УСИЛИТЕЛЬ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
PNEUMATIC PRESSURE BOOSTER

Изобретение относится к конструктивным элементам пневмогидравлических систем, а именно к усилителям пневматического давления, повышающим давление воздуха или газа в магистрали и имеющим на входе стандартное давление менее 10 и более 10 бар, и может быть использовано в метрологических целях для питания средств контроля и измерения давления при проведении их калибровки или поверки, а также для питания сжатым воздухом различных пневматических устройств.
Известен «Электромеханический усилитель давления», описанный в патенте на изобретение России №2508478, опубл. 27.02.2014 г., содержащий 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, где 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.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, низкая надежность системы уплотнения поршня, вследствие необходимости применения подвижных эластичных уплотнительных элементов (уплотнительных колец) и невозможность создания полностью безмасляного усилителя вследствие необходимости смазки подвижных эластичных уплотнительных колец.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, выбранному в качестве прототипа, является «Мембранный компрессор», описанный в авторском свидетельстве СССР №176656, опубл. 17.11.1965 г. Устройство содержит корпус, разделенный гибкой мембраной на две камеры - газовую и гидравлическую, с механизмом изменения гидравлического давления выполненного в виде рабочего поршня с кривошипно-шатунным механизмом и системой неуправляемых обратного и предохранительного клапанов
Недостатками известного устройства являются:
- сложность конструкции, вследствие использования сложного поршневого узла, ненадежность;
- большие габариты и масса;
- повышенный уровень шума конструкции;
- конструктивная сложность создания блочной конструкции;
- сложность реализации режима поддержания стабильного давления;
- сложность регулировки расходных характеристик.
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции, повышение ремонтопригодности конструкции и повышение стабильности поддержания давления в сравнении с прототипом, а также возможность регулирования давления, повышение КПД работы усилителя.
Технический результат достигается тем, что в усилителе пневматического давления, содержащем корпус с мембранным блоком, разделенным гибкой мембраной на две камеры - газовую с двумя обратными клапанами - для давления питания и выходного давления и гидравлическую, согласно изобретения, в корпусе дополнительно размещены резервуар с рабочей жидкостью соединенный с гидравлическим насосом, который через систему управления потоком жидкости соединен с гидравлической камерой мембранного блока, при этом система управления состоит из связанных последовательно с гидравлическим насосом сбросного клапана, используемого для настройки давления жидкости и сброса избыточного объема жидкости обратно в резервуар, регулируемого дросселя для настройки скорости поступления гидравлической жидкости, электрогидравлического клапана используемого для направления потока жидкости в мембранный блок или сброса жидкости из мембранного блока в резервуар.
За счет того, что в корпусе дополнительно размещены резервуар с рабочей жидкостью соединенный с гидравлическим насосом, который через систему управления потоком жидкости соединен с гидравлической камерой мембранного блока, при этом система управления состоит из связанных последовательно с гидравлическим насосом сбросного клапана, используемого для настройки давления жидкости и сброса избыточного объема жидкости обратно в резервуар, регулируемого дросселя для настройки скорости поступления гидравлической жидкости, электрогидравлического клапана используемого для направления потока жидкости в мембранный блок или сброса жидкости из мембранного блока в резервуар, упрощается конструкция, повышается ремонтопригодность конструкции, стабильность поддержания давления в сравнении с прототипом, а также возможность регулирования давления, повышается КПД работы усилителя.
Выполнение механизма изменения давления в виде мембранного блока, включающего газовую и гидравлическую камеры, разделенные мембраной, позволяет исключить использование сложного в производстве и обслуживании поршневого узла и тем самым упростить конструкцию механизма изменения давления, а исключение из конструкции трущихся деталей в газовой камере и замена их мембраной позволяет повысить надежность устройства.
Кроме того, применение мембранного блока позволяет сделать газовую камеру предельно герметичной, что позволяет использовать в качестве рабочей среды жидкость и обеспечивать высокое выходное давление при сохранении простоты и надежности конструкции.
Использование гидравлического насоса с системой управления потоком жидкости, соединенного с резервуаром с рабочей жидкостью, позволяет получить различные расходные характеристики при сохранении высокого выходного давления. Применение малошумящих гидравлических насосов значительно уменьшает уровень шума усилителя давления по сравнению с поршневыми аналогами.
Применение гидравлического насоса непрерывного действия и системы управления потоком жидкости позволяет управлять положением гибкой мембраны и соответственно поддерживать давление на заданном уровне.
Применение гидравлического насоса с системой управления потоком жидкости позволяет обеспечить постоянную циркуляцию рабочей жидкости в гидравлической камере, что позволяет обеспечить эффективный отвод тепла образующегося в газовой камере при сжатии рабочего газа.
Использование гидравлического насоса, соединенного с резервуаром с рабочей жидкостью и применение мембранного блока, позволяет получить высокий КПД усилителя: КПД гидравлического насоса в оптимальных режимах не ниже 92%, потери на вязкое трение в приведенной гидравлической системе, при правильном проектировании, не должны превышать 1%, потери за счет «мертвых» объемов в правильно спроектированном мембранном блоке не должны превышать 2% (коэффициент сжатия 50), перегрев газа на выходе мембранного блока при низких скоростях сжатия обычно не превышает 10°С, следовательно, потери не превышают 5%. Соответственно, по грубой оценке КПД мембранного усилителя не должен быть ниже 80%.
На фиг. 1 - схема усилителя пневматического давления;
На фиг. 2 - общий вид усилителя пневматического давления;
На фиг. 3 - общий вид (без крышки) усилителя пневматического давления;
На фиг. 4 - то же, разрез мембранного блока;
На фиг. 5 - то же, гидравлический насос с системой управления потоком жидкости.
В примере исполнения усилитель пневматического давления содержит корпус 1 с крышкой 2 с мембранным блоком 3, разделенным гибкой мембраной 4 на две камеры - газовую 5 с двумя обратными клапанами - для давления питания 6 и выходного давления 7 и гидравлическую камеру 8. В корпусе 1 дополнительно размещены резервуар 9 с рабочей жидкостью, соединенный с гидравлическим насосом 10, который через систему управления потоком жидкости соединен с гидравлической камерой 8 мембранного блока 3, при этом система управления состоит из связанных последовательно с гидравлическим насосом 10 сбросного клапана 11, используемого для настройки давления жидкости и сброса избыточного объема жидкости обратно в резервуар 9, регулируемого дросселя 12 для настройки скорости поступления гидравлической жидкости, электрогидравлического клапана 13 используемого для направления потока жидкости в гидравлическую камеру 8 мембранного блока 3 или сброса жидкости из мембранного блока 3 в резервуар 9.
Мембранный блок 3 состоит из нижней опоры 14 мембранного блока 3, мембраны 4 и верхней опоры 15 мембранного блока 3, пространство ограниченное нижней опорой 14 и мембраной 4 представляет из себя газовую камеру 5, пространство ограниченное верхней опорой 15 и мембраной 4 образует гидравлическую камеру 8.
Гидравлический усилитель давления работает следующим образом. Во входную магистраль подается давление питания - сжатый воздух или газ низкого или среднего давления. Через обратный клапан 6 давление питания подается в газовую камеру 5 мембранного блока 3. При включении гидравлического насоса 10 в гидравлическую камеру 8 мембранного блока 3 поступает жидкость, в результате чего гибкая мембрана 4 прижимается к нижней опоре 14 и происходит сжатие воздуха в газовой камере 5, что приводит к закрытию обратного клапана 6 и открытию обратного клапана 7, через который сжатый газ повышенного давления поступает в выходную магистраль. После выключения гидравлического насоса 10 или изменения направления потока жидкости системой управления потоком давление газа возвращает мембрану 4 в исходное положение, выдавливая жидкость из гидравлической камеры 8 в резервуар 9.
В примере исполнения корпус 1, крышка 2 изготовлены из стального листа марки 08ПС, мембранный блок 3 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, 14Х17Н2 или аналогов, или латуни ЛС-59-1 или аналогов, гибкая мембрана 4 из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т или аналога, два обратных клапана - для давления питания 6 и выходного давления 7 из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т или аналога, резервуар 9 из стали модель Е603030004, бак на 2, 5 л, гидравлический насос 10 Н 3,2 куб. см/об Е60605006, сбросный клапан 11 тип PRC2030A 50-350 бар (редукционный), регулируемый дроссель 12 тип CSB04, электрогидравлический клапан MSV 3000000 (клапан двухходовой соленоидный).
В заявляемом изобретении упрощается конструкция, повышается ремонтопригодность конструкции, стабильность поддержания давления в сравнении с прототипом, а также возможность регулирования давления, повышается КПД работы усилителя, за счет того, что в корпусе дополнительно размещены резервуар с рабочей жидкостью соединенный с гидравлическим насосом, который через систему управления потоком жидкости соединен с гидравлической камерой мембранного блока, при этом система управления состоит из связанных последовательно с гидравлическим насосом сбросного клапана, используемого для настройки давления жидкости и сброса избыточного объема жидкости обратно в резервуар, регулируемого дросселя для настройки скорости поступления гидравлической жидкости, электрогидравлического клапана используемого для направления потока жидкости в мембранный блок или сброса жидкости из мембранного блока в резервуар.