CN103256256B - 一种机床冷却泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床冷却泵，叶轮为全开旋涡式长叶片结构，叶片长度等于1/6~1/4的叶轮外径D2长度；叶轮与泵体之间轴向间隙d1为0.1mm~0.3mm；泵盖上设有环形凸起用于调节泵盖与叶轮之间轴向间隙d2到0.1mm~0.3mm；在泵体上开设的进水口周向以泵盖上隔舌位置A为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域。本发明利用新型旋涡式叶轮与泵盖及泵体端面严格的配合，保证与叶轮的配合间隙，从而保证小流量、高扬程的冷却液输送要求，并提升效率；随着扬程的提高，可减小进水口到冷却液箱体底部的距离，提高冷却液的利用率，从而实现高效、小流量、高扬程的特性要求，可广泛应用于机床冷却。

Description

一种机床冷却泵

技术领域

本发明属于冷却泵领域，具体涉及一种具有高效高扬程输送的机床冷却泵技术。

背景技术

机床冷却泵大多安装于既定冷却液箱体上方，主要由泵盖1、泵体3、泵轴4组成，叶轮2安装在泵盖1内，与泵盖及泵体同轴，电机带动叶轮旋转输送冷却液为机加工零件进行冷却。其泵头部分，如图1所示，主要由泵盖1、叶轮2、泵体3和泵轴4组成，浸入冷却液内，其最大径向尺寸受箱体上方圆孔尺寸限制，以保证安装好冷却泵后铁屑等杂质不进入箱体。

随着机床主轴转速大幅提高，对机床冷却泵的扬程要求越来越高，即需要加大冷却液的压力，以保证对加工零件的冷却效果，提高被加工件的加工精度，同时保护刀具不被烧坏。机床冷却泵安装在冷却液箱体上部，在箱体内泵的总装长度也受泵扬程的限制，而泵头冷却液进水口到箱体底部的深度直接影响到冷却液的利用效率，该距离越小越有利于冷却液的循环和更新。

同时，机床冷却泵的所需流量通常较小，而小流量、高扬程冷却液的输送属于典型的低比转数离心泵范畴。按常规低比转数离心泵设计理论进行单级叶轮设计，可以实现扬程的明显提升，但配套功率较大、效率偏低；如采用多级叶轮设计虽可以提高效率，但需要增加导水部件，使整个泵的结构复杂化；旋涡泵从理论上讲可以用于小流量、高扬程场合的输送，且有相对较高的效率和较好的自吸能力，但目前市场上没有旋涡式叶轮用于机床冷却泵的报道，因为传统的旋涡泵对径向和轴向间隙均有较为严格的要求，加工精度和成本较高，且有较大的安装和维修难度。

经检索，与一种机床冷却泵相关的专利有如下：机床冷却泵，申请号：201210444813.0，是一种常规机床冷却泵，主要特点在于配有电机冷却装置，可以延长机床冷却泵的使用寿命。中扬程机床冷却泵，申请号：201120311771.4，是一种采用常规的闭式离心叶轮结构，在泵体上开设导流槽的机床冷却泵，可以使冷却泵的扬程得到少许提升。

现有技术中的机床冷却泵，叶轮主要为半开式离心叶轮，即叶轮进口侧为开放式，泵体通常采用环形或者螺旋形过流截面设计，叶轮叶片与泵体间有较大轴向空腔，这就造成水泵运转时高压流体在空腔内空转存在较大的旋涡损失，因而此类泵的扬程和效率均较低。

发明内容

本发明提供一种机床冷却泵，以提高机床冷却泵的单级扬程和效率。

为了解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种机床冷却泵，主要由泵盖(1)、叶轮(2)、泵体(3)、泵轴(4)组成，从下而上依次同轴设置；泵盖(1)和泵体(3)固接；叶轮(2)位于泵盖(1)与泵体(3)之间，并与泵盖(1)与泵体(3)之间分别留有轴向间隙；叶轮(2)与泵轴(4)固接，并可相对泵盖(1)与泵体(3)沿周向转动；泵盖(1)上对应叶片宽度b位置设有径向过流通道C；泵体(3)上开设有进水口(5)及出水孔(6)，均与所述过流通道相通；所述出水孔(6)的入口，其周向以泵盖(1)上喉部位置B为止点，其径向位置在泵盖(1)与泵体(3)最大径向间隙之内；泵轴(4)贯穿叶轮(2)及泵体(3)，与泵盖(1)留有轴向间隙；其特征在于：叶轮(2)为全开旋涡式长叶片结构，叶片长度等于1/6～1/4的叶轮外径长度；叶轮(2)与泵体(3)之间轴向间隙d1为0.1mm～0.3mm；泵盖(1)上设有环形凸起(8)和凹入过流通道D，用于调节泵盖(1)与叶轮(2)之间轴向间隙d2到0.1mm～0.3mm；在泵体(3)上开设的进水口(5)，其周向以泵盖(1)上隔舌位置A为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域。

所述叶片的工作面PP为平面，所述叶片的截面为梯形、三角形或半圆型结构中的任一种。

在所述过流通道C是截面形状为矩形、梯形或梨形的螺旋形径向过流通道。

在所述过流通道D截面为矩形或半圆形。

所述进水口的形状可以为扇形、圆形、方形中的任一种。

本发明具有有益效果。本发明通过泵体及泵盖结构设计改进，利用新型旋涡式叶轮与泵盖及泵体端面严格的配合，保证与叶轮的配合间隙，从而保证小流量、高扬程的冷却液输送要求，并提升效率；通过减小冷却液进水口5到箱体底部的轴向尺寸，提高冷却液的利用率，从而实现高效、小流量、高扬程的特性要求；可利用单级叶轮即实现所要求的小流量、高扬程的输送，结构紧凑简单，加工工艺较易实现，配套电机功率较小；且可处理液体内夹带气体即冷却液箱内没有及时补油，甚至在某些情况下包含固体颗粒或磨屑的场合时也可短暂工作，具有广阔的市场前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明机床冷却泵泵头部分结构示意图。

图中:1.泵盖，2.叶轮，3.泵体，4.泵轴，5.进水口，6.出水口，8.环形凸起，d1为叶轮与泵体轴向间隙尺寸，d2为叶轮与泵盖轴向间隙尺寸，C为泵盖上对应叶轮宽度的径向过流通道，D为泵盖上凹入部分的过流流道。

图2是本发明叶轮2结构示意图。

图中：D2为叶轮外径，b为叶片宽度，PP为叶片工作面。

图3为主要水力设计参数。

D为开式叶轮重心直径，b为叶片宽度，c为流道D轴向宽度，h为流道D径向宽度，y为叶轮端面空刀处密封尺寸，d1和d2分别为叶轮与泵体及泵盖的轴向间隙。

图4是本发明泵盖1结构示意图。

A位置为螺旋形流道隔舌位置，对应叶轮与泵盖最小径向尺寸；

B位置为螺旋形流道喉部位置，对应叶轮与泵盖最大径向尺寸；

θ为隔舌包角，也是A、B两个位置之间夹角。

图5是本发明泵体3结构示意图。

图6本发明机床冷却泵实施例3结构示意图，其中叶轮截面为梯形，过流流道D为环形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步详细说明。

以下实施例的设计参数均为：额定流量Q：0.65m³/h；额定扬程H：19m；最高扬程25m；转速n＝2900r/min；最大配套功率P_max：300W；油箱最大允许径向尺寸110mm。

实施例一

如图1本发明机床冷却泵泵头部分结构示意图所示，本发明主要由泵盖1、叶轮2、泵体3、泵轴4组成，从下而上依次同轴设置；泵盖1和泵体3通过紧定螺钉固接；叶轮2位于泵盖1与泵体3之间，并与泵盖1与泵体3之间分别留有轴向间隙d1＝0.1mm和d2＝0.1mm；叶轮2与泵轴4固接，并相对泵盖1与泵体3沿周向转动；泵盖1上对应叶轮宽度b位置设有径向过流通道C，并设有环形凸起8和凹入过流通道D；泵体3上开设有进水口5及出水孔6，均与所述过流通道C和D相通；泵轴4贯穿叶轮2及泵体3，与泵盖1留有轴向间隙。

图2是本发明叶轮2结构示意图，考虑到机床冷却泵的应用场合，介质内不可避免会有少量杂质存在，因而叶轮2采用全开式旋涡长叶片结构，叶片的工作面PP为平面，叶片截面为三角形；

图3为主要水力设计参数示意图，对开式叶轮、矩形截面过流通道D：

(1)叶片宽度b按式(1)计算：

$b=k{\left(\frac{Q}{{\mathrm{\η}}_v{K}_v}\right)}^{1/2}{\left(\frac{\mathrm{\ψ}}{H}\right)}^{1/4}=0.36{\left(\frac{0.65/3600}{0.7\×0.6}\right)}^{1/2}{\left(\frac{4.6}{19}\right)}^{1/4}=0.005m---\left(1\right)$

式中k为叶片宽度系数，矩形流道开式叶轮k＝0.36；取b＝5mm。

(2)按下列关系计算：b/c＝1.07，h＝2c，

所以：c＝1.07b＝5.4mm，取c＝6mm；h＝2c＝12mm。

(3)本设计为了实现扬程的较大提升，与常规旋涡泵叶片设计不同，取e＝h＝12mm

(4)D为开式叶轮流道重心直径，按式(2)估算，式中Ψ为扬程系数，对应该设计参数Ψ＝4.6。

$D=\frac{84.6}{n}\sqrt{\frac{H}{\mathrm{\Ψ}}}=\frac{84.6}{2900}\sqrt{\frac{19}{4.6}}\≈0.065m---\left(2\right)$

取D＝75mm。

(5)则叶轮外径D2＝D+1.5h＝0.075+0.018＝0.093m，取D2＝96mm；能满足整体结构最大径向尺寸不大于110mm要求；此时叶片长度约为h+e＝24mm，为叶轮外径D2的1/4。

(6)叶片数的选择

一般Z＝24～60。随着叶片数的增加，扬程增加显著，但功率也随之增加，同时考虑叶轮直径和制造精度等，此实例取Z＝24。

(7)叶轮端面空刀处密封尺寸y的确定

对于输送小流量的场合，端面容易研磨，结构上要求该值不能太大，本例取y＝3mm。

图4是本发明泵盖1结构示意图，过流流道C的截面形状为矩形，A为螺旋形过流流道C隔舌位置，对应叶轮与泵盖最小径向尺寸；B为螺旋形过流流道C喉部位置，对应叶轮与泵盖最大径向尺寸；θ为隔舌包角，也是A、B两个位置之间夹角，隔舌的宽度要大于两个叶片的间距，本实例取θ＝60度，以保证有效地隔开出口高压区和进口低压区；泵盖1上设有环形凸起8和凹入过流通道D，用于调节泵盖1与叶轮2之间轴向间隙d2到0.1mm；此例中，凹入过流通道D与流道C对应，按螺旋形流道轴向延伸c＝6mm的距离。

图5是本发明泵体3结构示意图，其上开设有进水口5及出水孔6，与所述过流通道C和D相通；所述出水孔6的入口，其周向以泵盖1上喉部位置A为止点，其径向位置在泵盖1与泵体3最大径向间隙之内；所述进水口5，其周向以泵盖1上隔舌位置B为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域，进口采用扇形进口，满足名义进口直径d，对于开式叶轮单侧流道时，名义进口直径d≥b+c＝0.004+0.006＝0.011m。

实施例二

该实施例中的机床冷却泵同样由泵盖1、叶轮2、泵体3和泵轴4从下而上依次同轴设置；泵盖1和泵体3固接；叶轮2位于泵盖1与泵体3之间，并与泵盖1与泵体3之间分别留有轴向间隙为d1＝0.3mm和d2＝0.3mm；叶轮2与泵轴4固接，并相对泵盖1与泵体3沿周向转动；泵盖1上对应叶轮宽度b位置设有径向过流通道C，并设有环形凸起8和凹入过流通道D；泵体3上开设有进水口5及出水孔6，与所述过流通道C和D相通；泵轴4贯穿叶轮2及泵体3，与泵盖1留有轴向间隙。

图2是本发明叶轮2结构示意图，考虑到机床冷却泵的应用场合，介质内不可避免会有少量杂质存在，因而叶轮2采用全开式旋涡长叶片结构，叶片的工作面PP为平面，叶片截面为梯形。

图3为主要水力设计参数示意图，对开式叶轮、矩形截面过流通道D：

(1)叶片宽度b按式(1)计算：

$b=k{\left(\frac{Q}{{\mathrm{\η}}_v{K}_v}\right)}^{1/2}{\left(\frac{\mathrm{\ψ}}{H}\right)}^{1/4}=0.36{\left(\frac{0.65/3600}{0.7\×0.6}\right)}^{1/2}{\left(\frac{4.6}{19}\right)}^{1/4}=0.005m---\left(1\right)$

式中k为叶片宽度系数，矩形流道开式叶轮k＝0.36；取b＝5mm。

(2)按下列关系计算：b/c＝1.07，h＝2c，

所以：c＝1.07b＝5.4mm，取c＝5mm；h＝2c＝10mm；

(3)本设计为了实现扬程的较大提升，与常规旋涡泵叶片设计不同，取e＝h＝10mm

(4)D为开式叶轮流道重心直径，按式(2)计算，Ψ为扬程系数，对应该设计参数Ψ＝4.6。

$D=\frac{84.6}{n}\sqrt{\frac{H}{\mathrm{\Ψ}}}=\frac{84.6}{2900}\sqrt{\frac{19}{4.6}}\≈0.065m---\left(2\right)$

取D＝75mm。

(5)则叶轮外径D2＝D+1.5h＝0.075+0.018＝0.093m取D2＝100mm；能满足整体结构最大径向尺寸不大于110mm要求，此时叶片长度约为h+e＝20mm，为叶轮外径D2的1/5。

(6)叶片数的选择

一般Z＝24～60。随着叶片数的增加，扬程增加显著，但功率也随之增加，同时考虑叶轮直径和制造精度等，此实例取Z＝24。

(7)叶轮端面空刀处密封尺寸y的确定

对于输送小流量的场合，端面容易研磨，结构上要求该值不能太大，本例取y＝3mm。

图4是本发明泵盖1结构示意图，过流流道C的截面形状为梯形，A为螺旋形过流流道C隔舌位置，对应叶轮与泵盖最小径向尺寸；B为螺旋形过流流道C喉部位置，对应叶轮与泵盖最大径向尺寸；θ为隔舌包角，也是A、B两个位置之间夹角，隔舌的宽度要大于两个叶片的间距，本实例取θ＝60度，以保证有效地隔开出口高压区和进口低压区；泵盖1上设有环形凸起8和凹入过流通道D，用于调节泵盖1与叶轮2之间轴向间隙d2到0.3mm；此例中，凹入过流通道D与流道C喉部位置径向尺寸，按环形流道轴向延伸尺寸c＝5mm的距离，其示意图如图6所示。

图5是本发明泵体3结构示意图，其上开设有进水口5及出水孔6，与所述过流通道C和D相通；所述出水孔6的入口，其周向以泵盖1上喉部位置B为止点，其径向位置在泵盖1与泵体3最大径向间隙之内；所述进水口5，其周向以泵盖1上隔舌位置A为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域，进口采用圆形进口，满足名义进口直径d，对于开式叶轮单侧流道时，名义进口直径d≥b+c＝0.005+0.005＝0.010m。

实施例三

本实施例中的机床冷却泵由泵盖1、叶轮2、泵体3和泵轴4从下而上依次同轴设置；泵盖1和泵体3固接；叶轮2位于泵盖1与泵体3之间，并与泵盖1与泵体3之间分别留有轴向间隙d1＝0.2mm和d2＝0.2mm；叶轮2与泵轴4固接，并相对泵盖1与泵体3沿周向转动；泵盖1上对应叶轮宽度b位置设有径向过流通道C，并设有环形凸起8和凹入过流通道D；泵体3上开设有进水口5及出水孔6，与所述过流通道C和D相通；泵轴4贯穿叶轮2及泵体3，与泵盖1留有轴向间隙。

图2是本发明叶轮2结构示意图，考虑到机床冷却泵的应用场合，介质内不可避免会有少量杂质存在，因而叶轮2采用全开式旋涡长叶片结构，叶片的工作面PP为平面，叶片截面为半圆形；

图3为主要水力设计参数示意图，对开式叶轮、圆形截面过流通道D：

(1)叶片宽度b按式(1)计算：

$b=k{\left(\frac{Q}{{\mathrm{\η}}_v{K}_v}\right)}^{1/2}{\left(\frac{\mathrm{\ψ}}{H}\right)}^{1/4}=0.36{\left(\frac{0.65/3600}{0.7\×0.6}\right)}^{1/2}{\left(\frac{4.6}{19}\right)}^{1/4}=0.005m---\left(1\right)$

式中k为叶片宽度系数，圆形截面过流通道开式叶轮k＝0.3，取b＝4.5mm。

(2)按下列关系计算：c＝b＝4.5mm；h＝2b＝9mm；

(3)本设计为了实现扬程的较大提升，与常规旋涡泵叶片设计不同，取e＝0.67h＝6mm

(4)D为开式叶轮流道重心直径，按式(2)计算，Ψ为扬程系数，对应该设计参数Ψ＝4.6。

$D=\frac{84.6}{n}\sqrt{\frac{H}{\mathrm{\Ψ}}}=\frac{84.6}{2900}\sqrt{\frac{19}{4.6}}\≈0.065m---\left(2\right)$

取D＝75mm。

(5)则叶轮外径D2＝D+1.5h＝0.075+0.018＝0.088m取D2＝90mm；能满足整体结构最大径向尺寸不大于110mm要求，此时叶片长度约为h+e＝15mm，为叶轮外径D2的1/6。

(6)叶片数的选择

一般Z＝24～60。随着叶片数的增加，扬程增加显著，但功率也随之增加，同时考虑叶轮直径和制造精度等，此实例取Z＝24。

(7)叶轮端面空刀处密封尺寸y的确定

对于输送小流量的场合，端面容易研磨，结构上要求该值不能太大，本例取y＝3mm。

图4是本发明泵盖1结构示意图，过流流道C的截面形状为犁形，A为螺旋形过流流道C隔舌位置，对应叶轮与泵盖最小径向尺寸；B为螺旋形过流流道C喉部位置，对应叶轮与泵盖最大径向尺寸；θ为隔舌包角，也是A、B两个位置之间夹角，隔舌的宽度要大于两个叶片的间距，本实例取θ＝60度，以保证有效地隔开出口高压区和进口低压区；泵盖1上设有环形凸起8和凹入过流通道D，用于调节泵盖1与叶轮2之间轴向间隙d2到0.2mm；此例中，凹入过流通道D与流道C喉部位置径向尺寸，按螺旋形流道轴向延伸c＝4.5mm的距离。

图5是本发明泵体3结构示意图，其上开设有进水口5及出水孔6，与所述过流通道C和D相通；所述出水孔6的入口，其周向以泵盖1上喉部位置B为止点，其径向位置在泵盖1与泵体3最大径向间隙之内；所述进水口5，其周向以泵盖1上隔舌位置A为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域，进口采用方形进口，满足名义进口直径d，对于开式叶轮单侧流道时，名义进口直径d≥b+c＝0.0045+0.0045＝0.009m。

本发明的工作过程如下:将该泵置于冷却箱内，泵头浸入冷却液一定深度。电机旋转带动泵轴4转动，泵轴4带动叶轮2相对泵盖1与泵体3沿周向转动，并在进水口5处形成负压，液体从叶片间进入泵盖1和泵体3组成的过流通道C和D内，在叶轮叶片旋转作用下，使叶轮内和流道内的液体产生圆周运动，叶轮内液体的圆周速度大于流道C和D内的圆周速度，就会形成从叶轮向流道类似旋涡的环形流动；液体依靠这种旋涡流动，每经过一个叶片获得一次能量，随着叶轮的旋转，当叶轮从隔舌A旋转到喉部B位置时，在隔舌的间隔作用下，高压液体以较高的压力和速度流入出水孔(6)，沿管路引入需要冷却的机床刀具和加工的零件处。

Claims (5)

1.一种机床冷却泵，泵盖(1)、叶轮(2)、泵体(3)和泵轴(4)从下而上依次同轴设置；泵盖(1)和泵体(3)固接；叶轮(2)位于泵盖(1)与泵体(3)之间，并与泵盖(1)与泵体(3)之间分别留有轴向间隙；叶轮(2)与泵轴(4)固接，并相对泵盖(1)与泵体(3)沿周向转动；泵盖(1)上对应叶片宽度b位置设有径向过流通道C；泵体(3)上开设有进水口(5)及出水孔(6)，均与所述过流通道C相通；所述出水孔(6)的入口，其周向以泵盖(1)上喉部位置B为止点，其径向位置在泵盖(1)与泵体(3)最大径向间隙之内；泵轴(4)贯穿叶轮(2)及泵体(3)，与泵盖(1)留有轴向间隙；其特征在于：叶轮(2)为全开旋涡式长叶片结构，叶片长度等于1/6~1/4的叶轮外径长度；叶轮(2)与泵体(3)之间轴向间隙d1为0.1mm~0.3mm；泵盖(1)上设有环形凸起(8)和凹入过流通道D，用于调节泵盖(1)与叶轮(2)之间轴向间隙d2到0.1mm~0.3mm；在泵体(3)上开设的进水口(5)，其周向以泵盖(1)上隔舌位置A为起点，其径向位置对应于叶轮的叶片区域。

2.一种如权利要求1所述的机床冷却泵，其特征在于：所述叶片的工作面PP为平面，所述叶片的截面为梯形、三角形或半圆形结构中的任一种。

3.一种如权利要求1所述的机床冷却泵，其特征在于：所述过流通道C为截面形状是矩形、梯形或梨形的螺旋形径向过流通道。

4.一种如权利要求1所述的机床冷却泵，其特征在于：所述过流通道D截面为矩形或半圆形。

5.一种如权利要求1所述的机床冷却泵，其特征在于：所述进水口的形状可以为扇形、圆形、方形中的任一种。