CN102913407B - 一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，包括有两路泵单元，每路泵单元包括有泵头、传动部分、凸轮、电机、电控部分，泵头上包括有泵头腔体，泵头腔体的上、下侧分别设有输入接口和输出接口，各泵头的输入接口通过低压三通相连、输出接口通过高压三通相连。本发明的高压泵泵头内部装配的柱塞杆和传动部分内部装配的传动杆之间通过柱塞杆弹簧形变产生的压力接触在一起，接触方式为锥面与平面接触；利用程序控制步进电机运行，通过传动机构带动两路180°相位差的凸轮运转，通过两路传动杆带动柱塞杆左右往复运动，达到整体对外平稳输液的效果；由于采用了两级悬浮传动技术，极大减小了整个结构的径向摩擦，提高了系统长时间耐压和使用寿命。

Description

一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵

技术领域

本发明属于恒流柱塞泵，涉及一种适用于分析型高效液相色谱仪的高压泵，也可以用在其他液体性质、流量和压力范围相当的恒流输液环境。

背景技术

液相色谱技术以其广泛的适应性，成为了实验室最常用的分析方法之一。其试验的工具是高效液相色谱仪，高压恒流泵是高效液相色谱仪的一个核心部件。高压恒流泵输液的平稳程度，直接影响整套仪器的分析重复性和最小检测限等。其运动密封部件的寿命决定整套仪器的正常免维护使用寿命。

现有的高压泵，如图1所示，均是在弹簧6的弹力作用下，通过凸轮10的圆周运动，带动传动杆7做往复运动，从而使得柱塞杆3做左右的往复运动，以改变泵腔体4的容积。当柱塞杆向右运动时，单向阀2开启、1关闭，液体被吸入泵腔体4；当柱塞杆向左运动时，单向阀1开启、2关闭，液体被推出泵腔体4，达到对外稳定输液的效果，当凸轮10此时的半径变大的规律符合等速螺线要求时，输出液体达到恒流要求。由此形成了半个周期的恒流输出。当两路这样的柱塞泵并联，并且对外输液时序相差半个周期时，组成的双路泵理论是达到全周期对外恒流输液，如图2。

但是实际使用中，并非如此。首先：在使用基于目前的加工精度限制，高压恒流泵的传动部分和柱塞杆同轴度和整体平直度不可能做到无限高，实际装配中存在超过50微米的误差，出现图3a、3b中出现的误差X和Φ。而目前的高压泵设计中柱塞杆和传动杆之间都是硬连接，也就是图3中的柱塞杆组件3和传动杆7之间通过螺丝、螺纹等各种不同的方式连接在一起。这样的整个装配结构在运动过程中，如图3所示柱塞杆组件3的宝石杆部分与密封圈9之间，存在一定程度的径向压力，压力来源于泵头11的腔体4与后级驱动部分8的中间腔体不同心，整个结构其他部件均为金属件，最软的部分是密封圈9，因为密封圈9极易磨损，导致系统耐压和寿命两项重要指标下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，该高压恒流泵采用两路柱塞杆和传动杆二级悬浮方式设计。

本发明采用如下设计：

一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，其特征在于：包括有两路泵单元，所述的每路泵单元包括有泵头、传动部分、凸轮、电机、电控部分，所述的泵头上包括有泵头腔体，泵头腔体中设有柱塞杆，柱塞杆与泵头腔体的内壁之间设有密封圈，密封圈内壁与柱塞杆外壁之间留有微小空隙，柱塞杆伸出泵头腔体的一端外部套装有一个复位弹簧，复位弹簧的一端固定在泵头上，复位弹簧的另一端抵在一个弹簧限位块上，弹簧限位块的两端分别通过一个螺柱固定在泵头上，两个螺柱均与复位弹簧平行，螺柱的一端固定在泵头中，所述的柱塞杆伸出泵头腔体的一端的端部套装有柱塞金属座，柱塞金属座的外侧的端面为锥面；所述的传动部分包括有驱动腔体，泵头固定在驱动腔体上，驱动腔体内部设有传动杆，传动杆与驱动腔体的内壁之间设有直线轴承，直线轴承固定在驱动腔体的内孔中，直线轴承内壁与传动杆外壁之间留有微小空隙；柱塞金属座的锥面抵在传动杆的一端的端部，传动杆的另一端伸出驱动腔体且固定安装有传动轴承，传动轴承的外侧设有一个由电机带动做圆周运动的凸轮，电机连接有驱动器，所述的电控部分的控制器内置控制程序，电控部分的控制端分别与各个泵单元的驱动器控制连接；所述的泵头腔体的上、下侧分别设有一个输入接口和一个输出接口，且每个接口内设有一个单向阀，各泵头的输入接口通过一个低压三通相连、输出接口通过一个高压三通相连，低压三通的第三端口接溶剂瓶，高压三通的第三端口接入高效液相色谱仪的后级部件；两路泵单元中的两个凸轮的相位差相差180o，步进电机在控制电路的内置程序控制下，带动对应凸轮按预定程序转动，进而横向推动传动杆上传动轴承运动，带动传动杆整体按预定程序进行往复直线运动，由此柱塞杆也同时按预定程序进行往复直线运动，使得泵头每个运行周期内对外恒流输液半周期、恒流吸液半周期。

所述的固定弹簧定位块的两个螺柱从泵头中旋进驱动腔体中，将泵头固定在驱动腔体上。

所述的电控部分的内置控制程序包括有电机的转速和方向，内置控制程序的参数可实时调节。

本发明的有益效果在于：

本发明的高压泵泵头内部装配的柱塞杆和传动部分内部装配的传动杆之间通过柱塞杆弹簧形变产生的压力接触在一起，接触方式为锥面与平面接触；利用程序控制步进电机运行，通过传动机构带动两路180°相位差的凸轮运转，通过两路传动杆带动柱塞杆左右往复运动，达到整体对外平稳输液的效果；由于采用了两级悬浮传动技术，极大减小了整个结构的径向摩擦，提高了系统长时间耐压和使用寿命。

附图说明

图1为现有的高压泵的一个泵单元的结构示意图。

图2为现有的高压泵的结构示意图。

图3a为出现误差X的示意图。

图3b为穿线误差Φ的示意图。

图4为本发明的一个泵单元的结构示意图。

图5为本发明的一个泵单元的装配图。

图6为装配完成后柱塞杆和传动杆的局部放大图。

图7为本发明的本发明的整体示意图。

图8为本发明的电控部分的控制示意图。

具体实施方式：

如图4、5、6、7、8所示，一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，包括有两路泵单元，每路泵单元包括有泵头4、传动部分、凸轮10、电机17、电控部分5，泵头4上包括有泵头腔体11，泵头腔体11中设有柱塞杆3，柱塞杆3与泵头腔体11的内壁之间设有密封圈9，密封圈9内壁与柱塞杆3外壁之间留有微小空隙，柱塞杆3伸出泵头腔体11的一端外部套装有一个复位弹簧12，复位弹簧12的一端固定在泵头4上，复位弹簧12的另一端抵在一个弹簧限位块13上，弹簧限位块13的两端分别通过一个螺柱14固定在泵头4上，两个螺柱14均与复位弹簧12平行，柱塞杆3伸出泵头腔体11的一端的端部套装有柱塞金属座15，柱塞金属座15的外侧的端面为锥面；传动部分包括有驱动腔体8，泵头4固定在驱动腔体8上，驱动腔体8内部设有传动杆7，传动杆7与驱动腔体8的内壁之间设有直线轴承6，直线轴承6固定在驱动腔体8的内孔中，直线轴承6内壁与传动杆7外壁之间留有微小空隙；柱塞金属座15的锥面抵在传动杆7的一端的端部，传动杆7的另一端伸出传动部分且固定安装有传动轴承16，传动轴承16的外侧设有一个由电机17带动做圆周运动的凸轮10，电机17连接有驱动器18，电控部分5的控制器内置控制程序，电控部分的控制端分别与各个泵单元的驱动器18控制连接；泵头腔体11的上、下侧分别设有一个输入接口1和一个输出接口2，且每个接口内设有一个单向阀19，各泵头4的输入接口1通过一个低压三通相连、输出接口2通过一个高压三通相连，低压三通的第三端口接溶剂瓶，高压三通的第三端口接入高效液相色谱仪的后级部件；两路泵单元中的两个凸轮10的相位差相差180o，电机17在控制器的内置程序控制下，带动对应凸轮10按预定程序转动，进而横向推动传动杆上传动轴承16运动，带动传动杆7整体按预定程序进行往复直线运动，由此柱塞杆3也同时按预定程序进行往复直线运动，使得泵头4每个运行周期内对外恒流输液半周期、恒流吸液半周期。

固定弹簧定位块13的两个螺柱14从泵头4中旋进驱动腔体8中，将泵头4固定在驱动腔体8上。

电控部分5的内置控制程序包括有电机的转速和方向，内置控制程序的参数可实时调节。

如图5所示，在泵头腔体11上下侧安装孔中装入单向阀1和2，保证单向阀的通过放下为从下向上，从右侧装入密封圈9、复位弹簧12和弹簧限位块13，通过两个定位螺柱14固定。在将柱塞杆组件3从右向左插入，穿过密封圈9所示的高压、低压密封圈，推到与复位弹簧正常接触即可。泵头可独立装配成一个整体，同样在维护时可整体拆下，按相反方向取出柱塞杆，这样可有效避免柱塞杆硬连接是柱塞杆易断裂的情况出现，使得终端用户自己更换密封圈风险更小。

当柱塞杆按图4所示的视图中向右运动时，单向阀2开启、1关闭，液体被吸入泵腔体4；当柱塞杆向左运动时，单向阀1开启、2关闭，液体被推出泵腔体4，达到对外稳定输液的效果，当凸轮10此时的半径变大的规律符合等速螺线要求时，输出液体达到半个周期恒流要求。在这整个吸液/输液过程中，柱塞杆组件3始终靠密封圈9悬浮定位，当泵头内部密封圈9对应的两个固定位置有少量的同心度偏差时，由于密封圈9的弹性和柱塞杆组件3悬浮定位，可有效减少系统内部的径向压力，从而有效减小液路部分摩擦，延长寿命。

如图4所示，在正常运行时，高压恒流泵的电控部分根据编制的程序，控制步进电机以一定的速度运转，步进电机通过传动装置与凸轮10相连，带动凸轮10以设定的速度和加速度运转；传动部分又传动杆7和顶端的传动轴承16组成，

传动轴承直接与凸轮10接触，凸轮10运转时会横向推动轴承运动，带动传动杆7整体运动，从而将凸轮10的转动转化为传动7的左右平动。传动杆7采用悬浮方式，通过直线轴承组6装配到驱动腔体9中。直线轴承组6通过紧配合设计固定在驱动腔体9的内孔中，传动杆组件7采用悬浮方式穿过直线轴承，可自由做往复运动，直线轴承内部的润滑油可以有效对两者的相互运动起润滑作用。同时整个传动杆悬浮在直线轴承内，当两者之间有少量间隙时，可以自动调节，保持长期平稳运行，不至于有严重影响寿命的磨损。

如图4所示，将装配好的泵头通过螺柱14固定到驱动腔体9上，使两者连成一体。逐步上紧螺柱14的过程中，凸轮10、传动杆7、柱塞杆3和复位弹簧12之间有个预紧作用，使得系统内部不会有空程出现。

泵头通过螺栓和驱动腔体相连，成为一个整体，可完成输液功能。如图6所示为装配完成后柱塞杆和传动杆的局部放大图，泵头内部装配的柱塞杆组件3和传动部分内部装配的传动杆之组件7间通过柱塞杆弹簧形变产生的压力接触在一起，接触方式为锥面与平面接触，取消了通常设计的硬连接方式，形成单点接触方式。

由于加工和装配误差，当出现类似图3a所示的累计误差X时，由于柱塞杆组件3和传动杆之组件7均在各自运行框架内部悬浮运动，可保持基本没有径向压力传递到密封部位。

由于加工和装配误差，当出现类似图3b所示的累计误差Φ时，由于柱塞杆组件3和传动杆之组件7单点接触，可大大减少尺寸公差导致相互之间径向压力差对密封部位的单侧摩擦现象，极大延长密封圈寿命。

如图7所示，由两路泵单元组成，配合泵单元的液路输入接口通过低压三通相连同时接到溶剂瓶，输出接口通过高压三通连接后输出到高效液相色谱仪的后级部件。对于两路泵单元组成的高压恒流泵系统，电控部分同时控制凸轮组的两路凸轮同步运动，两路凸轮相位差为180°，叠加两路半个周期的恒流输出功能，整体运行时达到任何时候泵对外输液都是恒流的效果。

Claims (3)

1.一种基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，其特征在于：包括有两路泵单元，每路泵单元包括有泵头、传动部分、凸轮、电机、电控部分，所述的泵头上包括有泵头腔体，泵头腔体中设有柱塞杆，柱塞杆与泵头腔体的内壁之间设有密封圈，密封圈内壁与柱塞杆外壁之间留有微小空隙，柱塞杆伸出泵头腔体的一端外部套装有一个复位弹簧，复位弹簧的一端固定在泵头上，复位弹簧的另一端抵在一个弹簧限位块上，弹簧限位块的两端分别通过一个螺柱固定在泵头上，两个螺柱均与复位弹簧平行，所述的柱塞杆伸出泵头腔体的一端的端部套装有柱塞金属座，柱塞金属座的外侧的端面为锥面；所述的传动部分包括有驱动腔体，泵头固定在驱动腔体上，驱动腔体内部设有传动杆，传动杆与驱动腔体的内壁之间设有直线轴承，直线轴承固定在驱动腔体的内孔中，直线轴承内壁与传动杆外壁之间留有微小空隙；柱塞金属座的锥面抵在传动杆的一端的端部，传动杆的另一端伸出驱动腔体且固定安装有传动轴承，传动轴承的外侧设有一个由电机带动做圆周运动的凸轮，电机连接有驱动器，所述的电控部分的控制器内置控制程序，电控部分的控制端分别与各个泵单元的驱动器控制连接；所述的泵头腔体的上侧设有一个输入接口、泵头腔体的下侧设有一个输出接口，输入接口、输出接口内各设有一个单向阀，各泵头的输入接口通过一个低压三通相连、输出接口通过一个高压三通相连，低压三通的第三端口接溶剂瓶，高压三通的第三端口接入高效液相色谱仪的后级部件；两路泵单元中的两个凸轮的相位差相差180^o，步进电机在控制电路的内置程序控制下，带动对应凸轮按预定程序转动，进而横向推动传动杆上传动轴承运动，带动传动杆整体按预定程序进行往复直线运动，由此柱塞杆也同时按预定程序进行往复直线运动，使得泵头每个运行周期内对外恒流输液半周期、恒流吸液半周期。

2. 根据权利要求1所述的基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，其特征在于：固定弹簧限位块的两个螺柱从泵头中旋进驱动腔体中，将泵头固定在驱动腔体上。

3. 根据权利要求1所述的基于两级悬浮传动技术的高压恒流泵，其特征在于：所述的电控部分的内置控制程序包括有电机的转速和方向，内置控制程序的参数可实时调节。