НАСОС

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к насосам для перекачки различных сред.
Насосы с эластичными рабочими органами используют мембраны, профильные диафрагмы, шланги. В насосах с небольшим расходом среды для создания волны давления реализуется применение бегущего магнитного поля для взаимодействия с магнитопроводной мембраной (патент RU 2037653 МПК F04B 43/12, опубл. 19.06.1995) или эффект акустической волны (патент RU 2459114 МПК F04B 43/04, опубл. 20.08.2012; патент RU 2511832 МПК F04B 43/04, опубл. 10.04.2014).
Больший диапазон реализуемых расходов дает механическое взаимодействие с эластичным элементом. В кольцевом мембранном насосе (патент RU 2472032 МПК F04B 43/08, опубл. 10.01.2013) мембрана цилиндрической формы деформируется нажимными элементами в виде эластичных роликов, которые приводятся во вращение роторным приводом.
Для широкого диапазона расходов применяются шланговые насосы (патент RU 2507417 МПК F04B 43/12, опубл. 20.02.2014; патент RU 2458250 МПК F04B 43/12, опубл. 10.08.2012). В этих насосах нажимными элементами являются жесткие ролики, которые приводятся во вращение приводом роторного типа, имеющего электродвигатель. Такие конструкции содержат ряд пар трения, потеря энергии, в которых существенно снижает коэффициент полезного действия. В практических применениях насосов часто необходимо оперативно изменят объемы перекачиваемой среды. Привод роторного типа ограничивает быстродействие за счет большого суммарного осевого момента инерции ротора и приводного электродвигателя.
В качестве прототипа принят ротационный вакуумный насос шлангового типа по патенту RU 2480626 МПК F04B 43/12, опубл. 27.04.2013 Бюл. №12. Насос содержит корпус с впускным и выпускным потрубками в боковой крышке, три последовательно расположенные эластичные камеры (рабочие секции) в каждой из трех корпусных частей, разделенных перегородками, которые представляют собой автономные устройства. В перегородках установлены перепускные клапаны. Нажимными элементами являются ролики. Привод насоса роторного типа. Каждый ролик ротора расположен на оси каретки, подвешенной одним концом шарнирно на рычаге, другим - к винту с пружиной, имеющему шайбу и гайку для регулирования степени сжатия эластичных камер. При вращении ротора прижимные элементы (ролики) катятся по поверхности эластичного шланга, попеременно пережимая его в местах механического контакта.
Конструкция рассматриваемого насоса очень сложна. Имеется множество кинематических пар трения, в которых возникают диссипативные потери энергии, снижающие коэффициент полезного действия и долговечность насоса по причине износа деталей кинематических пар трения. Кинематические пары трения требуют периодического обслуживания в процессе эксплуатации. Регулирование производительности возможно в статике регулировочным винтом на роторе, а в динамике - за счет частоты вращения ротора. Динамическое регулирование имеет большую постоянную времени за счет большого осевого момента инерции ротора и приводного двигателя.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение эксплуатационных возможностей насоса.
Решаются задачи:
1. Разработка конструктивной схемы насоса, не содержащего кинематических пар трения и имеющего малую постоянную времени характеристики производительности.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный технический результат достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с размещенным внутри него шлангом, разделенным на три рабочие секции и имеющем по концам входной и выходной патрубки, закрепленные по торцам корпуса, нажимные элементы с приводом, нажимные элементы выполнены в виде планок с цилиндрической поверхностью взаимодействия со шлангом, при этом планки установлены на границах рабочих секций перпендикулярно осевой линии шланга. В предлагаемом насосе привод выполнен в виде электромеханического преобразователя с электронным блоком, электромеханический преобразователь содержит магнитострикционный стержень, размещенный внутри электрической катушки, один конец которого защемлен, а на другом закреплена нажимная планка. Электронный блок содержит генератор импульсов подключений к входу счетчика с кодопреобразователем, имеющим четыре выходных дизъюнктора, выходы которых соединены со входами четырех электронных ключей, питающих электромеханические преобразователи, при этом кодопреобразователь соответствует таблице истинности:
Предлагаемые технические решения по устройству насоса иллюстрируется чертежами: фиг. 1 - компоновочная схема насоса; фиг. 2 - поперечный разрез по плоскости одного электромеханического преобразователя; фиг. 3 - электрическая схема счетчика; фиг. 4 - электрическая схема кодопреобразователя.
Принятые обозначения
1. Корпус.
2. Эластичный шланг.
3. Входной патрубок.
4. Выходной патрубок.
5-8. Электромеханические преобразователи.
9-12. Нажимные элементы.
13-15. Рабочие секции.
16. Электрический разъем.
17. Винты корпуса.
18. Магнитострикционный стержень.
19. Втулка стержня 18.
20. Винты втулки 19.
21. Каркас электрической катушки.
22. Электрическая катушка.
23. Винты каркаса 21.
24. Жесткий центр мембраны.
25. Гофрированная мембрана.
26. Кольцо мембраны.
27. Винты кольца 26.
28. Нажимной элемент (9-12).
29. Тумблер.
30-32. Триггеры счетчика.
33. Конъюнктор счетчика
34-39. Конъюнкторы кодопреобразователя.
40-43. Дизъюнкторы кодопреобразователя.
44-47. Электронные ключи.
Конструктивно насос выполнен из двух блоков - насосной части и электронного блока, которые соединены электрическим кабелем.
Насосная часть (фиг. 1) содержит корпус 1, внутри которого установлен эластичный шланг 2, закрепленный по концам во входном 3 и выходном 4 патрубках. Последние, в свою очередь, закреплены по торцам корпуса. С некоторым осевым интервалом на внутренней поверхности корпуса размещены четыре электромеханических преобразователя 5, 6, 7, 8 с нажимными элементами 9, 10, 11, 12. При этом образуется три рабочие секции 13, 14, 15 шланга между соседними нажимными элементами. Для подключения электронного блока предусмотрен электрический разъем 16.
Обратимся к устройству электромеханических преобразователей. Функционально в каждом сечении, разделяющем рабочие секции, достаточно одного нажимного элемента, но при этом механические напряжения разделяются по сечению шланга неравномерно. Другой вариант обжатия шланга симметричный. В этом случае механические напряжения по сечению шланга выравниваются, что приводит к повышению живучести шланга. На фиг. 2 приведен второй вариант конструкции. Заметим, что с позиции принципа работы насоса оба варианта равнозначны.
Корпус насосной части выполнен из двух одинаковых полукорпусов 1-а и 1-б, соединенных винтами 17. Полукорпусы имеют форму короба, получаемого штамповкой из листового материала. Движителем служит магнитострикционный стержень 18, выполненный из материала с положительным коэффициентом магнитострикции. Стержень 18 одним концом защемлен во втулке 19, закрепленной винтами 20 на корпусе. Магнитострикционный стержень размещен с некоторым радиальным зазором в отверстии каркаса 21 электрической катушки 22. Каркас 21 закреплен на корпусе винтами 23. Второй конец магнитострикционного стержня входит в глухое отверстие жесткого центра 24 гофрированной мембраны 25. Мембрана по внешнему контуру завальцована в кольцо рамочной формы, которое закреплено винтами 27 на корпусе. На другом торце жесткого центра 24 закреплен нажимной элемент 28, выполненный в виде планки с цилиндрической поверхностью взаимодействия со шлангом. В ряде случаев -материал стержня имеет высокие механические свойства при большом коэффициенте магнитострикции или случай малых расходов перекачиваемой среды - мембрана может отсутствовать. В таком исполнении нажимная планка 28 крепится непосредственно на консольный конец магнитострикционного стержня 18. Конструктивная реализация варианта с мембраной может привести к поршневому эффекту. В этом случае следует предусмотреть в корпусе дренажные отверстия - 1-д.
Электронный блок предназначен для управления электромеханическими преобразователями насосной части. Функционально он содержит счетчик с генератором импульсов и кодопреобразователем. Имеется тумблер 29 на два положения: исходное положение «сброс» и рабочее положение «работа». Тумблер содержит один нормальнозамкнутый контакт S1 и один нормально замкнутый контакт S2.
Счетчик (фиг. 3) представляет собой линейку из трех Т-триггеров 30-32 с цепью обратной связи на конъюнкторе 33. В положении тумблера «сброс» через контакт S1 подается на установочный вход счетчика логическая единица (напряжение питания Е микросхем). По входу S1 триггеры устанавливаются в единичное состояние. При перебросе тумблера в положение «работа» импульсы от генератора G через контакт S2 будут поступать на счетных вход триггера 30. Поскольку все триггеры находились в единичном состоянии первый импульс генератора обнулит счетчик. Далее состояние счетчика будет меняться обычным образом до пятого импульса, который по цепи обратной связи обнулит счетчик. Затем процесс счета повторяется. Кодопреобразователь (фиг. 4) преобразует двоичный код счетчика в позиционный соответственно позициям электромеханических преобразователей. Кодопреобразователь построен на шести конъюнкторах 34-39, четырех дизъюнкторах 40-43 и четырех электронных ключах 44-47. Для наглядности на фиг. 4 отражены триггеры счетчика и электромеханические преобразователи. Представленные связи отражает таблица истинности - табл. 1.
к
Выходные сигналы дизъюнкторов 40-43 кодопреобразователя являются управляющими сигналами для электронных ключей, которые подключают электропитание Е к электромеханическим преобразователям 5-8 насосной части.
Работу насоса удобно проследить по табл.2.
В табл. 2 в графе «Электрическое состояние электромеханических преобразователей» обозначено:
О - обесточенные электрические катушки,
X - катушки под током.
к
В исходном положении «сброс» тумблера 29 триггеры 30-32 счетчика установлены через контакт S1 в единичное состояние, при этом все электрические катушки электромеханических преобразователей 5-8 находятся под током источника Е. Под действием магнитного поля катушек магнитострикционные стержни получают удлинение и перемещают нажимные элементы, перекрывая сечение шланга.
При перебросе тумблера в положение «работа» импульсы от генератора G через контакт S2 начинают поступать на вход счетчика электронного блока. Первый импульс обнулит счетчик, при этом электромеханические преобразователи 5, 6, 7 обесточатся, под действием упругих сил шланг восстановит исходное сечение и объемы рабочих секций 13, 14, 15 возрастут, создавая разряжение, которое обеспечит забор перекачиваемой среды через входной патрубок 3. Второй импульс генератора обеспечит отсечку набранной порции срабатываем преобразователя 5. На третьем импульсе генератора дополнительно срабатывает преобразователь 6, который своим нажимным элементом будет уменьшать сечение шланга, соответственно уменьшать объем рабочей секции 13, за счет чего в этой секции возрастает давление и порция перекачиваемой среды будет перемещаться в направлении выходного патрубка 4. Далее аналогичные процессы будут происходить в рабочих секциях 14 и 15. Затем, в соответствии с табл. 2, последовательность срабатывания электромеханических преобразователей повторяется, создавая бегущую волну давления в направлении от входного патрубка 3 к выходному патрубку 4.
Таким образом, предлагаемый насос обладает высокими эксплуатационными свойствами. В конструкции насоса отсутствуют кинематические пары трения, соответственно ликвидированы трудозатраты на текущее обслуживание и ремонт пар трения. Регулирование подачи рабочей среды осуществляется с высоким быстродействием путем изменения частоты следования импульсов генератора. Насос конструктивно прост, электронный блок построен на типовых элементах электроники.