CN107387355A - 齿扇齿条式往复泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿扇齿条式往复泵，主要由机架、输入轴、齿扇、齿条组件、导轨、活塞及液缸等构成。其中，输入轴通过轴承安装在机架上，输入轴上安装有齿扇，齿扇与齿条组件啮合，齿条组件置于上、下导轨之间。所述齿扇有轮齿的部分控制在160°～165°圆周角，齿扇首齿与齿根圆之间由光滑圆弧过渡；所述齿条组件由上齿条、下齿条及齿条连接件构成，上、下齿条两侧末端留有一定距离的光滑间隙，活塞杆与齿条组件一端固定连接；所述往复泵液力端液缸采用双作用单侧布置或单作用双缸对称布置的结构形式。机构工作时，通过齿扇与上、下齿条的交替啮合来推动活塞作往复运动。本发明结构简单，紧凑，所占空间小，***效率高，泵压及泵排量波动小。

Description

齿扇齿条式往复泵

技术领域

本发明涉及石油、化工、矿山等行业用的一种齿扇齿条式往复泵。

背景技术

往复泵作为最早出现的泵类机械，根据其与输送介质接触的工作机构的不同，可分为活塞泵和柱塞泵，它适于输送各种高粘度、腐烛性等高压流体介质，其效率高，工作性能良好。因此，到目前为止仍广泛应用于工业界的各个领域，尤其是在石油钻井工程中占有相当高的地位。近年来，由于石油钻井和采油工艺发展的需要，石油矿场往复泵在性能和品种方面都有进一步提高。同时，为了适应矿场用泵的恶劣工作条件，在结构、材料、制造工艺、甚至作用原理方面，也都发生了新的变化。

往复泵的品种繁多且形式多样，根据动力端结构的不同，归纳起来，国内外往复泵的结构大致可分为四类：曲柄活塞杆机构往复泵、凸轮机构往复泵、液压往复泵以及直线电机往复泵。

曲柄活塞杆机构往复泵，其原理是通过曲柄活塞杆将电机的旋转运动转化为活塞的往复运动，传动效率低，流量和压力波动较大。凸轮机构往复泵是依靠凸轮特殊的轮廓线，将凸轮的旋转运动转化为活塞的往复运动，结构紧凑，流量和压力恒定，但凸轮轮廓线加工困难，大负荷下凸轮轮廓磨损严重，泵的使用寿命低。液压往复泵是源于石油矿场对往复泵排出压力要求不断提高而产生的一种新型的泵。该泵采用液压缸驱动，液压控制，通过液压缸将压力能转化为活塞的机械能，易于实现长冲程、低冲次，恒压力和恒排量，但包括大型液压站在内的整机结构复杂、对控制***要求高，成本高，在恶劣环境下的可靠性低。直线电机往复泵是通过直线电机直接驱动活塞作直线往复运动，流量和压力恒定、易实现长冲程、低冲次。但由于直线电动机自身结构特点，要实现往复泵所需要的大推力时效率极低，应用推广受到了较大限制。

随着工业技术的发展，对往复泵的要求也越来越高。高效节能、流量和压力脉动小、易损件寿命长、换向控制简单、可靠性高、体积小、重量轻是如今往复泵设计的追求目标。

CN89216186.8公开的一种齿轮、齿条传动的活塞泵，其动力端主要由半圆齿轮、齿条组件，滑道等组成，齿条组件呈“凵”型框结构，“凵”型框底端连接活塞。机构工作时，通过半圆齿轮与“凵”型框上的齿条啮合来带动活塞实现往复运动。该结构中齿扇为半圆齿轮，工作换向时，容易与两侧齿条同时啮合发生干涉现象；齿条组件为“凵”型框结构，结构强度低，承载能力低，不适合大功率往复泵；且该活塞泵动力源为畜力或人力，对于泵压和排量要求较高的工业往复泵，该泵换向时液力端的高压会对齿扇产生巨大的冲击，造成半圆齿轮的轮齿损坏。

发明内容

本发明旨在提出一种新的往复泵，即通过齿扇齿条机构将电机的旋转运动转化为活塞的往复运动，并能够实现电机连续运转情况下活塞顺利换向，避免换向时齿扇所受到的巨大冲击，从而实现往复泵流量和压力波动小、易损件寿命长、换向控制简单、可靠性高、体积小、重量轻的追求目标。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

本发明齿扇齿条式往复泵，主要由机架、输入轴、齿扇、齿条组件及导轨、活塞、活塞杆、双作用液缸等构成。所述输入轴通过带传动与电机相连，输入轴通过轴承固定安装在机架上，机架腔内的输入轴上安装有齿扇，齿扇与齿条组件啮合，齿条组件置于上下导轨之间，齿条组件一端与活塞杆固定连接，导轨通过螺栓固定在机架上。

所述齿扇为不完全齿齿轮，其无齿部分圆弧半径小于或等于齿轮齿根圆半径。齿扇旋转过程中，与上齿条啮合时，推动齿条组件向一个方向移动，与下齿条啮合时，推动齿条组件向相反方向移动。齿扇连续旋转过程中，与齿条组件中的上、下齿条交替啮合，从而将输入轴的旋转运动转化为活塞的往复运动。工作时，为防止齿扇与上、下两齿条同时啮合，出现干涉情况，齿扇有轮齿的部分可控制在160°～165°圆周角，齿扇第一个齿与无齿部分圆弧之间由光滑圆弧过渡，在齿扇与一侧齿条脱离啮合并与另外一侧齿条重新进入啮合时，可由光滑圆弧过渡以减小啮合时的冲击，即齿扇与齿条的啮合是一个渐进的过程，而非瞬时啮入的刚性冲击过程。

所述齿条组件由上齿条、下齿条和齿条连接件构成，上、下齿条两侧末端留有一定距离的光滑间隙。整个齿条组件为一个矩形框结构，可大大增加齿条组件的承载能力和使用寿命；齿条组件一端与活塞杆固定连接；齿条组件置于上下导轨之间并与其配合，导轨对齿条组件起导向和支撑作用。

所述往复泵液力端液缸采用双作用单侧布置或单作用双缸对称布置的结构形式。当齿扇与一侧齿条刚刚脱离啮合并与另外一侧齿条尚未进入啮合时，整个齿条组件及活塞处于一种无约束状态，若是单作用缸，排液行程结束瞬时，作用于活塞上的压力会导致活塞及齿条组件有一个在液力端流体压力作用方向上的位移，从而造成下个位置时，齿扇与齿条无法正常啮合或啮合时冲击过大。采用上述液缸结构形式后，以双作用缸单侧布置为例，当无杆腔排液结束瞬间，有杆腔吸液结束，齿扇与上、下齿条均处于脱离状态时，无杆腔内的高压推动活塞向有杆腔运动，使有杆腔内液体压力升高，从而缓和换向时无杆腔内的高压产生的液力冲击，解决了换向时齿扇齿条非正常啮合或啮合时冲击过大的问题。同时，上下齿条两侧末端所留的一定距离的光滑间隙，允许换向时齿条组件在未与齿扇啮合前有一定距离的反向移动，从而确保整个机构能够正常平稳地运行。单作用双缸对称布置的结构形式所起的作用与上述原理相同，不再赘述。

以双作用缸单侧布置的结构形式和一个齿扇齿条机构为一个基本单元，可组成单缸、双缸、三缸及以上的多缸往复泵；以单作用双缸对称布置的结构形式和一个齿扇齿条机构为一个基本单元，可组成双缸、四缸、六缸及以上偶数缸的多缸往复泵。两个单元组合时，输入轴上的两个齿扇采用180°相位差布置；三个单元组合时，输入轴上的三个齿扇采用120°相位差布置；四个单元组合时，输入轴上的四个齿扇采用90°或180°相位差布置；五个单元组合时，输入轴上的五个齿扇采用72°相位差布置。

本发明的有益效果是：（1）较传统往复泵，结构更为简单紧凑，所占空间更小；（2）容易实现长冲程、低冲次，可大幅度提高往复泵的容积效率；（3）泵压及泵排量波动小；（4）采用齿扇齿条传动方式，往复泵***的传动效率高；（5）与传统齿扇齿条换向机构相比，液力端液缸所采用的双作用单侧布置或单作用双缸对称布置的结构形式，可有效解决齿扇齿条机构换向时的非正常啮合或啮合时冲击过大的问题。

附图说明

图1是本发明工作原理示意图。

图2是本发明动力端主视剖面图。

图3是本发明传动方案示意图。

图4是本发明液缸双作用单侧布置时齿扇齿条机构工作过程示意图。

图5是本发明液缸单作用双缸对称布置结构示意图。

图6是本发明齿扇与齿条脱离啮合瞬时状态示意图。

图中1.双作用液缸，2.活塞，3.活塞杆，4.机架，5.左侧齿条连接件，6.齿条组件，7.齿扇，8.右侧齿条连接件，9.导轨，10.输入轴，11.大带轮，12.小带轮，13.电机，14.上齿条，15.下齿条，16.齿条末端间隙，17.单作用液缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见附图1～6，本发明齿扇齿条式往复泵，主要由机架（4）、输入轴（10）、齿扇（7）、齿条组件（6）、导轨（9）、活塞杆（3）、活塞（2）及双作用液缸（1）等构成。其中，输入轴（10）通过轴承固定安装在机架（4）上，所述输入轴通过带传动（11、12）与电机（13）相连，机架腔内的输入轴上安装有齿扇（7），齿扇（7）与齿条组件（6）啮合，齿条组件（6）置于上下导轨（9）之间，上下导轨通过螺栓固定在机架上。

所述齿扇（7）与齿条组件（6）啮合。齿扇旋转过程中，当齿扇（7）与上齿条（14）啮合时，推动齿条组件（6）向一个方向移动，齿扇（7）与下齿条（15）啮合时，推动齿条组件（6）向相反方向移动。齿扇（7）连续旋转过程中，与齿条组件中的上、下齿条（14、15）交替啮合，从而将输入轴（10）的旋转运动转化为活塞（2）的往复运动。

双作用缸单侧布置时，有如下具体运行方案。

参见附图1～4，电机（13）运行时，输出动力，经带传动（14、15）减速后传递到输入轴（10），输入轴（10）带动齿扇（7）转动。

如图4（a）所示，以顺时针转动为例，齿扇（7）的轮齿与齿条组件（6）的下侧齿条（15）啮合，推动齿条组件（6）及活塞（2）向左运动，无杆腔排出液体，有杆腔吸入液体。

如图4（b）所示，当活塞（2）行至左死点位置时，无杆腔排液结束，有杆腔吸液结束，齿扇（7）与上、下齿条（14、15）均脱离啮合。此时，无杆腔内的高压推动活塞向有杆腔运动，使有杆腔内的液体压力升高，从而缓和换向时无杆腔内的高压产生的液力冲击，解决了换向时齿扇齿条非正常啮合或啮合时冲击过大的问题。同时，上、下齿条（14、15）两侧末端所留的一定距离的光滑间隙（16），允许换向时齿条组件（6）在未与齿扇（7）啮合前有一定距离的反向移动，从而确保整个机构能够正常平稳地运行。

如图4（c）所示，齿扇（7）继续顺时针转动，其轮齿开始与齿条组件（6）的上侧齿条（14）进入啮合，推动齿条组件（6）及活塞（2）向右运动，实现换向。此时，无杆腔吸入液体，有杆腔排出液体。

如图4（d）所示，当活塞（2）行至右死点位置时，无杆腔吸液结束，有杆腔排液结束，齿扇（7）与上、下齿条（14、15）均脱离啮合。此时，有杆腔内的高压推动活塞向无杆腔运动，使无杆腔内的液体压力升高，从而缓和换向时有杆腔内的高压产生的液力冲击，解决了换向时齿扇齿条非正常啮合或啮合时冲击过大的问题。同时，上、下齿条（14、15）两侧末端所留的一定距离的光滑间隙（16），允许换向时齿条组件（6）在未与齿扇（7）啮合前有一定距离的反向移动，从而确保整个机构能够正常平稳地运行。

至此，齿扇齿条机构完成一个工作循环。随着运动的进行，齿扇（7）与齿条组件（6）的下侧齿条（15）又开始进入啮合，推动齿条组件向左运动，第二个工作循环开始。于是，整个动力端便以此种动作模式做周期性运动，不间断地推动活塞作往复运动。

单作用缸对称布置时，有如下具体运行方案。

如图5所示，机构工作时，一侧液缸吸入液体，另一侧液缸排出液体，其工作过程和原理与双作用缸单侧布置时完全相同，不再赘述。不同的是，当一侧液缸排液结束瞬间，另一侧液缸吸液结束，齿扇（7）与上、下齿条（14、15）均处于脱离状态时，排液缸内的高压推动活塞（2）及齿条组件（6）向吸液缸一侧运动，使吸液缸内液体压力升高，从而缓和换向时排液缸内的高压产生的液力冲击，解决了换向时齿扇齿条非正常啮合或啮合时冲击过大的问题。同时，上、下齿条（14、15）两侧末端所留的一定距离的光滑间隙（16），允许换向时齿条组件（6）在未与齿扇（7）啮合前有一定距离的反向移动，从而确保整个机构能够正常平稳地运行。

Claims (6)

1.一种齿扇齿条式往复泵，主要由机架（4）、输入轴（10）、齿扇（7）、齿条组件（6）及导轨（9）、活塞（2）、活塞杆（3）、双作用液缸（1）等构成，其特征在于：输入轴（10）通过轴承固定安装在机架（4）上，机架腔内的输入轴上安装有齿扇（7），齿扇（7）与齿条组件（6）啮合，齿条组件（6）置于上下导轨（9）之间，导轨通过螺栓固定在机架上。

2.根据权利要求1所述的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述齿扇（7）为不完全齿齿轮，有轮齿部分控制在160°～165°圆周角，齿扇首齿与齿根圆之间由光滑圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述齿条组件（6）由上齿条（14）、下齿条（15）及齿条连接件（5、8）构成，上、下齿条两侧末端留有一定距离的光滑间隙（16）。

4.根据权利要求1所述的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述往复泵液力端液缸采用双作用单侧布置或单作用双缸对称布置的结构形式。

5.根据权利要求1所述的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：以双作用单侧布置的结构形式为一个基本单元，可组成单缸、双缸、三缸及以上的多缸往复泵；以单作用双缸对称布置的结构形式为一个基本单元，可组成双缸、四缸、六缸及以上偶数缸的多缸往复泵。

6.根据权利要求1所述的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：两个单元组合时，输入轴上的两个齿扇采用180°相位差布置；三个单元组合时，输入轴上的三个齿扇采用120°相位差布置；四个单元组合时，输入轴上的四个齿扇采用90°或180°相位差布置；五个单元组合时，输入轴上的五个齿扇采用72°相位差布置。