ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
ELECTROMECHANICAL PRESSURE INTENSIFIER

Изобретение относится к конструктивным элементам пневмогидравлических систем, а именно к усилителям, в частности к устройствам, повышающим давление воздуха или газа в магистрали, имеющим на входе стандартное давление менее 10 бар, и может быть использовано в метрологических целях для питания средств контроля и измерения давления в режиме высокого давления с необходимой и достаточной производительностью воздуха или газа при проведении их калибровки или поверки.
Известны устройства - компрессоры и усилители, повышающие давление, указанные в каталогах компрессоры серии Booster 2-42 компании KRAFTMANN, Германия;
Booster 2-42-55 компании ALUP, Германия; компрессорная станция тип DLE 15-75-GU компании MAXIMATOR, Германия; дожимающие компрессоры КП-75М, МК80-120-210, ООО «Казанькомпрессормаш» Россия; пневматические нагнетатели воздуха (дожимные компрессоры) серии АА, AG, AGT компании Haskel, США, а также пневматические усилители давления газа, бустеры типа В 160, В200 компании Resato, Нидерланды, и модели VBA компании SMC, Япония.
Известные компрессоры и усилители давления предназначены для повышения давления воздуха или газа в магистралях для использования его в технологических целях. Они дожимают сжатый воздух или газ с низким давлением на входе до более высокого давления на выходе. Такие компрессоры или усилители в своем составе имеют поршневые узлы, состоящие из поршня и цилиндра, для повышения давления воздуха или газа выше давления питания, клапаны обратные для всасывания воздуха или газа в поршневой узел и подачи его в магистраль, клапан предохранительный для ограничения максимального давления на выходе поршневого узла, манометры для визуального контроля давления. Компрессоры имеют в своем составе электродвигатель для привода поршневых узлов через передаточный элемент - ременную передачу, а в усилителях поршневые узлы приводятся в работу с помощью гидравлической или пневматической энергии, направляемой распределительными устройствами в соответствующие приводные камеры, обеспечивающие работу усилителя.
Недостатками данных устройств является то, что компрессоры содержат высокоскоростные механизмы, имеющие избыточную для питаемых приборов производительность, высокий уровень шума, интенсивный нагрев поршневых узлов и соответственно включающие в себя дополнительные элементы, снижающие уровень шума, и охлаждающую систему, увеличивающие стоимость компрессоров. Бустеры и усилители давления с гидравлическим приводом должны иметь автономную гидравлическую станцию, а с пневматическим приводом - отдельный источник питания сжатым воздухом, или производить отбор сжатого воздуха из пневмомагистрали на входе в усилитель, частично потребляемый на собственные нужды, что снижает производительность усилителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является усилитель давления типа В 160 компании Resato, Нидерланды, представленный в каталоге по ссылке Air Driven Gas Boosters Type В 160/Type B200 и выбранный в качестве прототипа.
Известный усилитель давления содержит расположенные соосно по горизонтали цилиндр приводных камер с крышками с размещенными внутри цилиндра приводными поршнями, цилиндр силовой камеры с крышкой, имеющей впускной и выпускной обратные клапаны, с размещенным внутри цилиндра силовым поршнем, соединенным непосредственно с приводными поршнями соосно жесткой связью - штоком. В качестве привода используется обычно мощный компрессор (не показан). Приводные камеры и силовая камера изолированы друг от друга уплотнительными элементами. На крышках цилиндра приводных камер расположен распределитель, который в автоматическом режиме управляет направлением движения приводных поршней. Для обеспечения усиления входного давления газа размеры приводных поршней значительно больше силового поршня. Отношение площадей поршней определяет коэффициент усиления входного давления.
Принцип действия усилителя, описанный в каталоге усилителей давления типа В160 компании Resato, заключается в следующем. Для перемещения приводных поршней к распределителю подается давление привода от отдельного источника давления сжатого воздуха - компрессора. В крайних положениях приводных поршней в цилиндре приводных камер происходит переключение распределителя в противоположное положение и соответственно изменение направления движения приводных поршней. Поскольку приводные поршни жестко связаны штоком с силовым поршнем, силовой поршень также перемещается в цилиндре силовой камеры. Во впускной клапан подводится входное давление газа. При ходе силового поршня, приводимого в движение приводными поршнями, в направлении, увеличивающем внутренний объем силовой камеры, происходит открытие впускного клапана и заполнение силовой камеры газом под давлением. Выпускной клапан в этом случае запирается. При ходе силового поршня в направлении, уменьшающем внутренний объем силовой камеры, происходит сжатие газа и повышение давления внутри силовой камеры. Одновременно происходит запирание впускного клапана и открытие выпускного клапана. Газ под более высоким давлением выдавливается через выпускной клапан. Таким образом, силовой поршень силовой камеры преобразует низкое входное давление газа в высокое выходное давление газа с коэффициентом усиления, равным отношению площадей приводного и силового поршней. Чем выше коэффициент усиления, тем выше выходное давление газа, создаваемое усилителем.
Рассмотренный выше усилитель давления представляет собой усилитель одностороннего действия (фиг.1 в прототипе). На таком принципе действия работают также усилители двухстороннего действия с одинаковыми площадями силовых поршней для увеличения выходного потока газа и усилители, преобразующие низкое входное давление в высокое выходное давление газа в два этапа с разными площадями силовых поршней для получения более высокого выходного давления (фиг.2 в прототипе).
Недостатком известного устройства является то, что для перемещения поршней привода усилителя необходим отдельный источник питания сжатого воздуха, производительность и давление которого расходуется только на перемещение силового поршня посредством перемещения жестко связанных с ним приводных поршней и в дальнейшем сбрасывается в атмосферу. Согласно графику потребляемого расхода усилителем В 160-5-1 одностороннего действия, чтобы получить на выходе поток газа 230 н.л/мин с давлением на выходе 25 бар при давлении питания газа 7 бар, необходим источник питания с расходом воздуха 2100 н.л/мин и давлением воздуха 6 бар на перемещение приводных поршней. Это мощный компрессор, который вместе с усилителем будет занимать значительные площади, иметь значительную массу и размеры. Также он будет иметь высокий уровень шума при работе.
Другим недостатком известного устройства является то, что конструкция усилителя может содержать только две силовые камеры, так как силовые поршни могут быть соединены только с противоположных сторон приводных поршней жесткой связью - штоком и только соосно для возвратно-поступательного перемещения, что не всегда удобно с точки зрения производительности усилителя.
Также в известном устройстве надо отметить такие недостатки, как необходимость герметизации приводных камер от силовых камер посредством уплотнений для исключения влияния давления привода усилителя на силовой поршень со стороны жесткой связи, штока с приводными поршнями, что снижает надежность устройства, и то, что коэффициент усиления зависит от отношения площадей приводного и силового поршней, что увеличивает габаритные размеры усилителя - чем больше площадь приводных поршней, тем больше габариты усилителя.
Задачей заявляемого технического решения является повышение производительности усилителя при обеспечении высокого выходного давления и улучшении эксплуатационных характеристик, таких как габаритность и уровень шума.
Поставленная задача решается тем, что в электромеханическом усилителе давления, содержащем источник давления питания, связанный с механизмом изменения давления, включающим в себя по меньшей мере одну цилиндрическую силовую камеру с впускным и выпускным клапанами и размещенный в ней с возможностью перемещения вдоль оси поршень, связанный с приводом для его перемещения, согласно изобретению механизм изменения давления содержит комплект из нескольких силовых камер, расположенных в одной плоскости, а в качестве привода для перемещения поршня использован электродвигатель с понижающим число оборотов и повышающим крутящий момент редуктором и кулачком в виде подшипника-эксцентрика, находящегося в одной плоскости с силовой камерой, при этом ось вала электродвигателя перпендикулярна плоскости расположения силовых камер.
При этом механизм изменения давления может содержать несколько комплектов силовых камер. Причем комплекты силовых камер могут быть расположены соосно в нескольких параллельных плоскостях.
Выполнение механизма изменения давления в виде комплекта из нескольких силовых камер в совокупности с использованием в качестве привода электродвигателя с понижающим число оборотов и повышающим крутящий момент редуктором и кулачком в виде подшипника-эксцентрика, находящегося в одной плоскости с силовой камерой, притом, что ось вала электродвигателя перпендикулярна плоскости расположения силовых камер, позволяет получить высокую производительность усилителя при обеспечении высокого выходного давления и улучшение таких его эксплуатационных характеристик, как уровень шума и габариты.
Технический результат - повышение производительности при получении высокого выходного давления и улучшении эксплуатационных характеристик.
Заявляемый электромеханический усилитель давления обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как выполнение механизма изменения давления в виде комплекта из нескольких силовых камер, расположенных в одной плоскости, использование в качестве привода для перемещения поршня электродвигателя с понижающим число оборотов и повышающим крутящий момент редуктором и кулачком в виде подшипника-эксцентрика, находящегося в одной плоскости с силовой камерой, расположение оси вала электродвигателя перпендикулярно плоскости расположения силовых камер, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю не известны технические решения, содержащие указанные выше отличительные признаки, обеспечивающие в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый усилитель давления может найти широкое применение в промышленности при использовании его в метрологических целях для питания средств контроля и измерения давления газом или воздухом высокого давления с необходимой и достаточной производительностью при проведении их калибровки или поверки, поэтому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - вид электромеханического усилителя давления с разрезом силовой камеры вдоль продольной оси;
- фиг.2 - вид электромеханического усилителя со снятой крышкой и разрезом корпуса;
- фиг.3 - общий вид электромеханического усилителя давления с одним комплектом силовых камер;
- фиг.4 - общий вид электромеханического усилителя давления с несколькими комплектами силовых камер, установленными соосно в параллельных плоскостях.
Электромеханический усилитель давления содержит источник I давления питания, связанный с механизмом II изменения давления. Механизм II изменения давления включает в себя комплект из нескольких цилиндрических силовых камер.
Конструктивно электромеханический усилитель (фиг.1 - фиг.3) содержит корпус 1, закрепленный на монтажной плите 2, комплект из нескольких (в примере выполнения - из 4-х) силовых камер 3, присоединенных по периметру к корпусу 1 и состоящих из цилиндров 4 и поршней 5 с роликами 6, установленными с возможностью вращения на противоположных концах поршней 5, создающих высокое давление, впускных 7 и выпускных 8 клапанов, кулачка в виде подшипника-эксцентрика 9, расположенного в одной плоскости с силовыми камерами 3, на который опираются ролики 6. К монтажной плите 2 перпендикулярно плоскости силовых камер 3 и кулачка в виде подшипника-эксцентрика 9 закреплен электродвигатель 10 с редуктором 11, на валу 12 со шпонкой 13 которого закреплен вал 14 со смещенной осью вращения и запрессованным на нем подшипником-эксцентриком 9. Редуктор 11 понижает число оборотов и повышает крутящий момент электродвигателя 10. Все впускные клапаны 7 соединены между собой трубопроводом 15 и имеют трубопровод 16 для подвода в силовые камеры 3 давления питания. Все выпускные клапаны 8 соединены между собой трубопроводом 17 и имеют трубопровод 18 для отвода сжатого газа высокого давления. Корпус 1 снабжен съемной крышкой 19.
Электромеханический усилитель давления может содержать несколько комплектов силовых камер, расположенных соосно в параллельных плоскостях друг под другом (см. фиг.4).
Электромеханический усилитель давления работает следующим образом.
В трубопровод 16 подается давление питания - сжатый воздух стандартного давления менее 10 бар, например, от источника I - малошумного компрессора типа JUN-AIR. Через трубопровод 15 и впускные клапаны 7 давление питания попадает в силовые камеры 3. Воздействуя на поршни 5, давление питания поджимает ролики 6 к кулачку в виде подшипника-эксцентрика 9.
При пуске электродвигателя 10 вращение и крутящий момент вала электродвигателя 10 передаются на редуктор 11, который, в свою очередь, понижает число оборотов и повышает крутящий момент вала электродвигателя 10. Вал 12 редуктора 11 через шпонку 13 передает вращение на вал 14 со смещенной осью вращения и далее на кулачок в виде подшипника-эксцентрика 9, запрессованного на вал 14.
Находясь в постоянном контакте от воздействия на поршни 5 давления питания с кулачком в виде подшипника-эксцентрика 9 и его вращении, ролики 6 передают линейное перемещение поршням 5 вдоль цилиндров 4. При движении роликов 6 по поверхности кулачка в виде подшипника-эксцентрика 9 в направлении к оси вращения вала 14 происходит увеличение поршнями 5 внутреннего пространства цилиндров 4. В это время запираются выпускные клапаны 8 и открываются впускные клапаны 7 - происходит заполнение силовых камер 3 давлением питания. При движении роликов 6 по поверхности кулачка в виде подшипника-эксцентрика 9 в направлении от оси вращения вала 14 происходит уменьшение поршнями 5 внутреннего пространства цилиндров 4. В это время запираются впускные клапаны 7. Происходит сжатие воздуха давления питания поршнями 5 в силовых камерах 3 и повышение его давления. В следующий момент открываются выпускные клапаны 8, - сжатый газ повышенного давления поступает в трубопровод 17 и отводится трубопроводом 18 в магистраль высокого давления.
Монтажная плита 2 служит для неподвижного, устойчивого закрепления усилителя давления к конструкции системы магистрали.
Таким образом, электродвигатель с редуктором, приводя во вращение вокруг оси вала редуктора кулачок в виде подшипника-эксцентрика, перемещает последовательно поршни силовых камер внутри цилиндра, которые дожимают поступающий в силовые камеры воздух или газ давления питания со стандартного давления менее 10 бар на входе до более высокого давления на выходе с высокой производительностью. Обратное перемещение поршней осуществляется давлением питания.
В случае выполнения электромеханического усилителя с несколькими комплектами силовых камер обеспечивается еще более высокая производительность электромеханического усилителя.
В сравнении с прототипом заявляемый усилитель давления обеспечивает за счет наличия в механизме изменения давления комплекта из нескольких силовых камер высокую производительность при получении высокого давления и улучшении эксплуатационных характеристик.