ПОРШНЕВОЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
PISTON HIGH-PRESSURE PUMP

Изобретение относится к конструктивным элементам пневматических систем, а именно к устройствам, создающим высокое давление воздуха или газа в магистрали, 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.
Конструкции поршневых устройств, создающих высокое давление, имеют в своем составе такие элементы, как цилиндры, поршни, всасывающие и нагнетающие клапаны, которые образуют при нахождении поршня в верхней мертвой точке так называемое «мертвое» или «вредное» пространство, составленное из надклапанных и подклапанных пространств, коммуникационных каналов, а также зазора между днищем поршня и крышкой цилиндра, необходимого для компенсации температурного расширения поршня, которое ухудшает эксплуатационные характеристики устройств. «Вредное» пространство оказывает влияние на заполнение цилиндра атмосферным воздухом, т.к. сначала происходит расширение сжатого воздуха, не вытолкнутого поршнем из вредного пространства, снижая производительность поршневого устройства. Также при переходе поршня верхней мертвой точки устройства, если поршень приводится в движение приводом, давление вредного пространства, воздействуя на поршень, носит взрывной характер, расширяясь в цилиндре, оказывая разрушительное действие на детали кинематики привода поршня: шатун, кривошип, передаточные звенья и др., если скорость движения поршня не превышает скорости расширения воздуха.
Известны устройства - источники создания пневматического давления и разрежения, такие как пневматические насосы Wika СРР30, Druck LPP30, Crystal PN:2907 и Crystal PN:2908, Германия, Druck PV211, Merian M-600KT, Heise TP1-40 и Fluke 700PTP-1, США, Elemer PV-60, Москва, Россия и H-2,5, Челябинск, Россия, а также устройство создания пневматического давления, патент RU 2488788 С1, предназначенные для создания избыточного давления или разрежения при проведении поверки средств измерений давления методом прямого сличения показаний эталонного и поверяемого средства измерений давления.
Эти пневматические насосы имеют одинаковый набор основных элементов, обеспечивающих создание давления: цилиндр с впускным и выпускным клапанами, поршень, рычажный привод поршня с возвратной пружиной сжатия для обеспечения движения поршня и создания давления или разрежения в системе эталонного и поверяемого средства измерения давления при проведении их калибровки или поверки. Поршень в конце хода при сжатии воздуха в насосе вплотную прилегает к крышке цилиндра, уменьшая тем самым вредное пространство, а давление воздуха, оставшееся после процесса сжатия, способствует возвратной пружине перемещению поршня в исходное положение. Как правило, герметичность поршня в цилиндрах насосов обеспечивают резиновые уплотнения, у которых скорость перемещения допускается до 0,5 м/с, а частота сжатия рычажных рукояток насоса оператором вручную не позволяет достигнуть такой скорости перемещения поршня. При невысокой стоимости недостатком ручных насосов является то, что сжатие рычажных рукояток проводятся оператором вручную.
Компрессоры также широко распространены в народном хозяйстве для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением. Компрессоры имеют в своем составе электродвигатель для привода поршневых узлов через передаточный элемент - ременную передачу, который обеспечивает высокую линейную скорость перемещения поршней. В этом случае герметичность поршня в цилиндре обеспечивают металлические уплотнительные кольца, скорость перемещения которых может быть допустима до 7 м/с. Поэтому влияние вредного пространства распространяется только на производительность компрессора. В целях устранения влияния вредного пространства в стенках цилиндров делают канавки для перехода сжатого во вредном пространстве газа на другую сторону поршня или перепуск газа в компрессорах с золотниковым распределением через специальные каналы в золотнике, кинематически связанном с приводом поршня. Представителем решения с канавками на зеркале цилиндра является поршневой вакуум-насос, представленный в а.с. СССР №1548510 по кл. F04B 37/16, з. 18.09.1987 г., оп. 07.03.1990 г.
Недостатками использования компрессоров для питания калибруемых или поверяемых средств контроля или измерения давления, содержащих незначительный объем замкнутых рабочих полостей или приемников давления, является то, что компрессоры имеют большие габариты, избыточную производительность и соответственно высокую стоимость. Кроме того, в процессе работы они создают высокий уровень шума.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является поршневой насос высокого давления с электроприводом, представленный в патенте на изобретение №2594540 по кл. F04B 7/02, 37/16, 9/02, з. 29.09.2015 г., оп. 20.08.2016 г.
Известный поршневой насос содержит корпус, в котором расположены на одной продольной оси разделенные между собой две цилиндрические рабочие камеры и размещен с возможностью перемещения от электропривода вдоль их продольной оси поршень, закрепленный на одном конце штока, при этом камеры снабжены выпускным и впускным клапанами и имеют возможность сообщения между собой посредством перепускных элементов, а также рабочие камеры, выполненные разного диаметра и разделенные между собой клапанным узлом, в котором размещены впускной и выпускной клапаны, выполнены проточки, сообщающие клапаны с камерами, в центре узла имеется продольное осевое отверстие для прохождения штока, в котором со стороны камеры меньшего диаметра выполнено сужение с размещенным в нем уплотнительным эластичным кольцом, на другом конце штока выполнен перепускной канал и закреплен второй поршень, при этом каждый из поршней соразмерен со своей камерой и имеет возможность перемещения только в ней, выпускной клапан сообщен с камерой меньшего диаметра, а впускной клапан - с камерой большего диаметра.
В этой конструкции решается проблема устранения влияния вредного пространства посредством выполнения перепускного канала, повышая, таким образом, производительность насоса и разгружая кинематику насоса от влияния взрывного расширения давления газа во вредном пространстве при проходе поршнем меньшего диаметра крайнего положения при его сжатии.
Недостатком данного устройства является то, что выполненный в конце штока перепускной канал не имеет конкретной размерности. А это влияет на скорость перепуска воздуха или газа и степени снижения величины его давления. При больших размерах канала истечение воздуха или газа из вредного пространства камеры меньшего диаметра, в конце хода поршня, в камеру большего диаметра будет происходить быстро, скачкообразно. Давление в камере малого диаметра снизится также быстро, что предопределит пневмоудар в камере большего диаметра. Это разрушительным образом скажется на кинематической схеме насоса. При малых размерах канала истечение воздуха или газа из вредного пространства камеры меньшего диаметра, в конце хода поршня, в камеру большего диаметра будет происходить медленно. Будет эффект дросселирования потока воздуха или газа. Возможно в этом случае, при нахождении поршня малого диаметра в конце хода, не весь объем воздуха или газа, находящийся под давлением, из вредного пространства камеры меньшего диаметра перетечет в камеру большего диаметра. И тогда будет иметь место взрывное расширение объема газа от оставшегося давления во вредном пространстве камеры меньшего диаметра при проходе поршнем крайнего положения. Также на скорость истечения газа или воздуха через перепускной канал будет оказывать влияние скорость перемещения поршня камеры малого диаметра. Выполнить точный расчет размера перепускного канала при всех условиях работы насоса, конструктивных особенностей и величины объема вредного пространства камеры меньшего диаметра для обеспечения надежной и продолжительной работы насоса не представляется возможным.
Задачей заявляемого технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик насоса при повышении надежности его работы.
Поставленная задача решается тем, что в поршневом насосе высокого давления, содержащем корпус, в котором расположены на одной продольной оси разделенные между собой две цилиндрические рабочие камеры и размещен с возможностью перемещения от привода вдоль их продольной оси поршень, закрепленный на одном конце штока, при этом рабочие камеры разделены между собой клапанным узлом, снабжены расположенными в нем выпускным и впускным клапанами и имеют возможность сообщения между собой посредством перепускных элементов, в центре узла имеется продольное осевое отверстие для прохождения штока, в котором со стороны приводимого конца штока выполнено сужение с размещенным в нем уплотнительным эластичным кольцом, на этом же конце штока выполнен перепускной канал и закреплен второй поршень, при этом каждый из поршней соразмерен со своей камерой и имеет возможность перемещения только в ней, выпускной клапан сообщен с одной камерой, а впускной клапан - со второй камерой, согласно изобретению перепускной канал в штоке снабжен регулировочным устройством, представляющим собой выполненную в штоке сообщающуюся с перепускным каналом проточку с внутренней резьбой, в которой размещен винт с возможностью перемещения в ней.
При этом дополнительная проточка в штоке может быть расположена относительно перепускного канала в штоке перпендикулярно этому каналу или на одной оси с ним. При этом рабочие камеры могут быть выполнены разного или одинакового диаметра, а поршни - соразмерными с ними.
Выполнение перепускного канала с регулировочным устройством в виде сообщающейся с этим каналом проточки с внутренней резьбой, в которой размещен винт, позволяет настроить его перемещением в проточке размер отверстия перепускного канала оптимальным для любых условий работы насоса, конструктивных особенностей и величины объема вредного пространства камер.
Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик конструкции при повышении надежности ее работы.
Заявляемый поршневой насос высокого давления с электроприводом обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него таким существенным признаком, как наличие в расположенном в конце штока перепускном канале регулировочного устройства, представляющего собой выполненную в штоке сообщающуюся с перепускным каналом проточку с внутренней резьбой, в которой размещен винт с возможностью перемещения в ней, обеспечивающим достижение заданного результата.
Заявителю не известны технические решения, содержащие указанные выше отличительные признаки, обеспечивающие достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый поршневой насос высокого 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 надежностью при проведении их калибровки или поверки, поэтому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - общий вид в разрезе поршневого насоса высокого давления с разными по размеру рабочими камерами и поршнями в них;
- фиг. 2 - общий вид в разрезе поршневого насоса высокого давления с одинаковыми по размеру рабочими камерами и поршнями в них;
- фиг. 3 - общий вид в разрезе поршневого насоса высокого давления в рабочем состоянии с разными по размеру рабочими камерами;
- фиг. 4 - общий вид в разрезе поршневого насоса высокого давления в рабочем состоянии с одинаковыми по размеру рабочими камерами;
- фиг. 5 - общий вид регулировочного устройства с расположением проточки перпендикулярно к оси перепускного канала;
- фиг. 6 - общий вид регулировочного устройства с расположением проточки на одной оси с осью перепускного канала.
Конструктивно насос поршневой высокого давления (фиг. 1) содержит корпус 1, рабочую камеру 2, образованную поршнем 3 меньшего диаметра и цилиндром 4, и рабочую камеру 5, образованную поршнем 6 большего диаметра и цилиндром 7, разделенные между собой клапанным узлом 8 с впускным клапаном 9 и выпускным клапаном 10, связанными соответственно с системой подачи газа и системой потребления давления газа (на чертежах не показаны). Камеры 2' и 5' в корпусе 1' могут быть выполнены одинакового диаметра и иметь соразмерные с ними поршни 3' и 6' одинакового размера (фиг. 2). При этом поршни 3 (3') и 6 (6') размещены на противоположных концах штока 11 (11'), для перемещения которого в клапанном узле 8 (8') выполнено продольное осевое отверстие 12 (12'). В сужении осевого отверстия 12 (12') размещено уплотнительное эластичное кольцо 13 (13'), герметизирующее камеру 2 (2') и камеру 5 (5') относительно друг друга. На конце штока 11 (11') со стороны поршня 3 меньшего диаметра (или 3' одинакового диаметра) имеется перепускной канал 14 (14') (фиг. 1). Также клапанный узел 8 (8') содержит дополнительный перепускной клапан 15 (15'). Поршень 3 меньшего диаметра или поршень 3' кинематически соединен с электроприводом или пневмо- или гидроприводом (на чертежах не показаны). В перепускном канале 14 (14'), расположенном в штоке 11 (11'), имеется регулировочное устройство 16 (16'), включающее в себя сообщающуюся с перепускным каналом 14 (14') проточку 17 (17') с внутренней резьбой, в которой расположен винт 18 (18'), ввинчиваемый в нее больше или меньше при необходимости. При этом проточка 17 (17') может быть расположена относительно перепускного канала 14 (14') в штоке 11 (11') перпендикулярно этому каналу (фиг. 5) или на одной оси с ним (фиг. 6).
Поршневой насос высокого давления при подаче в систему потребления давления газа работает следующим образом (фиг. 3, 4).
При работе насоса (фиг. 3, 4) поршень 3 (3'), кинематически связанный с приводом, и поршень 6 (6'), соединенный штоком 11 (11') с поршнем 3 (3'), совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах 4 (4') и 7 (7'). Впускной клапан 9 (9') обеспечивает всасывание газа в рабочую камеру 5 (5'), а выпускной клапан 10 (10') пропускает газ под давлением из рабочей камеры 2 (2'). Перепускной клапан 15 (15') обеспечивает переход газа из камеры 5 (5') в камеру 2 (2') в одностороннем направлении. Продольное осевое отверстие 12 (12') в процессе работы, сообщая между собой камеры 2 (2') и 5 (5'), служит для сбрасывания оставшегося во вредном пространстве газа рабочей камеры 2 (2') под давлением в рабочую камеру 5 (5').
Работа поршневого насоса в сторону увеличения объема рабочей камеры 5 (5') обеспечивает всасывание газа в камеру 5 (5') поршнем 6 (67) в цилиндре 7 (7') через впускной клапан 9 (9'). В это время поршнем 3 (3') в цилиндре 4 (4') происходит выдавливание газа под давлением через выпускной клапан 10 (10') из силовой камеры 2 (2') в систему потребления газа. При этом клапаны 9 (9') и 10 (10') открыты, а клапан 15 (15') под воздействием давления газа в рабочей камере 2 (2') - закрыт.
При подходе поршней 3 (3') и 6 (6') к своему конечному положению (фиг. 3, 4) выпускной клапан 10 (10') и впускной клапан 9 (9') закрываются. В рабочей камере 2 (2') присутствует давление газа, который остался во вредном пространстве коммуникационных каналов и проточек, а в рабочей камере 5 (5') - давление газа, поступившего через всасывающий клапан 9 (9') из системы подачи газа. В это же время перепускной канал 14 (14') проходит через уплотнительное кольцо 11 (11') и соединяет рабочую камеру 2 (2') с рабочей камерой 5 (5') через осевое продольное отверстие 12 (12'). Давление газа из вредного пространства рабочей камеры 2 (2') переходит в рабочую камеру 5 (5') и давление в обеих камерах уравновешивается, но давление в рабочей камере 5 (5') становится выше присутствующего здесь давления газа за счет добавки давления газа из вредного пространства рабочей камеры 2 (2'). Перепускной клапан 15 (15') остается закрытым. При этом переход газа или воздуха из камеры 2 (2') в камеру 5 (5') происходит очень быстро и давление в камере 5 (5') повышается скачкообразно, ударно воздействия на поршень 6 (6'). Это зависит от скорости перемещения поршней 3 (3') и 6 (6'), объемов камер 2 (2') и 5 (5'), а также размеров перепускного канала 14 (14'). Регулировочное устройство 16 (16') (фиг. 5, 6) настраивается с помощью винта 18 (18') в проточке 17 (17') таким образом, что переход кинематической связи верхней мертвой точки поршня 3 (3') происходит плавно, без воздействия давления вредного пространства взрывного характера на поршень 6 (6'). Воздух или газ из вредного пространства камеры 2 (2') под давлением перетекает в камеру 5 (5') со скоростью и в полном объеме, не оказывая разрушительного действия на детали кинематики привода поршня: шатун, кривошип, передаточные звенья, привод.
Таким образом, привод, приводя в возвратно-поступательное движение поршни 3 (3') и 6 (6') в цилиндрах 4 (4') и 7 (7'), обеспечивает выход высокого давления через выпускной клапан 9 (9') в систему потребления давления газа поршнем 3 (3') в рабочей камере 2 (2'), производя сброс давления из вредного пространства рабочей камеры 2 (2') в конце хода поршня 3 (3') через регулируемое сечение перепускного канала 14 (14') регулировочным устройством 16 (16'), тем самым разгружая поршень 6 (6') от влияния давления, переданного из вредного пространства камеры 2 (2') в камеру 5 (5') при переходе поршнем 3 (3') верхней мертвой точки.
В сравнении с прототипом заявляемый поршневой насос имеет более хорошие эксплуатационные характеристики и является более надежным в работе.