CN106762500A - 一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，该齿轮齿条往复泵包括传动端和液压端；传动端主要包括三副具有相位差的非全齿轮齿条配合和柱塞、齿条连接；液压端包括柱塞与柱塞缸配合、阀体与单向阀配合、柱塞缸与阀体的连接、柱塞缸与传动箱的连接；所述柱塞缸与传动箱的连接是利用一种全新设计的压盖板零部件，它一端负责连接柱塞缸并压紧缸内密封，另一端负责装配直线轴承并连接传动箱。该齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵，从理论上基本消除往复泵的输出流量和压力的脉冲性；简化了往复泵的内部结构，降低了机构的故障率；运动平稳、换向迅速，无需配备精密的电控***，大大降低了开发投入。

Description

一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵

技术领域

本发明属于三缸往复泵领域，特别适用在对流量压力脉动性有较高要求的场合,以提供流量和压力较为平稳的液压源。

背景技术

往复泵是最早出现的泵类产品，其专业配套性很强，应用十分广泛。在机械工业中，往复泵的产量占有较大比重，而且随着现代科技的发展，国民经济各部门对往复泵的要求也日益增加，甚至成为关键设备之一。往复泵广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、建筑、造船、造纸、制药等行业中。

实际生活中最长应用的往复泵为曲柄连杆往复泵。曲柄连杆往复泵是将旋转运动的内燃机或电机作为动力机，活塞杆与动力机之间有一套复杂的曲柄连杆传动机构，将旋转运动转化为往复运动。曲柄连杆往复泵有以下优点：效率高且高效区宽；能提供恒定流量和较高工作压力；输出流量与压力无关，只取决于泵的转速与尺寸；自吸能力强，对液体污染度不敏感。

然而，由于曲柄连杆的运动特性，决定了曲柄连杆往复泵的活塞的位移、速度、加速度都按照正弦或余弦曲线规律变动。因此泵的流量也随之作正弦变化，液体始终处于变加速状态，造成排出压力波动大、加速度大，恶化了泵阀、活塞等运动密封件的工作条件，降低了泵的效率，缩短了易损件的寿命。虽然曲柄连杆往复泵通过增加液压缸的数量，使各缸的工况进行错位叠加，可以有效地减小输出流量的脉动。但从原理上讲，曲柄连杆往复泵的流量脉动是始终无法避免的。另外，曲柄连杆往复泵的传动端结构形式比较复杂，由机体、曲轴连杆、曲柄、十字头及润滑、冷却等辅助设备组成。其中曲轴、曲柄、十字头的设计十分繁琐，较多的零件数量和较高的精度要求，都是工件易损、往复泵较高故障率的诱因。

2001年8月，在华北油田分公司第一采油厂，直线电机抽油机投入现场试验,这是国内外第一台应用于工业试验的直线电机抽油机。该抽油机彻底改变了传统抽油机的运动机理,直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,达到举升井内流体的目的。直线电机抽油机的研发成功为开发新型的往复泵驱动***提出了新的思路。若往复泵动力端采用直线电机直接驱动做往复运动的活塞杆，可从理论上基本消除了往复泵输出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。

然而，直线电机往复泵也存在许多不稳定的因素：大推力直线电机的的应用还没普及；直线电机的启动不稳定；直线电机不能适应极其恶劣的工作环境；若想实现精确控制还需配备一套精密的电控***，增加了开发难度。

针对现有曲柄连杆往复泵和直线电机往复泵的上述缺陷，本发明提供了一种齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵。通过齿轮齿条配合提供的直线运动，不仅从原理上消除了往复泵的流量和压力脉动，而且简化了往复泵的传动端结构。同时，新型往复泵的动力机为传统的三相异步电机，柱塞的匀速直线运动和快速的换向运动，均由可靠的齿轮齿条的配合特性自然产生。因此可以得到广泛应用、并且适应多种工况、控制简单、降低了开发难度。

发明内容

本发明针对现有往复泵存在的缺点，提出了一种与传统曲柄连杆往复泵和直线电机往复泵，结构完全不同的新型往复泵，即由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，齿轮主轴(1)与动力机连接，通过动力机将动力传递到齿轮主轴(1)上。齿轮主轴(1)与非全齿轮(2)连接，齿轮主轴(1)带动非全齿轮(2)做单一方向的匀速圆周运动，齿条(3)与非全齿轮(2)的齿轮部分相啮合，齿条(3)在非全齿轮(2)的驱动下做匀速直线往复运动。齿条(3)与柱塞(5)相连接，齿条(3)将匀速直线往复运动传递至柱塞(5)，柱塞(5)沿柱塞缸(8)进行配合，使柱塞缸(8)内一端产生吸入液体的真空腔，另一端减小缸内容积排出液体。柱塞缸(8)一端与进出口阀体(13)连接，另一端通过压盖板(7)与传动箱(12)实现连接。进出口阀体(13)与插装式单向阀(14、15)配合，进出口阀体(13)合理分配每一个液压缸的吸入和排出动作，插装式单向阀包括排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)。

齿轮主轴(1)、非全齿轮(2)、齿条(3)、柱塞(5)、柱塞缸(8)、进出口阀体(13)、排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)组成柱塞往复单元；柱塞往复单元共设有三副，三副柱塞往复单元并列布置。

当液体从柱塞缸(8)排出时，排出单向阀(14)打开，而对应的吸入单向阀(15)保持关闭。

使任一个柱塞缸(8)在任意时段，只能选择进液或出液的一种工况。左右两端液压***的吸入和排出均有外置管道(17、18)连接，使整套泵组只存在一个吸入口和排出口。

三副相同参数的非全齿轮(24、26、28)，在定位安装时存在相位差。为了控制设备尺寸和保证传动稳定性，每个非全齿轮的齿数均为8齿，安装角度之间的差值互为θ＝2π/3。柱塞的行程为l，则三组齿条(25、27、29)的相互位移差均为s＝2l/3。在组装泵体的过程中，根据齿条之间的相位差，进行齿条的定位。然后再依据啮合原理，进行非全齿轮装配，最后将确定位置的齿轮利用平键与齿轮主轴(1)连接。

所述柱塞(5)与柱塞缸(8)的配合间隙为δ，柱塞(5)一端通过连接环(4)与齿条(3)连接，柱塞(5)的剩余部分作为与柱塞缸(8)配合的工作表面，进行精密加工。密封方式为Y型密封圈(10)附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸(8)的末端，用于对柱塞的运动进行导向。柱塞缸(8)前端通过法兰配合与阀体(13)连接，末端通过螺纹配合与压盖板(7)连接在一起。

所述压盖板(7)一端通过螺纹配合与柱塞缸(8)连接，起到压紧柱塞缸(8)中的密封材料作用；另一端***直线轴承(6)，通过螺栓将压盖板(7)、直线轴承(6)、传动箱(12)，三位一体地紧密连接起来。

所述进出口阀的阀体(13)由一整块实心铝锭通过钻通油道获得。同侧的三组进、出口单向插装阀(15、14)集成在一个铝锭上，用油孔来代替相互连接的管道。柱塞(5)在柱塞缸(8)中的主油道往复运动，对液体进行往复的吸入作用和排出作用。阀体(13)安装有一对流向相同的单向插装阀(14、15)，通过单向插装阀的液体流向均为单向，阀体(13)作为控制液体单向进出往复泵的阀门。柱塞缸(8)的主油道与进口单向阀(15)的B口相连通，进口油道与进口单向阀(15)的A口相连通；柱塞缸(8)的主油道与出口单向阀(14)的A口相连通，出口油道与出口单向阀(14)的B口相连通。左右两个阀块通过排出口连接管道(17)和吸入口连接管道(18)实现连接，吸入口连接管道(18)的直径大于排出口连接管道(17)的直径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)柱塞的运动规律与传统往复泵不同。传统往复泵通过曲柄连杆机构，将电机的旋转运动转化为柱塞的往复运动。根据曲柄连杆的运动特性，柱塞的运动速度呈正弦分布规律，不匀速的柱塞运动导致流量和压力的不稳定。齿轮齿条驱动的往复泵，通过齿轮齿条配合，将电机的旋转运动转化为直线运动。传动更加直接，效率更高；并且，电机单纯沿同一方向的匀速旋转运动，通过非全齿轮传递给齿条，就能够产生平稳的匀速直线运动。

(2)非全齿轮脱离齿条上部啮合，与进入下部啮合发生在同一瞬间，因此换向过程没有停滞。非全齿轮与齿条配合传动，可以自然地实现柱塞在行程两端极限位置的自动、快速换向。

(3)新型齿轮齿条往复泵的流量恒定，流量和压力脉动非常微小。由于往复泵运动参数的稳定性，一定会带来流体参数的稳定输出。与传统曲柄连杆式往复泵比较，齿轮齿条往复泵动力端的运动规律发生改变，进、出口阀由传统往复泵的加速下落变为匀速下落，对阀座的冲击减小。进、出口阀，由阀体和两个方向相同的单向插装阀组成，不需要自行设计阀体、阀座等复杂零件。配件标准件化，减少了开发成本，也提高了产品的互换性和可维护性。

(4)新型齿轮齿条往复泵的结构简单。省去了曲柄连杆往复泵动力端的曲轴、连杆、十字头等复杂部件，直接将非全齿轮驱动的齿条，与往复泵液力端的柱塞(5)相连。使往复泵结构大大的简化，制造、运输、拆装、维护都更加简便。复杂零部件的减少，也有效的降低了往复泵的故障率，提高了往复泵的工作寿命。

(5)新型齿轮齿条往复泵的，柱塞匀速直线运动和换向运动，都是由非全齿轮与齿条配合的机械特性自然产生。无需任何复杂电气控制***的额外开发，因此大大降低了开发工作量。

本发明提出一种由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵，不仅从理论上基本消除了，传统往复泵存在的输出流量和压力的脉冲特性，而且大大简化了往复泵的结构。整套装置不需要精密的电控***进行支持，大大简化了新型往复泵应用的开发投入。

附图说明

图1为由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵的总装示意图；

图2为本发明的柱塞与柱塞缸配合，柱塞缸、压盖板与传动箱连接，的局部放大剖面示意图；

图3为特殊设计的压盖板剖面示意图；

图4为传动***三副齿轮齿条配合的相位差示意图；

图5为进出、口单向插装阀与阀体的装配示意图；

图6为构成传动箱的前、后、左、右、底面，五块壁板的外形示意图。

图中：1、齿轮轴，2、非全齿轮，3、齿条，4、连接环，5、柱塞，6、直线轴承，7、压盖板，8、柱塞缸，9、导向套，10、Y型密封圈，11、顶圈，12、传动箱，13、阀体，14、出口单向阀，15、入口单向阀，16、轴承座，17、排出口连接管道，18、吸入口连接管道，19、三角铁，20、传动箱与压盖板螺栓连接部位，21、直线轴承装配孔，22、螺钉紧口部位，23、压盖板与柱塞缸螺纹连接部位，24、非全齿轮1，25、齿条1，26、非全齿轮2，27、齿条2，28、非全齿轮3，29、齿条3，30、前壁板，31、后壁板，32、左壁板，33、右壁板，34、底板，35、定位孔1，36、定位孔2，37、定位孔3。

具体实施方式

如图1所示，一种齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵，齿轮轴(1)与动力机连接，将动力传递到主轴上。主轴在轴承座(16)的支撑下，带动其上三副非全齿轮(2)做单一方向的匀速旋转运动，齿条(3)在非全齿轮(2)的驱动下作有规律的匀速直线往复运动，并且换向迅速。齿条(3)与柱塞(5)通过连接环(4)直接相连，柱塞(5)的匀速直线往复运动与柱塞缸(8)配合，一端吸入，同时另一端排出液体。柱塞缸(8)一端与阀体(13)通过自身所带法兰和螺栓进行连接，另一端通过螺纹配合与特制的压盖板(7)连接，压盖板(7)中***直线轴承(6)，再通过螺栓与传动箱(12)连接在一起。柱塞缸的密封选择Y型密封圈(10)进行密封并附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸的末端用于柱塞运动的导向。阀体(13)与插装式入口单向阀(15)和出口单向阀(14)配合，合理分配每一个液压缸的吸入或者是排出。当液体从柱塞缸排出时，出口单向阀(14)打开，而与其对应的入口单向阀(15)在液压的作用下自动保持关闭，使柱塞缸在任意时段只能保持一种工况。阀体外侧的吸入和排出口分别由吸入口连接管道(18)和排出口连接管道(17)相连接。使液体都由一个吸入口统一进入往复泵，一个排出口统一排出往复泵。

如图2所示，柱塞(5)与柱塞缸(8)的配合间隙为δ，柱塞(5)一端通过连接环(4)与齿条一端进行螺纹连接，柱塞(5)其余部分作为与柱塞缸(8)配合的工作表面进行精密加工。缸体密封选择Y型密封圈(10)并附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸的末端，具有导向和密封的作用。柱塞缸前端通过凹凸法兰与阀体(13)连接，末端通过螺纹配合与压盖板(7)连接。压盖板(7)与柱塞(5)之间的直线轴承(6)，它不仅润滑了柱塞(5)通过传动箱(12)的运动，还对柱塞(5)进行了有效支撑，使其整个运动过程非常平稳。

如图3所示，压盖板(7)是一个连接柱塞缸(8)与传动箱(12)的中介，并且是一种集成了直线轴承安装和柱塞缸压紧功能的连接零部件。直线轴承(6)安装进直线轴承装配孔(21)，紧固螺栓从直线轴承法兰一端穿入定位孔，并穿过传动箱与压盖板螺栓连接部位(20)上的条形孔，实现连接。紧固螺母放置在螺钉紧口部位(22)预留的镂空中，与螺栓旋紧，将压盖板(7)、直线轴承(6)、传动箱(12)三位一体的连接在一起。压盖板(7)与柱塞缸螺纹连接部位(23)通过螺纹配合与柱塞缸(8)末端实现连接。并且压盖板(7)的内部顶盖紧紧地压在导向套(9)上，起到压紧柱塞缸(8)中密封材料的作用，这对柱塞密封而言是至关重要的。

如图4所示，三副相同参数的非全齿轮(2)，每个齿轮均有8个轮齿，在定位安装时存在相位差。设齿轮全齿数为偶数n，若选择齿数为n/2，根据齿轮的连续传动条件，任何情形下至少有两个轮齿保持啮合。当n/2半齿齿轮与齿条啮合在极限位置时，齿条的运动方向将发生改变，此时会出现上齿条与下齿条同时与齿轮啮合的情况，即发生运动干涉。因此齿轮应选择齿数为n/2-1个的非全齿轮(2)。为了保证传动的稳定性，选择齿轮的模数为4。考虑到传动箱(12)的尺寸不应与柱塞缸(8)的尺寸差异过大，而传动箱(12)的高度基本上由非全齿轮(2)的直径来决定，因此选择全齿轮齿数为18。因此，非全齿轮的齿数应为18/2-1＝8。图示位置为往复泵安装的初始位置，三个非全齿轮(24、26、28)的安装角度差值相互为2π/3。再根据齿轮齿条的啮合规律，确认齿条(3)上的对应齿位，进行啮合装配。将确定位置的齿轮利用平键与齿轮轴(1)相连接，齿条利用定位孔(35、36、37)和螺钉与传动箱底板(34)固定，来确保安装时各部件的初始位置不蹿动。

如图5所示，阀体(13)由一整块实心铝锭，通过钻通油道获得。同侧的三组进、出口单向插装阀(15、14)集成在一个铝锭上，用油孔来代替相互连接的管道。柱塞(5)在主油道中的往复运动，对液体进行往复的吸入和排出作用。阀体(13)同行上，高低平行安装了一对流向相同的单向插装阀(14、15)，流向均为从下至上，作为控制液体单向进出往复泵的阀门。柱塞缸主油道与进口单向阀(15)的下口相连通，进口油道与进口单向阀(15)的上口相连通；柱塞缸主油道与出口单向阀(14)的下口相连通，出口油道与出口单向阀(14)的上口相连通。左右两个阀块通过排出口连接管道(17)和吸入口连接管道(18)实现连接。其中一只阀块，不安装管道一侧的进、出口油道被堵死；另外一只阀块不安装管道一侧的进出、口油道上连接管接头，作为该齿轮齿条往复泵唯一的进液口和出液口。液体从泵体的进液口，毫无阻碍的进入左右两个阀块的进液油道，柱塞(5)在柱塞缸(8)中的“抽拉”动作，使柱塞缸(8)产生真空。从而液体受力提升，压缩单向阀内部弹簧，向上顶开阀芯，经过进口单向阀(15)的下口进入单向阀体，再经过上口进入柱塞缸(8)；同理，另一侧则发生“压缩”动作，液体压缩弹簧顶开阀芯，通过出口单向阀(14)的上口至下口，被挤出缸体到达出口油道。最后液体统一的从泵体的出液口排出，这也顺利的完成了往复式液压泵输送液体的任务。

如图6所示，传动箱(12)设有前板、后板、左板、右板、底板，五个面均由五块表面光滑的铝板相互拼接然后焊接形成。底板(34)上预留安装左右箱面的定位沟槽，左右箱面(32、33)底部的凸出部分***沟槽中。左右板面安装定位之后，将前后箱面(30、31)的凸起与左右箱面(32、33)的凹槽对应，用于前后箱面(30、31)的定位安装。传动箱的顶部四角处，焊接上四个三角铁(19)，用于传动箱上箱面与箱体的螺纹连接。其中，前后箱面开有安装支撑主轴轴承座(16)的预留孔，左右箱面开有安装直线轴承(6)和压盖板(7)的预留孔。根据柱塞的极限运动位置和三组齿条(25、27、29)的相互位移差s＝2l/3，在底板上设定用于固定三组齿条(25、27、29)初始位置的定位孔(35、36、37)。泵的每步安装过程中，都设置有安装参考平面，以保证泵的正常运转。

Claims (7)

1.一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：齿轮主轴(1)与动力机连接，通过动力机将动力传递到齿轮主轴(1)上；齿轮主轴(1)与非全齿轮(2)连接，齿轮主轴(1)带动非全齿轮(2)做单一方向的匀速圆周运动，齿条(3)与非全齿轮(2)的齿轮部分相啮合，齿条(3)在非全齿轮(2)的驱动下做匀速直线往复运动；齿条(3)与柱塞(5)相连接，齿条(3)将匀速直线往复运动传递至柱塞(5)，柱塞(5)沿柱塞缸(8)进行配合，使柱塞缸(8)内一端产生吸入液体的真空腔，另一端减小缸内容积排出液体；柱塞缸(8)一端与进出口阀体(13)连接，另一端通过压盖板(7)与传动箱(12)实现连接；进出口阀体(13)与插装式单向阀(14、15)配合，进出口阀体(13)合理分配每一个液压缸的吸入和排出动作，插装式单向阀包括排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)；

齿轮主轴(1)、非全齿轮(2)、齿条(3)、柱塞(5)、柱塞缸(8)、进出口阀体(13)、排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)组成柱塞往复单元；柱塞往复单元共设有三副，三副柱塞往复单元并列布置；

当液体从柱塞缸(8)排出时，排出单向阀(14)打开，而对应的吸入单向阀(15)保持关闭；

使任一个柱塞缸(8)在任意时段，只能选择进液或出液的一种工况；左右两端液压***的吸入和排出均有外置管道(17、18)连接，使整套泵组只存在一个吸入口和排出口。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：三副相同参数的非全齿轮(24、26、28)，在定位安装时存在相位差；每个非全齿轮的齿数均为8齿，安装角度之间的差值互为θ＝2π/3；柱塞的行程为l，则三组齿条(25、27、29)的相互位移差均为s＝2l/3；在组装泵体的过程中，根据齿条之间的相位差，进行齿条的定位；然后再依据啮合原理，进行非全齿轮装配，最后将确定位置的齿轮利用平键与齿轮主轴(1)连接。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：所述柱塞(5)与柱塞缸(8)的配合间隙为δ，柱塞(5)一端通过连接环(4)与齿条(3)连接，柱塞(5)的剩余部分作为与柱塞缸(8)配合的工作表面，进行精密加工；密封方式为Y型密封圈(10)附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸(8)的末端，用于对柱塞的运动进行导向；柱塞缸(8)前端通过法兰配合与阀体(13)连接，末端通过螺纹配合与压盖板(7)连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：所述压盖板(7)一端通过螺纹配合与柱塞缸(8)连接，起到压紧柱塞缸(8)中的密封材料作用；另一端***直线轴承(6)，通过螺栓将压盖板(7)、直线轴承(6)、传动箱(12)，三位一体地紧密连接起来。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：所述进出口阀的阀体(13)由一整块实心铝锭通过钻通油道获得；同侧的三组进、出口单向插装阀(15、14)集成在一个铝锭上，用油孔来代替相互连接的管道；柱塞(5)在柱塞缸(8)中的主油道往复运动，对液体进行往复的吸入作用和排出作用；阀体(13)安装有一对流向相同的单向插装阀(14、15)，通过单向插装阀的液体流向均为单向，阀体(13)作为控制液体单向进出往复泵的阀门；柱塞缸(8)的主油道与进口单向阀(15)的B口相连通，进口油道与进口单向阀(15)的A口相连通；柱塞缸(8)的主油道与出口单向阀(14)的A口相连通，出口油道与出口单向阀(14)的B口相连通；左右两个阀块通过排出口连接管道(17)和吸入口连接管道(18)实现连接，吸入口连接管道(18)的直径大于排出口连接管道(17)的直径。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：传动箱(12)设有前板、后板、左板、右板、底板，五个面均由五块表面光滑的铝板相互拼接然后焊接形成；底板(34)上预留安装左右箱面的定位沟槽，左右箱面(32、33)底部的凸出部分***沟槽中；左右板面安装定位之后，将前后箱面(30、31)的凸起与左右箱面(32、33)的凹槽对应，用于前后箱面(30、31)的定位安装；传动箱的顶部四角处，焊接上四个三角铁(19)，用于传动箱上箱面与箱体的螺纹连接；其中，前后箱面开有安装支撑主轴轴承座(16)的预留孔，左右箱面开有安装直线轴承(6)和压盖板(7)的预留孔；根据柱塞的极限运动位置和三组齿条(25、27、29)的相互位移差s＝2l/3，在底板上设定用于固定三组齿条(25、27、29)初始位置的定位孔(35、36、37)。

7.根据权利要求1所述的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其特征在于：泵的每步安装过程中，都设置有安装参考平面，以保证泵的正常运转。