РАДИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ НАСОС С ЖЕСТКОЙ СВЯЗЬЮ ШАТУНА С ПОРШНЕМ
RADIAL-PISTON PUMP WITH RIGID CONNECTION OF CONNECTING ROD WITH PISTON

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.
2
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=Dγ·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.