CN101251107A - 多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵，是渐进性创新，改原级间外串联增压为级间内串联增压，仍具齿厚逐级减薄双重增压。内串联增压后，原级间的分隔板，还增添新功能——同时起内通道的作用。泵壳外设冷却水夹套，壳内孔二端，置供轴承座用的端板，支承轴及轴上的多级双圆弧齿轮副啮合传动，因无外置轴承座，化简总体结构。并构成以二平行轴为总承，将轴座板、多级齿轮副、串隔板等，先预装成一大组件，然后移入泵壳内孔，装拆方便。以内孔为安装基准，安装精度高，适应高速运转。本容积泵效率高节能；以多级串联和齿厚逐级减薄获双重增压；以少齿数、大模数、高速获大流量；结构简单可靠工艺性好易造，齿轮不磨齿，一般机械厂也能制造。本泵可用于液体或气体并具一定腐蚀性、高温介质输送，自吸性好，对污染不敏感。

Description

多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵

一、技术领域

本发明涉及提供一种多级内串联增压，加上齿厚逐级减薄再增压——即双重增压的双圆弧齿轮高压大流量泵的结构，尤其适用于气体压缩和高温具一定腐蚀性液体的输送。

二、背景技术

在工业生产中，“人们将泵喻为工业的心脏”，耗电大，因而“高效率大功率”(即高压又大流量)，以高速旋转取代往复，简单可靠使用寿命长，是国内外泵业共同追求的目标。

2.1这是对本人“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，专利申请号2007100894328渐进性创新。该泵先前是采用“多级外串联”，今又提供“多级内串联”结构，两者各有优越性，后者适于泵壳体之外增添冷却水夹套，以带走空气强烈压缩所产生热量，也可供输送高温液体时降温。

2.2从制造安装结构工艺性上，对本泵整体布局优化设计：采用整体泵壳，内孔精加工后，将左右端盖板嵌入内孔，因端盖板上巳精加工有轴承座孔，以取代先前用外置的左右轴承壳。这种结构不仅只是为省去二只轴承壳，更重要是：将二根平行轴之间，所有多级齿轮副、内串联隔板等，可在泵壳之外装成整体，然后整体移入泵壳之中，给安装和日常拆修带来便利，并且齿轮安装的精度因而很高。因左右端盖板上，精加工的“轴承座孔”，保证了轴及套在轴上齿轮副，有高的安装精度，即构成“安装基准”。内串联隔板有分隔流体及供内通路，将前级流体引入后级再增压。壳体外去掉先前的许多弯管，给增设冷却水夹套，带来方便。

2.3本容积泵多级串联，是受到美国《压缩机手册》(郝建译166页)所介绍12级活塞泵串联增压，达到100至350Mpa超高压的启发。同属容积泵，本泵不但可串联增压，更有次级齿厚减薄增压一一即双重增压。用于气体压缩机，次级泵的齿厚更可大幅减薄，使气压急剧上升；而液体不可压缩，次级不宜减薄过大，并增设安全阀。

2.4《复合齿轮泵》一书是刚出版新书，凝聚着创新者长达十年的“穷思苦虑，执着研究”，是可供借鉴的好书。复合齿轮泵结构复杂，精度要求也很高。在该书启发下，将本多级泵的末级齿轮分泵的齿厚，改由二只薄齿重叠而成，重叠时一只薄齿顶对准另一只的齿隙，这样泵输出压力脉动和流量脉动，因而可以减少，相比之下这是一个简单易行的技术方案，使本泵也能应用于高要求的液压系统中为液压源。但也带来薄齿都能啮合准确的安装难题，可借主动齿轮与轴以键联接，而被动齿轮内增设锥形轴套与轴联接，即提供轴向位移和径向旋转二个自由度，给各级分泵在被动轴上安装带来可能。

2.5巳知本泵所用齿轮最高转速达9215转/分，线速115米/秒(引自《圆弧齿轮》邵家辉著，第8页)。巳知渐开线齿轮泵，最高转速达8000转/分(引自《复合齿轮泵》第3页)。活塞泵的最高转速仅限180转/分(引自《水力学与水力机械》江宏俊著，第308页)。因而，以本泵高速旋转，来取代只能低速往复活塞泵，能获取高效率，是符合现代机器设计的重要方向。从结构上看，活塞泵极复杂，活塞环等易损件寿命短，油田用四列平衡活塞式空压机常处于二备一开状态。而本泵齿轮啮合，当用于动力传动，高速重载下，寿命也很长。当被动齿轮用新型优质塑料，不仅传动噪声低且寿命长。本人希望能应用FRP复合材料(指用碳纤维、玻璃纤维及芳纶纤维等和树脂组合而成的材料)，其重量是钢材的四分之一，强度却达到普通钢材的十倍，且耐腐蚀不会生锈，如本泵关键件(齿轮、泵壳)均用这类材料制造，泵的重量轻强度高，可用于有特殊重量轻要求，诸如航天工业的环境中，以及海水中用泵。

2.6离心泵是结构简单，应用极为广泛的泵，是借欧拉原理工作。其流量Q，扬程H与功率N，三者关系是：Q₁/Q₀＝n₁/n₀，H₁/H₀＝(n₁/n₀)²，N₁/N₀＝(n₁/n₀)³，为提高扬程H，必须提高转速n，而转速提高功率按三次方函数剧增(引自俄·济诺维也夫主编的《简明技术手册》399页)。本容积泵功率、压力与理论流量，三者关系是：

N＝10PQ/60·75，即压力、流量与功率，三者是正比例(引自日·木村章编《机械设计列线图集》第181图)。因为，离心泵靠叶轮动能提高流体的压力，因而有上述三次函数剧增，导致高速下功率消耗很大，而本容积泵是依靠容积压缩，显然原理截然不同，也是本泵能达高效节能的原因。

2.7本泵能制成大流量泵是借减少齿数至12齿，又取大模数(如现最大m＝52)，适当齿厚，在8000转/分之下，就能获超大流量。同属齿轮泵，渐开线齿轮泵因其齿型存在：当齿数少于17就会发生根切，当齿数为12必取较大的正移距系数，而一经修正用于制泵，许多特性都发生不利的变化(详见《复合齿轮泵》第6页)。前巳述本泵最大优越性是所用齿轮“无根切现象”，可将齿数减至11齿。齿轮加工中不要磨齿，加工成本可大幅降低，一般机械厂也能制造。除齿轮之外，只有泵壳、多功能串隔板、轴座板、轴等为数极少零件，与活塞泵、螺杆泵等相比，结构实简单极了！！有利于组织批量生产，因构件少生产管理，工夹具等装备也相应少，生产成本低。

三、发明内容

本发明目的是：对本人巳发明的“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，由“级间流体外串联”增压，改为本泵“级间流体内串联”增压，仍保持逐级齿厚减薄增压不变，以双重增压获取更高压力；同时按现代机器合理设计的原理，优化整体布局，取消原外设独立轴承壳以轴座板来取代。取代之后，以精加工后的整体泵壳的内孔，为轴座板的安装精基准，多级泵组件结构因而大大化简，加工工艺性好。

本发明目的是通过以下结构实施。首先，将多对同齿数、同模数，齿宽逐级渐减薄的双圆弧齿轮副，安装在呈“O”形内孔的二平行轴上，中间置“多功能内串联分隔板”(简称“串隔板”)构成分泵。流体从第一级分泵入口吸入，经齿轮输送加压，又经“串隔板”引入第二级分泵入口再次加压，如此依次逐级加压排出。“多功能”指：改进前分隔板仅起隔断前后二级分泵之间的流体，借外串联增压；今改为内串联，即除分隔外，还供内通道。它在两侧平面上，有足够大进出口面积，不使流体产生额外的阻力。当选用高齿型，该侧面孔的面积，还可增大12.5％。

其次，在泵壳左右二端，设置供“轴承座用的端板”(简祢“轴座板”)，它与泵内孔精密配合，用于安装轴承。通过轴承支承轴及轴上的多级齿轮副啮合传动。这样，可省去原先泵壳外设独立轴承座，大大化简结构。例如，原外串联二级增压泵，用二只泵壳和二只轴承座共4只构成，今化简只有一只长泵壳。又因泵壳内孔，是一个直通孔，很易搪孔达高精度。而以此长孔为“轴座板”的安装基准，可保证传动轴安装的精度，轴上啮合齿轮中心距公差与啮合精度因而都得以保证(因本齿轮对中心距变动非常敏感)，达超高速(8000转/分)旋转的要求。此外，齿顶与泵壳之间的间隙也可达到极小，减少流体的回流，能有效提高泵工作压力和效率，达到节能。

结构化简还给安装和维修带来方便，因以二根平行轴为总承，连接多级齿轮副、串联板、轴座板、调整板等等，巳构成一个大组装件。该组件在预装，反复检测之后，可整体移入泵壳之内，再装上外盖、轴盖，装搭即告完成，给大批量生产和管理带来莫大方便。也给用于强腐蚀介质、含杂质的介质输送，要经常拆卸、检修带来方便。长泵壳外，能增添冷却水夹套，适于空压机及输送高温液体时降温。

末级分泵的厚齿由簿齿重叠而成，一只簿齿顶对准另一只的齿隙，使泵的输出压力脉动和流量脉动大幅降低，能使本泵可应用于高要求的液压系统中为液压源。同时，也因此而改善齿轮副运的平稳性，例如12齿经此重叠，就成为相当于24齿的重合度。

最后，本泵如何借结构创新获取“高效率、高压、大流量”？齿论泵是容积泵，容积效率在0.80～0.95，总效率在0.75～0.92，比多级离心泵40％左右，高出一倍，长期使用能大大节省能源。高压是借内串联逐级增压，是吸收美国《压缩机手册》，以活塞泵12级串联增压的原理，可以获取100～350兆帕超高压。本泵更有可用极简便的，逐级齿厚减簿，达到极其迅速增压的突出优点。当用于液体，其减簿不宜过大，因液体不可压缩；当用于气体压缩，次级可大幅减簿，使气压能迅速上升。容积泵如此串联增压，理论上无压力上限。大流量是借本齿型的创新啮合制，具有“无根切现象”极突出的优点，将本泵取11～12齿，加大齿隙输送流体的截面积，再加上齿轮具高速(最高达9215转/分)重载的特点，可以获取大流量和超大流量。普通齿型，全齿高为2模数，而高齿型为2.25模数，即其他结构参数均相同的情况下，用高齿型还可增大12.5％的泵流量。

选用芳纶等新型复合材料制泵，其重量仅钢材的四分之一，而强度是普通钢的十倍，因而可能将本泵用于航天工业；又因它不会生诱，可用于腐蚀介质，例如船舰泵喷水推进取代螺旋桨推进，制造现代小水线面超高速船。因本泵是齿啮合传动，当用大模数(如取52毫米)全齿很高(104毫米)，齿隙很大，海水中含有杂物也不至堵塞的好处。

本泵结构经上述创新合理设计，达到机械加工工艺性好的要求。结构化简后，关键件仅四件：双圆弧齿轮、泵壳、串隔板、轴座板，加上轴、轴承等，零件极少。齿轮更有“不需磨齿，不仅成本低，而且一般厂矿条件都能做到”的好处(引自《圆弧齿轮》邵家辉主编第12页)；前巳述泵壳只有一个直通长孔加工不难，其余零件也都不难制造，远没有活塞泵那样复杂，不需要应用大量精加工的设备，制造成本自然大幅下降。

四、附图说明

附图1是本泵结构工作图，图中(7)是多对啮合传动的双圆弧齿轮副，内孔配主动轴(11)和被动轴(16)，它通过轴上锥套(17)和圆螺母(18)可调节定位。串隔板(8)位于前后二级齿轮副之间，起分隔成分泵和供内串联增压的通道，结构另见附图2。

在轴(11)(16)的二端有轴承(3)，其外圆装在轴座板(4)的内孔中。齿面外侧有齿面板(6)，与齿轮之间有微量间隙，即不能压死。密封圈(5)位于轴座板(4)孔中，起轴向密封作用。调整板(2)和齿面板(6)的厚度都供安装时，实测间隙修磨厚度。外盖板(1)是最后安装的，用于与泵壳(12)二侧端面的密封及与轴座板(4)连成整体。反之，拆下外盖板，即可移出齿轮副组件，进行维修。图1所示齿轮副(7)前级较宽，后级窄，表明以齿厚减薄达双重增压。泵壳(12)外有冷却水夹套，并有水管接头(14)。

五、具体实施方式

5.1结构数据：选多级双圆弧齿轮泵的模数m＝52毫米(已知齿轮滚刀最大的模数)，齿数Z＝12。末级分泵齿宽B＝200mm，由二只各宽100mm薄齿，错开齿顶与齿隙叠合而成。当输送液体时，前一级齿厚增加0.5％，，即为201mm，依此比例再向前逐级推算齿厚即可。为安全而增设级间安全阀，并回流至入口，也可再设级间压力表。当供气体压缩机用，前一级齿厚取B＝400mm。同样设安全阀和压力表。

5.2流量计算：齿轮按GB12759-91制造，全齿高h＝2m＝104mm(高齿型h＝2.25m)，节圆d＝624，齿顶圆D＝717.6，齿根圆D＝509.6，由二圆形成圆环截S＝0.2平方米，即为输送流体横截面积。将此截面，可折合为直径505毫米的大水管的截面，在输送流体。将此截面积乘齿宽，即为齿环体积＝0.04立方米。当泵在1000转/分时，泵理论流量为Q＝40立方米/分(当改用高齿型时流量为Q＝45)。若泵容积效率取0.85，实际泵流量为Q＝34立方米/分。泵转速最高可达8000转/分，因而最大流量达Q＝272立方米/分(用高齿型达Q＝306)，显然是超大流量泵！！然而，泵的外型尺寸并不大，从齿轮副中心距为624毫米，及齿宽为200毫米，可大致判断泵的相关尺寸，是借高速旋转获取超大流量。如用活塞泵低速往复，要获此大流量将是极其庞大。离心泵也无法达如此超高速和超大流量，且泵功率是随转速三次方函数关系而剧增，不利于节能。

泵流量也可用公式：Q＝B×V＝2丌m²ZB简捷求得，但没上述对大流量的优点，剖析得那么清楚。

5.3功率计算：已知单级渐开线齿轮泵压力可达P＝12～20Mpa(见《复合齿轮泵》第3页)，今二级增压，仅假定压力 $P=100\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2=10\mathrm{Mpa},$ 是取较低值。按日本木村章著《机械设计列线图集》第181图“流量、压力与理论功率的关系”N＝10pq/60×75，今了p＝100，q＝34×1000代入求得N＝8888匹马力，若按泵总效率0.8，实际要配11000匹马力。如果要求泵工作压力更高，或流量更大即提高泵的转速(还可增高8倍)，那么配套马力将更可观！！！

5.4泵的传动轴径可按公式 $d=71.5\sqrt[3]{N/\mathrm{\τ}.}n$ 求得，今取轴径为300毫米，中空轴，强度好重量又轻。泵壳厚度可按内压容器，第三、四强度理论计算和校核。

5.5泵进出口形状设计亦极为重要，今以方接圆，即靠齿轮内侧处为方，外侧为圆便于与水管法兰连接。本泵末级齿厚为200毫米，因而取内方形为200×200毫米。按此截面积取外接圆直径为225毫米。即内方外圆形状虽不同，面积却相同，不会产生附加阻力，可提高泵效率。泵进口形状的设计方法亦相同，如用于气泵进口内侧取400×400毫米与齿厚相同，经方接圆，进口法兰处管径取ф450。

5.6泵出口流速计算：巳知1000转/分下，泵实际流量＝34立方米/分，今出口面积＝0.04平方米，求得出口流速V＝850米/分＝14. 2米/秒＝51公里/时＝27. 5海里/时。这是将本水泵用于现代小水线面舰船，喷水推进取代螺旋桨推进的构想，当泵再提速几倍，船速还可加快几倍。本气泵还可在8000转/分下喷射高压气流，使射流的流速高达408公里/时，应用于“地效飞船”掠海飞行；也可应用于泵喷气推进直升机，取代螺旋桨直升机，彻底解决“涡轮效应”偶发毁机。显然，所述均是射流的速度，不是实物的航速，航速要低于射流的速度。爱因斯坦说：“想象力比知识更重要”，本泵是所述想象力的物质基础。

附图1所示零件名称：外盖板1，调整板2，轴承3，轴座板4，密封圈5，齿面板6，双圆弧齿轮副7，串隔板8，水夹套盖板9，平键10，主动轴11，泵壳12，轴盖13，水管接头14，平键15，被动轴16，锥套17，圆螺母18。

附图2是附图1中所示的零件8，即串隔板的结构详图，表明流体内串联的路径。

Claims (7)

1. 本发明涉及提供一种多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵，是对本人“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”渐进性创新，其特征在于：在呈“O”形内孔的整体泵壳内，设置二平行轴，有多对啮合传动的双圆弧齿轮装于轴上，以高速旋转输送流体。每对齿轮都构成分泵。分泵之间用“串隔板”分隔，又用它为内流体串联增压的通道，即具双重功能。流体从第一级分泵吸入，经齿轮输送，进入“串隔板”转送至二级分泵吸入口，再加压。除如此逐级串联加压之外，还加上下一级齿厚比前一级簿，构成流体阻力再增压，即达到双重增压。此外，二平行轴通过轴承，安装在“轴座板”上。该板的外型亦呈“O”，与泵壳内孔尺寸相同，达到十分精密配合，因而保证其上用于安装轴承的孔，有很高的安装精度。即借轴承孔形位公差的控制，来保证轴和轴上多对齿轮副，有高的啮合精度，以及齿顶与泵壳内壁之间具精密的缝隙。本泵已无外置独立轴承座，结构化简利于制造，也构成以二轴为总承的多级齿轮副组件，在壳外预装，整体移入泵壳孔内，安装精度高与修理拆开快捷。

2. 根据权利要求(1)所述多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵，其“串隔板”的特征在于：外型呈“O”形，配装在泵壳内孔中，两侧平面起分隔流体功能，中空，沿中心横线单侧开孔，旋转180度亦有相同孔，即构成流体从侧面进入转过180度至另一面输出的内通道。孔形状是按齿轮啮合输出处的齿根径和泵壳内壁直线之间的空间尺寸求出，呈不规则的梯形。该孔有足够截面，当选高齿型(h＝2.25m)比普通齿型(h＝2m)，还可增大12.5％的截面积，利于减少阻力，提高泵效率。

3. 根据权利要求(1)所述多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵，其“轴座板”的特征在于：不仅供设置在泵壳内孔的二端，起流体密封功能，还兼具轴承座功能，和安装轴密封圈。其呈“O”形的外型，与二个轴承座孔有相对很高精度，在机械加工中一次安装，加工完成，即借机床精度保证工件的精度。因而，泵整体组装后有很高精度，适应高速(最高8000转/分)的特殊要求。

4. 根据权利要求(1)所述多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵，其泵壳的特征在于：整台泵只有一个整体长泵壳，内孔呈“O”形直通孔，以此精加工孔，为多级齿轮副所构成的大组件的安装基准面，来保证安装方便且精度高；泵壳外设泠却水夹套；泵进出口呈内方外圆截面积相等，即方接圆渐变过渡结构，内方孔的宽度与齿厚相等接进流体，外圆便于与法兰盘联接输出流体。

5. 根据权利要求(1)所述多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵；其“以二轴为总承的多级齿轮副组件”的特征在于：以主动轴与被动轴为总承，按多级齿轮啮合逐级增压的要求，将多级齿轮副、串隔板、齿面板以及与轴座板相配合的轴承、轴密封圈，全部组装构成一大组件。这是独立的组件，可调整、检测相互之间的间隙，检测外型同心度、总装后厚度偏差等，然后整体移入泵壳内孔中，再用外盖板封口即可完成安装。

6. 根据权利要求(5)所述“以二轴为总承的多级齿轮副组件”其特征还在于：多级同齿数、同模数的齿轮副，安装在二平行轴上，主动轴与齿轮用键联接，而被动轴上只有末级齿轮用键联接，此外其余前级分泵的被动齿轮，均用锥形轴套联接。借此能使被动齿轮，可轴向和径向位移，达到啮合安装的要求，否则将出现同轴上，各对齿轮副之间，啮合角度的偏差，而无法安装。

7. 根据权利要求(1)所述多级内串联双重增压双圆弧齿轮，其齿轮特征在于：根据《圆弧齿轮》一书(邵家辉主编第79页)建议“今后一般产品的双圆弧齿轮减速器应尽可能采用GB12759-91标准”。该标准全齿高h＝2m，为加大泵流量也可用高齿型，如FSPH-78型，全齿高h＝2.25m，前苏联还推荐采用全齿高h＝2.7m的齿形(юT3.-65)，显然改变动力传动的用途用于制泵，更能大幅增加泵的流量。“圆弧齿轮基本上没有根切现象，小齿轮齿数理论上可以做得很少，…一般都大于11齿”(引自该书73页)，本泵通常取偶数12齿，易测量，也可用更多齿数。主动齿轮为钢，被动齿轮为新型高性能塑料，使传动噪声低，且具一定齿间自润滑性，也可全用FRP芳纶等复合新材料，加上壳体也用类似耐腐材料，可使本泵用于腐蚀介质的输送。因液体不可压缩，以串联增压加齿厚减薄增压，其齿厚减薄百分比不过大，还设级间安全阀。当用于气体压缩齿厚减薄幅度可以很大，例如减半。容积泵如此双重增压，理论上没有压力上限，设安全阀，防犯事故。

Images