CN103842654A - 具有可替换和/或可调节的表面的活塞 - Google Patents

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Abstract

一种用于泵的活塞，包括毂部，所述毂部限定有相对的外表面和在相对的外表面之间的凹陷侧部。活塞还包括配置为提供可替换的表面的插入物，该插入物连接至相对的外表面中的每一个。一种泵包括具有入口和出口的壳体、和至少两个具有毂部和插入物的活塞。该泵可以是容积式旋转泵，该活塞可以是圆周活塞。

Description

具有可替换和/或可调节的表面的活塞
优先权要求
本PCT国际专利申请要求2011年8月29日提交的美国临时申请号61/528,512和2011年8月3日提交的美国临时申请号61/514,687的优先权，两者公开的内容通过引用结合于此。
技术领域
本申请公开的内容涉及一种具有可替换的表面的活塞，特别地涉及一种具有可替换的和/或可调节的外表面的活塞。
背景技术
泵存在许多形式，包括例如旋转动力泵，其有时称为“离心泵”，和容积式泵。一些容积式泵包括一个或多个活塞，所述活塞被配置为移位包括流体（如空气、液体）的材料和/或包括流体、半固体材料和固体材料的组合（如泥浆）的材料。在这样的泵中，为了改进操作，可能希望在所述一个或多个活塞与壳体之间提供相对紧密的配合，其中所述一个或多个活塞在所述壳体中移动。但是，提供相对紧密的配合可能导致与一个或多个活塞和/或壳体的磨损和卡滞有关的缺点。
例如，具有圆周活塞(circumferential piston)的容积式旋转泵可以用于抽吸在其中具有半固体和固体材料的液体。在这样的泵中，在活塞的外表面和泵壳体之间提供相对紧密的配合可能提供几个潜在的优点。例如，相对紧密的配合可以防止半固体和固体在活塞的外表面和泵壳体之间积聚，由此防止泵损坏。此外，相对紧密的配合可以通过沿活塞外表面和壳体之间的密封线提供紧密的配合而产生较高的抽吸压力。此外，相对紧密的配合可能导致泵进行自吸(self-priming)。
但是，活塞和壳体之间的相对紧密的配合导致例如活塞的表面和/或壳体卡滞。该可能的缺点的一个潜在的解决方案是由非卡滞材料形成活塞。但是，这样的材料可能较昂贵。此外，这样的材料在研磨应用中可能磨损的相对快。
因此，可能希望提供一种用于泵的活塞，其可能缓和或解决一个或多个上面提到的潜在的缺点。
发明内容
按照公开的内容的一个方面，一种用于泵的活塞包括限定相对的外表面的毂部和在相对的外表面之间的凹陷侧部。活塞还包括配置为提供可替换的表面的插入物，插入物连接至相对的外表面中的每一个。按照另一个方面，毂部包括两个彼此连接的侧毂半部。按照进一步的方面，插入物包括基部和外壳。按照更进一步的方面，侧毂半部限定凹部，插入物的基部包括被接收在侧毂半部的凹部中的脊部。按照再一个方面，插入物通过紧固件连接至相对的外表面。按照进一步的方面，毂部限定相对的外表面的顶点，插入物在顶点处连接至毂部。按照另一个方面，顶点限定了安装凹部，插入物包括被接收在安装凹部中的突起。按照再一个方面，插入物通过紧固件连接至安装凹部。按照进一步的方面，毂部限定了侧凹部，插入物包括侧安装凸缘和在侧安装凸缘之间延伸的外壳，侧安装凸缘被接收在毂部的侧凹部中。按照又一个方面，插入物的侧凸缘通过紧固件连接至毂部。按照进一步的方面，毂部限定了配置为接收泵轴的膛孔(bore)，并且毂部限定了在膛孔和外表面之间延伸的孔。按照再进一步的方面，紧固件延伸通过上述孔，并将插入物连接至毂部。按照另一个方面，毂部包括钢、白口铁和双相不锈钢(duplex)中的至少一个。按照进一步的方面，插入物包括非卡滞材料和具有低摩擦系数的材料中的至少一个。按照更进一步的方面，活塞是圆周活塞。
按照另一个方面，活塞包括在毂部和至少一个插入物之间的至少一个垫片。按照进一步的方面，所述至少一个垫片具有实质上不变的截面。按照另一个方面，所述至少一个垫片具有非均匀的截面。按照又一个方面，所述至少一个垫片具有与毂部的轮廓实质上相匹配的轮廓。
按照另一个方面，一种用于调节毂部的中心和插入物的外表面之间的距离的方法，包括在毂部和插入物之间提供或去除至少一个垫片。按照另一个方面，一种用于调节泵的吸力的方法，包括在毂部和插入物之间提供或去除至少一个垫片。
按照进一步的方面，泵包括具有入口和出口的壳体、和至少两个按照上述方面中任一个的活塞。按照更进一步的方面，泵是容积式旋转泵，活塞是圆周活塞。
可以理解，前述一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性的和解释性的，并且不是对所要求保护的发明的限制。
结合到说明书中并构成该说明书的一部分的附图示出公开的内容的几个示例性的实施例，并与该描述共同起解释某些原理的作用。
附图说明
图1是容积式旋转泵的一个示例性的实施例的透视装配视图；
图2A是用于旋转泵的圆周活塞的一个示例性的实施例的透视图；
图2B是图2A中示出的示例性的活塞的透视装配视图；
图3A是用于旋转泵的圆周活塞的另一个示例性的实施例的透视图；
图3B是图3A中示出的示例性的活塞的透视装配视图；
图4A是用于旋转泵的圆周活塞的另一个示例性的实施例的透视图；
图4B是图4A中示出的示例性的活塞的透视装配视图；
图5A是用于旋转泵的圆周活塞的另一个示例性的实施例的透视图；
图5B是图5A中示出的示例性的活塞的透视装配视图；
图6A是用于旋转泵的圆周活塞的另一个示例性的实施例的透视图；和
图6B是图6A中示出的示例性的活塞的透视装配视图。
具体实施方式
下面将详细参照公开的内容的示例性的实施例，其实例在附图中示出。只要有可能，相同的附图标记将用于在附图中表示相同或相似的部件。
图1示出用于抽吸包括液体、半固体、固体和/或其组合的材料的泵10。示例性的泵10是容积式旋转泵并包括壳体12，所述壳体12具有用于接收被抽吸的材料的入口14和用于排出被抽吸的材料的出口16。示例性的壳体12包含两个配置为在壳体12中沿各自的与被抽吸的材料的路径实质上垂直的轴线旋转的圆周活塞18a和18b。虽然图1-6B中示出的示例性的活塞18a和18b包括两个相对的叶瓣，但是可以想到的是，活塞18a和18b可以包括多于两个相对的叶瓣，例如三个、四个或五个相对的叶瓣。泵10还包括输入轴20，所述输入轴20配置为连接至举例来说如发动机或电动机的原动机（未示出）。输入轴20驱动连接至活塞18a和18b的齿轮箱组件22，从而使得活塞18a和18b沿相对的方向以相同的旋转速度被驱动。
在所示的示例性的实施例中，当活塞18a和18b在壳体12中旋转时，在活塞18a和18b的各自的外表面和壳体12的内表面24之间产生吸力，由此将材料拉进入口14。活塞18a和18b的外表面和壳体12的内表面24具有实质上互补的半径，这导致了由于在活塞18a和18b的外表面和壳体12的内表面24之间的较大的重叠面积而产生用于将材料拉入壳体入口14的较大的吸力的能力。例如，泵10可能产生每平方英寸100磅或更大的压力。活塞18a和18b像勺子一样工作，以将通过入口14进入的材料传送至出口16，由此潜在地能够抽吸在其中具有0.75英寸或更大的固体的材料。按照一些实施例，壳体12的内表面24可以配置为在不替换壳体12的其它部分的情况下被替换。这可以允许内表面24使用相对高磨损的材料（例如，具有抗卡滞特性的材料）。
参照图2A和2B，示例性的活塞18a包括可替换的表面26。例如，在图2A和2B中示出的示例性的实施例中，活塞18a限定了呈现两个相对的外表面27（例如，实质上平面的表面或图2A中所示的相对的弧形表面）的外径。在表面27之间，提供有用于将活塞18a安装在由齿轮箱组件22驱动的轴30上的膛孔28（图1）。提供与膛孔28相关联的键槽32，用于防止活塞18a相对于轴30旋转。在活塞18a的每个相对侧提供一对侧凹勺部分34。
按照图2A和2B中示出的示例性的实施例，表面26可以被替换。如图2B中所示，活塞18a包括毂部36，毂部36包括两个相对的侧毂半部36a和36b以及两个相对的表面插入物38。每个活塞半部36a和36b包括在活塞半部36a和36b的外径处的凹部40和凸起部分42。在示出的示例性的实施例中，在凸起部分42中提供有槽44。
示例性的插入物38包括位于中心的基部46和外壳48。基部46包括配置为被接收在活塞半部36a和36b的槽44中的脊部50。外壳48在活塞半部36a和36b的凸起部分42上延伸。活塞半部36a和36b彼此连接，由此将插入物38夹在活塞半部36a和36b之间。活塞半部36a和36b可以采用例如一个或多个如螺钉或螺栓的紧固件（未示出）彼此连接。通过使活塞半部36a和36b彼此分离，可以去除插入物38，回收或替换。按照一些实施例，可以使用垫片增加由外壳48限定的外径，以例如在插入物38和壳体12的内表面24之间提供紧密的配合。这可以允许在插入物38由于使用而磨损的较薄时继续使用插入物38。这样的垫片可以放置在插入物38的基部46和活塞半部36a和36b的凹部40之间。
由于表面26可以通过替换插入物38而被替换，因此活塞18a和18b的尺寸可以设置为提供与壳体12的内表面24的相对紧密的配合。这可以防止半固体和固体积聚在表面26和壳体12的内表面24之间，由此减小可能的泵损坏的可能性。此外，表面26和内表面24之间的相对紧密的配合可能产生较高的抽吸压力，并且可能导致泵进行自吸。
通常，紧密的配合可能例如由于卡滞而导致对活塞和泵壳体的内表面的损害。因此，为了提供紧密的配合，活塞会需要由也许是不合需要地昂贵的特殊材料制成。借助于可替换的表面26，毂部36可以由相对不那么昂贵的材料（例如，钢、灰铁、球墨铸铁、不锈钢、塑料（例如当被抽吸的物质能腐蚀金属时）、和/或其它不那么昂贵的材料）制成，只有插入物38由如非卡滞材料和/或具有相对低的摩擦系数的材料形成。非卡滞材料的实例包括但不限于具有相对高的镍含量以及碳、锰、硅、钴、磷、硫、铜、钼、铁、铬、铬/铌、钨、钒、铋和锡中的一个或多个的合金，这些成分可以使得合金具有高的抵抗卡滞应力的阈值。这样的合金包括但不限于ASTM A494/A494M-09'1CZ100、ASTMA494/A494M-09'1CW2M、ASTM A494/A494M-09'1CW6MC、ASTMA494/A494M-09'1CY5SnBiM、ASTM A494/A494M-09'1CW12MW、ASTMA494/A494M-09'1CU5MCuC、ASTM A494/A494M-09'1CW6MC和ASTMA494/A494M-09'1CY40。非卡滞材料的其它的实例包括但不限于柔软的非卡滞不锈钢、“Waukesha88”（包括锡、铁、铋和铬中的一种或多种的镍基合金）、808不锈钢（有时称为“lllium8”或ASTM A494/A494M-09Cy5SnBiM）。其它的非卡滞材料包括可能具有相对高的卡滞应力阈值的镍基合金，例如蒙乃尔铜-镍合金(monel)、哈氏合金(hastalloy)和因科镍合金(inconel)。为插入物38使用这样的材料可以导致抽吸低粘性流体的能力。
具有相对低的摩擦系数的材料的实例包括但不限于（聚四氟乙烯）以及涂敷和/或浸渍有
Figure BDA0000486660890000052
的材料，举例来说，如铝、钛、钢、不锈钢、蒙乃尔铜-镍合金、因科镍合金、黄铜和青铜。
Figure BDA0000486660890000061
和涂敷或浸渍有
Figure BDA0000486660890000062
的材料可导致改进的容积抽吸效率，这还可允许建立较高的抽吸压力。按照一些实施例，插入物38可以由塑料制成，例如，热塑性含氟聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF）和乙缩醛均聚物，如
Figure BDA0000486660890000063
和/或其组合。采用其它的塑料和材料形成插入物38是可以想到的。
与图2A和2B中示出的示例性的实施例相似，在图3A和3B中示出的示例性的实施例中，表面26可以被替换。如图3B中所示，活塞18a包括整体式的毂部36，所述毂部36限定了外径，所述外径呈现出两个相对的表面27，如图3A和3B中示出的相对的弧形表面。在表面27之间，毂部36包括用于将活塞18a安装在由齿轮箱组件22驱动的轴30上的膛孔28。提供有与膛孔28相关联的键槽32，用于防止活塞18a相对于轴30旋转。一对凹勺部分34被提供在活塞18a的每个相对侧。
在图3A和3B中示出的示例性的实施例中，两个相对的可替换的插入物38位于毂部36的外径处。插入物38可以通过一个或多个例如螺钉或螺栓的紧固件54连接至毂部36。虽然未示出，但是毂部36的外径和/或内表面插入物38可以包括如一个或多个脊部和/或槽的结构，所述结构配置为在毂部36上将插入物38对准或保持插入物38的对准。
在图4A和4B中示出的示例性的实施例中，表面26可以被替换。在该示例性的实施例中，活塞18a包括整体式的毂部36，所述毂部36限定了外径，所述外径呈现出两个相对的表面27，如图4A和4B中示出的相对的弧形表面。在表面27之间，毂部36包括用于将活塞18a安装在由齿轮箱组件22驱动的轴30上的膛孔28。提供有与膛孔28相关联的键槽32，用于防止活塞18a相对于轴30旋转。一对凹勺部分34被提供在活塞18a的每个相对侧。
如图4B中所示，活塞18a包括相对的可替换的插入物38，所述插入物38可在毂部36的凹陷部分34的端部处放置在表面27的顶点52处。在示出的示例性实施例中，可以在顶点52中的每一个处提供安装凹部56，并且示例性的插入物38的每一个可以包括截面突起58，所述截面突起58被配置为接收在安装凹部56中。举例来说，插入物38可以通过一个或多个例如螺钉或螺栓的紧固件60固定至毂部36。借助于未暴露至活塞18a和18b的外周表面的紧固件60，当维修或替换插入物38时，可以相对容易地去除紧固件60，因为紧固件60未暴露给被抽吸的材料或壳体12的内表面24。
在图5A和5B中示出的示例性的实施例中，表面26可以被替换。在该示例性的实施例中，活塞18a包括整体式的毂部36，所述毂部36限定了外径，所述外径呈现出两个相对的外表面27，例如图5A和5B中示出的相对的弧形表面。在表面27之间，毂部36包括用于将活塞18a安装在由齿轮箱组件22驱动的轴30上的膛孔28。提供有与膛孔30相关联的键槽32，用于防止活塞18a相对于轴30旋转。在活塞18a的每个相对侧提供有一对凹勺部分34。
在图5A和5B中示出的示例性的实施例中，示例性的毂部36包括邻近表面27的侧凹部62，并且示例性的插入物38中的每一个包括一对侧安装凸缘64和在侧安装凸缘64之间延伸的外壳48。插入物38可以借助于例如一个或多个紧固件66（例如，螺钉或螺栓）被固定至毂部36，所述紧固件将侧安装凸缘64固定至毂部36的侧凹部62。借助于未暴露给活塞18a和18b的外周表面的紧固件66，当维修或替换插入物38时，可以相对容易地去除紧固件66，因为紧固件66未暴露给被抽吸的材料或壳体12的内表面24。
在图6A和6B中示出的示例性的实施例中，表面26可以被替换。如图6B中所示，活塞18a包括整体式的毂部36，所述毂部36限定有相对的外表面27，如图6A和6B中示出的实质上平面的相对的外表面。在表面27之间，毂部36包括用于将活塞18a安装在由齿轮箱组件22驱动的轴30上的膛孔28。提供有与膛孔28相关联的键槽32，用于防止活塞18a相对于轴30旋转。在活塞18a的每个相对侧提供有一对凹勺部分34。
在图6A和6B中示出的示例性的实施例中，两个相对的可替换的插入物38位于毂部36的表面27处。插入物38可以通过一个或多个例如螺钉或螺栓的紧固件68连接至毂部36。孔70从毂部36的膛孔28延伸到表面27，并且紧固件68延伸通过孔70进入插入物38，由此将插入物38连接至毂部36。因此，经由膛孔28，可以易于接近紧固件68以便相对于毂部36装配和拆卸插入件38。借助于未暴露至活塞18a和18b的外周表面的紧固件68，当维修或替换插入物38时，可能相对容易地去除紧固件68，因为紧固件68未暴露给被抽吸的材料或壳体12的内表面24。
图6A和6B中示出的插入物38可以至少部分地限定勺部分34。虽然未示出，但是毂部36的表面27和/或内表面插入物38可以包括如一个或多个脊部和/或槽的结构，所述结构被配置为在毂部36上将插入物对准或保持插入物38的对准。
按照一些实施例，可替换的表面26可以易于设置活塞18a和18b和壳体12的内表面24的尺寸以具有紧密的配合。具有紧密的配合的一个潜在的问题是活塞18a和18b的外表面和/或壳体12的内表面24的卡滞。该问题的一个潜在的解决方案将是将非卡滞材料用于活塞。但是，这样的材料通常非常昂贵的、软的、因此在研磨应用中磨损的快。通过使活塞18a和18b具有可替换的表面26，非卡滞材料可以被限制于可替换的表面26，而活塞18a和18b的其余部分可以由更适当的材料制成，如钢、白口铁、双相不锈钢、和/或其它不那么昂贵的材料。
按照一些实施例，可以调节这里描述的示例性的活塞18a中的任一个的表面26，从而使得表面26的外表面离活塞18a的中心更远。例如，对于这里描述的任一个示例性的活塞18a，可以在毂部36和至少一个插入物38之间放置一个或多个垫片，随后按照这里描述的示例性的实施例，插入物38被固定至毂部36。结果是，一个或多个垫片将被夹在各自对应的毂部36和插入物38之间，由此增大了毂部36的中心和各个插入物38的外表面的距离。
所述一个或多个垫片可以相对薄，并且可以具有实质上不变的截面。按照一些实施例，垫片可以具有非均匀的截面。按照一些实施例，垫片可以具有与毂部36的轮廓实质上相匹配的稍微弯曲的轮廓。
一个或多个垫片可以提供毂部36的中心和插入物38的外表面之间的距离的调节能力。这可以允许在插入物38磨损并变薄时继续使用相同的插入物38。通过在毂部36和插入物38之间提供一个或多个垫片，插入物38的使用寿命可以通过保持毂部36的中心和各个插入物38的外表面之间的距离而延长。此外，一个或多个垫片的使用可以允许调节泵10的吸力，例如通过增大或减小毂部36的中心和插入物38的外表面之间的距离。减小该距离可能通常导致较小的吸力，而通过在毂部36和各个插入物38之间添加一个或多个垫片而增加该距离可能导致较大的吸力。
通过考虑说明书和实施这里公开的实施例，公开的内容的其它的实施例对于本领域的技术人员来说是清楚的。说明书和实例试图仅仅被认为是示例性的，公开的内容的范围和精神由下面的权利要求书表示。

Claims (23)

1.一种用于泵的活塞，所述活塞包括：
毂部，限定有相对的外表面和在所述相对的外表面之间的凹陷侧部；以及
插入物，配置为提供有连接至所述相对的外表面中每一个的可替换的表面。
2.如权利要求1所述的活塞，其中，所述毂部包括彼此连接的两个侧毂半部。
3.如权利要求2所述的活塞，其中，所述插入物包括基部和外壳。
4.如权利要求3所述的活塞，其中，所述侧毂半部限定有凹部，并且所述插入物的所述基部包括接收在所述侧毂半部的所述凹部中的脊部。
5.如权利要求1所述的活塞，其中，所述插入物通过紧固件连接至所述相对的外表面。
6.如权利要求1所述的活塞，其中，所述毂部限定所述相对的外表面的顶点，其中所述插入物在所述顶点处连接至所述毂部。
7.如权利要求6所述的活塞，其中，所述顶点限定有安装凹部，并且所述插入物包括接收在所述安装凹部中的突起。
8.如权利要求7所述的活塞，其中，所述插入物通过紧固件连接至所述安装凹部。
9.如权利要求1所述的活塞，其中，所述毂部限定有侧凹部，并且所述插入物包括侧安装凸缘和在所述侧安装凸缘之间延伸的外壳，并且其中所述侧安装凸缘接收在所述毂部的所述侧凹部中。
10.如权利要求9所述的活塞，其中，所述插入物的所述侧凸缘通过紧固件连接至所述毂部。
11.如权利要求1所述的活塞，其中，所述毂部限定有配置为接收泵轴的膛孔，并且其中所述毂部限定有在所述膛孔和所述外表面之间延伸的孔。
12.如权利要求11所述的活塞，还包括延伸通过所述孔并将所述插入物连接至所述毂部的紧固件。
13.如权利要求1所述的活塞，其中，所述毂部包括钢、白口铁和双相不锈钢中的至少一个。
14.如权利要求1所述的活塞，其中，所述插入物包括非卡滞材料和具有低摩擦系数的材料中的至少一个。
15.如权利要求1所述的活塞，其中，所述活塞是圆周活塞。
16.如权利要求1所述的活塞，还包括在所述毂部和至少一个所述插入物之间的至少一个垫片。
17.如权利要求16所述的活塞，其中，所述至少一个垫片具有实质上不变的截面。
18.如权利要求16所述的活塞，其中，所述至少一个垫片具有非均匀的截面。
19.如权利要求16所述的活塞，其中，所述至少一个垫片具有与所述毂部的轮廓实质上相匹配的轮廓。
20.一种泵，包括：
壳体，具有入口和出口的，以及
至少两个如权利要求1-19中的任一项所述的活塞。
21.如权利要求20所述的泵，其中，所述泵是容积式旋转泵，并且所述活塞是圆周活塞。
22.一种用于调节如权利要求1-15中任一项所述的活塞的毂部的中心和插入物的外表面之间的距离的方法，所述方法包括：
在所述毂部和所述插入物之间提供或去除至少一个垫片。
23.一种用于调节如权利要求20和21中任一项所述的泵的吸力的方法，所述方法包括：
在所述毂部和所述插入物之间提供或去除至少一个垫片。
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