CN106286185B - 一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，包括匀速转变速机构和变速转匀速机构；其中，匀速转变速机构的输入轴与动力机构连接，将匀速转动变成周期性变速运动；变速转匀速机构的输入端与匀速转变速机构的输出轴同轴连接，将周期性变速运动转换成匀速的正四边形轨迹运动；且正四边形的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。本发明利用匀速转变速机构和变速转匀速机构两个机构的配合，实现往复柱塞泵的恒流量输出，极大减小泵和管道中的压力波动和冲击，减小由此产生的振动和噪声，从而消除往复柱塞泵输出流量脉动，提高泵运行的平稳性和可靠性。

Description

一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元

技术领域

本发明涉及往复柱塞泵领域，具体涉及一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元。

背景技术

往复柱塞泵是广泛使用的流体动力机械，具有压力高、效率高的特点。广泛应用于油田开采，油气输送、矿场泥浆输送、火电站远距离浆水输送、潜艇污水排放、大吨位水压机、液体定量输入等领域。

现在应用的往复柱塞泵绝大多数是输出流量瞬间变化、即流量有较大脉动的泵。产生流量脉动的原因主要是动力端所采用的机构原理引起的，如：动力端采用曲柄滑块机构，偏心圆盘式凸轮机构，正弦机构等。采用这些机构时，每个柱塞缸的柱塞往复运动速度呈正弦或近似正弦规律变化，所以每个缸输出的流量也理论上呈正弦或近似正弦规律变化。为了减少泵的输出流量脉动，往往采用多缸按相位排布的方式设计往复泵，且缸的数量越多，缸为单数，脉动越小。

受结构尺寸、结构复杂性和结构原理的限制，泵和缸的输出流量脉动及其对泵的性能影响总是存在的。泵和缸的输出流量脉动产生液体流动中的压力波动和冲击，这是往复柱塞泵产生较强振动和较大噪声的主要原因之一。压力冲击和振动也容易使运动副和运动机件、紧固件、密封件的失效，降低泵的可靠性。

现有往复柱塞泵采用阀配流所存在的另一问题是，阀关闭的滞后性，即柱塞开始排出运动时，吸入阀没关闭，而柱塞开始吸入运动时，排出阀也没关闭。阀关闭的滞后性也会引起流量脉动，并产生容积损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，以消除往复柱塞泵输出流量脉动，提高泵运行的平稳性和可靠性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：它包括匀速转变速机构和变速转匀速机构；其中，

匀速转变速机构的输入轴与动力机构连接，将匀速转动变成周期性变速运动；

变速转匀速机构的输入端与匀速转变速机构的输出轴同轴连接，将周期性变速运动转换成匀速的正四边形轨迹运动；且正四边形的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

按上述方案，所述的匀速转变速机构包括输入轴、拨盘、拨轮位置控制凸轮和槽轮；输入轴的一端与所述的动力机构连接，拨盘随输入轴的转动而自转；拨盘上均布有N条拨轮径向槽，槽轮上均布有4条槽轮径向槽，每个拨盘径向槽处设有拨轮，所述的拨轮位置控制凸轮用于限制N个拨轮的运动轨迹使得N个拨轮周期性的进出槽轮径向槽，从而带动槽轮周期性变速运动，匀速转变速机构的输出轴设置在槽轮的中心。

按上述方案，所述的拨轮位置控制凸轮上设有轮廓曲线槽，所述的拨轮通过拨轮轴与位于轮廓曲线槽中的滚轮连接；所述的轮廓曲线槽包括首尾顺次平滑连接的一段圆弧、入槽过渡曲线、工作曲线和出槽过渡曲线，其中圆弧所在圆周的中心与输入轴的轴心重合，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为度，工作曲线的形态根据输入轴的转速、圆弧的半径和预设的正四边形轨迹运动的速度计算得到；所述的入槽过渡曲线和出槽过渡曲线保证当前一个拨轮即将离开槽轮径向槽时后一个拨轮已经处于下一个槽轮径向槽内，从而达到连续传动的目的。

按上述方案，所述的变速转匀速机构包括轨迹导向机构、导向轴和正四边形滑块；导向轴的两端分别通过滑动机构与所述的匀速转变速机构的输出轴连接，所述的轨迹导向机构用于限制导向轴沿正四边形轨迹运动，所述的正四边形滑块空套安装在导向轴的中部，且正四边形滑块的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

按上述方案，所述的轨迹导向机构包括轨迹导向凸轮和轨迹导向轮；轨迹导向凸轮的轮廓曲线为正四边形，轨迹导向凸轮的轮廓曲线的中心与匀速转变速机构的输出轴的轴心重合，所述的轨迹导向轮与轨迹导向凸轮的轮廓曲线滚动接触，所述的导向轴与轨迹导向轮的中心固定连接。

按上述方案，所述的滑动机构包括压缩弹簧、滑道和滑块，其中压缩弹簧的两端分别连接匀速转变速机构的输出轴和滑块，滑块与所述的导向轴连接，所述的滑道用于给滑块提供往复运动的支撑。

按上述方案，所述的柱塞底部固定有平面滑板，柱塞的前端设有回程弹簧，平面滑板在回程弹簧的作用下与正四边形滑块的边接触构成滑动副。

按上述方案，所述的轨迹导向凸轮的轮廓曲线为具有倒角的正四边形，倒角过渡曲线为90°圆弧或45°直线。

按上述方案，所述的N取值范围为3到8的正整数。

本发明的有益效果为：利用匀速转变速机构和变速转匀速机构两个机构的配合，在4个方向分别驱动一个柱塞作往复直线运动，每个缸的柱塞运动，吸入行程与排出行程之间存在时间间隔，这样，对阀配流的往复柱塞泵，柱塞开始吸入行程时，排出阀已关闭；开始排出行程时，吸入阀已关闭，从而消除因阀的关闭滞后所造成的流量脉动和容积效率损失，最终实现往复柱塞泵的恒流量输出，极大减小泵和管道中的压力波动和冲击，减小由此产生的振动和噪声，从而消除往复柱塞泵输出流量脉动，提高泵运行的平稳性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构原理图。

图2为图1的BB剖视图。

图3为图1的CC剖视图。

图4为图1的AA剖视图。

图5(a)为入槽过渡曲线的原理示意图。

图5(b)为出槽过渡曲线的原理示意图。

图中：输入轴1，拨盘2，拨轮3，滚轮4，拨轮轴5，拨轮位置控制凸轮6，槽轮7，变转速传动轴8，滑道9，滑块10，压缩弹簧11，轨迹导向轮12，导向轴13，轨迹导向凸轮14，四方滑块15，平面滑板16，柱塞17，回程弹簧18，机座19，前一个拨轮3-1，后一个拨轮3-2。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，包括匀速转变速机构和变速转匀速机构；其中，匀速转变速机构的输入轴与动力机构连接，将匀速转动变成周期性变速运动；变速转匀速机构的输入端与匀速转变速机构的输出轴同轴连接，将周期性变速运动转换成匀速的正四边形轨迹运动；且正四边形的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

优选的，所述的匀速转变速机构包括输入轴、拨盘、拨轮位置控制凸轮和槽轮；输入轴的一端与所述的动力机构连接，拨盘随输入轴的转动而自转；拨盘上均布有N条拨轮径向槽，槽轮上均布有4条槽轮径向槽，每个拨盘径向槽处设有拨轮，所述的拨轮位置控制凸轮用于限制N个拨轮的运动轨迹使得N个拨轮周期性的进出槽轮径向槽，从而带动槽轮周期性变速运动，匀速转变速机构的输出轴设置在槽轮的中心。

进一步优选的，所述的拨轮位置控制凸轮上设有轮廓曲线槽，所述的拨轮通过拨轮轴与位于轮廓曲线槽中的滚轮连接；所述的轮廓曲线槽包括首尾顺次平滑连接的一段圆弧、入槽过渡曲线、工作曲线和出槽过渡曲线，其中圆弧所在圆周的中心与输入轴的轴心重合，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为度，工作曲线的形态根据输入轴的转速、圆弧的半径和预设的正四边形轨迹运动的速度计算得到；所述的入槽过渡曲线和出槽过渡曲线保证当前一个拨轮即将离开槽轮径向槽时后一个拨轮已经处于下一个槽轮径向槽内，从而达到连续传动的目的。

优选的，所述的变速转匀速机构包括轨迹导向机构、导向轴和正四边形滑块；导向轴的两端分别通过滑动机构与所述的匀速转变速机构的输出轴连接，所述的轨迹导向机构用于限制导向轴沿正四边形轨迹运动，所述的正四边形滑块空套安装在导向轴的中部，且正四边形滑块的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

进一步优选的，所述的轨迹导向机构包括轨迹导向凸轮和轨迹导向轮；轨迹导向凸轮的轮廓曲线为正四边形，轨迹导向凸轮的轮廓曲线的中心与匀速转变速机构的输出轴的轴心重合，所述的轨迹导向轮与轨迹导向凸轮的轮廓曲线滚动接触，所述的导向轴与轨迹导向轮的中心固定连接。

进一步的，所述的滑动机构包括压缩弹簧、滑道和滑块，其中压缩弹簧的两端分别连接匀速转变速机构的输出轴和滑块，滑块与所述的导向轴连接，所述的滑道用于给滑块提供往复运动的支撑。

再进一步的，所述的柱塞底部固定有平面滑板，柱塞的前端设有回程弹簧，平面滑板在回程弹簧的作用下与正四边形滑块的边接触构成滑动副。

优选的，所述的轨迹导向凸轮的轮廓曲线为具有倒角的正四边形，倒角过渡曲线为90°圆弧或45°直线。

所述的N取值范围为3到8的正整数。

实施例一：

如图1至图4所示，一种径向恒流量往复柱塞泵传动单元，包括匀速转变速机构和变速转匀速机构；其中，匀速转变速机构的输入轴1与动力机构连接，将匀速转动变成周期性变速运动，且匀速转动一周的时间为变速运动4个周期时间；变速转匀速机构的输入端与匀速转变速机构的输出轴同轴连接，将周期性变速运动转换成匀速的正四边形轨迹运动；且正四边形的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

匀速转变速机构包括输入轴1、拨盘2、拨轮位置控制凸轮6和槽轮7；输入轴1的一端与所述的动力机构连接，拨盘2随输入轴1的转动而自转；拨盘2和槽轮7上分别设有4条径向槽，拨盘2的每个径向槽处设有拨轮3，所述的拨轮位置控制凸轮6用于限制4个拨轮3的运动轨迹使得4个拨轮3周期性的进出槽轮7的径向槽，从而带动槽轮7周期性变速运动，匀速转变速机构的输出轴即为变转速传动轴8，变转速传动轴8设置在槽轮7的中心。

拨轮位置控制凸轮6上设有轮廓曲线槽，所述的拨轮3通过拨轮轴5与位于轮廓曲线槽中的滚轮4连接；所述的轮廓曲线槽包括首尾顺次平滑连接的一段圆弧、入槽过渡曲线、工作曲线和出槽过渡曲线，其中圆弧所在圆周的中心与输入轴的轴心重合，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为90度，工作曲线的形态根据输入轴的转速、圆弧的半径和预设的正四边形轨迹运动的速度计算得到；所述的入槽过渡曲线和出槽过渡曲线保证当前一个拨轮3-1即将离开槽轮径向槽时后一个拨轮3-2已经处于下一个槽轮径向槽内，从而达到连续传动目的。

为便于说明，不妨设前一个拨轮3-1为a，后一个拨轮3-2为b，a、b两个拨轮先后与槽轮7啮合。如图5(a)所示，为保证槽轮7能连续传递扭矩，在拨轮a即将离开工作曲线段前Δθ时，拨轮b正要进入槽轮径向槽，拨轮b对应的滚轮4正好进入入槽过渡曲线，入槽过渡曲线段的长度对应的圆弧所在圆周的中心夹角为Δθ，其中Δθ的取值影响槽轮7与拨盘2的径向尺寸，本实施例以为例，θ为工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角，本实施例中θ＝90度。当拨轮b对应的滚轮4处于入槽过渡曲线时，槽轮7的运动规律仍受拨轮a控制且已知，由此可以得到入槽过渡曲线形态。与此同理，如图5(b)所示，拨轮a对应的滚轮4离开工作曲线段时，拨轮a仍处于槽轮7中，因此设置出槽过渡曲线，其长度对应的圆弧所在圆周的中心夹角也为Δθ，拨轮b对应的滚轮4在工作曲线段运行Δθ后，拨轮a正好离开槽轮7。在此期间槽轮7运动规律由拨轮b控制且为已知，因此可以得到出槽过渡曲线形态。

在圆弧段拨轮3不与槽轮7接触，不参与槽轮7运动规律的控制，设计圆弧段形态时，只需保证滚轮4从圆弧段进入入槽过渡曲线段或出槽过渡曲线段进入圆弧段时，滚轮4运动方向和槽轮径向槽的中心线一致。

变速转匀速机构包括轨迹导向机构、导向轴13和四方滑块15；导向轴13的两端分别通过滑动机构与变转速传动轴8连接，所述的轨迹导向机构用于限制导向轴13沿正四边形轨迹运动，所述的四方滑块15空套安装在导向轴13的中部，且四方滑块15的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞17。

轨迹导向机构包括轨迹导向凸轮14和轨迹导向轮12；轨迹导向凸轮14的轮廓曲线为正四边形，轨迹导向凸轮14的轮廓曲线的中心与变转速传动轴8的轴心重合，所述的轨迹导向轮12与轨迹导向凸轮14的轮廓曲线滚动接触，所述的导向轴13与轨迹导向轮12的中心固定连接。

滑动机构包括压缩弹簧11、滑道9和滑块10，其中压缩弹簧11的两端分别连接变转速传动轴8和滑块10，滑块10与所述的导向轴13连接，所述的滑道9用于给滑块10提供往复运动的支撑。

柱塞17底部固定有平面滑板16，柱塞17的前端设有回程弹簧18，平面滑板16在回程弹簧18的作用下与四方滑块15的边接触构成滑动副。

本实施例中，输入轴1支承在机座19上，输入轴1的两端分别固联一拨盘2；拨轮轴5垂直拨盘的盘面安装在拨盘2的径向槽内，可沿着拨盘2的径向槽滑动；拨轮轴5上沿轴线安装拨轮3和滚轮4；滚轮4安装在拨轮位置控制凸轮6的轮廓曲线槽内，在拨轮位置控制凸轮6的轮廓曲线槽内滑动；拨轮位置控制凸轮6固定在机座19上，且凸轮槽廓线基圆中心与输入轴1轴心重合安装；拨轮3随输入轴1转动周期性进出槽轮7的径向槽。当输入轴1匀速转动时，拨盘2总是保证有一个拨轮3在槽轮7的径向槽内，驱动槽轮7连续旋转，且由于拨轮位置控制凸轮6控制拨轮3中心与拨盘2回转中心之间的回转半径按规律变化，使得槽轮7按规律变速转动。

滑道9上安装与之相对运动的滑块10；在滑道9上的滑块10与变速传动轴8之间装有一压缩弹簧11；导向轴13的两端分别由滑块10支承；导向轴13靠近滑块10位置安装有轨迹导向轮12；轨迹导向凸轮14固定在机座19上，轨迹导向凸轮14的廓线中心与变速传动轴8轴心重合安装；轨迹导向凸轮14轮廓曲线为正四边形。当滑道9作某种变速规律的定轴转动时，由于压缩弹簧11的作用，使得滑块10带着导向轴13，迫使轨迹导向轮12与轨迹导向凸轮14的轮廓面保持滚动接触，轮廓面为轮廓曲线所在的面，则轨迹导向轮12作沿轨迹导向凸轮14的轮廓面的匀速滚动运动。这样，轨迹导向轮12和导向轴13中心运动轨迹为轨迹导向凸轮14轮廓曲线的等距线，亦即为正四边形轨迹，且运动速度为匀速。

槽轮7和滑道9都固连在变转速传动轴8上，槽轮7的变速转动规律就是滑道9所需要的规律，从而将两种机构综合成径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元。4个柱塞按90°夹角径向布置安装在机座19的导向孔内。当导向轴13中心作正四边形轨迹的匀速运动时，四方滑块15作正四边形轨迹的匀速平动，输入轴1转一周，四方滑块15按相隔90°相位顺序，即0—90°、90°—180°、180°—270°、270°—360°，分别推动一个柱塞往复作匀速直线运动，从而实现柱塞泵的恒流量输出。

优选的，为了消除导向轴13中心作正四边形轨迹的匀速运动时相邻轨迹运动转换时的刚性冲击，轨迹导向凸轮14的轮廓曲线为具有倒角的正四方形，倒角过渡曲线为90°圆弧(圆弧半径略大于轨迹导向轮12半径)或45°直线(倒边长度略大于导向轮半径，直线间用半径略大于导向轮半径的相切圆弧连接)。

实施例二：

本实施例中，N＝3，拨盘2上均布有3个均布的拨盘径向槽，拨轮位置控制凸轮6的轮廓曲线槽中，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为120度，此时拨盘2匀速转动三分之一周，对应槽轮7变速旋转四分之一周，相比实施例一可减少排量。其它结构和原理与实施例一相同。

实施例三：

本实施例中，N＝6，拨盘2上均布有6个均布的拨盘径向槽，拨轮位置控制凸轮6的轮廓曲线槽中，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为60度，此时拨盘2匀速转动六分之一周，对应槽轮7变速旋转四分之一周，相比实施例二可增大排量。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：它包括匀速转变速机构和变速转匀速机构；其中，

匀速转变速机构的输入轴与动力机构连接，将匀速转动变成周期性变速运动；

变速转匀速机构的输入端与匀速转变速机构的输出轴同轴连接，将周期性变速运动转换成匀速的正四边形轨迹运动；且正四边形的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

2.根据权利要求1所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的匀速转变速机构包括输入轴、拨盘、拨轮位置控制凸轮和槽轮；输入轴的一端与所述的动力机构连接，拨盘随输入轴的转动而自转；拨盘上均布有N条拨轮径向槽，槽轮上均布有4条槽轮径向槽，每个拨盘径向槽处设有拨轮，所述的拨轮位置控制凸轮用于限制N个拨轮的运动轨迹使得N个拨轮周期性的进出槽轮径向槽，从而带动槽轮周期性变速运动，匀速转变速机构的输出轴设置在槽轮的中心。

3.根据权利要求2所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的拨轮位置控制凸轮上设有轮廓曲线槽，所述的拨轮通过拨轮轴与位于轮廓曲线槽中的滚轮连接；所述的轮廓曲线槽包括首尾顺次平滑连接的一段圆弧、入槽过渡曲线、工作曲线和出槽过渡曲线，其中圆弧所在圆周的中心与输入轴的轴心重合，工作曲线对应的圆弧所在圆周的中心夹角为度，工作曲线的形态根据输入轴的转速、圆弧的半径和预设的正四边形轨迹运动的速度计算得到；所述的入槽过渡曲线和出槽过渡曲线保证当前一个拨轮即将离开槽轮径向槽时后一个拨轮已经处于下一个槽轮径向槽内。

4.根据权利要求1所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的变速转匀速机构包括轨迹导向机构、导向轴和正四边形滑块；导向轴的两端分别通过滑动机构与所述的匀速转变速机构的输出轴连接，所述的轨迹导向机构用于限制导向轴沿正四边形轨迹运动，所述的正四边形滑块空套安装在导向轴的中部，且正四边形滑块的每个边连接有一个往复柱塞泵的柱塞。

5.根据权利要求4所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的轨迹导向机构包括轨迹导向凸轮和轨迹导向轮；轨迹导向凸轮的轮廓曲线为正四边形，轨迹导向凸轮的轮廓曲线的中心与匀速转变速机构的输出轴的轴心重合，所述的轨迹导向轮与轨迹导向凸轮的轮廓曲线滚动接触，所述的导向轴与轨迹导向轮的中心固定连接。

6.根据权利要求4所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的滑动机构包括压缩弹簧、滑道和滑块，其中压缩弹簧的两端分别连接匀速转变速机构的输出轴和滑块，滑块与所述的导向轴连接，所述的滑道用于给滑块提供往复运动的支撑。

7.根据权利要求4所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的柱塞底部固定有平面滑板，柱塞的前端设有回程弹簧，平面滑板在回程弹簧的作用下与正四边形滑块的边接触构成滑动副。

8.根据权利要求5所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的轨迹导向凸轮的轮廓曲线为具有倒角的正四边形，倒角过渡曲线为90°圆弧或45°直线。

9.根据权利要求2或3所述的径向四缸恒流量往复柱塞泵传动单元，其特征在于：所述的N取值范围为3到8的正整数。