CN101311540A - 零间隙容积式流体压力装置 - Google Patents

Abstract

本发明零间隙容积式流体压力装置是对容积式叶片泵做了较大改进的一种新装置。它由壳体，上转盖、下转盖，主轴，进流孔和出流孔组成。其特征在于：将常规的叶片泵端盖改成转盖，并可在主轴轴向上进动，用滚动体的滚动部分取代了常规叶片泵工件之间的滑动。

Description

零间隙容积式流体压力装置

技术领域

本发明涉及一种流体压缩装置，更具体的说是容积式叶片泵和旋转活塞内燃机，分别属于流体输送领域和内燃动力机机械领域。

背景技术

在流体输送领域，在诸多机械的液压系统和气压系统中，各种类型的流体压力泵(如柱塞泵、空气压缩泵、齿轮泵、容积式叶片泵)是其中不可缺少的重要装置之一。其中容积式叶片泵因其结构紧凑、运行平稳、空载负荷小等优点被很多机械使用在其流体压缩输送系统中(如车床、汽车等)。但容积式叶片泵因其中心转动的转动件(转子)及其叶片槽内安装的叶片和与之配合的相对固定的耦合件(包括定子与端盖)之间都是相对运动的，这些工件在相对运动中表面会发生磨损，因磨损造成的间隙又缺乏补充机制，所以容积式叶片泵容易因磨损造成泄漏而失效。虽然叶片顶端磨损可以得到叶片自身的补充，但叶片槽导程有限，导程过短时可使叶片翻出槽外或因杠杆原理崩裂叶片槽，从而使整个泵主要工件破坏。所以容积式叶片泵其不足之处是限制其应用范围的根本原因。下面结合附图5阐述容积式叶片泵的结构和工作原理。

常规叶片泵的结构和原理如图5，图中(1)为泵壳，(2)为定子，(3)为上端盖，(4)为下端盖，(5)为转子，(6)为叶片，(7)为叶片槽，(8)为主轴，(9)为低压进流口，(10)为高压出流口，(11)为定子定位孔。当转子(5)在上端盖(3)、下端盖(4)与定子(2)固连形成的泵腔中旋转时(如顺时针旋转)，转子叶片槽(7)内的叶片(6)在离心力的作用下被甩出，当叶片(6)顶端抵达定子(2)内壁时，被设计成宽窄不等的环形泵腔被切断成与叶片(6)数量相同、容积不等的若干腔段。随着转子(5)的继续旋转，各腔泵的容积不断变化。当某段泵腔的容积由小变大时，流体受到负压，低压进流口(9)就在大气压力下吸进流体；当某段泵腔的容积由大变小时，流体受到压迫产生压力而由高压出流口(10)排出。从而达到液压系统中需要的目的。叶片(6)中任意一片都在转子(5)旋转一周的过程中伸出、压进叶片槽(7)一次。从而叶片泵周而复始地工作。

在内燃动力机械领域存在着多种类型的动力机(如汽油机、柴油机、旋转活塞内燃机等)。动力机是现今多数机械工具中不可缺少的重要装置之一。其中内燃机(包括柴油机、汽油机)更是移动的机械工具必备的动力装置。在内燃机系统中有一种旋转活塞内燃机，具有结构简单、升马力大的优点(每立方分米机体的功率相当于3马力)，被用在个别飞行机械中。旋转活塞内燃机对空气(流体之一)的吸进、压缩、排出所采用的结构与容积式叶片泵对流体吸进、压缩、排出采用的结构基本上根据同一原理设计的。其原理都是利用中心的转动件周边的活动或不活动的凸出物把中心转动件与相配合的耦合件之间设计好的宽窄不一的环形空腔分割成若干个容积大小不等的小空腔，当中心转动体相对外围的耦合件转动时，所述容积大小不等的小空腔，有的由小变大而吸进流体，有的由大变小而压缩流体或排出流体。

旋转活塞内燃机主要部件因在设计原理上和结构上与容积式叶片泵的设计原理和结构可以说是同出一辙，所以存在的优点和不足之处是相同的，不在这里介绍，因此旋转活塞内燃机在使用范围上也受到一定限制。旋转活塞内燃机是由英国人在1903年始创的，但因其密封问题一直解决不好而不成气候，曾于1977年在中国农业机械杂志上介绍过，开始结构就是四角形外转子和三角形内转子的转子泵，相当于现今内燃机上用于润滑系统的转子泵。

显而易见叶片泵在工作中，叶片在叶片槽内伸缩是位移的，叶片在泵腔中与泵腔内壁也是位移的。在流压较高的泵腔内，这种配件之间的运动所形成的摩擦力是较大的，不仅造成了叶片泵的能耗损失，更重要的是主要的相关工件磨损严重而泄流以致失去原先设定的压力与流量。专利号为200410094833.5的一种容积式叶片泵专利技术中用带锥度叶片和带锥度泵腔解决了个别工件的磨损补充问题，但制造难度较大，叶片导程受到影响。

本人在实践中也设想过在叶片顶端加一滚柱，如图6，图中(1)为叶片，(2)为滚柱，(3)为叶片(1)与滚柱(2)之间的间隙。当叶片(1)随转子旋转时，滚柱(2)外周与定子(3)内壁开始是可以滚动的，但滚柱(2)圆周边与叶片(1)配合的间隙3很不理想，过大会造成泄流，过小叶片(1)与滚柱(2)仍存在滑动摩擦，只不过是把滑动摩擦换了位置。即使其间间隙调得好，但随着滚柱(2)的轴和叶片(1)上的孔的磨损，滚柱(2)的内侧外圆面与叶片成滑动摩擦接触，再加之滚柱侧面与叶片之间滑动磨损开始即存在，所以研究分析的结果表明这是一个不实用的想法。因此叶片泵结构特征上的不足之处，是限制其适用范围的原因。

综上所述和附图所示：一、容积式叶片泵和旋转活塞内燃机的主要结构从原理到结构是相同的。二、转子、叶片外围与定子内壁之间存在磨损。三、转子与叶片侧面与端盖端内端面之间存在磨损。四、叶片两平面与叶片槽之间存在磨损。五、两端盖是与定子固定连接的，所以本身与转子和叶片之间的磨损造成的间隙因不能内移而留下空隙。六、两端盖与定子之间没有相对运动摩擦，使定子沿轴线尺寸不减少，是所述间隙得不到补充的根本原因。

发明内容

从背景技术文件中的叙述和附图中不难看出，常规的容积式叶片泵和旋转活塞内燃机的主要的共有结构都是通过若干个大小不同的容积腔的容积变化来达到吸流、压流目的的，这种通过容积变化来工作的机构存在以下不足之处：一、在完成同样工作效果的前提下，容积式叶片泵相对柱塞泵、空气压缩泵工件之间的磨损面积和磨损强度要大得多。二、前者磨损的间隙多数地方得不到补充，而后者通过活塞环得到完全补充。三、通过前两条所述说明常规容积式叶片泵1、磨损速度较快，磨损间隙增大也较快，2、缺少补充。

工件之间有接触相对运动就有磨损，有磨损就会在工件之间形成间隙，有间隙就会泄漏，有泄漏就会使流体压缩机械工作效果变差，使用寿命有限。反过来要想使容积式叶片泵工作效果好，使用寿命长，就需减少其工件之间的泄漏，要解决泄漏，就要解决间隙，解决间隙就要解决磨损或补充间隙。不难看出，解决工件间的磨损或补充因磨损之间产生的间隙是解决问题的两方面。一方面可采用以下措施解决磨损问题：1、减少工件之间的摩擦压力(如防止叶片对两侧的冲击)；2、摩擦方式(如滚动摩擦取代滑动摩擦)。另一方面可采取以下措施解决磨损间隙补充问题：1、设计上使工件在同一层面磨损速度相同或相近；2、使工件有足够的补充尺寸来补充因磨损形成的间隙。

本发明提出的零间隙容积式流体压力装置首先从减慢磨损速度入手来解决第一个问题。1、用外表面能相互接触闭合、不泄露流体的滚动体组成的滚动体组群伸缩链来取代常规容积式叶片泵的在叶片槽中伸缩的叶片；2、用本发明提出的零间隙容积式流体压力装置的转盖来取代常规叶片泵相对泵体不转动的端盖组合成转子，这样不但省去了常规容积式叶片泵的转子，也使定子(本发明零间隙容积式流体压力装置用泵壳代替定子)与转盖的磨损和其他工件的磨损在长度上所缩短的尺寸相等，避免了转盖与其他工件形成间隙；3、本发明的滚动体组群伸缩链的滚动摩擦代替了常规容积式叶片泵工件之间大部分的滑动摩擦。起到一举三得的效果。

下面详细叙述将常规容积式叶片泵的端盖改为转盖带来的效果。将常规的容积式叶片泵的与定子固定的端盖其中的一只或两只(根据不同的结构而定)改为可以随转子、叶片一同旋转的，又能在主轴上进动的转盖。该只所述转盖与转子没有相对运动也就没有磨损。而该所述转盖与定子一侧端面有相对运动也就有磨损。正好所述磨损与转子对另一只与定子固定连接的端盖也是相对运动，也同样磨损。这样定子一侧端面与转盖内端面之间和转子一侧端面与端盖内表面之间的磨损同时进行。可以通过设计使两处磨损形成相近的间隙尺寸。因所述的转盖可顺轴向进动，所以上述所指的间隙会随时得到补充。

另一个常规容积式叶片泵磨损较严重的问题。本人研究和多次实验证实，一物体在另一物体上无论滑动或滚动，由于所述两物体表面粗糙度形成纹路的原因，两物体都有垂直于运动方向上的左右运动倾向。这种倾向在常规的容积式叶片泵和旋转活塞内燃机的主要共有结构中的叶片两侧面就会与两端盖内表面不时加重磨损而双方磨损，特别是在压力区。为了解决上述问题，本发明的零间隙容积式流体压力装置将转子上的叶片槽在顺主轴轴向上设计成一定夹角，这样叶片在运动中就会紧贴着一侧转盖或端盖。由于所设计的夹角对叶片形成的分力远大于工件表面纹路引起的轴向力，这样就会消除叶片对端盖或转盖的冲击损伤。从而达到减少磨损的目的。

综上所述，本发明的零间隙容积式流体压力装置在同一个目的下有多种结构形式。

附图说明

附图1是本发明零间隙容积式流体压力装置实施例一的图。

附图2是本发明零间隙容积式流体压力装置实施例二的图。

附图3是本发明零间隙容积式流体压力装置实施例三的图。

附图4是本发明零间隙容积式流体压力装置实施例四的图。

附图5是常规容积式叶片泵结构示意图。

附图6是叶片滚柱示意图。

具体实施方式

实施例一

本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵包括主轴(7)，泵壳(1)，和可以在泵壳(1)内转动的上转盖(3)、下转盖(4)。其特征在于：所述由泵壳(1)和上转盖(3)、下转盖(4)组合而成的空腔内安装有相互表面之间密合的滚动体((5)、(6))组成的滚动体组群伸缩链(11)。

下面结合附图1进一步阐述本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵的功能原理，附图1是用相互连接的滚动体组群伸缩链组成泵芯腔内部件的本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵的示意图。图中(1)为泵壳，(2)为泵芯，(3)为上转盖，(4)为下转盖，(5)为泵流柱，(6)为阀柱，(7)为带动泵芯旋转的主轴，(8)为泵流柱轴孔，(9)为低压进流口，(10)为高压出流口，(11)为滚动体组群伸缩链。本发明的零间隙容积式流体压力装置在工作时，通过主轴(7)带动上转盖(3)、下转盖(4)旋转(这里设为顺时针旋转，下同)。上转盖(3)、下转盖(4)同时带动泵流柱(5)和阀柱(6)绕主轴(7)旋转。泵流柱(5)在离心力和流压的作用下外移至泵壳(1)的内壁处，与泵壳(1)内壁接触后，在泵壳(1)内壁与泵流柱(5)之间摩擦力的作用下向前滚动，此时设计的宽窄不一的环形泵腔被分割成与泵流柱(5)数量相等、容积不等的腔段。阀柱(6)同样因离心力或其它力(如轴孔、弹簧、磁力等)的作用处于泵流柱(5)之间的缝隙处，起到密封作用。当泵流柱(5)在运行中处于泵腔狭窄处时，起着低压进流口(9)与高压出流口(10)之间的密封作用。再向前，由于所述的一只泵流柱(5)与后一只泵流柱(5)之间的腔段逐步由小变大，开始通过低压进流口(9)吸流，当所述的一只泵流柱(5)继续运行到与前面一只泵流柱(5)之间的腔段达到最大处时，压流开始，此时所述一只泵流柱(5)与前面一只泵流柱(5)之间的空间逐步由大变小，所述一只泵流柱(5)继续压流，而前面一只泵流柱(5)经过高压出流口(10)后到达泵腔狭窄处时，起到低压进流口(9)与高压出流口(10)之间的密封作用。当阀柱(6)随泵流柱(5)旋转至高压腔段时，外部流压如果高于中部流压，此时压差迫使阀柱(6)内移而与泵流柱(5)之间形成缝隙，外部高压流体进入中部，达到中部和外部流体压力的均衡。此后阀柱(6)在离心力的作用下复位。当阀柱(6)随泵流柱旋转至吸流段，此时阀柱(6)与泵流柱(5)之间早已处于闭合状态，所以中部高压流体不会进入低压吸流区。如此周而复始的工作。本发明零间隙容积式流体压力装置制造的泵有多种变化：如将滚动体组群伸缩链设计安装在泵壳上；上转盖(2)、下转盖(3)双方之间贴近的力可以来源于液压力、弹力、离心力等。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

实施例二

本发明的零间隙容积式流体装置专利技术制造的泵包括泵壳(1)，上转盖(2)，下端盖(3)，定子(4)，转子(5)，叶片(6)，主轴(7)，进流口(8)，出流口(9)。其特征在于：所述上转盖(2)与转子(4)是共同随主轴(7)一起转动的，并可顺轴向在主轴(7)上进动的，与泵壳(1)是滑动摩擦的。

见图2，图中(1)为泵壳，(2)为上转盖，(3)为下端盖，(4)为定子，(5)为转子，(6)为叶片，(7)为主轴，(8)为进流口，(9)为出流口，(10)为定位孔。当工作时，在主轴(7)的带动下，上转盖(2)、转子(5)随主轴(7)一起旋转。上转盖(2)的内侧面与定子(4)端面接触产生滑动摩擦，而转子(5)和叶片(6)与下端盖(3)内表面接触运动也产生滑动摩擦。即上转盖(2)、下转盖(3)与夹在其中间的定子(10)、转子(4)、叶片(6)的两侧面都会产生相同的磨损。也就是说不像常规的叶片泵两端盖与定子是固定连接的，定子的长度尺寸不能缩短，当转子和叶片在长度上磨损缩短时，端盖是不能内移来补充因磨损而产生的间隙。本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵是把常规叶片泵的一只端盖改成转盖，使其跟转子和叶片无磨损，而跟定子端面产生磨损；当转子、叶片长度上磨损时，这种定子、转子、叶片长度同时磨损产生的间隙尺寸上是接近的，也就不影响转盖顺轴向进动来补充间隙，因此称为零间隙。本发明零间隙容积式流体压力装置制造的泵有多种变化：如将滚动体组群伸缩链设计安装在泵壳上；上转盖(2)因间隙顺轴向进动的力可以来源于液压力、弹力、离心力等。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

实施例三

见图3，本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵包括泵壳(1)，上转盖(2)、下端盖(3)，定子(4)，转子(5)，叶片(6)，主轴(7)，进流口(8)，出流口(9)，定位孔(10)，叶片槽(11)。其特征在于：所述叶片槽(11)在顺轴方向上与主轴(7)轴心线设计有0.1度以上的夹角。

结合图3阐述本发明的零间隙容积式流体压力装置制造的泵的结构和原理，图中(1)为泵壳，(2)为上转盖，(3)为下端盖，(4)为定子，(5)为转子，(6)为叶片，(7)为主轴，(8)为进流口，(9)为出流口，(10)为定子(4)、下端盖(2)与泵壳(1)的定位孔，(11)为叶片槽。从图中可以看出，上转盖(2)是随转子(4)一起转动的，并可顺轴向进动的。下端盖(3)是与泵壳固连的。其中叶片槽(6)与轴心线存在一定夹角。当工作时，叶片(6)受到一个分力，就会贴着一边的上转盖(2)内侧面而不左右运动，从而减少了磨损。

实施例四

本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制作的旋转活塞内燃机包括机体(1)，机芯(14)，主轴(7)，燃料供给系统(16)，进气口(8)，排气口(13)。其特征在于：所述机芯(14)是由上转盖(2)、下转盖(3)与机体(1)组合而成的机腔(17)以及安装在机腔(17)内相互表面密合接触的滚动体((5)、(6))组合而成的相互连接的滚动体组群伸缩链(18)所组成。

见图4，图中(1)为机体，(2)为上转盖，(3)为下转盖，(4)为气缸(机体(1)中间加工的孔)，(5)为压气滚，(6)为驱动滚，(7)为主轴，(8)为进气口，(9)为吸气腔，(10)为压缩腔，(11)为爆炸腔，(12)为排气腔，(13)为排气口，(14)为机芯(由上转盖(2)、下转盖(3)、滚动体组群伸缩链(18)组成)，(15)为安装孔，(16)为燃料共给系统，(17)为机腔(由上转盖(2)下转盖(3)与机体(1)合成的空间)，(18)为滚动体组群伸缩链。在外力作用下如顺时针方向起动，主轴(7)带动机芯(14)旋转，在离心力和驱动滚(6)的双重作用下，压气滚(5)与气缸(4)内壁密合接触并向前滚动。此时机腔(17)被分割成4个容积不同的腔段，分别是吸气腔(9)，压缩腔(10)，爆炸腔(11)和排气腔(12)。当压缩腔(10)将空气压缩到体积最小时(本实施例举的是柴油机例子)，燃料供给系统(16)开始喷油，因此时气温已在摄氏500度以上，喷进去的雾化油立即燃烧爆炸。气体按每273摄氏度膨胀一倍的定律膨胀作功推动机芯(14)旋转。当所述腔段旋转到容积最大时，此时，在前的压气滚(5)已跟排气口(13)接通排气，当后面一只压气滚(5)通过排气口(13)时，燃烧过的废气已排净。当前面一只压气滚(5)通过进气口(8)时，进气开始，所述后面一只压气滚(5)通过进气口(8)的时，进气量达到最大，压缩过程开始。如此周而复始的工作下去，不断作出功出来。其上转盖(2)、下转盖(3)向滚动体组群伸缩链(18)端面的压迫防泄漏力可采取高压气体力或弹力、液压力等。

本发明零间隙容积式流体压力装置制造的旋转活塞内燃机工作平稳，结构合理。本发明零间隙容积式流体压力装置制造的旋转活塞内燃机有多种变化：如将滚动体组群伸缩链设计安装在泵壳上；上转盖(2)、下转盖(3)双方之间贴近的力可以来源于液压力、弹力、离心力等。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

实施例五

本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的旋转活塞内燃机包括：机体(1)，上转盖(2)和下端盖(3)合成的空腔，和安装在所述空腔内的可以转动的转子(4)、转子径向叶片槽内可以自由滑动的叶片(5)，主轴(6)，进气口(7)，排气口(8)，燃料供给系统(9)。其特征在于：所述可以顺轴向进动的上转盖与转子是同轴旋转的，与机体是滑动摩擦的。

实施例5外部结构如实施例4，内部结构如实施例2，发明特征如实施例2。

实施例六

本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的旋转活塞内燃机包括机体(1)，上转盖(2)，下端盖(3)，转子(5)，叶片(6)、主轴(7)，叶片槽(11)。其特征在于：所述叶片槽(11)在顺轴方向上与主轴(7)轴心线设计有0.1度以上的夹角。

实施例6外部结构如实施例4，内部结构如实施例3，发明特征如实施例3。

本发明的零间隙容积式流体压力装置是对传统的容积式叶片泵和旋转活塞内燃机的重大改进，效果显著，将会产生良好的社会经济效益。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1、本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵包括主轴(7)，泵壳(1)，和可以在泵壳(1)内转动的上转盖(3)、下转盖(4)。其特征在于：所述由泵壳(1)和上转盖(3)、下转盖(4)组合而成的空腔内安装有相互表面之间密合的滚动体((5)、(6))组成的滚动体组群伸缩链(11)。

2、根据权利要求1所述的滚动体组群伸缩链是用磁力吸连的。

3、本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵包括泵壳(1)，上转盖(2)，下端盖(3)，定子(4)，转子(5)，叶片(6)，主轴(7)，进流口(8)，出流口(9)。其特征在于：所述上转盖(2)与转子(4)是共同随主轴(7)一起转动的，并可顺轴向在主轴(7)上进动的，与泵壳(1)是滑动摩擦的。

4、根据权利要求3所述的上转盖(2)在主轴(7)轴向上进动的力来源于弹簧力。

5、根据权利要求3所述的上转盖(2)在主轴(7)轴向上向内进动的力是可调的。

6、本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的泵包括泵壳(1)，上转盖(2)，下端盖(3)，定子(4)，转子(5)，叶片(6)，主轴(7)，进流口(8)，出流口(9)，定位孔(10)，叶片槽(11)。其特征在于：所述叶片槽(11)在顺轴方向上与主轴(7)轴心线设计有0.1度以上的夹角。

7、本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制作的旋转活塞内燃机包括机体(1)，机芯(14)，主轴(7)，燃料供给系统(16)，进气口(8)，排气口(13)。其特征在于：所述机芯(14)是由上转盖(2)、下转盖(3)与机体(1)组合而成的机腔(17)以及安装在机腔(17)内相互表面密合接触的滚动体((5)、(6))组合而成的滚动体组群伸缩链(18)所组成。

8、根据权利要求7所述的滚动体组群伸缩链中的滚动体(4、5)是齿轮形的。

9、本发明的零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的旋转活塞内燃机包括：机体(1)，上转盖(2)和下端盖(3)合成的空腔，和安装在所述空腔内的可以转动的转子(4)、转子径向叶片槽内可以自由滑动的叶片(5)，主轴(6)，进气口(7)，排气口(8)，燃料供给系统(9)。其特征在于：所述可以顺轴向进动的上转盖与转子是同轴旋转的，与机体是滑动摩擦的。

10、本发明零间隙容积式流体压力装置专利技术制造的旋转活塞内燃机包括机体(1)，上转盖(2)，下端盖(3)，转子(5)，叶片(6)、主轴(7)，叶片槽(11)。其特征在于：所述叶片槽(11)在顺轴方向上与主轴(7)轴心线设计有0.1度以上的夹角。

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