CN102016317A - 一种改进的液压驱动机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压驱动的隔膜泵送机器，其包括：柱塞(6)，其可滑动地安装在位于第一和第二风箱状隔膜(4、10)之间的机器液压缸(5)内侧的中间部分上。柱塞(6)的端部连接至第一和第二风箱状隔膜(10)，以分别限定彼此独立的第一和第二外部环形空间(a)，并且第一环形空间(a)中的流体压力独立于第二环形空间(a)中的流体压力。机器还可以包括流体机械式开关，用于改变阀(102)的方向，以在机器循环的给定时间自动控制将液压流体提供至液压缸。

Description

一种改进的液压驱动机器

技术领域

本发明涉及液压驱动机器，尤其用于泵送难以泵送的流体物质，例如矿物质、矿沙、淤泥、悬浮液、泥浆和凝胶等。这些泵送机器在本文中可简单地称为泵或机器。

背景技术

可以用于难以泵送的物质的常规泵送机器具有位移元件，诸如柱塞、柱塞、蠕动软管等。然而，这种位移元件常常经受摩擦磨损，并且机器的驱动件与已泵送的物质没有合适地隔离。

WO2005/119063公开了一种液压驱动的多缸隔膜泵送机器，尤其用于泵送难以泵送的物质。该泵送机器包括多个泵缸，每个泵缸具有带有用于待泵送流体的入口和出口的一端，以及带有用于液压流体的入口和出口的另一端。这些入口和出口可以是分离的入口和出口(用于液压流体)或者组合的入口/出口(用于正泵送的流体物质)。该入口和出口与各自的入口和出口阀相连。

在这种机器中，分离器位于内侧，并且可沿着每个泵缸往复可移动。可移动分离器具有朝向泵缸的已泵送材料端的一侧，以及朝向泵缸的液压流体端的另一侧。该可移动分离器经由第一挠性隔膜而连接至泵缸的已泵送材料端的内侧，所述第一挠性隔膜采取六角手风琴状风箱，其随着可移动分离器沿着泵缸往复移动而沿着泵缸的长度方向在泵缸中可扩展和可收缩。可移动分离器的第一侧在第一风箱状挠性隔膜内限定了第一腔，用于容纳经由入口和出口与已泵送流体歧管和回路相通的体积可变的已泵送流体。可移动分离器还经由第二挠性隔膜而连接至泵缸的第二端内侧，所述第二挠性隔膜采取六角手风琴状风箱，其响应于第一挠性隔膜的扩展和收缩而沿着泵缸的长度方向可收缩和可扩展。可移动分离器的第二侧在第二可扩展和可收缩隔膜中限定了第二腔，用于容纳与第二入口和出口相通的体积可变的液压流体。在第一和第二隔膜的外侧和泵缸的内壁之间限定了环形空间，该环形空间在使用中包含的流体与所述液压流体相同，或者具有类似的液压特性。

该泵送机器由液压泵驱动器直接驱动，显著地简化了机器，并且提供了对所递送的泵送流体流的改变和控制的简单装置。而且，双隔膜设置提供了双重保护，防止已泵送的流体与正泵送的流体混合。

该泵送机器的其它细节在WO2005/119063中有描述，其内容在此引入作为参考。

使用这种机器的补充研究已经阐述了可以改进各个方面，诸如风箱状隔膜运作的可靠性。

发明内容

本发明旨在改进上述类型的机器或者更一般地改进其它液压运作的机器。

本发明的一方面涉及一种对如上所述的液压机器的改进，其中可移动分离器采取柱塞的形式，其可滑动地安装在位于第一和第二风箱状隔膜之间的泵缸内侧的中间部分内，柱塞的一端连接至第一风箱状隔膜，而另一端连接至第二风箱状隔膜，以分别限定第一和第二环形空间，即位于第一风箱状隔膜外侧和泵缸内壁之间的第一环形空间，以及第二风箱状隔膜外侧和泵缸内壁之间的第二环形空间，其中第一和第二环形空间彼此独立，并且第一环形空间中的流体压力独立于第二环形空间中的流体压力。

优选地，柱塞可滑动地安装在固定于泵缸内侧的中间部分的密封元件中。这样，第一和第二环形空间未连接在一起，并且这两个腔中的流体压力值可以彼此不同且独立。柱塞的外径相应于第一和第二风箱状隔膜的中值工作直径，而在运作期间，第一和第二空间的体积保持基本恒定。

上述本发明的结构使得消除或显著减少了风箱状隔膜的径向变形，由此产生更好的可靠性以及增强了隔膜的寿命。

如上所述的液压机器的另一方面或者更一般的任意其它液压机器，其包括：液压缸，其具有一部件，该部件被安装成用于沿着液压缸的循环往复线性运动；用于使阀方向转换以在机器循环的给定时刻控制向液压缸提供液压流体的装置，其中阀方向转换装置包括流体机械式开关，其包括：用于将所述机器部件的线性运动转换成旋转运动的联动装置；由所述联动装置旋转驱动的凸轮；以及弹簧，其设置以通过在所述机器部件的一个冲程期间通过凸轮的旋转而被压缩以存储能量，并且设置以释放其存储的能量以转换所述阀的方向，用于当所述部件沿着液压缸到达其给定位置时控制将液压流体供应至机器的液压缸。

弹簧可以是安装在从凸轮延伸的臂上的压缩弹簧，从而在由联动装置旋转地驱动凸轮时，弹簧的邻接凸轮的端部被压缩，直到弹簧到达不稳定的平衡点，此后弹簧释放其存储的能量，以转换所述阀的方向。例如，当弹簧释放其存储的能量时，其首先突然地驱动凸轮，并且在凸轮转过给定角度之后，凸轮旋转一部件以转换阀的方向。联动装置可以设置以对于所述机器部件的每个冲程，将凸轮转过小于180°的角度。

通过使用该流体机械式开关，液压机器可以运作，而无需电磁激励和电控的方向阀，由此该机器更简单并且更可靠。

该方向转换设备还涉及任何液压循环工作机器，其具有线性移动运作部件并且需要经由开口方向转化而自动控制，以便于实现所需工作循环参数，例如压力值、循环阶段持续时间等。

在详细说明中阐述了本发明的其它方面和优点，并且在权利要求中阐述了本发明的特定特征。

附图说明

作为示例给出的随附示意性附图示出了根据本发明的液压驱动泵送机器的实施例。附图中：

图1是根据本发明的具有四个泵缸的泵送机器的一个实施例的视图；

图2是根据本发明的泵送机器的一个泵缸的横截面视图；

图3是示出流体机械式开关的内部的透视图；

图4概略地示出了安装流体机械式开关的泵缸的局部；以及

图5是示出在根据本发明的流体机械式开关中的弹簧连接到凸轮的拆开透视图。

具体实施方式

本发明的主要改进涉及一种柱塞设备，其用于提供流体分离，并且在辅助方面提供流体机械式开关，应当理解，这两方面单独或共同结合在液压驱动泵送机器中。

柱塞分离流体

图1中所示的液压驱动泵送机器包括一个或多个泵缸5、开关控制系统1和液压驱动单元3。机器通常是多缸机器，并且在PCT专利申请WO2005/119063中详细描述了这种基本液压多缸机器。

为了增加风箱状隔膜的寿命，即减少它们在压力下出现在内部和外部风箱腔之间的径向变形，以下列方式改进了WO2005/119063中所述的基本机器。

泵缸5包含经由柱塞6彼此机械连接的两个风箱4和10(参见图2)，所述柱塞6在工作循环期间在安装于泵缸5的中间高度部中的环形密封元件7内移动。柱塞密封组件6和7代替了前述设计中采用的分离器。

两个注油腔“a”位于泵缸5内风箱4和10的外部。柱塞6在密封元件7中液压地封闭。这允许将每个腔“a”的体积彼此独立。柱塞外径还等于风箱的平均有效直径。这允许在柱塞工作移动期间保持每个腔“a”的体积恒定。因此，每个风箱外部的腔“a”中的压力值由相应风箱内部腔“b”或“c”中的压力值精确指导。

内部风箱腔“b”和“c”中的压力在抽吸和排放循环之间改变，并且其取决于机器工作模式。腔“b”位于风箱状膜10内侧，而腔“c”位于风箱状膜4内侧。

在每个机器工作循环相位期间，腔“b”和“c”的压力值几乎相等，这是因为通过柱塞6的盖将驱动腔压力传送至被驱动腔。例如，在抽吸冲程期间，腔“c”为施加驱动的，腔“b”是被驱动的；而在排放循环期间是相反的。为此，液压必须在足够的压力下进入机器，以克服机械和液压阻力，因为机器不具有任何机械装置以实现抽吸冲程。然而，通常由上述开关设备和其它液压和机械阻力消耗驱动腔能量的小部分，因而，在这些腔“b”和“c”之间产生小压降。

在前述设计中，使用单个和共用的腔“a”，该压降使得腔“a”作为平衡单元，即腔“a”的压力值为腔“b”和“c”的压力值之间的中值。因此，作用在每个风箱的外表面和内表面上的压力值不相等，并且风箱会经受一些径向形变，而其并不设计成这样。

在根据本发明的设计中，腔“b”和“c”之间的压降并不经由腔“a”平衡，因为后者并不液压地连接在一起。腔“b”和“c”中的压力始终经由风箱壁作用在两个独立腔“a”中的流体上。腔“a”中相应的压力精确地补偿了这一作用，并且独立地平衡了作用在内、外风箱表面上的压力值。所实现的平衡消除了径向变形，并且大大地增加了风箱寿命。

在操作期间，腔“a”的压力增加至最小必须值，其足以避免由于流体的低可压缩性而引起的风箱壁的径向变形。该压力不取决于腔“b”和“c”之间的压差，其仅作用于柱塞6的上、下表面上。

根据本发明的设置消除了风箱的附加径向变形，该径向变形不可避免地出现在具有相联腔“a”的前一设计中。

本发明技术方案的另一优点是改善了防止正泵送流体和已泵送流体混合或者相反。在两个腔串连地形成非流体密封的情况下：即，腔“b”和相联腔“a”，前一设计将使得流体变得混合，并且引起相应的机器故障。本技术方案具有两个独立的腔“a”，并且因而在该顺序中多增加了一个腔。由此，其提供了一种三流体保护代替双流体保护。

所述泵工作如下(参见图2)：

在抽吸冲程期间，通过下阀模块9从进口歧管8向风箱4内部的“c”腔中送入已泵送物质。以小压力(例如，3-8巴)泵送该物质，该压力使柱塞6向上移动。相应地，风箱4伸展，而风箱10压缩，这导致泵送液压流体从腔“b”移动至液压驱动系统抽吸歧管。作用在风箱4内表面上“c”腔中的已泵送物质的压力由腔“a”中的作用在风箱4外表面上的流体压力的相应增加而平衡。类似地，腔“b”中压力增加由风箱10外部腔“a”中的流体压力的增加而平衡。一旦完成抽吸冲程，控制系统1切换，并且由液压驱动提供处于高压(例如200巴)下的正泵送液压流体被送入风箱10的“b”腔。这使柱塞6向下移动，这产生释放冲程。在释放冲程期间，风箱10伸展而风箱4压缩。以与先前相应的方式，腔“b”和“c”中的压力(其正在增加)借助于两个独立腔“a”中的压力(其增加)而平衡，其防止风箱4、10在整个释放冲程期间产生径向变形。已压缩的已泵送材料从“c”腔通过阀模块8移动进入释放歧管11。在释放冲程结束时，控制系统1再次切换，而机器工作循环从头开始。

上述根据本发明的结构使得消除或显著减少了在现有结构中作为压差的结果而发生的风箱状隔膜的径向变形，产生了更显著的可靠性，并且增加了隔膜的负载性能。

流体机械式开关

常规地采用电磁驱动或电控方向阀以控制液压机器和机构的循环操作。这些多级的精密复杂控制系统使得液压机器复杂化，并且降低了它们的可靠性。

液压机器可以包括“流体机械式开关”，以简化控制系统，并增加这类机器的可靠性。在该流体机械式开关中，仅通过机械装置切换液压开口的方向，而无需电动或磁性装置。使用流体机械式开关能够拓宽受控机器在恶劣环境状况下的应用领域，并且减少和简化维修、员工训练等。

图3至5的流体机械式开关通常可应用于包括液压缸107的任何液压机器，其具有：一部件，即柱塞106，其安装用于沿着液压缸107而进行循环往复运动；以及用于切换阀102的方向的装置，以控制在机器循环的给定时间将液压流体提供至液压缸。流体机械式开关包括联动装置(螺母108，螺杆109)，用于将柱塞106的线性运动转换成旋转运动；凸轮103，其由所述联动装置可旋转地驱动；以及弹簧115，其设置成在柱塞106冲程期间中被压缩而存储由凸轮103旋转产生的能量。弹簧115一端靠近凸轮103，而另一自由端承载抵靠凸缘114。该弹簧115还被设置以释放其存储的能量，以改变阀102的方向，用于在柱塞106处于沿着液压缸107的给定位置处时控制提供至机器的液压缸107的液压流体。

弹簧115可以是安装在从凸轮103上延伸的臂150(图2)上的压缩弹簧，从而在由联动装置108、109旋转地驱动凸轮103时，弹簧的邻接凸轮的端部被压缩，直到弹簧到达不稳定的平衡点“A”，在经过平衡点A之后，弹簧释放其存储的能量，以转换所述阀102的方向。当弹簧115释放其存储的能量时，其首先突然地驱动凸轮103通过给定角度(例如45°)，随后，随着凸轮103继续旋转，其通过转过例如45°而旋转一部件以使阀102改变方向。

所述联动装置108、109被设置以使得在柱塞106的每个冲程中凸轮转过小于180°的角度。例如，其包括形成螺旋齿轮联动装置的螺母108和螺杆109。

流体机械式开关的工作原理基于消耗一部分机器线性动能。该能量中的一小部分经由螺旋齿轮被带走，并且存储成弹簧115的弹性形变能量。随后释放该存储的能量以在机器工作循环的给定时间形成必须的开口/方向转换。

流体机械式开关可以设计成旋转柱形阀(参见图3)的形式，其包括：固定的外壳101；旋转阀体102；凸轮103；驱动弹簧105；螺旋齿轮108、109，用于将柱塞106的线性运动转换成凸轮103的旋转运动。

当流体机械式开关结合在图1和2的泵送机器中，安装用于沿着泵缸循环往复运动的所述部分是柱塞106或固定至其的其它部件。

所示出的流体机械式开关工作如下。

随着柱塞106的线性运动，螺母108也运动。该运动引起了螺杆109的旋转。螺杆的轴向运动经由轴承和密封单元111而失效。单元111的另一目的是将螺杆109流体密封地保持在盖110内侧。螺杆轴112通过销113和指状物104旋转凸轮103。弹簧115的压缩与凸轮103的旋转同时发生。弹簧还围绕其自由端枢转，并且在柱塞冲程末期到达不稳定的平衡状态点“A”。当弹簧115的横轴与凸轮103的旋转轴交叉时，该不稳定的平衡点相应于弹簧115的最大压缩，即弹簧弹性力处于其最大值，但是未对凸轮施加任何扭矩，几何上不具有杠杆效应。凸轮103的其它小角度旋转引起了小杠杆臂效应，而弹簧115存储的能量开始释放。图5示出了弹簧与平衡位置的侧向偏移，其中弹簧115在其压缩冲程起始时处于较小压缩的状态，准备开始旋转。

枢转超过不稳定的平衡点“A”，弹簧115开始释放所存储的能量，并且开始切换过程，而与柱塞运动无关，即自动地。初始地，弹簧在点“A”后的扩展仅突然地枢转凸轮103，因为其扩展能量仅克服了凸轮连接件113的摩擦力和阻尼器116的液压阻力。后者被设计成稳定弹簧运动速度。在凸轮自由旋转通过约45度之后，其嵌齿117开始作用在阀112的柱栓118上，并且使得阀102发生角运动。凸轮103的进一步旋转产生了旋转阀102通过约45度角的同步旋转，并且相应地使在阀102的阀体和机器外壳101的主体中的流体通道的方向改变。由此，通过旋转阀102，实现了控制机器所需的所需开口方向转换。

球状物紧固件119被设计成将阀的旋转限制在极限位置。阀抵靠着止动件120，并且在旋转结束时由球状物紧固件119固定。

下列特征增加了流体机械式开关的可靠性。

嵌齿117装配有橡胶阻尼器121，以最小化接触柱栓118和止动件120时产生的冲击。

旋转阀102被静态和动态地液压平衡，以补偿径向压力分量，其否则将在阀旋转期间引起不适当的摩擦力。

在整个柱塞冲程期间，发生弹簧115的压缩以均匀地消耗其能量。为此目的，弹簧是挠性的，并且在整个冲程上具有相应的低阻抗变化。

销113的圆形表面“B”由从内泵缸腔引导通过特定通道的平衡压力而保持，并且表面“B”的面积等于轴112的横截面面积以平衡拉拔力，其由于内部泵缸压力而作用在螺杆109上。

流体机械式开关装配有指示器122，以观察阀和柱塞位置、运动方向、速度和工作。除了机械指示器之外，如果需要，可以采用任何有角度传感器以电子地监视机器工作。

凸轮轴上的渐开线花键124和125被设计成在组装处理期间调节柱塞冲程和指示器指针123的位置。

螺钉126被设计成形成对凸轮103的旋转角度和整个流体机械式开关工作的精细调整。

可调连接件127被设计成调整弹簧115的性能。

在初始精细调整之后，流体机械式开关自动运作，即工作机器自行控制。例如，如果柱塞速度改变，阀方向转换仍然继续在正确的时间发生，因为方向转换过程仅取决于柱塞位置，而不取决于速度或加速度。

这样的技术方案提高了机器的可靠性，并且无需任何控制系统的维护。

Claims (9)

1.一种液压驱动的隔膜泵送机器，尤其用于泵送难以泵送的物质，该泵送机器包括：至少一个泵缸(5)，该泵缸的第一端带有用于待泵送流体的第一入口和出口(11)，该泵缸的第二端带有用于液压流体的第二入口和出口(1)，所述第一和第二入口和出口与各自的阀相连；分离器(6)，其位于泵缸内部并且能够沿着泵缸往复移动，所述可移动分离器(6)的第一侧朝向所述泵缸的第一端，而所述可移动分离器(6)的第二侧朝向所述泵缸的第二端，

其中所述可移动分离器(6)经由第一挠性隔膜(4)连接至所述泵缸的第一端的内侧，所述第一挠性隔膜(4)为六角手风琴状风箱的形式，并且随着所述可移动分离器(6)沿着所述泵缸往复移动而沿着所述泵缸的长度方向能够在所述泵缸(5)中扩展和收缩，所述可移动分离器的第一侧在能够扩展和收缩的所述第一挠性隔膜(4)内限定了第一腔(c)，用于容纳与第一入口和出口相通的体积可变的已泵送流体，

所述可移动分离器(6)还经由第二挠性隔膜(10)连接至所述泵缸的第二端的内侧，所述第二挠性隔膜(10)为六角手风琴状风箱的形式，并且对应于所述第一挠性隔膜(4)的扩展和收缩沿着所述泵缸的长度方向能够收缩和扩展，所述可移动分离器的第二侧在能够扩展和收缩的所述第二挠性隔膜(10)中限定了第二腔(b)，用于容纳与所述第二入口和出口相通的体积可变的液压流体；以及

在所述第一和第二挠性隔膜(4、10)的外侧和所述泵缸(5)的内壁之间限定了环形空间(a)，该环形空间(a)在使用中容纳与所述液压流体相同或者具有类似的液压特性的流体，

其特征在于：

所述可移动分离器(6)为柱塞的形式，并且所述柱塞可滑动地安装在位于所述第一和第二挠性隔膜(4、10)之间的所述泵缸(5)内部的中间部分，所述柱塞的一端连接至所述第一挠性隔膜(4)，而所述柱塞的另一端连接至所述第二挠性隔膜(10)，以限定各自的第一和第二环形空间，即位于所述第一挠性隔膜(4)外侧和所述泵缸(5)内壁之间的第一环形空间以及位于所述第二挠性隔膜(10)外侧和所述泵缸(5)内壁之间的第二环形空间，其中所述第一和第二环形空间彼此独立，并且所述第一环形空间中的流体压力独立于所述第二环形空间中的流体压力。

2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述柱塞(6)可滑动地安装在固定于所述泵缸(5)内侧的中间部分内的密封元件(7)上。

3.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述柱塞(6)的外径等于所述第一和第二挠性隔膜(4、10)的中值工作直径。

4.根据权利要求1、2或3所述的机器，其中，在工作期间，所述第一和第二环形空间的体积保持基本恒定。

5.根据上述权利要求中任意一项所述的机器，其包括用于自动切换阀(102)的方向的装置，以控制在机器循环的给定时间将液压流体提供至液压缸，其中所述用于自动切换阀的方向的装置包括流体机械式开关，该流体机械式开关包括：

联动装置(108，109)，用于将机器部件(106)的线性运动转换成旋转运动；

凸轮(103)，其由所述联动装置(105，109)可旋转地驱动；以及

弹簧(115)，其被布置成在所述机器部件(106)的冲程期间由所述凸轮(103)旋转而压缩以存储能量，并且被布置成在所述机器部件(106)沿着液压缸(107)处于指定位置时释放其存储的能量，以改变所述阀(102)的方向，用于控制提供至所述液压缸(107)的液压流体，即用于控制机器工作循环。

6.根据权利要求5所述的机器，其中，所述弹簧(115)是安装在从所述凸轮(103)延伸的臂(150)上的压缩弹簧，从而在所述联动装置(108、109)旋转地驱动所述凸轮(103)时，所述弹簧邻接所述凸轮的端部被压缩，直到所述弹簧到达不稳定的平衡点“A”，在经过该平衡点后，所述弹簧释放其存储的能量以转换所述阀(102)的方向。

7.根据权利要求6或7所述的机器，其中，所述弹簧释放其存储的能量时，所述弹簧首先突然地驱动所述凸轮(103)，并且在所述凸轮(103)旋转通过了给定角度时，所述凸轮(103)旋转一部件以使所述阀(102)改变方向。

8.根据权利要求5、6或7所述的机器，其中，所述联动装置(108、109)被设置成使得在所述机器部件(106)的每个冲程中使所述凸轮转动小于180°的角度。

9.根据权利要求5至8中任意一项所述的机器，其中，所述联动装置(108、109)是包括螺母(108)和螺杆(109)的螺旋齿轮联动装置。

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