МЕМБРАННЫЙ ГИДРОПНЕВМОПРИВОДНОЙ НАСОС
MEMBRANE HYDROPNEUMATIC PUMP

Изобретение относится к насосостроению, касается пневмогидроприводных насосов и может найти применение в различных системах транспортирования различных текучих сред.
Известен мембранный гидроприводной насос, содержащий связанный штоком мембраны, отделяющие насосные камеры от приводных, двухпозиционный распределитель, выполненный в виде поршня, установленного в корпусе, имеющем кольцевые камеры вокруг штока с образованием двух полостей (см. GB №2120733, F04В 43/06, 1983).
Недостатком такого насоса является конструктивная сложность клапанной системы, обусловленная наличием вспомогательных линий, обеспечивающих в двух определенных положениях поршня соединение главного входа с одной стороной запорно-регулирующего элемента и соединения второй стороны запорно-регулирующего элемента с главным выходом. В результате этого насос имеет значительные размеры и большую материалоемкость.
Известен также мембранный гидропневмоприводной насос, содержащий герметичные корпуса сообщенные с нагнетательными и всасывающими патрубками через обратные клапаны, при этом полости корпусов разделены мембранами на насосные и приводные камеры, причем мембраны связаны штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения через блок управления, выполненный с возможностью попеременного подвода сжатого воздуха в приводные камеры герметичных корпусов и попеременного сброса сжатого воздуха из них в окружающую среду, содержащий двухпозиционный распределитель, установленный у приемного отверстия сжатого воздуха (см. RU №2068118, F04B 43/06, 1996).
Недостаток этого решения - недостаточно эффективная схема подвода сжатого воздуха в полость для рабочего тела, что предопределяет конструктивную сложность блока управления, его металлоемкость и массо-габаритные характеристики, усложняет технологию изготовления конструкции. Кроме того, имеется «мертвая» точка (при малом расходе сжатого воздуха при прохождении поршнем средней части цилиндра что иногда приводит к остановке), т.е. не обеспечивается устойчивое переключение воздухораспределительного клапана и стабильная работа конструкции.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции блока управления и обеспечение стабильности работы насоса.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи выражается в обеспечении возможности подвода сжатого воздуха в полость для рабочего тела непосредственно через конструкцию двухпозиционного воздухораспределительного клапана, что значительно упрощает технологию изготовления воздухораспределительного блока, уменьшает металлоемкость конструкции, обеспечивая меньшие габариты и вес. Кроме того, «ликвидируется» мертвая точка при переключении двухпозиционного воздухораспределительного клапана, (в том числе, при малом расходе сжатого воздуха при прохождении им средней части цилиндрического канала), что обеспечивается выступающими концевыми участками этого клапана, за счет их силового контакта с обращенной к ним поверхностью мембран. Это обеспечивает устойчивое переключение блока управления и стабильную работу конструкции.
Решение поставленной задачи достигается тем, что мембранный гидропневмоприводной насос, содержащий герметичные корпуса сообщенные с нагнетательными и всасывающими патрубками через обратные клапаны, при этом полости корпусов разделены мембранами на насосные и приводные камеры, причем мембраны связаны штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения через блок управления, выполненный с возможностью попеременного подвода сжатого воздуха в приводные камеры герметичных корпусов и попеременного сброса сжатого воздуха из них в окружающую среду, содержащий двухпозиционный распределитель, отличается тем, что первое приемное отверстие сжатого воздуха сообщено с полостью расточки, предпочтительно, цилиндрической, соосной с вертикальной осью блока управления при этом торец полости расточки выполнен плоским и на него выведены устье первого воздухосбросного канала, а также устья первого и второго управляющих каналов, при этом, к торцу полости расточки плотно прижата рабочая поверхность двухпозиционного распределителя, выполненного с возможностью сообщения устий либо первого управляющего канала и первого воздухосбросного канала, сообщенного с атмосферой, либо второго управляющего канала и первого воздухосбросного канала, при этом двухпозиционный распределитель скреплен с управляющим штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения параллельно продольной оси штока через полость расточки, на величину соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя, кроме того, выходы управляющих каналов открыты в цилиндрический канал, продольная ось которого перпендикулярна вертикальной оси блока управления, в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения двухпозиционный воздухораспределительный клапан, выполненный в виде цилиндра поверхность которого плотно сопряжена с поверхностью цилиндрического канала и выполнена длиной меньшей его длины, при этом, концевые участки цилиндра выполнены в виде цилиндрических выступов, выступающих за пределы блока управления, с возможностью попеременного контактирования их торцов с поверхностями соответствующих мембран, при максимальном их сближении с блоком управления, при этом на торцы выступов выведены, открытые в полость соответствующих приводных камер, устья первого и второго глухих каналов не сообщенных друг с другом в донной части, ориентированных, вдоль продольной оси двухпозиционного воздухораспределительного клапана, кроме того в средней части цилиндра выполнены первая и вторая кольцевые канавки, первая из которых посредством радиальных каналов сообщена с первым глухим каналом, а вторая сообщена со вторым глухим каналом, при этом на верхнюю часть поверхности полости цилиндрического канала выведено устье второго приемного отверстия сжатого воздуха, а в ее нижнюю часть выведены устья второго и третьего воздухосбросных каналов сообщенных с атмосферой, при этом, кольцевые канавки, размещены друг от друга на расстоянии при котором в первой позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана первая кольцевая канавка сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха, а вторая кольцевая канавка сообщен с третьим воздухосбросным отверстием, тогда как во второй позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана первая кольцевая канавка сообщена со вторым воздухосбросным отверстием, а вторая кольцевая канавка сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:
Признаки «первое приемное отверстие сжатого воздуха сообщено с полостью расточки, предпочтительно, цилиндрической, соосной с вертикальной осью блока управления» упрощают технологию изготовления этой части блока управления. Кроме того, обеспечивается отдельный подвод рабочего тела только в систему управления насоса (отдельно от подвода рабочего тела в приводные камеры насоса).
Признаки, указывающие, что «торец полости расточки выполнен плоским и на него выведены устье первого воздухосбросного канала, а также устья первого и второго управляющих каналов» обеспечивают возможность последовательного сообщения либо первого управляющего канала с первым воздухосбросным каналом, сообщенным с атмосферой, либо второго управляющего канала и первого воздухосбросного канала.
Признаки, указывающие, что «к торцу полости расточки плотно прижата рабочая поверхность двухпозиционного распределителя, выполненного с возможностью сообщения устий либо первого управляющего канала и первого воздухосбросного канала, сообщенного с атмосферой, либо второго управляющего канала и первого воздухосбросного канала, при этом двухпозиционный распределитель скреплен с управляющим штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения параллельно продольной оси штока через полость расточки, на величину соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя,» обеспечивают возможность в крайних позициях двухпозиционного распределителя сообщения либо первого управляющего канала с первым воздухосбросным каналом, сообщенным с атмосферой, либо второго управляющего канала и первого воздухосбросного канала, при этом перемещение из одной позиции в другую обеспечивается соответствующим перемещением управляющего штока.
Признаки, указывающие, что «выходы управляющих каналов открыты в цилиндрический канал» обеспечивают возможность подачи в цилиндрический канал рабочего тела (сжатого воздуха) обеспечивающего возможность перевода двухпозиционного воздухораспределительного клапана, выполненного в виде цилиндра. При этом конструктивное выполнение управляющих каналов достаточно простое, что упрощает технологию их формирования.
Признаки, указывающие, что продольная ось цилиндрического канала «перпендикулярна вертикальной оси блока управления» обеспечивают возможность ориентации цилиндрического канала вдоль (и параллельно) продольной оси штока соединяющего мембраны.
Признаки, указывающие, что в цилиндрическом канале «размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения двухпозиционный воздухораспределительный клапан, выполненный в виде цилиндра поверхность которого плотно сопряжена с поверхностью цилиндрического канала» обеспечивают возможность последовательного переключения подачи потоков рабочего тела то в одну, то в другую приводные камеры. При этом такая конструкция технологична и проста в изготовлении.
Признаки, указывающие, что цилиндрическая поверхность двухпозиционного воздухораспределительного клапана выполнена длиной меньшей длины цилиндрического канала обеспечивают возможность возвратно-поступательного смещения клапана вдоль канала и, тем самым, возможность его позиционирования в одном из двух рабочих положений.
Признаки, указывающие, что «концевые участки цилиндра выполнены в виде цилиндрических выступов, выступающих за пределы блока управления, с возможностью попеременного контактирования их торцов с поверхностями соответствующих мембран, при максимальном их сближении с блоком управления» обеспечивают возможность силового контакта мембран с торцами двухпозиционного воздухораспределительного клапана и, тем самым, страгивают его с мертвой точки.
Признаки, указывающие, что «на торцы (цилиндрических) выступов выведены, открытые в полость соответствующих приводных камер, устья первого и второго глухих каналов не сообщенных друг с другом в донной части, ориентированных, вдоль продольной оси двухпозиционного воздухораспределительного клапана, кроме того в средней части цилиндра выполнены первая и вторая кольцевые канавки, первая из которых посредством радиальных каналов сообщена с первым глухим каналом, а вторая сообщена со вторым глухим каналом» обеспечивают возможность подачи потоков рабочего тела то в одну, то в другую приводные камеры через конструкцию двухпозиционного воздухораспределительного клапана.
Признаки, указывающие, что «на верхнюю часть поверхности полости цилиндрического канала выведено устье второго приемного отверстия сжатого воздуха, а в ее нижнюю часть выведены устья второго и третьего воздухосбросных каналов сообщенных с атмосферой» обеспечивают возможность последовательного переключения подачи потоков рабочего тела то в одну, то в другую приводные камеры, при этом подача рабочего тела в одну из приводных камер, осуществляется одновременно со сбросом рабочего тела из другой камеры.
Признаки, указывающие, что «кольцевые канавки, размещены друг от друга на расстоянии при котором в первой позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана первая кольцевая канавка сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха, а вторая кольцевая канавка сообщена с третьим воздухосбросным отверстием, тогда как во второй позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана первая кольцевая канавка сообщена со вторым воздухосбросным отверстием, а вторая кольцевая канавка сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха» обеспечивают четкую координацию «работы» приводных камер.
На фиг.1 схематически показан разрез насоса.
На чертеже показаны герметичные корпуса 1, нагнетательные 2 и всасывающие 3 патрубки, обратные клапаны 4, мембраны 5, насосные 6 и приводные 7 камеры, шток 8, блок управления 9, первое приемное отверстие 10 сжатого воздуха, полость 11 расточки, торец 12 полости расточки устье 13 первого воздухосбросного канала 14, устье 15 первого управляющего канала 16, устье 17 второго управляющего канала 18, рабочая поверхность 19 двухпозиционного распределителя 20, управляющий шток 21, продольная ось 22 штока 8, выходы 23 и 24, соответственно, первого 16 и второго 18 управляющих каналов, цилиндрический канал 25, его продольная ось 26, вертикальная ось 27 блока управления 9, двухпозиционный воздухораспределительный клапан 28, цилиндрические выступы 29, с торцами 30, устья 31 первого 32 и второго 33 глухих каналов, первая 34 и вторая 35 кольцевые канавки, радиальные каналы 36 и 37, верхняя часть 38 поверхности полости цилиндрического канала 25, устье 39 второго приемного отверстия сжатого воздуха 40, нижняя часть 41 поверхности полости цилиндрического канала 25, устья 42 и 43 второго 44 и третьего 45 воздухосбросных каналов.
Упомянутая в формуле продольная ось двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 на чертежах не показана, т.к. ее положение на чертеже совпадает с продольной ось 26, цилиндрического канала 25.
Герметичные корпуса 1 сообщены с нагнетательными 2 и всасывающими 3 патрубками через обратные клапаны 4, например, шарового типа, обеспечивающие всасывание и нагнетание перекачиваемой среды.
Полости корпусов 1 разделены мембранами 5 на насосные 6 и приводные 7 камеры, причем мембраны связаны штоком 8, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения через блок управления 9 (выполненный с возможностью попеременного подвода сжатого воздуха в приводные 7 камеры герметичных корпусов 1 и попеременного сброса сжатого воздуха из них в окружающую среду). Двухпозиционный распределитель 20 установлен у первого приемного отверстия 10 сжатого воздуха, которое сообщено с полостью 11 расточки, предпочтительно, цилиндрической, соосной с вертикальной осью 27 блока управления 9, при этом торец 12 полости 11 расточки выполнен плоским и на него выведены устье 13 первого воздухосбросного канала 14 (сообщенного с атмосферой), устье 15 первого управляющего канала 16 и устье 17 второго управляющего канала 18.
К торцу 12 полости 11 расточки плотно прижата рабочая поверхность 19 двухпозиционного распределителя 20, выполненного с возможностью сообщения (в своих крайних позициях) устий либо первого управляющего канала 16 и первого воздухосбросного канала 14, либо второго управляющего канала 18 и первого воздухосбросного канала 14. Он может быть выполнен в виде призмы, либо цилиндрической детали, одна сторона которой (рабочая поверхность 19) выполнена плоской и снабжена канавкой (впадиной) длина которой соответствует расстоянию между противоположными стенками управляющего канала 16 и первого воздухосбросного канала 14 которое равно такому же параметру между вторым управляющим каналом 18 и первым воздухосбросным каналом 14). Двухпозиционный распределитель известным образом скреплен с управляющим штоком 21, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения параллельно продольной оси 22 штока 8 через полость 11 расточки, на величину соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя 20, для чего, длина управляющего штока 21 на величину, соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя 20 (его ходу) превышает расстояние между выступающими участками торцов блока управления 9 на величину, соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя 20.
Выходы 23 и 24, соответственно, первого 16 и второго 18 управляющих каналов открыты в цилиндрический канал 25 (продольная ось 26 которого перпендикулярна вертикальной оси 27 блока управления 9) в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения двухпозиционный воздухораспределительный клапан 28, выполненный в виде цилиндра, поверхность которого плотно сопряжена (например, притерта известным способом) с поверхностью цилиндрического канала 25 и выполнена длиной меньшей его длины. Концевые участки цилиндра выполнены в виде цилиндрических выступов 29, выступающих за пределы блока управления 9, с возможностью попеременного контактирования их торцов 30 с поверхностями соответствующих мембран 5, при их сближении с блоком управления почти максимальном. При этом, на соответствующие торцы 30 выступов 29 выведены, открытые в полость соответствующих приводных камер 7, устья 31 (первого 32 и второго 33 глухих каналов) не сообщенных друг с другом в донной части, ориентированных, вдоль продольной оси двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 (на чертеже соответствует продольной оси 26 цилиндрического канала 25). В средней части цилиндра, составляющего тело двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 выполнены первая 34 и вторая 35 кольцевые канавки, первая из которых посредством радиальных каналов 36 сообщена с первым глухим каналом 32, а вторая сообщена со вторым глухим каналом 33 радиальными каналами 37 (эти системы каналов параллельны друг другу и отстоят друг от друга на расстоянии соответствующем расстоянию между первой 34 и второй 35 кольцевыми канавками.
На верхнюю часть 38 поверхности полости цилиндрического канала 25 выведено устье 39 второго приемного отверстия сжатого воздуха 40, а в ее нижнюю часть 41 выведены устья 42 и 43 второго 44 и третьего 45 воздухосбросных каналов. При этом, кольцевые канавки 34 и 35 размещены друг от друга на расстоянии при котором в первой позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 первая кольцевая канавка 34 сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха 40, а вторая кольцевая канавка 35 сопряжена с третьим воздухосбросным отверстием 45, тогда как во второй позиции двухпозиционного воздухораспределительного клапана 2 8 первая кольцевая канавка 34 сообщена со вторым воздухосбросным отверстием 44, а вторая кольцевая канавка 35 сопряжена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха 40.
Заявленное устройство работает следующим образом.
На чертеже показано исходное положение при котором правый (на чертеже) герметичный корпус 1 имеет максимальный объем насосной камеры 6 и минимальный объем приводной камеры 7, при этом мембрана 5 максимально выдвинута в сторону блока управления 9, одновременно, левый (на чертеже) герметичный корпус имеет минимальный объем насосной камеры 6 и максимальный объем приводной камеры 7, при этом мембрана 5 максимально отодвинута от блока управления 9. При этом правый конец управляющего штока 21 касается мембраны 5 правого (на чертеже) герметичного корпуса 1, а его левый торец выступает в полость левой приводной камеры 7,за границу местоположения левой мембраны 5 (когда она будет максимально приближена к блоку управления 9) на величину соответствующую расстоянию между крайними позициями двухпозиционного распределителя 20.
При этом торец 30 правого цилиндрического выступа 29 находится также в контакте с мембраной 5 правого (на чертеже) герметичного корпуса 1 и сдвинут под силовым воздействием последней от своего крайнего правого положения на величину до 2 мм, торец 30 левого цилиндрического выступа 29 выступает в полость левой приводной камеры 7 и находится за границей местоположения левой мембраны 5 (когда она будет максимально приближена к блоку управления 9).
Источники сжатого воздуха (на чертежах не показаны) известным образом сообщены с первым 10 и вторым 40 приемными отверстиями сжатого воздуха. 40. Нагнетательный 2 и всасывающий 3 патрубки насоса, известным образом, сообщены с подводящей и отводящей магистралями (на чертежах не показаны) предназначенными для перекачки жидкости.
Сжатый воздух, который подводят к первому приемному отверстию 10 сжатого воздуха блока управления 9 попадает в полость 11 расточки, в которой двухпозиционный распределитель 20 находится в одной из своих рабочих позиций (на чертеже он смещен влево) сообщая друг с другом устье 13 первого воздухосбросного канала 14 и устье 15 первого управляющего канала 16. В связи с этим сжатый воздух прямо из полости 11 расточки может поступать только во второй управляющий канал 18 по которому он далее поступает в зазор между правой (на чертеже) стенкой цилиндрического канала 25 и правым торцом цилиндрической части двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 (одновременно, из пространства между левой (на чертеже) стенкой цилиндрического канала 25 и левым торцом цилиндрической части двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28, находящийся там сжатый воздух (остающийся после предыдущего цикла срабатывания, начинает сбрасываться в атмосферу через первый управляющий канал 16 и сообщенный с ним первый воздухосбросной канал 14.
Пока двухпозиционный воздухораспределительный клапан 28 находится в положении, показанном на чертеже, через второе приемное отверстие сжатого воздуха 40 идет подвод сжатого воздуха в первую канавку 34, откуда через радиальные каналы 36 сжатый воздух попадает в первый глухой канал 32 и далее в левую приводную камеру 7. Одновременно из правой (на чертеже) приводной камеры 7 идет сброс сжатого воздуха в атмосферу (через второй глухой канал 33, далее через радиальные каналы 37 во вторую канавку 35 и далее, через сообщенный с ней, третий воздухосбросный канал 45.
Сброс воздуха из зазора между правой (на чертеже) стенкой цилиндрического канала 25 и правым торцом цилиндрической части двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28, с одновременной подачей сжатого воздуха на противоположный конец цилиндрического канала 25, приводят к смещению двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28 в левую (на чертеже) сторону. Когда он окажется в крайнем положении, то первая кольцевая канавка 34 оказывается сообщена со вторым воздухосбросным каналом 44, а вторая кольцевая канавка 35 оказывается сообщена со вторым приемным отверстием сжатого воздуха 40. Это инициирует процессы сброса сжатого воздуха из левой (на чертеже) приводной камеры 7 и подачи сжатого воздуха в правую (на чертеже) приводную камеру 7. Сброс сжатого воздуха из левой (на чертеже) приводной камеры 7 идет через первый глухой канал 32, далее через радиальные каналы 36 в первую канавку 34 и далее, через сообщенный с ней, второй воздухосбросный канал 44 в атмосферу. Подача сжатого воздуха в правую (на чертеже) приводную камеру 7 идет через второе приемное отверстие сжатого воздуха 40 далее - во вторую кольцевую канавку 35, откуда через радиальные каналы 37 сжатый воздух попадает во второй глухой канал 33 и далее в правую приводную камеру 7.
Этот процесс приводит к перемещению мембран в новые крайние положения - левая мембрана 5 перемещается вправо (на чертеже) приближаясь к блоку управления 9, а правая также смещается вправо, удаляясь от блока управления 9.
Вследствие этого в насосной камере 6 левого герметичного корпуса 1 создается разряжение и в нее засасывается жидкость из всасывающего патрубка 3, тогда как из насосной камере 6 правого герметичного корпуса 1 жидкость выталкивается в нагнетательный патрубок 2.
Такое перемещение мембран синхронизируется штоком 8,концы которого соединены с ними, кроме того, при своем движении вправо левая (на чертеже) мембрана вначале перемещает (вправо же) управляющий шток 21 (конец которого выступал в ее сторону). Это приводит к переключению двухпозиционного распределителя 20 в новое положение при котором сжатый воздух, подводимый к первому приемному отверстию 10 сжатого воздуха блока управления 9 попадает в полость 11 расточки и далее попадает в открывающееся при этом устье 15 первого управляющего канала 16 и далее в цилиндрический канал 25, обеспечивая, подобно, как уже вышеописано (с учетом сообщения второго управляющего канала 18 с первым воздухосбросным каналом 14) переключение (перевод в новую позицию) двухпозиционного воздухораспределительного клапана 28. До завершения максимального хода мембраны, происходит силовой контакт последней с торцем 30 левого выступа 29 воздухораспределительного клапана 28, что приводит к страгиванию его из крайнего положения.
Далее все повторяется в описанном порядке.