Насос
PUMP

Изобретение относится к устройствам для перекачивания густых жидкостей с абразивами, в частности к поршневым насосам.
Известен насос, содержащий корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, в корпусе жестко установлен по крайней мере один цилиндр, выполненный в виде стакана, с размещенным в нем с образованием рабочей полости поршнем, связанным со штоком, пропущенным через центральное отверстие в донной части стакана, рабочая полость цилиндра сообщена с нагнетательным коллектором через нагнетательный клапан, обратная сторона которого служит седлом всасывающего клапана, выполненного в виде охватывающей поршень втулки, снабженной горловиной, расположенной в рабочей полости, установленной подвижно относительно цилиндра и поршня и имеющей привод ее возврата к седлу, а рабочая полость сообщена через кольцевой канал между седлом и горловиной втулки со всасывающей полостью корпуса, и крышку (см. описание изобретения к а.с. СССР №1368482, МПК F04B 15/00 от 03.02.86 г.).
Недостатками известного насоса являются недостаточная надежность работы, значительная трудоемкость обслуживания гидравлической части насоса из-за невозможности обеспечения качественной сборки и проверки работоспособности каждого цилиндра вследствие подетальной сборки гидравлической части в корпусе насоса. Кроме того, крышка цилиндра нагружена пульсирующей нагрузкой. Кроме того, вследствие закрытия всасывающего клапана в начале цикла нагнетания насос имеет значительные объемные потери, пульсации давления. Сопряжение втулки с цилиндром требует изготовления отдельного цилиндра для каждого типоразмера поршня, что влечет за собой значительную трудоемкость изготовления.
Известен насос, принятый за прототип, содержащий корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, корпус выполнен как минимум с одним отверстием для размещения цилиндра, выполненного в виде стакана с центральным отверстием в донной части и с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, и разобщения нагнетательного коллектора от всасывающей полости и атмосферы, нагнетательный клапан и седло установлены внутри цилиндра перед крышкой, закрепленной посредством разъемного соединения, а в цилиндре выполнено как минимум одно сквозное радиальное отверстие для сообщения нагнетательной полости с нагнетательным коллектором, а также продольные пазы перед седлом и как минимум одно радиальное отверстие в донной части, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен ответно центральному отверстию бурт (см. патент РФ №№2286480, МПК F04B 15/00 от 20.05.2005 г.).
Недостатками известного насоса являются значительные объемные потери и неравномерность нагнетания вследствие запаздывания закрытия всасывающего клапана из за посадки всасывающего клапана на седло в начале цикла нагнетания, а также недостаточный ресурс цилиндра вследствие износа его внутренней поверхности от трения телом всасывающего клапана.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса работы, снижение объемных потерь и неравномерности нагнетания жидкости.
Решение технической задачи достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, в котором выполнено как минимум одно отверстие для размещения цилиндра, выполненного в виде стакана с центральным отверстием в донной части и с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, и разобщения нагнетательного коллектора от всасывающей полости и атмосферы, нагнетательный клапан и седло установлены внутри цилиндра перед крышкой, закрепленной посредством разъемного соединения, поршень со штоком, обратная сторона нагнетательного клапана служит седлом всасывающего клапана, выполненного в виде охватывающий поршень втулки с образованием рабочей и штоковой полостей, в цилиндре выполнено как минимум одно сквозное радиальное отверстие для сообщения нагнетательной полости с нагнетательным коллектором, а также продольные пазы перед седлом и как минимум одно радиальное отверстие в донной части цилиндра для сообщения соответственно рабочей и штоковой полостей со всасывающей полостью, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен ответно центральному отверстию в донной части цилиндра бурт, согласно техническому решению, бурт штока и донная часть цилиндра снабжены уплотнительным устройством с возможностью герметизации центрального отверстия на части хода поршня, объем штоковой полости между буртом и всасывающим клапаном на части хода поршня с герметизацией центрального отверстия сопрягаемыми уплотняемыми узлами бурта и днища цилиндра составляет 1,05-1,10 объема тела втулки всасывающего клапана на длине ее хода, а расстояние от торца цилиндра до радиального отверстия составляет 0,85-0,90 хода всасывающего клапана.
Бурт штока или донная часть цилиндра снабжены самоуплотняемой манжетой, ответно выполненной сопрягаемому узлу.
Цилиндр и всасывающий клапан выполнены с образованием кольцевого зазора, в котором в донной части с возможностью взаимодействия с днищем цилиндра и за продольным пазом установлены ответно выполненные направляющие втулки, при этом на втулке со стороны донной части выполнено как минимум одно радиальное отверстие, сообщаемое с радиальным отверстием цилиндра.
В донной цилиндрической части цилиндра выполнена кольцевая проточка, уплотнительный элемент цилиндра выполнен в виде кольца и установлен в кольцевой проточке с возможностью взаимодействия с днищем цилиндра.
Направляющие втулки выполнены разрезными.
В цилиндре ответно втулкам выполнены кольцевые канавки.
В средней части на наружной поверхности направляющих втулок выполнены кольцевые канавки, а в цилиндре ответно канавкам выполнены как минимум три радиальных сквозных отверстия с одинаковым угловым шагом друг от друга, в которых с возможностью взаимодействия с направляющими втулками установлены штифты.
В верхней части отверстий выполнены кольцевые канавки, снабженные стопорными кольцами, при этом штифты установлены с возможностью взаимодействия со стопорными кольцами.
Штифты выполнены в виде пружин.
Кольцевая канавка цилиндра, расположенная за продольным пазом, снабжена ответно выполненным кольцевому зазору и подпружиненным относительно направляющей втулки кольцом с образованием камеры переменного объема, сообщающейся со всасывающей полостью посредством дроссельного отверстия, при этом всасывающий клапан снабжен буртом, имеющим способность взаимодействовать с направляющей втулкой.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид гидравлической части насоса (продольный разрез одного цилиндра);
на фиг. 2 - нагнетательный коллектор (разрез А-А на фиг. 1);
на фиг. 3 - вариант оснащения уплотнительной манжетой днища цилиндра;
на фиг. 4 - вариант оснащения днища цилиндра уплотнительным элементом в виде кольца;
на фиг. 5 - фрагмент цилиндра;
на фиг. 6 - вариант конструкции насоса с гладким цилиндром;
на фиг. 7- поперечный разрез Б-Б цилиндра на фиг. 6;
на фиг. 8 - вариант исполнения штифта в виде пружины;
на фиг. 9 - вариант исполнения насоса с демпфером всасывающего клапана;
на фиг. 10 - узел В на фиг. 9.
Насос содержит корпус 1 (фиг. 1) с нагнетательным коллектором 2 (фиг. 2) и всасывающей полостью 3 и приводом 4. В корпусе 1 выполнено как минимум одно отверстие 5 для размещения как минимум одного цилиндра 6, закрепленного в отверстии 5 с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, например гайки 7, и разобщения нагнетательного коллектора 2 от всасывающей полости 3 и атмосферы. Отверстие 5 выполнено сопрягаемым с поверхностью цилиндра 6, например ступенчатым с упором 8.
Внутри цилиндра 6 с образованием рабочей 9 и штоковой 10 полостей размещен поршень 11, который связан со штоком 12, снабженным буртом 13 и пропущенным через центральное отверстие 14 в донной части цилиндра 6. Бурт 13 снабжен, например, уплотнительной манжетой 15, ответно выполненной центральному отверстию 14 с возможностью герметизации штоковой полости 10.
Шток 12 цилиндра 6 закреплен на приводе 4 посредством быстросъемного фиксатора 16.
Рабочая полость 9 цилиндра 6 сообщена с нагнетательным коллектором 2 через нагнетательный клапан 17. Обратная сторона нагнетательного клапана 17 служит седлом 18 всасывающего клапана 19, выполненного в виде охватывающей поршень 11 втулки с горловиной, расположенной в рабочей полости 9 с образованием кольцевого канала 20 между горловиной втулки 19 и цилиндром 6.
Всасывающий клапан 19 установлен подвижно относительно цилиндра 6 и поршня 11 и имеет привод возврата к седлу 18 в виде полости управления, представляющей собой штоковую полость 10. Ход всасывающего клапана 19 составляет "Н". Всасывающий клапан 19 установлен в цилиндре 6, например, с образованием кольцевого зазора 21. В донной и средней частях цилиндра 6 выполнены, например, две кольцевые канавки 22 и 23, в которых установлены ответно выполненные направляющие втулки 24 и 25 с возможностью взаимодействия с боковыми поверхностями цилиндра 6 и всасывающего клапана 19.
Нагнетательный клапан 17 и седло 18 установлены внутри цилиндра 6 перед крышкой 26, закрепленной в последнем посредством разъемного соединения, например гайки 27. Между седлом 18 и крышкой 26 установлен, например, распорный элемент 28, выполненный, например, в виде втулки со сквозными радиальными отверстиями (условно не указаны), для фиксации седла 18. Нагнетательный клапан 17 снабжен, например, пружиной 29.
В цилиндре 6 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 30 для сообщения нагнетательной полости 31 с нагнетательным коллектором 2 и продольные сквозные пазы 32 в передней части цилиндра 6, ближе к горловине втулки, для сообщения рабочей полости 9 со всасывающей полостью 3. Во втулке 24 и в цилиндре 6 выполнены как минимум по одному сквозному радиальному отверстию 33 и 34 с возможностью сообщения штоковой полости 10 со всасывающей полостью 3. Отверстие 33 выполнено на расстоянии "h" от торца цилиндра, при этом ширина отверстия 34 в цилиндре больше ширины отверстия 33 на втулке 24.
Втулки 24 и 25 могут быт выполнены из неметаллического материала, например из фторопласта, и могут быть выполнены разрезными.
В корпусе 1 (фиг. 1) может быть выполнена цилиндрическая расточка в зоне размещения сквозного радиального отверстия 30 цилиндра 6, образующая кольцевую камеру 35 для соединения с нагнетательным коллектором 2.
Между крышкой 26 и седлом 17 всасывающего клапана 18 может быть установлен упругий элемент 36 для обеспечения гарантированного осевого зазора.
Днище цилиндра 6 может быть оснащено уплотнительной манжетой 37 (фиг. 3), ответно выполненной бурту 13.
Днище цилиндра 6 может быть оснащено уплотнительным элементом, ответно выполненным бурту 13, в виде кольца 38 (фиг. 4 и 5), установленного между втулкой 24 и днищем цилиндра 6.
Внутренняя поверхность цилиндра 6 может быть выполнена гладкой (фиг. 6), а в средней части втулок 24 и 25 на их наружной поверхности могут быть выполнены кольцевые канавки 39 и 40. В цилиндре 6 ответно канавкам 39 и 40 выполнены как минимум по три радиальных отверстия 41 и 42, в которых установлены ответно выполненные штифты 43 и 44.
В верхней части радиальных отверстий 41 и 42 могут быть выполнены кольцевые канавки 45 (фиг. 7), в которых установлены стопорные кольца 46, при этом штифты 43 и 44 выполнены регулировочными для компенсации износа втулок 24 и 25 и установлены с возможностью взаимодействия со втулками 24, 25 и кольцами 46.
Штифты 43 и 44 могут быть выполнены, например, в виде цилиндрической пружины 47.
Кольцевая канавка 23 цилиндра 6, расположенная за продольным пазом 32, снабжена ответно выполненным кольцевому зазору и подпружиненным пружиной 48 (фиг. 9 и 10) относительно направляющей втулки 25 кольцом 49 с образованием камеры 50 переменного объема. Например, в кольце 49 выполнен дроссельный канал 51, сообщающий камеру 50 переменного объема со всасывающей полостью 3. Всасывающий клапан снабжен буртом 52, имеющим способность взаимодействовать с направляющей втулкой 25.
Монтаж насоса осуществляют следующим образом.
Сборку цилиндра 6 в виде блока (фиг. 3) с последующей регулировкой производят в цеховых условиях.
Сначала поршень 10 соединяют со штоком 11, на цилиндр 6 устанавливаются втулки 24 и 25, на поршень 10 насаживают втулку всасывающего клапана 19 и устанавливают в стакане цилиндра 6 до упора, размещая шток 11 в отверстии 14 донной части. Затем в цилиндре 6 размещают седло 18, нагнетательный клапан 17 с пружиной 29, распорную втулку 28, крышку 26 и закрепляют гайкой 27.
Готовый блок цилиндра 6 размещают в отверстии 5 корпуса 1 насоса до упора 8, перекрывая нагнетательный коллектор 2 и кольцевую камеру 35 цилиндром 6. Соединяют шток 11 и привод 4 насоса, например, с шатуном (условно не указан) посредством быстросъемного фиксатора 16. Цилиндр 6 закрепляют в отверстии 5 корпуса 1 насоса разъемным соединением, например гайкой 7.
Демонтаж блока цилиндра 6 осуществляют в обратном порядке. Насос работает следующим образом.
Пусть поршень 10 находится в правом крайнем положении. При этом нагнетательный клапан 17 чуть приподнят над седлом 18 из-за запаздывания закрытия. Давление в рабочей полости равно давлению нагнетания.
При ходе поршня 10 (фиг. 1) вправо давление в полости 9 снижается, клапан 17 опускается на седло 18. Жидкость из штоковой полости 10 управления через отверстия 14, 33 и 34 перетекает во всасывающую полость 3 насоса. Всасывающий клапан 19 под действием сил трения и силы, определяемой перепадом давлений в рабочей полости 9 и во всасывающей полости 3, перемещается вправо.
При перемещении всасывающего клапана 18 вправо из всасывающей полости 3 через продольные пазы 32 цилиндра 6 и кольцевой канал 20 жидкость перетекает в рабочую полость 9. Объем поступающей при этом жидкости из всасывающей магистрали (не показана) меньше объема рабочей полости 9 и равен разности объемов рабочей полости 9 и штоковой полости 10 управления, Поэтому давление во всасывающей полости 3 изменяется незначительно.
При дальнейшем перемещении всасывающий клапан 19 перекрывает боковое отверстие 33 во втулке 24, что приводит к возрастанию давления в полости 10 управления и замедлению перемещения всасывающего клапана 19. Всасывающий клапан 19 при подходе к крайнему правому положению взаимодействует с днищем цилиндра 6 и останавливается.
При подходе поршня 10 к правому крайнему положению передняя часть бурта 13 на штоке 11 перекрывает отверстие 14 в днище цилиндра 6, что вызывает повышение давления в полости 10 управления. Далее, манжета 15 бурта 13 взаимодействует с поверхностью отверстия 14, полностью перекрывая его. При движении поршня 11 в полости еще поднимается давление и под действием создавшегося перепада давления происходит перемещение всасывающего клапана 19 влево, в сторону седла 18. Для обеспечения закрытия всасывающего клапана 19 в конце хода всасывания, т.е. посадки горловины втулки на седло 18, размеры бурта 13, всасывающего клапана 19 и перемещение всасывающего клапана выбираются следующим образом: объем штоковой полости между буртом и всасывающим клапаном на части хода поршня с герметизацией центрального отверстия сопрягаемыми уплотняемыми узлами бурта и центрального отверстия составляет 1,05-1,10 объема тела втулки всасывающего клапана на длине ее хода, а расстояние от торца цилиндра до радиального отверстия втулки составляет 0,85-0,90 хода всасывающего клапана.
o
1
y
1
Пусть S - длина хода поршня, a D и d - наружный и внутренний диаметры втулки всасывающего клапана. Диаметр центрального отверстия 14 цилиндра d. S - наибольшее расстояние между манжетой 15 и передней частью уплотняемой поверхностью центрального отверстия 14. Тогда часть длины хода поршня 11 с полной герметизацией центрального отверстия цилиндра составит S=S-S.
Для обеспечения закрытия всасывающего клапана в конце цикла всасывания должно быть выполнено условие
где Н - ход всасывающего клапана.
Длина хода поршня с полной герметизацией центрального отверстия цилиндра определяется из соотношения (1) из условия
0
0
Для насосов обычно D=1,2d, а диаметр отверстия d может быть принят как d=0,7 d. Тогда соотношение будет иметь вид
То есть длина хода поршня с полной герметизацией центрального отверстия цилиндра приблизительно равна длине хода всасывающего клапана.
В конце хода всасывания всасывающий клапан закрыт, а штоковая полость 10 управления сообщается со всасывающей полостью через боковые каналы 33 и 34.
При выборе длины хода поршня 11 с обеспечением полной герметизации центрального отверстия 14 согласно соотношению (2) скорость посадки всасывающего клапана 19 на седло 18 будет минимальной, что исключает стук при закрытии клапана и чрезмерный износ клапана 19 и седла 18.
В начале перемещения поршня 10 влево, в сторону рабочей полости 9, всасывающий клапан 19 дополнительно прижимается к седлу 17 возникающими между поршнем 10 и всасывающим клапаном 19 силами трения и силой от перепада давления. При этом давление в штоковой полости 10 снижается и жидкость из всасывающей полости 3 через боковые каналы 34 и 33 цилиндра 6 и втулки 24 перетекает в полость 10.
С целью снижения перепада давления каналы 34 и 35 могут быть выполнены в виде нескольких поперечных пазов. Кроме того, со снижением давления в полости 10 под действием создавшегося перепада рабочие кромки манжеты 15 смыкаются в сторону бурта 13, образуя кольцевой зазор между манжетой 15 и отверстием 14.
С ростом давления в рабочей полости 9 нагнетательный клапан 17 открывается и жидкость из рабочей полости 9 поступает в нагнетательную полость 31, а далее через отверстия во втулке 28, радиальное отверстие 30 (фиг. 2) из нагнетательной полости 31 поступает в кольцевую камеру 35 и в нагнетательный коллектор 2.
При дальнейшем перемещении поршня 10 влево бурт 13 и манжета 15 отходят от отверстия 14, что приводит к сообщению полости 10 управления со всасывающей полостью 3.
Крышка 20 и гайка 27 не испытывают силового воздействия со стороны седла 18 при установке упругого элемента 36 между седлом 18 и распорной втулкой 28. При этом крышка 26 нагружена практически постоянной силой давления нагнетания.
Установка всасывающего клапана 19 в цилиндр 6 с кольцевым зазором 21, в котором размещены направляющие втулки 24 и 25, позволяет установить в цилиндр 6 всасывающий клапан 19 с достаточно широким диапазоном диаметров путем изменения толщины втулок 24 и 25. Это позволяет регулировать производительность насоса, меняя только всасывающий клапан 19 и поршень 11.
Кроме того, при перемещении всасывающего клапана 19 износу подвергаются только сам клапан 19 и втулки 24 и 25.
При оснащении днища цилиндра 6 манжетой 37 (фиг. 3), ответно выполненной бурту 13, в конце цикла всасывания, когда бурт 13 взаимодействует с манжетой 37, давление в штоковой полости 10 повышается. Под действием создавшегося перепада давления рабочая кромка манжеты 37 прижимается бурту 13, герметизируя штоковую полость 10. Далее всасывающий клапан 19 под действием повышенного давления в штоковой полости 10 перемещается влево и закрывается. При обратном ходе поршня 11 влево давление в штоковой полости 10 снижается и под действием создавшегося перепада давления рабочая кромка манжеты 37 прижимается к бурту 13, сообщая всасывающую полость с полостью 10.
Оснащение днища цилиндра 6 уплотнительным элементом, выполненным в виде кольца 38 (фиг. 4 и 5), установленного в кольцевой канавке 22 цилиндра 6 с возможностью взаимодействия с днищем цилиндра и втулкой 24, позволяет снизить удар и шум при посадке клапана 19 на днище цилиндра 6 при одновременном снижении трудоемкости изготовления узла.
При фиксации направляющих втулок 24 и 25 посредством штифтов 43 и 44 (фиг. 6), установленных в сквозных радиальных отверстиях 41 и 42 цилиндра и кольцевых канавках 39 и 40 направляющих втулок 24 и 25, внутренняя поверхность цилиндра может быть выполнена гладкой. При этом бурты (на фиг.не указаны) кольцевых канавок 39 и 40 втулок 24 и 25 не позволяют перемещаться втулкам 24 и 25 в осевом направлении.
При фиксации штифтов 43 и 44 стопорными кольцами 46 (фиг. 7) штифты могут быть выполнены регулировочными с возможностью компенсации износа разрезных втулок 24 и 25. При недопустимом износе втулок 24 и 25 штифты 43 и 44 заменяются штифтами большей длины, и разрезные втулки 24 и 25 прижимаются к втулке всасывающего клапана 19.
С целью постоянной компенсации износа втулок 24 и 25 штифты могут быть выполнены в виде цилиндрической пружины сжатия 47 (фиг. 8). При износе втулок пружины 47, удлиняясь, постоянно прижимают втулки 24 и 25 к втулке всасывающего клапана 19.
При снабжении кольцевой канавки 23 (фиг. 9 и 10) цилиндра 6, расположенной за продольным пазом 32, кольцом 49, подпружиненным относительно направляющей втулки 25, в конце цикла всасывания бурт 52 всасывающего клапана 19 взаимодействует с направляющей втулкой 25. При дальнейшем перемещении всасывающего клапана 19 и втулки 25 объем камеры 50 уменьшается и давление в ней резко возрастает, что приводит к резкому снижению скорости всасывающего клапана 19 при посадке на седло 18. Увеличению давления в камере 50 переменного объема способствует значительный перепад давления в дроссельном канале 51 при истечении жидкости из камеры 50 во всасывающую полость 3. Этим достигается исключение стука при закрытии всасывающего клапана 19 и повышается ресурс всасывающего клапана 19 и седла 18. В начале цикла всасывания всасывающий клапан 19 перемещается вправо, и упор 52 отходит от направляющей втулки 25. Далее направляющая втулка 25 под действием усилия пружины 48 перемещается вправо до взаимодействия с боковой стенкой (на фиг. 9 и 10 не указана) кольцевой канавки 23. При увеличении объема камеры 50 переменного объема жидкость из всасывающей полости 3 через дроссельный канал 51 перетекает в камеру 50.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно снизить запаздывание закрытия всасывающего клапана, обеспечить установку в цилиндр насоса несколько типоразмеров поршня. Кроме того, исключение трущихся частей цилиндра позволяет существенно увеличить его ресурс.