EA016439B1

EA016439B1 - Диафрагменный насос и способ выравнивания давления в нем

Info

Publication number: EA016439B1
Application number: EA200901475A
Authority: EA
Inventors: Ричард Д. Хембри
Original assignee: Уоннер Инжиниринг, Инк.
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2008-05-01
Publication date: 2012-05-30
Also published as: US20080273997A1; BRPI0811471B1; PL2145109T3; JP2010526239A; JP5259695B2; EP2145109B1; US7665974B2; CN101743403B; CN101743403A; EP2145109A1; KR101401213B1; BRPI0811471A2; WO2008137515A1; DK2145109T3; EA200901475A1; ES2632131T3; KR20100022966A

Abstract

В изобретении предлагается диафрагменный насос, который содержит диафрагму (33), выполненную с возможностью перемещения между первым и вторым положениями вдоль первой оси; нагнетательную камеру (24) на одной стороне диафрагмы, причем нагнетательная камера выполнена с возможностью заполнения нагнетаемым флюидом; передаточную камеру (20) на другой стороне диафрагмы, причем передаточная камера заполнена рабочей жидкостью; первый и второй однопутевые клапаны; резервуар для флюида, имеющий флюидную связь с передаточной камерой через первый и второй клапаны; цилиндрический золотник (42), расположенный в передаточной камере для управления потоком флюида через первый и второй клапаны, причем цилиндрический золотник выполнен с возможностью перемещения вдоль второй оси, которая не совпадает с первой осью, между множеством положений относительно отверстий для первого и второго клапанов.

Description

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию флюидных насосов, а более конкретно имеет отношение к созданию диафрагменных насосов с гидравлическим приводом.

Известный уровень техники

Диафрагменные насосы с гидравлическим приводом могут быть подразделены по меньшей мере на две группы. Первая группа содержит насосы, в которых используют другой такт для гидравлического поршня или плунжера, чем для диафрагмы. Эти насосы могут быть названы асинхронными насосами. Асинхронные насосы обычно используют для дозирования в больших диафрагменных насосах, в которых желательно иметь диафрагму большого диаметра, которая имеет только небольшое перемещение (имеет короткий ход). Диафрагмы с коротким ходом типично приводят в действие при помощи гидравлического плунжера или поршня с намного большим ходом. Поршень с большим ходом может иметь небольшой диаметр, что позволяет снизить нагрузки на коленчатый вал, который перемещает поршень при его ходе.

Вторая группа содержит насосы, в которых центр диафрагмы перемещается на такое же расстояние, что и гидравлический поршень. Эти насосы могут быть названы синхронными насосами. Положение диафрагмы в синхронных насосах контролируется при помощи клапана в поршне, который поддерживает постоянное расстояние между поршнем и центром диафрагмы.

Пример клапанной системы для управления положением диафрагмы в синхронных насосах раскрыт в патенте США № 3884598, который включен в данное описание в качестве ссылки. В этом патенте раскрыта система, которая определяет положение диафрагмы относительно поршня и поддерживает положение диафрагмы постоянным. Эта система полезна для насосов, которые должны работать на высокой скорости или которые перекачивают абразивные материалы, так как эта система позволяет использовать эластомерные диафрагмы, которые не должны входить в контакт с ограничительной поверхностью в конце такта. Однако если расстояние перемещения поршня превышает расстояние перемещения диафрагмы, то эта система не позволяет надлежащим образом поддерживать количество рабочей жидкости позади диафрагмы, чтобы насос работал должным образом.

Некоторые примеры асинхронных насосов описаны в патентах США №№ 5246351, 5667368 и 4883412. Во всех этих насосах использован одинаковый подход к контролю положения диафрагмы. Каждый из этих насосов мгновенно регулирует количество масла в верхней или нижней точке каждого такта. Состояние переполнения возникает тогда, когда диафрагма перемещается слишком далеко вперед и доходит до предела перемещения. Это создает давление, превышающее нормальное давление рабочей жидкости, что заставляет клапан мгновенно открываться и выпускать некоторый избыток флюида. Это избыточное давление не возникнет, когда диафрагма доходит до упора, или просто в конечной точке прогиба (упругой деформации), когда требуется более высокое давление для дополнительного перемещения диафрагмы. Это давление не передается в перекачиваемый флюид и поэтому создает несбалансированный перепад давления на диафрагме. Этот способ управления давлением, созданным за счет переполнения, требует, чтобы диафрагма была выполнена из таких материалов и имела такую конфигурацию, которые позволяют выдерживать это несбалансированное давление без разрушения диафрагмы. Это ограничение, связанное с выбором материалов диафрагмы и ее конфигурации, приводит к использованию диафрагм с очень большим диаметром и низкой упругой деформацией, что значительно увеличивает размеры и повышает стоимость насоса.

Известные асинхронные насосы с гидравлическим приводом не позволяют использовать эластомерные диафрагмы с высокой гибкостью, которые являются относительно небольшими и могут претерпевать большие упругие деформации, по меньшей мере по тем причинам, которые обсуждались здесь выше. В результате, эти типы диафрагм используют только в синхронных насосах. Ход поршня в синхронном насосе должен быть относительно коротким, так как он ограничен ходом диафрагмы. Это приводит к тому, что коленчатый вал и картер должны выдерживать более высокие нагрузки за счет поршня большего диаметра, что делает привод насоса более дорогим.

Другой пример насоса с гидравлическим приводом раскрыт в патенте США № 3769879. В этом насосе использован золотник, который движется при каждом ходе диафрагмы, чтобы мгновенно открывать каналы между резервуаром для флюида и гидравлической камерой (например, передаточной камерой) позади диафрагмы в концах хода поршня. Наличие указанных каналов и перемещение золотника позволяет только небольшому импульсу (порции) флюида проходить в каждом ходе, чтобы корректировать состояние переполнения или состояние недостаточного заполнения.

У этого насоса имеются некоторые существенные недостатки в состояниях сильного недостаточного заполнения или переполнения (например, в состояниях, вызванных очень низким или очень высоким впускным давлением перекачиваемого флюида). В состояниях сильного переполнения небольшие импульсы флюида, допускаемые в каждом такте, недостаточны для мгновенной корректировки переполнения, которое приводит к сжиманию диафрагмы, до тех пор, пока не пройдут несколько тактов, чтобы скорректировать состояние переполнения. Другой недостаток этого насоса связан с направлением, в котором смещена диафрагма. В экстремальных состояниях (например, при низких входном и выходном давлениях перекачиваемого флюида, что вызвано блокировкой впуска насоса), система этого насоса

- 1 016439 стремится добавить масло в передаточную камеру без какого-либо смещения диафрагмы, что в противном случае может приводить к нагнетанию избытка масла. В результате состояние переполнения не может быть ликвидировано и диафрагма может выйти из строя.

В связи с изложенным, существует необходимость в усовершенствованиях, связанных с контролем положения диафрагмы в диафрагменных насосах.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается диафрагменный насос, который содержит поршень, диафрагму, нагнетательную и передаточную камеры, первый и второй клапаны, резервуар для флюида и цилиндрический золотник. Поршень выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения между первым положением и вторым положением. Диафрагма выполнена с возможностью перемещения между первым и вторым положениями, которые связаны с первым и вторым положениями поршня. Передаточная камера расположена на одной стороне диафрагмы и образована частично за счет относительных положений диафрагмы и поршня. Передаточная камера заполнена рабочей жидкостью. Нагнетательная камера расположена на противоположной стороне диафрагмы от передаточной камеры. Резервуар для флюида имеет флюидную связь с передаточной камерой через первый и второй клапаны. Цилиндрический золотник расположен в передаточной камере и выполнен с возможностью закрывания доступа в отверстия первого и второго клапанов, когда цилиндрический золотник находится в первом положении, закрывания отверстия первого клапана и открывания отверстия второго клапана, когда цилиндрический золотник находится во втором положении, и открывания отверстия первого клапана и закрывания отверстия второго клапана, когда цилиндрический золотник находится в третьем положении. Золотник сохраняет первое положение до тех пор, пока в передаточной камере не возникнет состояние переполнения, которое перемещает золотник во второе положение, или до тех пор, пока в передаточной камере не возникнет состояние недостаточного заполнения, которое перемещает золотник в третье положение. Насос дополнительно содержит исполнительный элемент, прикрепленный к движущемуся участку диафрагмы, который входит в зацепление с золотником, чтобы перемещать золотник между первым, вторым и третьим положениями. Исполнительный элемент позволяет устанавливать золотник на другую ось, чем ось штока и пружины, которые используют для создания давления смещения диафрагмы. Золотник может быть расположен на отдельной оси от диафрагмы, штока диафрагмы и пружины, а также от основного поршня насоса.

Предлагается также соответствующий способ обеспечения функционирования такого диафрагменного насоса, позволяющий управлять давлениями флюида в насосе.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано поперечное сечение в виде сбоку примерного насоса, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения, с нормальным состоянием заполнения при нахождении поршня насоса в нижней мертвой точке (нмт);

на фиг. 2 - поперечное сечение в виде сбоку примерного насоса, показанного на фиг. 1, с нормальным состоянием заполнения при нахождении поршня насоса в верхней мертвой точке (вмт);

на фиг. 2А показаны с увеличением положения клапана, показанного на фиг. 2;

на фиг. 3 - поперечное сечение в виде сбоку примерного насоса, показанного на фиг. 1, с состоянием недостаточного заполнения при нахождении поршня насоса в нижней мертвой точке (нмт);

на фиг. ЗА показаны с увеличением клапаны, показанные на фиг. 3;

на фиг. 4 - поперечное сечение в виде сбоку примерного насоса, показанного на фиг. 2, с состоянием переполнения при нахождении поршня насоса в верхней мертвой точке (вмт);

на фиг. 4А показаны с увеличением клапаны, показанные на фиг. 4;

на фиг. 5 - поперечное сечение примера альтернативного рычага исполнительного механизма типа балансира в нмт состоянии недостаточного заполнения;

на фиг. 5 А показаны с увеличением клапаны, показанные на фиг. 5;

на фиг. 6 - клапан, показанный на фиг. 5, в вмт состоянии нормального заполнения;

на фиг. 6 А показаны с увеличением клапаны, показанные на фиг. 6.

Подробное описание изобретения

Далее различные варианты будут описаны более подробно со ссылкой на чертежи, на которых аналогичные детали и узлы имеют одинаковые позиционные обозначения. Следует иметь в виду, что ссылка на различные варианты не ограничивает объем изобретения. Кроме того, следует иметь в виду, что любые приведенные в описании изобретения примеры не имеют ограничительного характера и приведены исключительно для того, чтобы объяснить некоторые из множества возможных вариантов, заявленных в формуле изобретения.

Настоящее изобретение будет описано в общем контексте диафрагменных насосов. Далее будут описаны конструкция, формирование и использование некоторых примерных устройств и систем, предназначенных для управления положением диафрагмы, и соответствующие способы их использования.

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к флюидным насосам, таким как диафрагменные насосы с гидравлическим управлением. Принципы настоящего изобретения в равной мере применимы как к асинхронным, так и к синхронным насосам. В асинхронных насосах используют другой ход гид

- 2 016439 равлического поршня относительно хода диафрагмы. Диафрагма типично имеет относительно большой диаметр и выполнена с возможностью прогиба на относительно малую величину. Эта имеющая короткий ход диафрагма приводится в действие за счет намного большего хода гидравлического плунжера или поршня. Чем больше ход гидравлического плунжера или поршня, тем меньший диаметр поршня требуется, что создает меньшие нагрузки на коленчатый вал и картер насоса.

Синхронные насосы выполнены так, что центр диафрагмы перемещается на такое же расстояние, что и гидравлический поршень. В таких насосах диафрагма должна прогибаться на большие расстояния, соответствующие ходу поршня, для того, чтобы минимизировать нагрузки на картер и коленчатый вал, возникающие за счет поршня относительно малого диаметра. Если диафрагма не может прогибаться в необходимой степени, чтобы использовать поршень относительно малого диаметра, тогда диаметр поршня должен быть увеличен, что создает большие нагрузки на коленчатый вал и картер. Настоящее изобретение может быть использовано как с асинхронными, так и с синхронными насосами, чтобы помочь управлять положением диафрагмы, для того, чтобы диафрагма не растягивалась или не втягивалась свыше заданных расстояний, что в противном случае может приводить к повреждению диафрагмы.

Многие известные системы управления положением диафрагмы работают на основании определения состояний гидравлического давления в передаточной камере, на стороне диафрагмы, противоположной перекачиваемому флюиду. В таких основанных на измерении давления системах типично используют редукционные клапаны, которые открываются или закрываются в ответ на специфические уровни давления. Редукционные клапаны типично расположены между гидравлической камерой и резервуаром для рабочей жидкости. В системах, предназначенных для сброса избыточного давления, редукционный клапан мгновенно открывается, чтобы выпустить часть рабочей жидкости в резервуар, когда превышено максимальное давление. В системах, предназначенных для исключения недостаточного давления, отдельный редукционный клапан мгновенно открывается, чтобы ввести часть рабочей жидкости из резервуара в гидравлическую камеру, когда давление падает ниже минимального давления.

Избыточное давление типично возникает в таких системах в точке, в которой диафрагма доходит до упора в конце прогиба, когда высокое давление требуется для дополнительного прогиба диафрагмы. Для решения проблем, связанных с состояниями избыточного давления, диафрагма должна быть изготовлена из относительно прочного, негибкого материала, который не разрушается после повторных циклов высокого и низкого давления. Повышенный диаметр и уменьшенное число прогибов диафрагмы также позволяют решить проблемы, связанные с состояниями избыточного давления, но при этом резко возрастают размеры насоса и его стоимость.

Другой проблемой, связанной с системами на базе давления, является кавитация. Избыточное давление в передаточной камере типично не передается в перекачиваемый флюид и поэтому создает состояние несбалансированного давления (т.е. перепад давления) на диафрагме. Этот перепад давления может приводить к вакуумным состояниям во время некоторых участков хода поршня, что может приводить к кавитации в рабочей жидкости. Кавитация может приводить к повышенному износу (например, к питтингу) компонентов, на которые воздействует рабочая жидкость.

Настоящее изобретение функционирует скорее на базе объема гидравлической камеры, а не давления внутри гидравлической камеры. В зависимости от состояния недостаточного заполнения или переполнения объема гидравлической камеры, подвижный цилиндрический золотник сдвигается в гидравлическую камеру, между положениями закрывания или не закрывания (открывания) отверстий в стопорные клапаны, которые расположены между гидравлическим резервуаром и гидравлической камерой. Таким образом, скорее сам флюид, а не созданное за счет флюида состояние давления перемещает цилиндрический золотник. Состояния недостаточного заполнения и переполнения объема типично лучше всего оценивать в вмт или нмт хода поршня. В соответствии с настоящим изобретением цилиндрический золотник движется только в вмт или нмт хода поршня, чтобы корректировать состояние недостаточного заполнения или состояние переполнения.

В заявке И8 2006/0239840 заявителя настоящего изобретения, которая включена в данное описание в качестве ссылки, описана система управления положением диафрагмы в диафрагменном насосе с гидравлическим приводом, позволяющая диафрагме работать в безопасном диапазоне перемещения. В этой системе используют цилиндрический золотник, который движется тогда, когда заполненная маслом передаточная камера имеет состояние переполнения или недостаточного заполнения. Когда передаточная камера переполнена маслом, тогда диафрагма перемещается слишком далеко вперед, когда поршень находится в вмт хода поршня. Это состояние переполнения перемещает цилиндрический золотник и открывает канал, который позволяет маслу вытекать из передаточной камеры через первый однопутевой клапан. Когда передаточная камера недостаточного заполнена маслом, тогда диафрагма перемещается слишком далеко назад, что вызывает перемещение цилиндрического золотника, так что цилиндрический золотник открывает канал, который позволяет маслу втекать в передаточную камеру через второй однопутевой клапан.

В заявке ϋδ 2006/0239840 описан цилиндрический золотник, расположенный вдоль оси диафрагмы, которая соосна со штоком, прикрепленным к центру диафрагмы. Этот шток диафрагмы обычно используют для противодействия силе пружины смещения, которая прикладывает немного большее давление к

- 3 016439 маслу в передаточной камере, чем к перекачиваемому флюиду на другой стороне диафрагмы. Кроме того, этот шток выполнен так, что входит в контакт с золотником, когда существуют состояния переполнения или недостаточного заполнения, за счет чего происходит описанное здесь выше перемещение клапана. Соосный золотник должен быть выполнен так, чтобы входить в контакт со штоком, одновременно позволяя соосной пружине находиться внутри штока диафрагмы или снаружи от него. Общая конструкция и конфигурация диафрагменного насоса, описанного в заявке и8 2006/0239840, является относительно сложной и трудной для сборки и может потребовать использования золотника и других компонентов, которые имеют нежелательные размеры.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система клапана управления с более простыми конструкцией и компонентами, чем, например, в заявке И8 2006/0239840. Одним таким компонентом является исполнительный элемент, который прикреплен к движущемуся участку диафрагмы. Исполнительный элемент входит в зацепление с цилиндрическим золотником, чтобы управлять потоком масла между передаточной камерой и резервуаром для масла во время состояний переполнения и недостаточного заполнения. Исполнительный элемент позволяет устанавливать цилиндрический золотник на другой оси, отличающейся от оси штока диафрагмы и пружины, которые используют для создания давления смещения диафрагмы. Установка цилиндрического золотника на отдельной оси позволяет упростить диафрагменный насос различным образом. Например, шток диафрагмы и пружина давления смещения требуются только для того, чтобы выполнять ограниченную функцию приложения давления смещения. Обычно это означает, что размер пружины может быть сделан меньше и может быть уменьшен размер расточки, в которую входит пружина (в случае расположения пружины внутри штока диафрагмы). Кроме того, золотниковый элемент не требует такой высокой чистовой обработки, как расточка для цилиндрического золотника.

Другое преимущество, связанное с использованием цилиндрического золотника на отдельной оси, заключается в том, что цилиндрический золотник теперь может иметь намного меньший диаметр. Так как в золотнике теперь не требуется иметь отверстие вдоль его оси для размещения пружины смещения диафрагмы, то золотник может иметь намного меньший диаметр, а соответствующая расточка, в которой находится золотник, также может иметь намного меньший диаметр. Расточки меньшего диаметра как для пружины смещения диафрагмы, так и для золотника позволяют уменьшить площадь корпуса насоса, на которую воздействует высокое давление, возникающее в передаточной камере, что приводит к общему снижению механических напряжений в насосе. Расточки меньшего диаметра также позволяют уменьшить объем масла, необходимого в передаточной камере, что приводит к пониженному модулю объемной деформации системы и к более высокой объемной производительности.

Еще одно преимущество, связанное с использованием золотника на отдельной оси, заключается в том, что золотник теперь не обязательно должен иметь цилиндрическую форму. Золотник может иметь плоскую конструкцию, например, в виде керамического диска, или другую конструкцию. Плоская конструкция позволяет создавать относительно малый зазор между уплотненными поверхностями, что в некоторых случаях снижает стоимость изготовления.

Примерный диафрагменный насос, показанный на фиг. 1-4 А.

Примерный асинхронный диафрагменный насос 10, поясняющий принципы настоящего изобретения, будет описан далее со ссылкой на фиг. 1-4А. На фиг. 1 показан поршень насоса в нижней мертвой точке (нмт) в состоянии нормального заполнения. На фиг. 2 показан поршень в верхней мертвой точке (вмт) в состоянии нормального заполнения. На фиг. 3 показан поршень в нижней мертвой точке (нмт) в состоянии недостаточного заполнения. На фиг. 4 показан поршень в верхней мертвой точке (вмт) в состоянии переполнения.

Насос 10 содержит картер 12, корпус 14 поршня и коллектор 16. В корпусе 14 поршня образован резервуар 18, передаточная или гидравлическая камера 20 и камера 22 плунжера. В коллекторе 16 образована нагнетательная камера 24 и находятся впускной и выпускной клапаны 72, 74.

Коленчатый вал 26, шатун 28 и ползун 30 расположены внутри картера 12. Ползун 30 связан с плунжером 32, расположенным внутри камеры 22 плунжера.

Передаточная камера 20 и камера 22 плунжера имеют флюидную связь друг с другом, так что флюид, всасываемый в камеру 22 плунжера или выталкиваемый из нее, втягивает диафрагму во втянутое состояние или принудительно перемещает диафрагму в растянутое состояние, как это показано соответственно на фиг. 1 и 2.

Шток 34 диафрагмы проходит через передаточную камеру 20. Пружина 36 расположена соосно со штоком 34 для того, чтобы прикладывать силу смещения к диафрагме в направлении назад, для того, чтобы помогать поддерживать состояние более высокого давления в передаточной камере 20, чем в нагнетательной камере 24. Поддержание состояния более высокого давления в передаточной камере 20 позволяет улучшить характеристики насоса 10 в состояниях всасывания на входе.

Расточка 54 для золотника образована в корпусе 14 поршня рядом со штоком 34 диафрагмы. Размер расточки выбран так, чтобы в нее мог входить цилиндрический золотник 42. Размер выемки 52 золотника выбран так, что цилиндрический золотник 42 может перемещаться в направлении, параллельном направлению перемещения штока 34 диафрагмы. Цилиндрический золотник 42 выполнен с возможностью

- 4 016439 перемещения между первым положением, обеспечивающим как доступ в отверстие 56 клапана 44 недостаточного заполнения, так и закрывание отверстия 64 клапана 46 переполнения (см. ориентацию недостаточного заполнения на фиг. 2, 2А), вторым положением, главным образом обеспечивающим закрывание отверстий 56, 64 (см. ориентацию установившегося состояния на фиг. 3, 3А), и третьим положением закрывания отверстия 56 и обеспечения доступа в отверстие 64 (см. ориентацию переполнения на фиг. 4, 4А). Изображения с увеличением на фиг. 2А, ЗА и 4А показывают более четко открытое или закрытое состояние отверстий 56, 64 в установившемся состоянии, в состоянии недостаточного заполнения и в состоянии переполнения.

Диафрагменный насос 10 содержит клапан 44 недостаточного заполнения, связанный с отверстием 56, и клапан переполнения 46, связанный с отверстием 64.

Клапан 44 недостаточного заполнения содержит другое отверстие 57, расположенное рядом с гидравлической камерой 18. Клапан 44 недостаточного заполнения также содержит седло 58, пружину 60 и заглушку 62. Пружина 60 смещает заглушку 62 к седлу 58, пока золотник 42 не переместится для того, чтобы открыть отверстие 56. Когда отверстие 56 открыто, флюид всасывается в передаточную камеру 20 через клапан 44 недостаточного заполнения. Клапан 46 переполнения содержит седло 66, шарик 68 и пружину 70. Пружина 70 смещает шарик 68 к седлу 66, пока золотник 42 не переместится для того, чтобы открыть отверстие 64. Когда отверстие 64 открыто, флюид выталкивается из передаточной камеры 20 через клапан 46 переполнения. Клапаны 44, 46 недостаточного заполнения и переполнения представляют собой стопорные клапаны, которые обеспечивают протекание флюида только в одном направлении.

Цилиндрический золотник 42 выполняет важную функцию управления потоком флюида между передаточной камерой 20 и резервуаром 18 во время состояния недостаточного заполнения, состояния переполнения и установившегося состояния в передаточной камере 20. Цилиндрический золотник 42 перемещается в зависимости от положения диафрагмы 42. Один конец штока 43 клапана прикреплен к диафрагме 33, а противоположный конец штока 43 клапана расположен в выемке 52 цилиндрического золотника 42. Выемка 52 золотника имеет длину больше длины перемещения диафрагмы 33 во время установившегося состояния. Выемка 52 золотника создает зону выстоя, в которой шток 43 клапана может свободно перемещаться без перемещения цилиндрического золотника 42, до тех пор, пока состояние переполнения или недостаточного заполнения не возникнет в передаточной камере 20.

При работе насоса 10 при нормальном высоком давлении, небольшое количество масла будет вытекать из камеры 22 плунжера в резервуар 18 через зазор между плунжером 32 и расточкой 31, в которой движется плунжер 32. Эта потеря масла компенсируется маслом, которое всасывается в передаточную камеру 20 через клапан 44 недостаточного заполнения в такте всасывания насоса 10. В этом нормальном рабочем состоянии золотник 42 расположен так, чтобы открывать часть отверстия 56 недостаточного заполнения, как это показано на фиг. 1, 2, 2А. Это нормальное положение равновесия достигается тогда, когда диафрагма 33 находится в своем положении нижней мертвой точки (нмт) и прикрепленный шток 43 клапана перемещает золотник 42 назад до тех пор, пока не будет открыта достаточная часть отверстия 56, чтобы поток, поступающий в передаточную камеру 18 через отверстие 56, был равен потоку, вытекающему через зазор между плунжером 32 и расточкой 31. Этот процесс выравнивания происходит в течение нескольких тактов насоса 10, когда диафрагма 33 перемещается все дальше и дальше назад при вытекании флюида из передаточной камеры 20. Когда достигнуто равновесие между количеством флюида, вытекающего из передаточной камеры 20, и количеством флюида, втекающего в передаточную камеру через клапан 44, золотник 42 остается неподвижным до тех пор, пока не происходит некоторое изменение состояния нагнетания, которое изменяет скорость потери флюида. Перемещение золотника 42 в другие положения, показанные на фиг. 3, 3А, 4, 4А, зависит от состояний нагнетания насоса 10. Первое общее состояние возникает при запуске насоса 10. Когда насос 10 не работает, флюид из передаточной камеры вытекает через зазор между плунжером 32 и расточкой 31 за счет давления, приложенного к диафрагме 33 от пружины 36, или от остаточного давления внутри насоса 10. Когда насос 10 запускают, имеется слишком мало флюида в передаточной камере 20, что приводит к тому, что диафрагма 33 перемещается слишком далеко назад в передаточной камере 20, когда плунжер 32 находится в нмт (например, см. фиг. 3, 3А). Это состояние является указанным здесь выше состоянием недостаточного заполнения. Когда существует состояние недостаточного заполнения, шток 21 клапана, который движется вместе с диафрагмой 33, перемещает золотник 42 так, что золотник 42 полностью закрывает отверстие 64 переполнения и открывает отверстие 56 недостаточного заполнения (см. фиг. 3, 3А). При нахождении золотника 42 в этом положении флюид всасывается в передаточную камеру 20 из резервуара 18 через клапан 44 недостаточного заполнения во время такта всасывания насоса 10. Когда передаточная камера 20 становится менее переполненной при каждом последовательном такте насоса, шток 43 клапана входит в зацепление с цилиндрическим золотником 42 и перемещает его вперед, чтобы в конечном счете достигнуть положения равновесия (установившегося состояния), описанного здесь выше со ссылкой на фиг. 1, 2, 2А.

Второе общее состояние возникает тогда, когда нет ограничения в линии впуска насоса 10, которое создает состояние низкого впускного давления и потерю выпускного давления. Состояние низкого впускного давления позволяет диафрагме 33 перемещаться вперед дальше, чем в нормальном состоянии,

- 5 016439 когда плунжер находится в верхней мертвой точке (вмт). Это состояние, которое называют состоянием переполнения, показано на фиг. 4, 4А. Когда существует состояние переполнения, шток 43 клапана толкает золотник 42 вперед, так что золотник 42 полностью закрывает отверстие 56 недостаточного заполнения и открывает отверстие 64 переполнения. Тогда избыток флюида может протекать из передаточной камеры 20 через отверстие 56 переполнения и клапан 46 переполнения в резервуар 18.

Как уже было описано здесь выше, золотник ведет поиск положения равновесия для уравнивания потока флюида, входящего в передаточную камеру 20, и потока флюида, выходящего из нее. Положение золотника 42 остается неизменным до тех пор, пока не изменятся условия нагнетания, побуждающие шток 43 клапана перемещать золотник 42. Для того чтобы предотвратить собственное перемещение золотника 42 за счет вибрации или силы тяжести, насос 10 должен содержать устройство, которое запрещает движение золотника 42 до тех пор, пока он не входит в зацепление со штоком 43 клапана. Предусмотрен стопор 90 золотника, имеющий шарик 92 и пружину 94, расположенные в выемке 96 золотника 42. Стопор 90 золотника создает силу трения в расточке золотника так, чтобы предотвратить собственное перемещение золотника 42.

Далее со ссылкой на фиг. 1, 2, 2А описано достижение равновесной точки установившегося состояния для случая специфического состояния нагнетания. Во время равновесных установившихся состояний золотник 42 не перемещается до тех пор, пока не изменятся состояния насоса. Тонкая регулировка потока флюида в передаточную камеру 20 и из передаточной камеры 20 производит за счет очень небольших изменений положений вмт или нмт диафрагмы. Эти изменения пропорциональны скорости утечки из передаточной камеры за один такт, поделенной на перемещение плунжера. Например, в насосе с меньшим уплотнением, который имеет изменение объема цилиндра около 200 см³, скорость утечки из передаточной камеры при работе под полным давлением составляет около 1 см на один такт. Когда клапан закрывает оба отверстия 56, 64 переполнения и недостаточного заполнения, так что флюид вытекает из передаточной камеры 20 только за счет утечки вокруг плунжера 32, тогда положение диафрагмы будет изменяться ориентировочно на 1/200 длины хода диафрагмы. В примере вытеснения 200 см³ диафрагма 33 будет перемещаться ориентировочно на 1,5 дюйма, так что изменение в нмт в одном такте составит около 0,0075 дюйма. Положение диафрагмы будет смещаться на 0,0075 дюйма назад в каждом такте до тех пор, пока золотник 42 не начнет открывать отверстие 56 недостаточного заполнения. Когда отверстие 56 недостаточного заполнения будет немного открыто, небольшое количество флюида будет поступать в передаточную камеру 20 в каждом такте всасывания. Этот поступающий в передаточную камеру 20 флюид необходимо вычесть из флюида, вытекающего из передаточной камеры 20 через плунжер 32, так что в следующем такте потеря флюида будет меньше.

Для примера, если золотник 42 открыт на 0,007 дюйма при первом перемещении золотника 42 за счет входа в зацепление со штоком 43 клапана, то объем флюида, поступающего в передаточную камеру 20, в такте всасывания может составлять 0,5 см³, а чистый объем флюида, покидающего передаточную камеру 20, теперь будет составлять только 0,5 см³. В следующем такте золотник 42 будет перемещаться только на половину предыдущего расстояния, причем в каждом последующем такте перемещение будет все меньше и меньше. На практике этот процесс регулировки занимает несколько тактов насоса 10 и длится менее 2 с в зависимости от рабочих параметров насоса. Такой же процесс происходит тогда, когда состояния нагнетания создают состояние переполнения. Состояние переполнения возникает тогда, когда ограничен впуск в насос 10 и имеется низкое давление на выпуске насоса 10. При этих состояниях происходит медленное увеличение объема флюида в передаточной камере 20 при каждом такте, например на 1 см³ в каждом такте. Аналогичный процесс постепенного открывания отверстия 64 переполнения теперь протекает до тех пор, пока количество флюида, поступающего в передаточную камеру 20 из зазора плунжера, не сравняется с количеством флюида, вытекающего из передаточной камеры 20 через клапан 46 переполнения.

На фиг. 1 дополнительно показан клапан 98 отбора воздуха, который позволяет выпускать воздух из передаточной камеры 20 (например, при запуске насоса), но предотвращает существенную утечку жидкости (например, рабочей жидкости или масла) при нормальной работе. На плунжере 32 предусмотрен грязесъемник 99, чтобы удерживать смазочное масло для гидравлических систем в резервуаре 18. Этот грязесъемник не предназначен для того, чтобы поддерживать высокое давление передаточной камеры 20. Высокое давление передаточной камеры 20 поддерживают за счет плотной посадки между плунжером 32 и расточкой 31. Флюид, который протекает через этот зазор высокого давления между плунжером 32 и расточкой 31, сохраняет такое же давление, как в резервуаре 18, причем грязесъемник 99 помогает сохранять флюид в резервуаре 18 так, чтобы флюид был отделен от масла, находящегося в картере 12.

Примерный диафрагменный насос, показанный на фиг. 5-6А.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 5-6А, на которых показан другой примерный насос 100, в котором реализованы принципы настоящего изобретения. Насос 100 содержит многие из деталей, которые были описаны здесь выше со ссылкой на фиг. 1-4А. Насос 100 содержит другой цилиндрический золотник 142, который работает с использованием балансира 80. Цилиндрический золотник 142 расположен в расточке 154 золотника, которая смещена от штока 34 диафрагмы. Цилиндрический золотник

- 6 016439

142 выполнен с возможностью перемещения в направлении, параллельном направлению перемещения штока 34 диафрагмы и диафрагмы 33. Балансир 80 оперативно соединяет шток 34 диафрагмы с клапаном 42 золотника. Балансир 80 содержит опорную ось 81 и первый и второй элементы 83, 84 соединения. Балансир 80 совершает поворот относительно опорной оси 81. Первый элемент 83 соединения связан со штоком 34 диафрагмы. Второй элемент 84 соединения связан с цилиндрическим золотником 42. Первый элемент 83 соединения обеспечивает контакт скольжения балансира 80 со штоком 34 диафрагмы. Первый и второй упоры 85, 86 расположены вдоль штока 34 диафрагмы, чтобы контролировать расстояние перемещения балансира 80 вдоль штока 34 диафрагмы.

Пространство между упорами 85, 86 образует зону выстоя, которая позволяет цилиндрическому золотнику 42 оставаться неподвижным во время работы насоса 10 в установившемся состоянии до тех пор, пока не возникнут состояния переполнения или недостаточного заполнения в передаточной камере 20. В состоянии недостаточного заполнения диафрагма 33 может перемещаться дальше назад в передаточной камере 20, что побуждает упор 86 поворачивать балансир 80 относительно опорной оси 81 для перемещения цилиндрического золотника 42 вперед, чтобы открыть отверстие 56 недостаточного заполнения. В состоянии переполнения диафрагма 33 может перемещаться дальше вперед, чем в установившемся состоянии, что побуждает упор 85 поворачивать балансир 80 относительно опорной оси 81 для перемещения цилиндрического золотника 42 назад, чтобы открыть отверстие 64 переполнения.

Возможны различные вариации конструкций цилиндрического золотника, показанных на фиг. 16А. В первом примере цилиндрический золотник и связанные с ним клапаны переполнения и недостаточного заполнения могут быть объединены вместе в виде предварительно собранного изделия, которое устанавливают как одну деталь в насос. В другом примере цилиндрический золотник может быть выполнен с возможностью перемещения в перпендикулярном (или в любом не параллельном) направлении относительно направления перемещения штока диафрагмы и самой диафрагмы. Кроме того, цилиндрический золотник может быть расположен сбоку от штока диафрагмы или вертикально над штоком диафрагмы вместо расположения цилиндрического золотника вертикально под штоком диафрагмы, как это показано на фиг. 1-6А.

Дополнительные соображения.

Цилиндрический золотник, описанный здесь выше со ссылкой на примеры, позволяет сохранять статическое положение до тех пор, пока имеется нормальное количество смазочного масла для гидравлических систем в передаточной камере позади диафрагмы. Цилиндрический золотник может сохранять это статическое положение вне зависимости от положения диафрагмы во время ее хода между полностью растянутым и полностью втянутым положениями. Находясь в статическом состоянии, цилиндрический золотник закрывает отверстия для стопорных клапанов, расположенных между передаточной камерой и резервуаром для флюида. Таким образом, указанные клапаны типично работают только тогда, когда имеется состояние переполнения или недостаточного заполнения и когда цилиндрический золотник перемещается, чтобы открыть отверстие для одного или другого из стопорных (обратных) клапанов. Ограниченное время работы редукционных клапанов создает некоторые преимущества по сравнению с системами на базе давления, в которых редукционный (обратный) клапан срабатывает в вмт или в нмт каждого хода поршня. Чем больше работает клапан, тем больше он подвержен износу.

Другое преимущество описанных здесь выше примерных насосов связано с числом компонентов, необходимых для того, чтобы корректировать оба состояния переполнения и недостаточного заполнения в насосе. Системы на базе давления типично требуют отдельных компонентов для корректировки состояния недостаточного заполнения и отдельных компонентов для корректировки состояния переполнения. В описанных здесь выше примерных насосах используют единственный золотниковый элемент для того, чтобы корректировать оба состояния переполнения и недостаточного заполнения. Кроме того, описанные здесь выше примерные цилиндрические золотники работают в сочетании с парой относительно простых стопорных клапанов, которые подвержены малому износу и работают в течение малых промежутков времени, так как они приводятся в действие только тогда, когда возникает состояние переполнения или недостаточного заполнения. Ограниченное время работы цилиндрических золотников уменьшает износ и снижает эксплуатационные расходы.

Таким образом, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается диафрагменный насос, который содержит диафрагму, нагнетательную камеру, передаточную камеру, первый и второй флюидные клапаны, резервуар для флюида и цилиндрический золотник. Диафрагма выполнена с возможностью перемещения между первым и вторым положениями вдоль первой оси. Нагнетательная камера образована на одной стороне диафрагмы и выполнена с возможностью заполнения нагнетаемым флюидом. Передаточная камера образована на другой стороне диафрагмы и заполнена рабочей жидкостью. Первый и второй клапаны выполнены в виде однопутевых клапанов. Резервуар для флюид имеет флюидную связь с передаточной камерой через первый и второй клапаны. Цилиндрический золотник установлен в передаточной камере для того, чтобы управлять потоком флюида через первый и второй клапаны. Цилиндрический золотник выполнен с возможностью перемещения вдоль второй оси, которая не совпадает с первой осью, между множеством положений относительно отверстий первого и второго клапанов.

- 7 016439

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается насос с гидравлическим приводом, который содержит диафрагму, поршень, передаточную камеру, резервуар для флюида и золотниковый элемент. Диафрагма выполнена с возможностью перемещения вдоль первой оси. Передаточная камера образована между диафрагмой и поршнем и заполнена рабочей жидкостью. Резервуар для флюида имеет флюидную связь с передаточной камерой по меньшей мере через один клапан. Золотниковый элемент выполнен с возможностью управления потоком флюида между передаточной камерой и резервуаром для флюида. Золотниковый элемент выполнен с возможностью перемещения относительно по меньшей мере одного клапана, когда существует состояние переполнения или состояние недостаточного заполнения в передаточной камере. Золотниковый элемент расположен не соосно с первой осью.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ выравнивания давления флюида в диафрагменном насосе с гидравлическим приводом. Диафрагменный насос содержит диафрагму, поршень, передаточную камеру, расположенную между диафрагмой и поршнем, резервуар для флюида, цилиндрический золотник и по меньшей мере один клапан, обеспечивающий флюидную связь между резервуаром для флюида и передаточной камерой. Способ включает в себя следующие операции: перемещение поршня для перемещения диафрагмы вдоль первой оси и перемещение цилиндрического золотника относительно по меньшей мере одного клапана, чтобы управлять потоком флюида между резервуаром для флюида и передаточной камерой. Цилиндрический золотник перемещается вдоль второй оси, которая не соосна с первой осью.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.

Claims

1. Диафрагменный насос, который содержит диафрагму, выполненную с возможностью перемещения между первым и вторым положениями вдоль первой оси;

нагнетательную камеру на первой стороне диафрагмы, причем нагнетательная камера предназначена для заполнения прокачиваемой рабочей жидкостью;

поршень;

передаточную камеру, расположенную между диафрагмой и поршнем на другой стороне диафрагмы и соединенную с надпоршневым пространством, причем передаточная камера заполнена рабочей жидкостью;

отличающийся тем, что он содержит первый и второй обратные клапаны;

резервуар для рабочей жидкости, соединенный с передаточной камерой через первый клапан и первый канал, ведущий прямо в резервуар для рабочей жидкости, и второй клапан и второй канал, проходящий из резервуара для рабочей жидкости в передаточную камеру;

цилиндрический золотник, установленный в передаточной камере для управления потоком рабочей жидкости через первый и второй клапаны, причем цилиндрический золотник выполнен с возможностью перемещаться вдоль второй оси, которая не совпадает с указанной первой осью, и занимать множество положений относительно отверстий в корпусе золотника, соединенных с первым и вторым клапанами; и шток управления клапаном, соединенный с диафрагмой, выполненный с возможностью сцепления с цилиндрическим золотником и предназначенный для перемещения цилиндрического золотника, когда в передаточной камере возникает состояние переполнения или состояние недостаточного заполнения.

2. Диафрагменный насос по п.1, в котором цилиндрический золотник выполнен с возможностью перемещения между первым положением закрывания отверстий для первого и второго клапанов, вторым положением закрывания отверстия для первого клапана и открывания отверстия для второго клапана и третьим положением закрывания отверстия для второго клапана и открывания отверстия для первого клапана.

3. Диафрагменный насос по п.2, в котором цилиндрический золотник выполнен с возможностью сохранения первого положения до тех пор, пока в передаточной камере не возникнет состояние переполнения или состояние недостаточного заполнения, которое перемещает цилиндрический золотник.

4. Диафрагменный насос по любому из пп.1-3, в котором цилиндрический золотник содержит заглубленный участок, а участок штока клапана выполнен с возможностью перемещения в этом заглубленном участке без перемещения цилиндрического золотника до тех пор, пока не возникнет состояние переполнения или состояние недостаточного заполнения.

5. Диафрагменный насос по любому из пп.1-4, который содержит узел штока диафрагмы, причем узел штока диафрагмы содержит шток и упругий элемент смещения, шток диафрагмы прикреплен к диафрагме, а узел штока диафрагмы выполнен с возможностью приложения посредством указанного упругого элемента усилия смещения к диафрагме в направлении вдоль первой оси и с возможностью создания уровня давления в передаточной камере, который больше, чем уровень давления в нагнетатель- 8 016439 ной камере.

6. Диафрагменный насос по п.5, в котором оси плунжера и шток диафрагмы смещены друг относительно друга, чтобы создавать асинхронное движение поршня и диафрагмы.

7. Диафрагменный насос по любому из пп.1-6, в котором цилиндрический золотник содержит канал, образованный, по меньшей мере, вдоль участка длины цилиндрического золотника, чтобы создать поток рабочей жидкости между передаточной камерой и первым и вторым клапанами.

8. Диафрагменный насос по любому из пп.1-7, в котором оси поршня и цилиндрического золотника, по существу, параллельны.

9. Диафрагменный насос по п.2, цилиндрический золотник которого содержит заглубленный участок в стенке золотника, и цилиндрический золотник выполнен так, что конец золотника открывает первый клапан во втором положении, чтобы создать поток рабочей жидкости между передаточной камерой и резервуаром рабочей жидкости, а заглубленный участок открывает второй клапан в третьем положении, чтобы создать поток рабочей жидкости между передаточной камерой и резервуаром рабочей жидкости.

10. Способ выравнивания давления рабочей жидкости в диафрагменном насосе по пп.1-9, включающий в себя следующие операции: перемещение поршня для перемещения диафрагмы вдоль первой оси и перемещение цилиндрического золотника относительно первого и второго обратных клапанов, чтобы управлять потоком рабочей жидкости между резервуаром для рабочей жидкости и передаточной камерой, причем цилиндрический золотник движется вдоль второй оси, которая не соосна с указанной первой осью.

11. Способ по п.10, в котором перемещение цилиндрического золотника предусматривает удержание цилиндрического золотника в первом положении ограничения потока рабочей жидкости через первый клапан, пока движется диафрагма, до тех пор, пока не возникнет состояние переполнения, и ограничения потока рабочей жидкости через второй клапан, пока движется диафрагма, до тех пор, пока не возникнет состояние недостаточного заполнения рабочей жидкости в передаточной камере.

12. Способ по п.10 или 11, в котором перемещение цилиндрического золотника предусматривает сцепление цилиндрического золотника со штоком клапана.

Фиг. 1

Фиг. 2

- 9 016439

Фиг. 2А

Фиг. 3

Фиг. ЗА

- 10 016439

Фиг. 4

Фиг. 4А

100

Фиг. 5

- 11 016439

100

Фиг. 5А

Фиг. 6

Фиг. 6А