ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОС С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
HYDRAULIC DIAPHRAGM PUMP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машинам с гидравлическим приводом, в частности к машинам для перекачивания трудных для перекачивания текучих материалов, таких как минералы, руды, шламы, суспензии, растворы и гели. В данном контексте эти насосные машины будут называться просто насосами или машинами.
Уровень техники
Обычные насосные машины, которые могут использоваться для перекачивания трудных для перекачивания материалов, имеют движущие органы, такие как поршни, плунжеры, перистальтические рукава и т.д. Однако такие движущие органы подвержены фрикционному износу, а привод машины не изолирован должным образом от перекачиваемого материала.
В публикации WO 2005/119063 описана снабженная гидравлическим приводом многоцилиндровая диафрагменная насосная машина, в частности, для перекачивания трудных для перекачивания материалов. Эта насосная машина содержит множество насосных цилиндров, каждый из которых имеет один конец с входом и выходом для перекачиваемой текучей среды и другой конец со входом и выходом для гидравлической текучей среды. Эти входы и выходы могут быть раздельными входом и выходом (для гидравлической текучей среды) или комбинированным входом/выходом (для перекачиваемого текучего материала). Входы и выходы связаны с соответствующими впускными и выпускными клапанами.
В такой машине сепаратор расположен внутри и может перемещаться возвратно-поступательно вдоль каждого насосного цилиндра. Одна сторона подвижного сепаратора обращена к концу цилиндра для перекачиваемого материала, а другая - к концу цилиндра для текучей среды. Этот подвижный сепаратор соединен с внутренней стороной конца цилиндра для перекачиваемого материала первой гибкой диафрагмой в виде сильфона, которая может распрямляться и сжиматься внутри цилиндра в его продольном направлении при возвратно-поступательном движении сепаратора вдоль цилиндра. Подвижный сепаратор ограничивает первую полость внутри гибкой диафрагмы по типу сильфона для заключения в ней переменного объема перекачиваемой текучей среды, причем эта полость сообщается через вход и выход с коллектором и системой для перекачиваемой текучей среды. Подвижный сепаратор соединен также с внутренней стороной второго конца цилиндра второй гибкой диафрагмой в виде сильфона, которая может распрямляться и сжиматься в продольном направлении цилиндра в соответствии с распрямлением и сжатием первой гибкой диафрагмы. Вторая сторона подвижного сепаратора ограничивает вторую полость внутри распрямляющейся и сжимающейся диафрагмы для заключения в ней переменного объема гидравлической текучей среды, причем эта вторая полость сообщается со вторым входом и выходом. Между наружной поверхностью первой и второй диафрагм и внутренней стенкой насосного цилиндра образовано кольцевое пространство, которое при использовании устройства содержит такую же текучую среду, что и гидравлическая текучая среда, или имеющую сходные гидравлические характеристики.
Эта насосная машина приводится непосредственно гидравлическим насосным приводом, что значительно упрощает машину и обеспечивает простые средства изменения и контроля подаваемого потока перекачиваемой текучей среды. Кроме того, конструкция с двойной диафрагмой обеспечивает двойную защиту перекачиваемой текучей среды от движущей текучей среды.
Другие конструктивные подробности машины описаны в публикации WO 2005/119063, содержание которой включено в данное описание в качестве ссылки.
Дополнительные исследования таких машин показали, что они могут быть усовершенствованы в таких аспектах, как надежность работы диафрагмы по типу сильфона.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является усовершенствование машины указанного типа или, в более широком плане, других машин с гидравлическим приводом.
В одном аспекте изобретение относится к усовершенствованию описанной выше гидравлической машины, в которой подвижный сепаратор выполнен в виде плунжера, установленного с возможностью скольжения в средней части внутри цилиндра между первой и второй диафрагмами в виде сильфона, причем один конец плунжера соединен с первой диафрагмой в виде сильфона, а другой конец плунжера соединен со второй диафрагмой в виде сильфона для образования соответственно первого и второго кольцевых пространств, а именно первого кольцевого пространства между наружной стороной первой диафрагмы в виде сильфона и внутренней стенкой насосного цилиндра, и второго кольцевого пространства между наружной стороной второй диафрагмы в виде сильфона и внутренней стенкой насосного цилиндра, при этом первое и второе кольцевые пространства независимы друг от друга, а давление текучей среды в первом кольцевом пространстве независимо от давления текучей среды во втором кольцевом пространстве.
Предпочтительно плунжер установлен с возможностью скольжения в уплотнительном элементе, укрепленном внутри средней части в цилиндре. При этом первое и второе кольцевые пространства не соединены друг с другом, и величины давления текучей среды в этих двух полостях могут быть различными и независимыми друг от друга. Наружный диаметр плунжера соответствует среднему рабочему диаметру первой и второй диафрагм в виде сильфона, а объем первого и второго пространств во время работы остается по существу постоянным.
Благодаря описанному изобретательскому решению устраняется или существенно снижается радиальная деформация диафрагм в виде сильфона, что обеспечивает повышенную надежность и долговечность диафрагм.
Другой аспект описанной выше гидравлической машины или, в общем плане, любой другой гидравлической машины состоит в том, что она содержит гидроцилиндр, в котором имеется компонент, установленный с возможностью циклического линейного возвратно-поступательного движения вдоль гидроцилиндра, и средства переключения клапана для управления подачей гидравлический текучей среды в гидроцилиндр в заданные моменты рабочего цикла машины, при этом средства переключения клапана содержат гидромеханический переключатель, содержащий соединительный механизм для преобразования линейного движения компонента машины во вращательное движение; кулачок, приводимый во вращение соединительным механизмом; и пружину, выполненную с возможностью сжатия для накопления энергии посредством вращения кулачка во время хода этого компонента машины и высвобождения накопленной энергии для переключения клапана с целью управления подачей гидравлической текучей среды в гидроцилиндр машины, когда указанный компонент достигает заданных положений по длине гидроцилиндра.
Пружина может быть пружиной сжатия, установленной на тяге, проходящей от кулачка таким образом, что при вращательном приводе кулачка соединительным механизмом конец пружины возле кулачка сжимается до тех пор, пока пружина не достигнет точки неустойчивого равновесия, за которой пружина высвобождает накопленную энергию для переключения клапана. Так например, когда пружина высвобождает накопленную энергию, вначале она резко приводит кулачок, а после поворота на определенный угол кулачок поворачивает компонент для переключения клапана. Соединительный механизм выполнен с возможностью поворота кулачка на угол меньше 180° при каждом ходе компонента машины.
За счет использования гидромеханического переключателя управление гидравлической машиной может осуществляться без необходимости в клапанах с электромагнитным приводом и электронным управлением, в результате чего машина менее сложна и более надежна.
Переключающее устройство также относится к гидравлической рабочей машине циклического действия, которая содержит рабочий компонент линейного движения и требует автоматического переключения соединений отверстий для достижения желаемых параметров рабочего цикла, таких как величины давления, продолжительность фаз цикла и другие.
Другие аспекты и преимущества изобретения изложены в подробном описании, а конкретные признаки изобретения отражены в формуле.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи будут подробно описаны примеры выполнения насосной машины с гидравлическим приводом согласно изобретению. На чертежах:
фиг.1 изображает насосную машину по изобретению в примере выполнения с четырьмя цилиндрами,
фиг.2 изображает в разрезе цилиндр насосной машины по изобретению,
фиг.3 изображает в перспективе внутреннюю конструкцию гидромеханического переключателя,
фиг.4 схематично изображает часть цилиндра, в которую встроен гидромеханический переключатель,
фиг.5 изображает в перспективе с вырывом соединение пружины с кулачком в гидромеханическом переключателе по изобретению.
Осуществление изобретения
Основное усовершенствование по изобретению относится к плунжерному устройству для обеспечения разделения текучих сред и, в качестве второстепенного аспекта, к гидромеханическому переключателю. Следует понимать, что эти два аспекта могут быть осуществлены в насосной машине с гидравлическим приводом по отдельности или совместно.
Сепаратор текучих сред
Показанная на фиг.1 насосная машина с гидравлическим приводом содержит один или несколько цилиндров 5, переключающую систему 1 управления и блок 3 гидравлического привода. Обычно машина является многоцилиндровой машиной. Базовая многоцилиндровая гидравлическая машина подробно описана в публикации WO 2005/119063 международной заявки.
Для увеличения долговечности диафрагм по типу гофрированной гармошки или сильфона, а именно для устранения их радиальной деформации под действием разности давлений, создаваемой между внутренней и наружной полостями сильфонов, описанная в WO 2005/119063 машина в базовом исполнении была усовершенствована следующим образом.
Насосный цилиндр 5 содержит два сильфона 4 и 10 (см. фиг.2), механически соединенных друг с другом посредством плунжера 6, который в ходе рабочего цикла движется внутри кольцевого уплотнительного элемента 7, установленного в средней по высоте части цилиндра 5. Комбинация плунжера 6 с уплотнительным элементом 7 заменяет сепаратор, использованный в решении по прототипу.
Две заполненные маслом полости "а" расположены снаружи сильфонов 4 и 10 внутри цилиндра 5. Плунжер 6 гидравлически герметизирован в уплотнительном элементе 7. Это позволяет сделать полости "а" независимыми друг от друга. Наружный диаметр плунжера равен среднему рабочему диаметру сильфонов. Это позволяет выдерживать постоянным объем каждой из полостей «а» в ходе рабочего движения плунжера. Вследствие этого величины давления в каждой из наружных полостей "а" сильфонов точно управляются величиной давления в соответствующей внутренней полости "b" или "с" сильфонов.
Давление во внутренних полостях "b" и "с" сильфонов изменяется между циклами всасывания и нагнетания и зависит от режима работы машины. Полость "b" расположена внутри мембраны 10 в виде сильфона, а полость "с" - внутри мембраны 4 в виде сильфона.
Во время каждой фазы рабочего цикла машины величины давления в полостях "b" и "с" примерно равны, поскольку давление движущей полости передается приводной полости через крышку плунжера 6. Так например, во время хода всасывания полость "с" является ведущей, а полость "с" приводной; во время хода подачи они меняются ролями. Для обеспечения этой возможности подаваемое в машину гидравлическое давление должно быть достаточным для преодоления механических и гидравлических сопротивлений, поскольку машина не имеет механических средств для выполнения хода всасывания. Однако небольшая часть энергии ведущей полости всегда потребляется упомянутым переключающим устройством и другими гидравлическими и механическими сопротивлениями, поэтому небольшой перепад давлений возникает между этими полостями "b" и "с".
В конструкции прототипа, имеющей единую общую полость "а", этот перепад давлений вызывает действие полости "а" в качестве уравнительного средства, то есть величина давления в полости "а" становится средней между величинами давлений в полостях "b" и "с". Соответственно, величины давлений, действующих на наружную и внутреннюю поверхность каждого сильфона, не равны, и сильфоны должны подвергаться некоторой радиальной деформации, на которую они не рассчитаны.
В решении по изобретению перепад давлений между полостями "b" и "с" не выравнивается полостями "а", так как они не сообщаются гидравлически между собой. Давление в полостях "b" и "с" всегда воздействует на текучую среду в двух независимых полостях "а" через стенки сильфонов. Соответствующее давление в полостях "а" точно компенсирует это воздействие и независимо выравнивает величины давлений, воздействующих на внутреннюю и наружную поверхности сильфонов. Достигнутое равновесие устраняет радиальную деформацию и значительно увеличивает долговечность сильфонов.
Во время работы давление в полостях "а" повышается до минимальной необходимой величины, которая достаточна для предотвращения радиальной деформации стенки сильфона за счет низкой сжимаемости текучей среды. Это давление не зависит от разности давлений между полостями "b" и "с", которая воздействует только на верхнюю и нижнюю поверхности плунжера 6.
Решение по изобретению устраняет дополнительную радиальную деформацию сильфонов, которая неизбежно создавалась бы в решении по прототипу с объединенной полостью "а".
Другое преимущество решения по изобретению заключается в улучшенной защите движущей текучей среды от перекачиваемой текучей среды и наоборот. Конструкция по прототипу могла приводить к смешиванию текучих сред и соответствующим неполадкам в работе машины в том случае, если две полости в последовательности полостей становятся не герметичными, а именно полость "b" и объединенная полость "а". В настоящем решении имеются две независимые полости "а", так что к последовательности добавлена еще одна полость. За счет этого обеспечивается тройная гидравлическая зашита вместо двойной.
Описанный насос работает следующим образом (см. фиг.2).
Во время всасывающего хода внутренняя полость "с" сильфона 4 заполняется перекачиваемым материалом из подводящего коллектора 8 через нижний модуль 9 клапанов. Материал закачивается под низким давлением (например, от 3 до 8 бар), что вызывает перемещение плунжера 6 вверх. Соответственно, сильфон 4 растягивается, а сильфон 10 сжимается, что приводит к вытеснению движущей гидравлической текучей среды из полости "b" во всасывающий коллектор системы гидравлического привода. Давление перекачиваемого материала в полости "с" на внутреннюю поверхность сильфона 4 уравновешивается соответствующим повышением давления текучей среды в полости "а", которое воздействует на наружную поверхность сильфона 4. Подобным же образом повышение давления в полости "b" уравновешивается повышением давления текучей среды в наружной полости "а" сильфона 10.
Как только ход всасывания заканчивается, система 1 управления переключается, и движущая гидравлическая текучая среда подается гидравлическим приводом под высоким давление (например, 200 бар) в полость "b" сильфона 10. Это вызывает перемещение плунжера 6 вниз и создает ход подачи. Во время хода подачи сильфон 10 растягивается, а сильфон 4 сжимается. Соответствующим образом, как и раньше, давление в полостях "b" и "с" (которое теперь возрастает) уравновешивается с помощью давления (которое возрастает) в двух независимых полостях "а", что предотвращает радиальную деформацию сильфонов 4, 10 в течение всего хода подачи. Сжатый перекачиваемый материал вытесняется из полости "с" через модуль 8 клапанов в разгрузочный коллектор 11. В конце хода подачи система 1 управления вновь переключается, и рабочий цикл машины начинается сначала.
Благодаря описанному изобретательскому решению устраняется или значительно снижается радиальная деформация диафрагм в виде сильфона, которая имела место в известном решении из-за разности давлений, что повышает надежность диафрагм и их стойкость к нагрузкам.
Гидромеханический переключатель
Обычно для управления циклической работой гидравлических машин и механизмов используются клапаны с электромагнитным приводом и электронным управлением. Эти многоуровневые, сложные системы управления усложняют гидравлические машины и снижают их надежность.
Гидравлическая машина может содержать «гидромеханический переключатель» для упрощения системы управления и повышения надежности машин этого класса. В гидромеханическом переключателе сообщение гидравлических отверстий осуществляется с помощью только механических средств, без электронных или магнитных приборов. Использование гидромеханического переключателя позволяет расширить область применения управляемых машин в тяжелых условиях окружающей среды, снижает и упрощает техническое обслуживание, обучение персонала и т.д.
Гидромеханический переключатель по фиг.3-5 в принципе может использоваться в любой гидравлической машине, содержащей гидроцилиндр 107, в котором имеется компонент, а именно поршень 106, установленный с возможностью циклического линейного возвратно-поступательного движения вдоль цилиндра 107, и средства переключения клапана 102 для управления подачей гидравлический текучей среды в гидроцилиндр в заданные моменты рабочего цикла машины. Гидромеханический переключатель содержит соединительный механизм (винтовую гайку 108, винт 109) для преобразования линейного движения поршня 106 во вращение; кулачок 103, приводимый во вращение этим соединительным механизмом; и пружину 115, которая выполнена с возможностью сжатия и накопления энергии за счет вращения кулачка 103 во время хода поршня 106. Один конец пружины 115 находится возле кулачка 103, а ее другой свободный конец опирается на фланец 114. Кроме того, пружина 115 может высвобождать накопленную энергию для переключения клапана 102 с целью управления подачей гидравлической текучей среды в гидроцилиндр 107 машины, когда поршень 106 находится в заданных положениях по длине гидроцилиндра 107.
Пружина 115 является пружиной сжатия, установленной на тяге 150 (фиг.2), проходящей от кулачка 103 таким образом, что при вращательном приводе кулачка 103 соединительным механизмом (108, 109) конец пружины около кулачка сжимается до тех пор, пока пружина не достигнет точки "А" неустойчивого равновесия, после прохода которой пружина высвобождает накопленную энергию для переключения клапана 102. Когда пружина 115 высвобождает накопленную энергию, вначале она резко приводит кулачок 103 на заданный угол поворота (например, на 45°), а затем, когда кулачок продолжает поворачиваться, он приводит во вращение часть для переключения клапана 102, поворачивая его, например, на угол, равный 45°.
Соединительный механизм (108, 109) выполнен с возможностью поворота кулачка на угол меньше 180° при каждом ходе поршня 106. Он содержит, например, винтовую гайку 108 и винт 109, образующие соединительный механизм с винтовой передачей.
Принцип работы гидромеханического переключателя основан на потреблении части энергии линейного движения машины. Небольшая часть этой энергии отбирается через винтовую передачу и запасается в энергии упругой деформации пружины 115. Затем эта накопленная энергия высвобождается для обеспечения необходимых открытий и переключений в заданные моменты рабочего цикла машины.
Гидромеханический переключатель может быть выполнен в виде поворотного цилиндрического клапана (см. фиг.3), который содержит неподвижный корпус 101, поворотное тело 102 клапана, кулачок 103, движущую пружину 115 и винтовую передачу (108, 109) для преобразования линейного движения поршня 106 во вращательное движение кулачка 103.
Когда гидромеханический переключатель встроен в насосной машине по фиг.1 и 2, эта часть, предназначенная для циклического возвратно-поступательного движения вдоль цилиндра, является поршнем 106 или плунжером или другой прикрепленной к ним частью.
Показанный гидромеханический переключатель работает следующим образом.
Вместе с линейным движением поршня 106 движется также гайка 108. Это движение вызывает вращение винта 109. Осевое движение винта 109 заблокировано опорным и уплотнительным блоком 111. Другой задачей блока 111 является герметичное удержание винта 109 в крышке 110. Винтовой вал 112 вращает кулачок 103 с помощью штыря 113 и пальца 104. Сжатие пружины 115 происходит одновременно с поворотом кулачка 103. Пружина также шарнирно поворачивается вокруг своего свободного конца и достигает точки "А" неустойчивого равновесия в конце хода поршня. Эта точка неустойчивого равновесия соответствует максимальному сжатию пружины 115, а затем поперечная ось пружины 115 пересекает ось вращения кулачка 103. В этот момент упругое усилие пружины максимально, но не создает крутящего момента на кулачке из-за отсутствия плеча рычага. Дальнейший поворот кулачка 103 на небольшой угол создает небольшое плечо рычага, и начинается высвобождение энергии, накопленной пружиной 115. На фиг.5 показана пружина, поперечно смещенная из положения равновесия, при этом она находится в менее сжатом состоянии в начале своего хода сжатия и готова к началу поворота.
При повороте за точку "А" неустойчивого равновесия пружина 115 начинает высвобождать накопленную энергию, и процесс переключения начинается без какой-либо связи с движением поршня, то есть автоматически. Вначале распрямление пружины после прохода точки "А" резко поворачивает только кулачок 103, поскольку энергия распрямления преодолевает только силы трения соединения 113 кулачка и гидравлическое сопротивление демпфера 116. Последний предусмотрен для стабилизации скорости движения пружины. После свободного поворота кулачка примерно на 45° его зубец 117 начинает воздействовать на штифт 118 клапана 102 и приводит клапан 102 в угловое перемещение. Дальнейший поворот кулачка 103 вызывает одновременный поворот клапана 102 на угол, примерно равный 45°, и соответствующее необходимое переключение гидравлических каналов в теле клапана 102 или в его корпусе 101. Таким образом, за счет поворота клапана 102 достигается желаемое переключение отверстий для управления машиной.
Шариковый фиксатор 119 предусмотрен для ограничения поворота клапана в крайних положениях. Клапан доходит до упора 120 и фиксируется шариковым фиксатором 119 в конце поворота.
Следующие особенности повышают надежность гидромеханического переключателя.
Зубец 117 снабжен резиновым демпфером 121 для снижения до минимума удар при контакте штифта 118 и упора 120.
Поворотный клапан 102 статически и динамически сбалансирован в гидравлическом отношении для компенсации составляющих радиального давления, которые иначе вызывали бы трение при повороте клапана.
Сжатие пружины 115 происходит в течение всего хода поршня для равномерного накопления энергии. Для этого пружина выполнена мягкой и имеет соответствующее низкое изменение сопротивления в течение хода.
Круглая поверхность "В" штыря 113 поддерживается уравновешиванием давления, направленного из внутренней полости цилиндра через специальный канал, при этом площадь поверхности "В" равна площади сечения вала 112 для уравновешивания тягового усилия, которое действует на винт 109 вследствие внутреннего давления в цилиндре.
Гидромеханический переключатель снабжен индикатором 122 для наблюдения за положениями клапана и поршня, направлением движения, скоростью и работой. При необходимости вместо механического индикатора может использоваться любой датчик углового положения для электронного мониторинга работы машины.
Спиральные шлицы 124 и 125 на валу кулачка предназначены для регулировки хода поршня и положения стрелки 123 указателя во время процесса сборки.
Болты 126 предназначены для тонкой регулировки угла поворота кулачка 103 и всей работы гидромеханического переключателя.
Поворотное соединительное устройство 127 предназначено для регулировки действия пружины 115.
После первоначальной точной настройки гидромеханический переключатель работает автоматически, то есть рабочая машина управляет сама собой. Так например, если скорость поршня изменяется, клапан продолжает срабатывать в нужные моменты времени, так как процесс переключения зависит только от положения поршня, а не от скорости или ускорения.
Данное решение повышает надежность машины и устраняет необходимость технического обслуживания какой-либо системы управления.