ГИДРОПРИВОДНОЙ НАСОС С ЭЛАСТИЧНОЙ ДИАФРАГМОЙ
HYDRAULIC PUMP WITH RESILIENT MEMBRANE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к гидроприводным диафрагменным насосам и, в частности, к устройству, предназначенному для поддержания необходимого объема жидкости в промежуточной камере, расположенной между поршнем и диафрагмой.
Уровень техники
Объем жидкости, находящейся в промежуточной камере, уменьшается по трем основным причинам: наличие утечек, наличие растворенных газов, которые снижают производительность насоса, и наличие предохранительного клапана, который позволяет удалять текучую среду при возникновении избыточного давления.
Поэтому в насосе такого типа необходимо устанавливать систему дополнительного питания указанной камеры, как правило, из вспомогательного резервуара. Эта система, называемая компенсационной системой, должна поддерживать в промежуточной камере объем жидкости, обеспечивающий при любых условиях ход диафрагмы, соответствующий рабочему объему, проходимому поршнем, без риска повреждения этой диафрагмы и без нарушения расхода.
Известны устройства дополнительного питания двух основных типов: автоматические устройства и управляемые устройства. Автоматические устройства представляют собой простой калиброванный клапан с всасыванием в направлении от резервуара к промежуточной камере, начиная от определенного значения разрежения. Управляемые устройства содержат один или несколько клапанов, открывание которых срабатывает механически за счет хода диафрагмы и которые обеспечивают дополнительное питание только тогда, когда эта диафрагма оказывается в крайнем заднем положении.
В обоих случаях диафрагма является деформируемой без существенной жесткости или упругости, поэтому высота всасывания насоса зависит от давления в промежуточной камере. В этих условиях недостатком автоматических систем является значительное снижение всасывающей способности насоса по сравнению с поршневым насосом, поскольку необходимо калибровать клапан таким образом, чтобы его открывание происходило как можно позже до появления кавитации в промежуточной камере, и в момент этого открывания всасывание сразу прекращается. Если диафрагма не прошла полностью свой ход всасывания, это приводит к уменьшению рабочего объема насоса.
Некоторые из известных управляемых систем содержат клапан, взаимодействующий с неподвижным седлом, через которое канал дополнительного питания сообщается с промежуточной камерой, при этом клапан прижимается к своему седлу пружиной и приводится в действие на открывание диафрагмой, когда она стремится перейти за конец хода всасывания насоса. В большинстве случаев диафрагма является гибкой и практически не имеет жесткости.
В некоторых низконапорных насосах применяемая диафрагма выполнена в виде упруго деформирующегося купола или конуса повышенной жесткости, который обладает памятью формы в состоянии покоя, соответствующем концу хода всасывания, в которое она упруго возвращается, когда давление в промежуточной камере падает.
Небольшой рабочий объем этих насосов не позволяет устанавливать в них известные устройства, обеспечивающие эту функцию. Поэтому необходимо адаптировать компенсационную систему к конкретным условиям работы этих насосов.
Задачей настоящего изобретения является адаптация компенсационной системы, за счет миниатюризации контура компенсации рабочей камеры, что дает также свои преимущества, в частности, с точки зрения уменьшения габаритов в высоконапорных насосах.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена в гидроприводном диафрагменном насосе, содержащем нагнетательную камеру, выполненную между головкой и корпусом насоса, с подвижной стенкой, образованной диафрагмой, упруго деформирующейся, начиная от своего состояния покоя, которое соответствует ее состоянию в конце хода всасывания насоса, промежуточную гидравлическую камеру постоянного объема, выполненную в корпусе насоса, смежную с нагнетательной камерой на уровне диафрагмы и содержащую поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри этой промежуточной камеры, при этом объем компенсации утечек промежуточной камеры соединен с ней посредством канала дополнительного питания через свободный и не калиброванный обратный клапан, направление пропускания которого ориентировано в сторону промежуточной камеры, причем, согласно изобретению, обратный клапан и по меньшей мере часть, образующая резервуар компенсационного объема, расположены в корпусе, присоединяемом к корпусу насоса в самой высокой точке промежуточной гидравлической камеры в рабочем положении насоса.
Для облегчения сборки присоединяемый корпус выполнен из двух частей, а именно включает в себя нижний элемент перегородки, в котором выполнено седло свободного клапана, и элемент удержания этого элемента перегородки, образующий резервуар для компенсационного объема и закрывающий этот резервуар.
Объем промежуточной (или рабочей) камеры распределен между главным объемом, через который проходит конец поршня во время возвратно-поступательного движения, и меньшим вспомогательным объемом, образованным исключительно коротким каналом дополнительного питания и функциональными пространствами, существующими по причине выполнения корпуса насоса из нескольких частей для ограничения рабочей камеры. Таким образом, этот объем ограничен минимумом, необходимым для работы насоса, с мертвыми пространствами незначительного объема и практически без уплотнительных прокладок, которые могут подвергаться действию высокого давления и, следовательно, изменять за счет своей деформации объем рабочей камеры. Каналы, принадлежащие к вспомогательному объему камеры, могут влиять на малые сечения, поскольку применяемая текучая среда имеет очень высокое качество, не содержит твердых частиц и содержит очень мало растворенных газов.
Таким образом, изобретение позволяет уменьшить до нескольких кубических сантиметров емкость компенсационного объема для текучей среды, необходимой для дополнительного питания промежуточной гидравлической камеры. Компенсационный объем тоже распределен между присоединяемым корпусом, который содержит основную часть этого объема, образуя резервуар, встроенный в радиальном направлении в корпус насоса, например, в часть этого корпуса, смежную с направляющей рабочего поршня, различными каналами и функциональными зазорами, в которых присутствует атмосферное давление, которые находятся вблизи направляющей рабочего поршня и сообщаются с этим резервуаром.
В рамках настоящего изобретения свободный обратный клапан является клапаном, не оборудованным пружиной его возврата на седло, что может быть возможно в случае, когда этот возврат обеспечивает действие силы тяжести, или клапаном, закрытие которого обеспечивает пружина, предназначенная для компенсации действия силы тяжести, если оно удаляет клапан от его седла.
Кроме того, рабочая камера соединена также с резервуаром компенсационного объема через разгрузочный канал и через калиброванный предохранительный клапан, который перекрывает его, когда давление в рабочей камере оказывается ниже калибровочного значения. Вышеупомянутый присоединяемый корпус содержит этот разгрузочный канал в ответвлении свободного клапана в элементе перегородки.
Кроме того, между разгрузочным каналом и резервуаром компенсационного объема расположен дегазационный канал в ответвлении предохранительного клапана.
Следует отметить, что верхняя стенка присоединяемого корпуса является прозрачной.
Предпочтительно предохранительный клапан содержит шток, свободный конец которого является индикатором избыточного давления в рабочей камере.
Наконец, пространство, принадлежащее к компенсационному объему, выполнено между поршнем и его направляющей гильзой и образует средство сбора утечек между поршнем и гильзой.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания примера осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема работы насоса в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.2 показан первый вариант осуществления насоса, изображенного на фиг.1, вид в разрезе;
на фиг.2А показана часть насоса, изображенного на фиг.2, увеличенный вид; на фиг.3 частично показан предпочтительный вариант осуществления изобретения, увеличенный вид.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, головная часть гидроприводного насоса содержит нагнетательную головку 1, которая вместе с диафрагмой 2 ограничивает нагнетательную камеру 3. Диафрагма 2 выполнена с возможностью упругой деформации, начиная от ее формы в состоянии покоя (показанном на фигуре), которое соответствует ее состоянию в конце хода всасывания насоса. Жесткость этой диафрагмы рассчитана таким образом, чтобы всасывающая мощность насоса зависела от способности мембраны самостоятельно возвращаться в свое положение покоя. В частности, речь идет о низконапорном насосе и насосе среднего или высокого давления.
Нагнетательная камера соединена с наружным пространством через всасывающий канал 4 и нагнетательный канал 5, которые оборудованы обратными клапанами, установленными в клапанных коробках 6 и 7.
Диафрагма образует деформирующуюся стенку промежуточной гидравлической камеры 8, выполненной в корпусе 9 насоса. Поршень 10 выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в промежуточной камере 8 под механическим действием известных двигателя и трансмиссии. Объем камеры 8 теоретически является постоянным, и объем, проходимый в этой камере поршнем 10, соответствует изменению объема нагнетательной камеры 3. Хотя содержащаяся в этой камере текучая среда и не сжимается, ее объем меняется из-за утечек между поршнем и направляющей его возвратно-поступательного движения в корпусе насоса. Кроме того, рабочая текучая среда содержит растворенные газы, которые высвобождаются во время воздействующих на нее циклов компрессии-декомпрессии. Наконец, предохранительный клапан позволяет текучей среде выходить из промежуточной камеры, когда на уровне нагнетательной камеры происходит блокировка. Таким образом, объем камеры 8 не является постоянным, поэтому необходимо предусмотреть компенсацию потерь текучей среды за счет всасывания ее достаточного количества во время хода всасывания поршня 10.
Для этого промежуточная камера 8 сообщается с компенсационным резервуаром 11 через два канала 12а и 12b. Канал 12а является каналом дополнительного питания, который соединяет рабочую камеру с компенсационным резервуаром 11. Этот канал 12а содержит обратный свободный клапан 13, то есть клапан, свободно падающий на свое седло или подвергающийся возвратному действию очень слабой вспомогательной пружины. Направление пропускания ориентировано от резервуара 11 к промежуточной камере 8.
Канал 12b является разгрузочным каналом и содержит калиброванный клапан 15, представляющий собой вышеупомянутый предохранительный клапан для камеры 8. Этот клапан пропускает в направлении от камеры 8 к резервуару 11, если давление в камере 8 превышает пороговое значение, регулируемое посредством регулировки калибровки клапана, например, при помощи винта 16. В ответвлении предохранительного клапана 15 можно выполнить проход для продувки газа, содержащегося в камере 8, что показано, например, в виде канала 14.
Понятно, что ход поршня 10 назад обеспечивает упругий возврат диафрагмы 3 в ее положение покоя. Если она достигает этого положения до того, как поршень придет в свою заднюю мертвую точку, в камере 8 происходит разрежение, что приводит к всасыванию объема жидкости, отбираемой из резервуара 11, через клапан 13. Кроме того, во время работы насоса газ, содержащийся в рабочей жидкости камеры 8, непрерывно продувается через канал 14 в соответствии с циклами сжатия-разрежения. Канал 12а размещен над камерой 8 из предосторожности, чтобы использовать естественное накопление газа в верхней точке этой камеры. Наконец, если в нагнетательной камере происходит блокировка, текучую среду из камеры 8 можно удалить по каналу 12b через предохранительный клапан 15, который сообщается с резервуаром 11.
Часть канала 12а, которая находится на выходе клапана 13 противоположно его направлению пропускания, в известных насосах участвует в компенсации потерь рабочего объема насоса. Действительно, как правило, эту часть канала выполняют в виде независимых проходов, которые соединены через прокладки и являются причиной утечек содержащейся в них текучей среды при перепадах давления во время работы насоса и объем которых является большим по отношению к объему рабочей камеры низконапорного насоса.
Изобретение представляет собой конструктивное усовершенствование, одним из преимуществ которого является сведение этого «мертвого» объема текучей среды к минимуму и его герметичную изоляцию, чтобы сократить потребности в компенсации рабочей камеры насоса.
На фиг.2 и 2A некоторые из описанных ранее элементов обозначены теми же позициями. Поршень 10 установлен с возможностью перемещения скольжением в направляющей гильзе 17, установленной в корпусе 9 насоса таким образом, что эта направляющая 17 ограничивает со стороны промежуточной камеры 8 вместе с корпусом 9 насоса, в котором она установлена, кольцевое пространство 18, которое открывается в промежуточную камеру 8 и которое образует часть канала 12а или часть камеры 8.
В этом варианте осуществления гильза 17 ограничивает также вместе с поршнем 10 камеру 19 для сбора утечек рабочей жидкости.
Камера 8, кольцевое пространство 18 и камера 19 соединены каналами 20, 21 с полостью 22, выполненной в корпусе 9 насоса, в которой установлен трубчатый элемент 23 перегородки. Этот элемент перегородки образует в полости 22 камеру 24, с которой сообщается канал 20, выходящий из камеры 19 сбора утечек.
Дно трубчатого элемент 23 перегородки содержит центральный канал 25, сообщающийся с камерой 24. Этот канал выходит в гнездо 26 элемента перегородки, в котором установлен предохранительный клапан 15. Седло этого клапана 15 образовано дном этого гнезда 26 вокруг устья канала 25. Над этим седлом клапан 15 образует в гнезде 26 кольцевую камеру 27, в которую выходит продолжение 28 канала 21, выполненное в элементе 23 перегородки.
Камера 29, выполненная в клапане 15, сообщается с каналом 25 и, следовательно, с камерой 24 через канал 30, который содержит клапан 13, пропускающий в направлении от камеры 24 к камере 29.
Следует отметить, что в данном случае клапан 13 является клапаном с шариком, подвижным относительно седла, выполненного в калиброванном клапане 15, которое образует выход в камеру 29 канала 30. Ход этого клапана ограничен упором 13а, установленным в предохранительном клапане 15. Камера 29 находится над этим шариком под упором 13a.
Кольцевая камера 27 постоянно сообщается с камерой 29 посредством канала 29a через корпус клапана 15. Конец клапана 15, находящийся напротив дна гнезда 26, является конусным, что позволяет давлению, присутствующему в камере 29 и, следовательно, в камере 8, присутствовать также в камере 27а и действовать на большую полезную площадь клапана 15. Над кольцевой камерой 27 клапан 15 перемещается скольжением в гнезде 26.
Внутри элемента 23 перегородки предохранительный клапан 15 прижимается к своему седлу пружиной R.
Трубчатый элемент 31 образует замкнутое пространство компенсационного резервуара 34 и взаимодействует посредством завинчивания с резьбовой частью 22а полости 22, тесно прижимая элемент 23 перегородки к дну этой полости. Этот трубчатый элемент содержит поперечную перфорированную перегородку 32 с отверстием для регулировочного винта 16 калибровки возвратной пружины клапана 15.
Таким образом, пружина R расположена между этим винтом 16 и клапаном 15 во внутреннем пространстве элемента 31, образующем резервуар 34, который является главной частью компенсационного объема 11.
Канал 33, выполненный в элементе 23 перегородки, постоянно соединяет резервуар 34 с камерой 24. На соединении каналов 21 и 28 имеется прокладка 35.
Над устройством установлена съемная прозрачная крышка 36, которая закрывает компенсационный объем, обеспечивая к нему доступ для добавления, в случае необходимости, масла и для контроля работы насоса. Уровень рабочего масла, то есть текучей среды, содержащейся в промежуточной гидравлической камере и в компенсационном объеме, пополняют, чтобы во время работы он находился над перфорированной перегородкой 32.
Следует отметить, что часть канала 12а дополнительного питания на выходе клапана 13 (как показано на фиг.1) содержит в данном случае камеру 29, отверстие 29а, канал 28 и канал 21 и что входная часть канала 12b дополнительно содержит каналы и пространства перед камерой 27 и камерой 27а. Компенсационный объем образован всеми частями гидравлического контура, которые находятся под атмосферным давлением, а именно камерами, каналами, объемами и отверстиями 19, 20, 24, 25, 30, 33 и 34.
В данном случае дегазационный канал 14 образован цилиндрическим функциональным зазором, который остается между упором 13а клапана 13 и внутренней поверхностью клапана 15, а также функциональным зазором между клапаном 15 и гнездом 26 элемента 23.
Во время работы, когда поршень 10 перемещается в направлении A всасывания, упругость диафрагмы обеспечивает ее возврат в состояние покоя. Как правило, в камере 8 присутствует давление, превышающее атмосферное давление. Вместе с тем, объем жидкости в камере 8 может быть меньше объема жидкости в рабочей камере, увеличенного, разумеется, на объем всех прилегающих каналов и камер, которые свободно сообщаются с камерой 8 по причине постоянных утечек этой текучей среды и дегазации. В этом случае последняя часть хода всасывания поршня может привести к разрежению в этой камере, и клапан 13 открывается. Таким образом, жидкость дополнительно поступает в промежуточную гидравлическую камеру 8, и рабочий объем насоса сохраняется. Таким образом, в случае необходимости, создается компенсационный поток, питающий гидравлическую камеру.
Во время хода нагнетания (направление С на фигурах) давление в камере 8 становится очень высоким, что приводит к закрыванию клапана 13. Именно во время этой части хода происходят утечки. Если давление превышает критическое значение, соответствующее калибровке предохранительного клапана 15, этот клапан 15 открывается, и избыток давления удаляется в направлении пространства 34 над элементом 23 перегородки через каналы 25, 24 и 33. Появляющееся в результате этого завихрение уровня масла на поверхности резервуара 34 указывает оператору на нарушение в работе. В случае необходимости, при каждом цикле насоса происходит дегазация рабочей текучей среды вдоль канала 14, который образован между упором 13а клапана 13 и корпусом разгрузочного клапана 15.
На фиг.3 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения. Он отличается наличием корпуса, присоединяемого к корпусу 9 насоса. Элемент 23 перегородки содержит два последовательно установленных шариковых клапана 40 и 41. Клапаны больше не находятся в корпусе предохранительного клапана 15. Канал 21, продолженный каналом 28, сообщается с секцией 29b камеры 29 вокруг второго клапана 41. Камера 29 находится над элементом 23 и выполнена наподобие зенкованного углубления в корпусе клапана 15 золотника 42 с внутренним каналом 43, который отходит от самой высокой точки камеры 29.
Под действием избыточного давления золотник поднимается, преодолевая усилие возвратной пружины R, при этом избыточное давление является давлением, которое может присутствовать в рабочей камере 8, 18 и достигать камеры 29 через каналы 21 и 28. Золотник 42 уже не является собственно предохранительным клапаном, через который проходит текучая среда под избыточным давлением. Вместе с элементом 31, в котором он направляется при перемещении скольжением, он образует емкость переменного объема, которая представляет собой расширительную камеру для ограничения давления в каналах давлением, регулируемым за счет калибровки пружины R. Пружина R стремится прижать золотник 42 к элементу 23 перегородки, что минимизирует объем камеры 29. Функциональный зазор между золотником 42 и элементом 31 выполняет функцию дегазационного канала 14 на выходе канала 43.
Если сравнить этот вариант осуществления с вариантом, показанным на фиг.1, то находящаяся под давлением часть канала 12а содержит каналы 21, 28, камеру 29 с ее секцией 29b (увеличенную на объем глухого канала 43), тогда как находящаяся под давлением часть канала 12b содержит каналы и пространства 28, 29b, 29 и 43, при этом пространства 29 и 29b имеют переменный объем.
Наконец, следует отметить, что золотник 42 снабжен штоком 44, конец 44а которого может быть окрашен и является индикатором избыточного давления в рабочей камере, то есть указывает на ненормальную работу насоса. Действительно, оператор может легко заметить через прозрачную стенку 36 биение конца 44a штока 44 под этой стенкой, означающее, например, что контур нагнетания насоса перекрыт.Чтобы этот индикатор просматривался, калибровочный винт 16 предохранительного клапана заменили в этом варианте полой гайкой 16а.
Отмечается, что объем текучей среды, который подвергается действию высокого давления и циклическим изменениям, ограничен недеформирующимися стенками, то есть стенками без прокладок, если не считать тороидальную прокладку 35 на стыке каналов 21 и 28. Это расположение способствует стабильности во времени рабочего объема насоса.
Работу этого варианта осуществления можно представить следующим образом. В случае нехватки текучей среды в рабочем объеме насоса в конце хода всасывания давление в камере 29 становится ниже атмосферного давления. Клапаны 40, 41 открываются, и происходит дополнительное питание рабочего объема. Во время хода нагнетания клапаны 40 и 41 опираются на свои седла под действием давления нагнетания, и рабочая текучая среда задерживается в рабочей камере, если не считать утечек, которые являются слабыми и компенсируются во время следующего хода всасывания.
Одним из преимуществ этих вариантов осуществления является компактность сборки, поскольку компенсационная камера распределена по разным гнездам, выполненным в корпусе насоса и, главным образом, в присоединяемом корпусе, который содержит компенсационный клапан и предохранительный клапан. Таким образом, габаритный размер в направлении рабочего поршня уменьшается, так как компенсационный объем, который раньше находился в картере насоса между двигателем, приводящим в действие поршень, и рабочей камерой, в данном случае в основном находится снаружи картера.
Кроме того, элемент 23 перегородки содержит два клапана и находится в полости 22 корпуса насоса, которая проходит перпендикулярно к оси поршня 10. Функции компенсации, защиты и дегазации, дополненные функцией визуального контроля, обеспечены узлом, который устанавливают наподобие картриджа в поперечную полость 22 корпуса 9 насоса, а именно: цилиндрический элемент 23 перегородки, два клапана 40, 41, пружина R и трубчатый элемент 31 крепления этого элемента перегородки в полости 22 корпуса насоса, который содержит главный резервуар 34 компенсационного объема, который содержит средства калибровки предохранительного клапана или золотника расширительной камеры и который через прозрачную крышку 36 обеспечивает контроль за работой устройства и, в частности, позволяет производить визуальную диагностику давления при нагнетании насоса.