CN1066490A - 用于泵水的高压水泵 - Google Patents

Abstract

一种往复运动活塞式高压水泵，其金属活塞在缸 套内往复运动，缸套由PEEK基的高强度热塑合成 树脂制成，并且其结构在活塞和缸套之间限定了一个 冷却间隙，以防止在连续工作中缸套的温度超过 100℃。活塞导向瓦和偏心轴的滑动轴瓦也是由 PEEK基的树脂制成，其中可填加碳纤维，PTFE玻 璃和/或矿物原料。

Description

本发明是关于一种高压水泵，更具体说是关于这样一种高压水泵，其中一个金属活塞在位于一偏心轴上的偏心件作用下在缸体内往复运动，偏心轴轴颈支承在缸体外壳上，水经一个入水口抽入偏心件在其中旋转的偏心腔，水从偏心腔进入活塞和缸头之间的缸体腔室内，并经出水阀输送到外壳的出水口处。

采用活塞和缸体方案的高压水泵是已知的，并且本发明所涉及的这种高压水泵包括至少一个缸体，一个位于该缸体内的缸套或套，一个缸头，一个在缸套内往复运动的金属活塞，和一个位于活塞上的活塞导向瓦，活塞导向瓦与被轴驱动颈支承在偏心轴外壳上的偏心轴支承的偏心件啮合。

该泵还包括带有阀关闭件的入水和出水阀，并且活塞导向瓦可操纵地将活塞连接于偏心件，所以一旦偏心轴转动，偏心件就使活塞往复运动，从而交替地扩张和压缩缸套内由活塞和缸头之间限定的缸体腔室。在抽吸冲程期间（即相应于缸体腔室扩张），在缸体腔室内建立了一个低压，并且水从偏心腔被吸入缸体腔室。在随后的冲程中（即泵送冲程），缸体腔室的体积被压缩，水在高压下从缸体腔室中被迫挤出。

为了供给水，一般来说要提供一个低压水箱，并使其通过一个适当的法兰与外壳连接，法兰将偏心腔与低压水箱连通。对于这种应用目的来说，低压指的是10bar或更低的水压。在抽吸冲程期间，水被抽出偏心腔并经至少一个入水阀进入缸体腔室。当缸体腔室内的水压低于水箱中的低压一预定低压门限值时，入水阀打开。

如果压差小于低压门限值或为异号，入水阀关闭。

在泵送冲程期间，缸体腔室内的水在高压下被压缩。对于这种应用目的来说，高压一词指的是例如60bar到450bar的水。

通常出水阀在可选择的水压高压门限值下打开，该高压门限值与所需要的最小高压值对应。在该高压门限值以下，出水阀关闭。在泵送冲程期间，一旦超过高压门限值，出水阀就打开，从而允许泵送的水在高压下流动到外壳的出水口。

活塞运动的运动机理是这样，即活塞有一个所谓的上死点和所谓的下死点。活塞的冲程是由偏心件的转动实现的，活塞导向瓦能使偏心件与活塞连接，偏心件将活塞朝上死点位置推并且例如在弹簧力下允许活塞移动到下死点位置。所以一个弹簧可使活塞的导向瓦保持与偏心件接触。

在活塞的下死点位置，活塞可沿其在缸套内的整个长度导向，或者在下死点位置活塞从缸套内撤出的一部分朝偏心轴倾斜。如果活塞和缸套有相同的长度，处于下死点位置的活塞在缸套内就在这样一个长度上导向即该长度约等于缸套长度和活塞冲程的差。在任何情况下，应当这样决定活塞和缸套及冲程的长度尺寸，即在工作中活塞不能产生有害的倾侧。

到现在为止所提供的上述类型的高压泵，其活塞和缸套均为金属材料制成。在活塞和缸套之间常常限定一个间隙，该间隙允许活塞在缸套中在工作温度范围以内滑动。换句话说，在工作温度下，即使有热膨胀，该间隙也不会使活塞卡在缸套中。活塞在缸体内被导向的长度可以被限定为缝隙长度。

在高压水泵中，泵送的水对泵的工作具有实际作用。换句话说，流过水泵的水连续地冷却高压水泵。此外，由于水通常带有润滑剂，所以泵送的水也起润滑作用。泵的自由滑动表面被水所带的润滑剂连续润滑。水中的润滑剂含量可以为5%，当然也可使用更少的润滑剂。

当活塞和缸体两者均为金属制成时，需要最小程度的润滑。如果供给到这些表面的润滑剂减少到所需的最小值以下，尽管上述的冷却效应，因摩擦力增加缸套和活塞的温度将会升高。摩擦力增加，活塞和/或缸套的材料磨损就会增加，从而导致对高压水泵的功能造成损害。实际中业已发现在水中不加润滑剂的情况下，传统高压水泵，寿命较短，并因上述原因而迅速失效。然而，如果泵送的水不是在闭环系统中流动，所用的润滑剂就会破坏环境。

在使用高压水泵的多数情况下，水的闭环系统是不可能的，或者至少说是极其昂贵的。换句话说，对环境来说，加润滑剂是不理想的，但在技术上，为了有效地使高压水泵工作，润滑剂又是必须的。

所以，本发明的基本目的是提供一种上述类型的高压水泵，但其使用寿命得到改善，即使它连续工作和在水中不加润滑剂的情况下工作（例如如果需要泵送纯水）。

本发明的另一目的是提供一种避免现有技术缺点的改进的高压水泵。

根据本发明，通过提供由一种材料制成的缸套达到了这些和其它目的，这种材料是从聚醚乙醚酮（Polyetheretherketone）基的高强度热塑合成树脂族中选择的，此外，根据本发明，在活塞和缸套之间还限定了一个间隙或缝隙，从而形成一个冷却缝隙，一部分泵送的水作为冷却介质被迫通过该缝隙。该缝隙的尺寸使得作为缝隙冷却介质通过缝隙的液体部分在泵的连续工作中防止缸套温度超过100℃，最好防止超过50℃。

更具体些，本发明的高压水泵包括：

一个限定一偏心腔，一缸体和一缸头的外壳;

一个轴颈支承在外壳上并在偏心腔内有一偏心件的偏心轴;

一个位于缸体内并由高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂制成的缸套;

一个可在缸套内滑动的金属活塞;

一个可操纵地与活塞连接并与偏心件啮合的活塞导向瓦，从而当偏心轴转动时活塞在缸套内往复运动;和

入水和出水阀，在活塞的抽吸冲程期间，它们能使水从偏心腔被吸入缸套中限定在缸头和活塞之间的缸体腔室内，在活塞的泵送冲程期间能使水从缸体腔室内在高压下排出泵外，活塞与缸套一起限定了一个围间隙，一部分从缸体腔室排出的水作为冷却介质被迫通过该间隙，选择围间隙的缝隙宽度以限定冷却介质的最小体积流率，它应足以在连续工作中使缸套的最大温度保持在100℃。

我们在这里所提到的无润滑剂水，意指无需为润滑目的而添加润滑剂的水。也有可能产生水的轻微污染，例如通过高压水泵上游的设备，但这是不可避免的。

尽管该泵可泵送高度纯净的水，如果需要它也允许使用监测水的纯度的系统，或者配备监测水纯度的系统。

本发明是基于摩擦学理论，即相互滑动的金属工件当它们的表面没有润滑剂时往往产生冷焊。

当两种材料中的一种是非金属时，可避免冷焊。鉴于大多数非金属材料的性质如硬度，弹性，特别是热传导性，它们不适于用作许多机械零件。

令人吃惊的是我们已经发现由金属和高强度热塑聚醚乙醚酮基的合成树脂组合构成的活塞和缸套，当提供有作为冷却剂流动缝隙的间隙，空隙或缝隙时（一部分被泵送的水可作为冷却介质流过该缝隙），允许在高压水泵中以无润滑剂方式连续工作。

结果，从摩擦学的观点出发就充分利用了材料付的优点，同时通过迫使一部分水流通过缝隙而增加热传导就克服了非金属材料热传导性低的缺点。聚醚乙醚酮类的高强度热塑材料可以满足机械上的要求。

冷却效率（它取决于间隙的尺寸，也就是水通过它的体积流率）是缸体腔室内的水压和偏心腔内的水压之间的压差，缝隙宽度和缝隙长度的函数。

缝隙长度通常取决于结构上的考虑。所以，可以调整缝隙宽度，以使缸套内产生的最高允许温度为100℃。实际上，作为冷却流体通过的高压水的数量非常小，不会对高压泵的泵送功能造成有害影响。

缸套可由不带充填物的聚醚乙醚酮（PEEK）类的高强度热塑合成树脂制成，而在本发明的一个最佳审实施例中，缸套是由含有作为充填物的碳纤维的PEEK制成。从结构的观点出发，碳纤维形成材料的加强物，并改善了机械性质。碳纤维的存在也提高了热传导性，所以可以允许通过冷却缝隙的冷却水部分减少或降低到最小程度。从微观上讲碳纤维也具有石墨结构，这样石墨结构同时提高了缸套的润滑性能。

此外或可选择地，在PEEK基的高强度热塑合成树脂中可填加聚四氟乙烯作为充填物，以提高润滑性能。也可以在高强度PEEK基的材料中填加玻璃纤维或矿物原料，或两者。也应当指出，在所有实施例中，就其宏观性质讲，高强度热塑PEEK基的合成树脂应当具有各向同性的性质。

根据本发明的另一特征，缸套的材料是硬度为至少110（洛氏硬度“M”制Rockwell“M”scale）的高强度热塑PEEK基的合成树脂。

更高的硬度可减小磨损速度，并且即使连续工作很长时间也能保证缸套的尺寸稳定。缸套材料的热传导率至少应为0.80W/mK。更高的热传导率可减小冷却介质的体积流率，在冷却缝隙中冷却介质用来防止缸套的最大温度超过100℃。

此外，业已发现缸套的不平度R_Z小于2.5μm，R_Z大于1.5μm特别有利。不平度R_Z是这样限定的：采用标准的不平度测量技术，从5次连续的单独测量中，取分散点的平均值。较低的不平度可产生较小的摩擦力，从而产生较少的摩擦热。然而不能将不平度减小到某一最小值以下，这是因为即使纯水也有一定的润滑性（尽管很小），在最小不平度下它的润滑性十分明显。

最小不平度在表面上提供了凹处，其中水可或多或少地形成稳定的水垫，从而使水本身起润滑作用。业已发现将缸套粘接在缸体内特别有利。

作为最佳的选择，当通过的冷却介质流体与泵的总进水量的比值为0.0002%到0.0003%（体积）时，缝隙宽度与缝隙长度比值在0.0005到0.0007的范围之内。

最好安装一个由高强度热塑PEEK基的合成树脂制成的活塞导向瓦，并将偏心轴轴颈支承在由该材料制成滑动轴瓦内，和/或将该材料用作制造阀关闭件的材料。轴瓦可以作为套筒或套管加工成一件，或者也可由多个件组成，即多个轴瓦。当然，制成轴瓦，阀件和活塞导向瓦的材料可以含有上述的充填物。

本发明的高压水泵可以带有位于一排内的多个缸体，并且缸体可分布在一个径向平面或一个轴向平面之内。如果需要，也可想象出带有多个缸体的其它实施例，当然该泵可只带有一个缸体。

高压水泵可用于多种目的。例如，它可以用于地下采煤作业中，尽管利用纯水也不会破坏泵的连续工作。此外，也避免了对环境有害的物质，例如用于水中的传统润滑剂，也不存在污染地下水的危险。

该泵也可用来作为高压喷水净化设备的压力泵，其优点是不必附加放水的直接脱水系统。在脏物分离机中，在净化操作中只有分离的脏物被收集，而在这些系统中不必大量地除去许多润滑添加剂。高压泵也可用于科学研究等场合，例如可以作为高压液体色层分析单元（HPLC）的压力和泵送泵。在这种情况下避免污染水是非常重要的。当然，在需要高压水时也可用于其它场合。

下面参照附图，从下面的描述中可更容易地看出本发明的上述及其它目的，特征及优点，其中：

图1是根据本发明的高压水泵的轴向剖视图;

图2是该泵的活塞及缸套部分的放大详图;

图3放大示出了活塞和缸套部分之间的关系;

图4是图1和2所示类型的泵的径向断面图，具有由单独一个偏心件驱动的一组角度方向隔开的活塞，和

图5是一类似于图1的剖视图，示出了一个具有一排活塞或缸体的高压水泵，所述一排活塞或缸体位于一个轴向平面内。

在图1中，以径向活塞泵的形式示出了本发明的高压水泵，并且在图1中示出了单独一个缸体1，在图4中，所示的两个缸体1和1′绕偏心轴以角度方向隔开的关系定位，偏心轴的偏心件用数字20表示。在图5所示的实施例中，所示的两个缸体1和1′轴向隔开，并且各缸体分别与一共同轴上的偏心件20和20′配合。

从图4和5中可明显看出任何数量的缸体可在一共同的径向平面内角度方向隔开（图4），或者在一共同的轴向平面内轴向隔开（图5），或采用其它各种方案，其中缸体和它们的活塞绕偏心轴的轴线相互之间轴向隔开和角度方向隔开。下文将要描述的同一原理适用于所有这类方案。

从图1可看出，各缸体1（或1′）容纳有一缸套2，它由自聚醚乙醚酮（Polyetheretherketone）基的高强度热塑合成树脂，即PEEK树脂，中选择的材料制成。

从图3中可见，缸套2通过粘接层2a粘接在缸套1上。缸体由形成外壳一部分的缸头3封闭，下文中将详细描述外壳。

在缸套2中，一个由金属材料制成的活塞4可径向地往复运动。活塞4由一压缩弹簧19沿其下死点位置的方向推动。压缩弹簧14使活塞顶在一个活塞导向瓦5上，并且活塞导向瓦5顶在一相应的偏心件20上。活塞导向瓦也是由高强度热塑PEEK基的合成树脂制成。

偏心件20形成偏心轴6的一部分。

在偏心件20的两侧，偏心轴轴颈支承在轴瓦7内，即所谓的滑动轴承或滑动轴瓦，它们也是由高强度热塑PEEK基的合成树脂制成。

轴瓦7在偏心轴外壳8内轴颈支承偏心轴，偏心轴外壳8限定了环绕偏心件20的偏心腔14。

活塞4与缸头3一起在缸套2内限定了一个缸体腔室13。在活塞4和缸套2之间，带有一个缝隙宽度为d（图3）缝隙长度为l（图1）的围间隙15。

在缸头3的区域，带有一个进水阀9，其构造为一个由高强度PEEK基的合成树脂制成的环11，它覆盖一组经环绕缸体1的一个空间31与偏心腔14连通的通道30。偏心腔14经一个位于法兰32上的泵口16与要被抽吸的水源连接，法兰32用螺栓33固定在外壳8上。

在缸头3的区域，还带有一个出水阀10，它包括一个由高强度热塑PEEK基的合成树脂制成的阀件12，一个弹簧34使阀件12偏置在一关闭位置。在活塞4的抽吸和泵送冲程期间，压力差使阀件11和12致动。

出水阀10通向一个在外壳的缸体限定部分37内的通道35，缸体限定部分37固定在带有通道36，38的外壳8上，通道36，38与法兰32上的通道39相通，通道39依次与一个出口17连相。口40表示与其它绕偏心轴角度方向隔开的缸体的连接。

在活塞4的抽吸冲程期间，即随着偏心轴6的旋转其弹簧19将活塞径向向内偏置的冲程期间，腔室13内的压力下降到低于偏心腔14内的压力，水经通道30和阀9进入腔室13。在压缩冲程期间，即在偏心件20使活塞4径向向外泵送冲程期间，腔室13内增加的压力使阀9关闭，并且阀10被迫打开而迫使高压水流到出口17。在抽吸冲程期间阀10被关闭，在泵送冲程期间阀9被关闭。当缸体腔室13内的水压超过前述的高压门限值时，阀10打开。活塞4和偏心轴6可加工有通道21和冷却孔，在这些冷却孔处，这些通道通向导向瓦5和轴瓦7的滑动表面，以便冷却这些区域。

比值d∶l应为0.0005到0.0007，缝宽d应当这样决定，即通过泵的0.0002到0.0003%（体积）的水作为冷却水通过间隙15，以将缸套2的温度保持在50℃以下。所用的PEEK基的材料可以含有碳纤维，PDFE，玻璃纤维，和/或矿物充料。

Claims (20)

1、一种用于不带润滑剂的水的高压水泵，包括：

一个限定一偏心腔，一缸体和一个缸头的外壳；

一个轴颈支承在所述外壳上并在所述偏心腔内有一偏心件的偏心轴；

一个位于所述缸体内并由一种高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂制成的缸套；

一个可在所述缸套内滑动的活塞；

一个可操纵地与所述活塞连接并与所述偏心件啮合的活塞导向瓦，从而当所述偏心轴转动时所述活塞在所述缸套内往复运动；和

入水和出水阀，在活塞的抽吸冲程期间，它们能使水从所述偏心腔被吸入在所述缸套中限定在所述缸头和所述活塞之间的缸体腔室内，在所述活塞的泵送冲程期间，能使水从所述缸体腔室内在高压下排出泵外，所述活塞和所述缸套一起限定了一个围间隙，一部分从所述缸体腔室内排出的水作为一种冷却介质被迫通过该间隙，选择所述围间隙的缝隙宽度以限定所述冷却介质的某一最小体积流率，它应足以在连续工作中使所述缸套的最大温度保持在100℃。

2、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套由一种无充填物的高强度聚醚乙醚酮（Polyetheretherketone）制成。

3、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套由一种充真有碳纤维的高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂制成。

4、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套由一种充填有聚四氟乙烯的热塑合成树脂制成。

5、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套由一种充填有碳纤维和聚四氟乙烯的热塑合成树脂制成。

6、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套由一种充填玻璃纤维或矿物原料的热塑合成树脂制成。

7、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂的硬度为至少110（洛氏硬度“M”制，Rockqell“M”Scale）。

8、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂的热传导率为至少0.80W/mK。

9、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套的不平度R_Z为小于2.5μm，大于1.5μm。

10、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述缸套被粘接在所述缸体内。

11、根据权利要求1所述的高压水泵，其中在室温下所述围间隙的缝隙宽度与其缝隙长度之比在0.0005到0.0007的范围内。

12、根据权利要求1所述的高压水泵，其中这样选择所述缝隙宽度，即所述冷却介质流与吸入所述缸体腔室的水的体积之比为0.0002%到0.0003%。

13、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述活塞导向瓦由高强度聚醚乙醚酮基的热塑合成树脂材料制成。

14、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述阀中的至少一个包括一个由高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂制成的阀关闭件。

15、根据权利要求1所述的高压水泵，其中所述偏心轴轴颈支承在位于所述外壳上的滑动轴瓦内，所述外壳带有滑动轴瓦并封闭所述轴，滑动轴瓦由高强度聚醚乙醚酮热塑合成树脂制成。

16、根据权利要求1所述的高压水泵，其中在所述外壳内有一组所述缸体分布于一排之内。

17、根据权利要求1所述的高压水泵，其中在所述外壳内有一组所述缸体分布在一个共同的径向平面内。

18、权利要求1所限定的高压水泵用于采煤作业中。

19、权利要求1所限定的高压水泵用于高压喷水清洁设备中。

20、权利要求1所限定的高压喷水泵用作高压液体色层分析单元的压力和泵送泵。

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