса 1 насоса через каналы 15 в поршне 5 в рабочую камеру 3. Наличие на шатуне 4 конической поверхности 15 способствует такому проходу жидкости за счет образования масляного клина между шатуном 4 и цилиндром 2. При движении поршня 5 внутрь цилиндра 2 эти же силы смещают уплотнительное кольцо 6, 7 к другому торцу 13 канавки 10, перекрывая проход жидкости из камеры 3 в корпус 1, и она вытесняется через нагнетательный клапан 17 в коллектор 19. Совмещение функций опорно-уплотнительных элементов 6, 7 с функцией всасывающего клапана 16 существенно упрощает конструкцию насоса и снижает его габариты, а также улучшает смазку и охлаждение этих элементов.

Установка в корпусе 1 второго оппозитно (на угловом расстоянии 180°) расположенного цилиндра 2 фиг. 4 увеличивает подачу насоса в 2 раза при незначительном усложнении конструкции. В отличии от прототипа, где цилиндры не противостоят друг другу, в такой конструкции исчезают высокие силы трения между башмаками 24 и наружной обоймой подшипника 22. Это связано с тем, что прижим башмаков 24 к подшипнику 22 происходит поочередно, так как такты нагнетания в цилиндрах не совпадают по времени. Снижение сил трения башмаков 24 повышает КПД насоса и уменьшает радиальные нагрузки на поршни 5, возникающие от этих сил.

Таким образом, предложенная конструкция насоса, благодаря совмещению шатуна с поршнем, использованию кромочных опорно-уплотнительных элементов поршня с контактом по цилиндру в плоскости, перпендикулярной оси поршня, обеспечивает насосу повышенную простоту и компактность, минимальные потери на трение и соответственно высокий КПД, работоспособность на маловязких и плохосмазывающих жидкостях и газах высокого давления. Простота и компактность насоса повышают его технологичность и снижают издержки производства.

1. Радиально-поршневой насос с жесткой связью шатуна с поршнем, содержащий корпус с, по меньшей мере, одним цилиндром, в котором с образованием рабочей камеры установлен поршень с эксцентриковым приводом, причем рабочая камера через всасывающий и нагнетательный клапаны соединена с соответствующими коллекторами, а эксцентриковый привод выполнен с шатуном, один конец которого шарнирно закреплен на эксцентрике так, что его продольная ось пересекается с центральной осью наружной поверхности эксцентрика, а второй конец выполнен за одно с поршнем, снабженным опорно-уплотнительными элементами, контактирующими с цилиндром, отличающийся тем, что упомянутые опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены с кромочной контактной поверхностью, причем кромки опорных и уплотнительных элементов примыкают друг к другу и расположены в плоскостях, перпендикулярных оси поршня, а отходящие от этих кромок в стороны от места примыкания конические поверхности выполнены с углом большим, чем максимальный угол наклона поршня в цилиндре.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде размещенного в канавке поршня единого кольца пятигранной формы поперечного сечения с межгранным ребром на наружном диаметре, образующем единую контактную кромку, причем кольцо выполнено из упругого материала, например полиуретана.

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что кромка опорного элемента поршня выполнена за одно с поршнем и к ней примыкает кромка уплотнительного кольца трапецеидального профиля из эластичного материала, например резины.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде двух установленных в канавку поршня и примыкающих друг к другу колец из разных материалов, причем размещенное со стороны торца поршня уплотнительное кольцо выполнено из эластичного материала, например резины, а опорное кольцо выполнено из жесткого упругого антифрикционного материала, например полиоксиметилена, и сопряжено с торцом поршня по конической поверхности с вершиной конуса, обращенной к торцу поршня.

5. Насос по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что опорно-уплотнительные элементы поршня выполнены в виде колец, установленных в его канавке с зазором по торцам канавки и возможностью перемещения между ними, а в теле поршня выполнены каналы, соединяющие дно канавки с торцом поршня.

6. Насос по п. 5, отличающийся тем, что наружная поверхность шатуна выполнена конической с углом конуса, большим максимального угла наклона шатуна в цилиндре, и вершиной конуса, обращенной к эксцентрику.

7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что к эксцентрику примыкают два шатуна, цилиндры которых установлены в корпусе оппозитно друг к другу.

8. Насос по п. 1, отличающийся тем, что центральная ось цилиндра расположена относительно оси приводного вала с дизаксиалом, равным 0,2÷0,4 расстояния от оси вала до центральной оси наружной поверхности эксцентрика, и смещена в сектор поворота этой оси эксцентрика в сторону цилиндра.