CN107035645A - 一种多级斜盘柱塞式气泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级斜盘柱塞式气泵，它是一款四级五列十缸斜盘旋转式内置阀配流轴向柱塞泵，其主要构件包括前、后气缸盖，前、后气缸体，柱塞组件，进、排气阀组件和斜盘、主轴。其中，斜盘和主轴采用一体化成型加工，双向作用的柱塞通过钢球和滑履夹嵌在斜盘周围。工作时，斜盘旋转的过程中通过钢球和滑履驱动柱塞往复运动，根据双向斜盘式气泵中柱塞的相对运动规律，将气泵内的气缸进行分级组合，并在前、后气缸盖处通过单向阀配流，将同一级气缸并联连接，相邻级气缸串联连接，从而实现了四级压缩。本发明将多级压缩技术应用于斜盘式轴向柱塞泵，其体积小、重量轻、总压缩比高、平衡性能好、振动噪声小、容易实现高转速。

Description

一种多级斜盘柱塞式气泵

技术领域

本发明涉及一种气泵，尤其是能够实现多级压缩的双向斜盘柱塞式气泵。

背景技术

气泵，也称空气压缩机，是用来压缩气体以提高气体压力的机械设备，其按照压缩方式的不同可以分为单级压缩式气泵与多级压缩式气泵。单级压缩就是气体仅通过一次工作腔压缩来达到所需要的气体压力，单级压缩的压缩比一般为2~8，特殊情况下最高允许达到8~12，单级压缩式气泵制造工艺简单，技术难度低，一般用途的气泵或压缩机普遍都采用的是单级压缩，但是当所要求的气体的压缩比超过这个数值时，就需要采用多级压缩，因为这时如果还采用单级压缩，就会造成气泵的排气温度过高、功耗严重，气缸容积利用率大大降低等一系列问题。多级压缩就是将气体的总压力分成若干级，按先后级次把气体逐级进行压缩，经过几次升压而达到所需要的工作压力。采用多级压缩具有以下优点：（1）节省压缩气体指示功；（2）提高气缸容积利用率；（3）降低排气温度；（4）降低活塞上的最大气体作用力。

目前，多级气泵中应用最多的是多级往复活塞式气泵，其总压缩比高，总体工作效率高，而多级往复活塞式气泵中应用最普遍，发展最成熟的是曲柄活塞式气泵，曲柄活塞式气泵就是通过曲柄连杆机构驱动多级活塞往复运动，从而实现气体的多级压缩，其加工工艺成熟，性能稳定，但是，采用曲柄连杆机构驱动活塞往复运动不可避免地会造成气泵体积大，工作时振动、噪声大，难以实现高转速而容易造成排气量的波动。斜盘柱塞机构也属于往复活塞式结构，其体积小、重量轻、周向结构对称、平衡性能好、容易实现高转速，然而，斜盘柱塞机构目前主要应用于汽车空调压缩机，在气泵中的应用相对较少，而且目前，斜盘柱塞式压缩机主要都是单级压缩式压缩机，很少作为多级压缩机使用。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种多级斜盘柱塞式气泵，该气泵采用五列十缸双向斜盘柱塞式结构，并将多级压缩技术应用于旋转斜盘式轴向柱塞泵，实现了四级压缩。其结构简单紧凑、体积小、重量轻、总压缩比高、工作时斜盘受力均匀、平衡，容易实现高转速，适宜作为一种微型高压气泵应用于医疗、航空、车辆混合动力等领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种五列十缸斜盘旋转式内置阀配流轴向柱塞泵，主要构件包括前、后气缸盖，前、后气缸体，双向作用式柱塞组件，轴承组件，进、排气阀组件和斜盘、主轴。其中，所述后气缸盖上沿圆周方向加工有一圈螺纹盲孔，相应的后气缸体、前气缸体和前气缸盖上沿圆周方向均加工有一圈通孔，通过螺栓连接将前气缸盖、前气缸体、后气缸体与后气缸盖依次固定连接起来；所述前气缸盖与前气缸体之间和后气缸盖与后气缸体之间均通过两个圆柱销定位；所述前气缸盖与前气缸体之间和后气缸盖与后气缸体之间均安装有一个O型圈来保证密封；所述斜盘和主轴为一体式结构；所述主轴动力输入端加工有键槽或花键；所述主轴和前气缸盖之间安装有油封和孔用弹性挡圈；所述五列双向作用式柱塞组件置于前、后气缸体内部的柱塞孔内。

所述轴承组件包括主轴与前气缸体之间以及主轴与后气缸体之间均依次安装有平面圆柱滚子轴承和圆柱滚子轴承。

所述进、排气阀组件包括依次相连的进气单向阀、阀座、排气单向阀和带金属骨架的橡胶密封垫，进、排气阀组件通过两个圆柱销固定在前气缸盖与前气缸体之间以及后气缸盖与后气缸体之间。

所述双向作用式柱塞组件包括双向作用的柱塞和钢球滑履，双向作用的柱塞通过两个钢球滑履夹嵌在斜盘两侧。

进一步地，所述柱塞的材料采用高硅铝合金材料，为提高其耐磨性，柱塞表面还均匀地涂抹有一层耐磨聚四氟乙烯膜。

进一步地，所述气泵内共具有十一个气缸，斜盘两侧各均布有五个，分别沿圆周方向均布于前、后气缸体内，后气缸盖内有一个。这十一个气缸中位于后气缸体内的一个气缸始终与大气连通，不参与气泵内气体的多级压缩过程，剩下的十个气缸将气泵内的气缸共分为四级，其中一级气缸有六个，斜盘两侧各分布三个；二级气缸有两个，斜盘两侧各分布一个；三级气缸有一个，位于前气缸体内；四级气缸有一个，位于后气缸盖内。

进一步地，所述气泵内前三级共九个气缸直径尺寸完全一样，第四级气缸直径尺寸小于其他气缸。

进一步地，所述后气缸盖内的四级气缸与所述后气缸体内不参与气体多级压缩过程的气缸同轴线。

进一步地，所述后气缸盖内的四级气缸内安装有一个弹簧，四级柱塞的一个端面与位于后气缸体内与之同轴但不参与气体多级压缩过程的柱塞的一个端面在弹簧的作用下紧密贴合，二者之间并不存在连接关系，是两个独立分离的零件。四级柱塞的压缩过程由斜盘驱动，膨胀过程由弹簧驱动。

进一步地，所述气泵的进气口位于后气缸体上，所述后气缸盖上四级气缸的排气口就是整个气泵的排气口。

进一步地，所述气泵内四级气缸的排气口处安装有一个气动可调式单向阀，用于调节四级气缸的排气压力，即调节四级气缸的压缩比，进而调节整个气泵的总压缩比。

进一步地，所述前、后气缸体内沿圆周方向均加工有多个通孔，形成各级气缸之间的进、排气通道。

进一步地，所述前、后气缸盖内均加工有多个不规则形状的空腔，形成各级气缸的进气腔和排气腔。

工作时，斜盘旋转的过程中通过钢球滑履驱动柱塞往复运动，根据十缸双向斜盘柱塞式气泵中柱塞的相对运动规律，将气泵内的气缸进行分级组合，并在前、后气缸盖处通过单向阀配流，将同一级气缸并联连接，相邻级气缸串联连接，从而实现四级压缩。

本发明的有益效果是，将斜盘柱塞机构应用于气泵，用于压缩气体，气泵整体体积小、重量轻、周向结构对称、平衡性能好。另外，本发明结合五列十缸旋转斜盘式压缩机的结构特点和其中双向作用式柱塞的相对运动规律，对气泵内的气缸进行分级组合，并在前、后气缸盖处通过单向阀完成气体的级间配流，实现了四级压缩，将多级压缩技术应用于旋转斜盘式轴向柱塞泵。

本发明结构紧凑、体积小、总压缩比高，各级气缸合理分布于斜盘两侧，整个气泵在多级压缩过程中，斜盘受力均匀、平衡，旋转惯性力小，振动、噪声低，工作腔内压力波动小，压缩过程比较平稳，容易实现高转速，同时该气泵的工作原理和结构也可拓展应用于其他不同的工作介质中，例如水、液压油、氟利昂等，其也能表现出优异的工作性能。

（1）本发明采用五列十缸双向斜盘柱塞式结构，根据气泵内柱塞的相对运动规律，将气泵内的十个气缸共分为四级，其中一级气缸有六个，斜盘两侧各分布三个；二级气缸有两个，斜盘两侧各分布一个；三级气缸和四级气缸各有一个，分布于斜盘两侧。各级气缸合理分布于斜盘两侧，一方面保证前一级柱塞处于压缩状态的同时，后一级柱塞处于膨胀状态，而且满足前一级柱塞排气过程结束的同时后一级柱塞刚刚开始压缩过程，从而保证气体的多级压缩过程连续进行；另一方面保证斜盘两侧所受柱塞对其的作用力基本对称、均匀、平衡，保证斜盘旋转的过程中满足强度要求和动平衡要求。

（2）各级柱塞的材料采用高硅铝合金材料，柱塞的表面还均匀地涂抹有一层耐磨聚四氟乙烯膜，这样一方面可以提高柱塞的耐磨性，另一方面这层聚四氟乙烯膜还可以适当减小柱塞与气缸镜面之间的配合间隙，达到减少泄露的目的。

（3）位于后气缸盖内的四级柱塞的压缩过程由斜盘驱动，回程（即膨胀过程）由位于四级气缸内的弹簧驱动。因为位于后气缸盖内的四级气缸无论在加工时还是在装配时都很难保证与位于后气缸体内与之相对应位置但不参与气体多级压缩过程的气缸的同轴度，所以四级柱塞采用弹簧复位的驱动方式，这样气泵在加工和装配时就无需再保证四级气缸与位于后气缸体内与之相对应位置但不参与气体多级压缩过程的气缸的同轴度，从而既减小了四级气缸的加工难度，也减小了四级柱塞与后气缸盖的装配难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明多级斜盘柱塞式气泵结构示意图。

图中1.气动可调式单向阀，2.后气缸盖，3.弹簧，4.四级柱塞，5.带金属骨架的橡胶密封垫，6.排气单向阀，7.阀座，8.进气单向阀，9.后气缸体，10.钢球滑履，11.双向作用式柱塞，12.前气缸体，13.前气缸盖，14.油封，15.孔用弹性挡圈，16.传动主轴，17.圆柱滚子轴承，18.平面圆柱滚子轴承，19.圆柱销，20.O型圈。

图2是多级斜盘柱塞式气泵柱塞和气缸分布及其编号。

图中数字1-10是柱塞和气缸的编号。

图3是多级斜盘柱塞式气泵工作原理展开示意图。

图中数字1-10是柱塞和气缸的编号，Ⅰ.后气缸盖，Ⅱ.后气缸体，Ⅲ.前气缸体。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种多级斜盘柱塞式气泵，主要构件包括前气缸盖13、前气缸体12、传动主轴16、双向作用式柱塞组件、轴承组件、进、排气阀组件、后气缸体9、四级柱塞4、弹簧3、后气缸盖2、气动可调式单向阀1。其中，所述后气缸盖2上沿圆周方向加工有一圈螺纹盲孔，相应的后气缸体9、前气缸体12和前气缸盖13上沿圆周方向均加工有一圈通孔，通过螺栓连接将前气缸盖13、前气缸体12、后气缸体9与后气缸盖2依次固定连接起来；所述前气缸盖13与前气缸体12之间和后气缸盖2与后气缸体9之间均通过两个圆柱销19定位；所述前气缸盖13与前气缸体12之间和后气缸盖2与后气缸体9之间均安装有一个O型圈20来保证密封；斜盘和所述传动主轴16为一体式结构；所述传动主轴16动力输入端加工有键槽或花键；所述传动主轴16和前气缸盖13之间安装有油封14和孔用弹性挡圈15；所述五列双向作用式柱塞组件置于前气缸体12和后气缸体9内部的柱塞孔内。

所述轴承组件包括传动主轴16与前气缸体12之间以及传动主轴16与后气缸体9之间均依次安装有平面圆柱滚子轴承18和圆柱滚子轴承17。

所述进、排气阀组件包括依次相连的进气单向阀8、阀座7、排气单向阀6和带金属骨架的橡胶密封垫5，进、排气阀组件通过两个圆柱销19固定在前气缸盖13与前气缸体12之间以及后气缸盖2与后气缸体9之间。

所述双向作用式柱塞组件包括双向作用式柱塞11和钢球滑履10，双向作用式柱塞11通过两个钢球滑履10夹嵌在斜盘两侧。

本发明多级斜盘柱塞式气泵内共具有十一个气缸，斜盘两侧各均布有五个，分别沿圆周方向均布于前气缸体12和后气缸体9内，后气缸盖2内有一个。这十一个气缸中位于后气缸体9内的一个气缸始终与大气连通，不参与气泵内气体的多级压缩过程，剩下的十个气缸将气泵内的气缸共分为四级，其中一级气缸有六个，斜盘两侧各分布三个；二级气缸有两个，斜盘两侧各分布一个；三级气缸有一个，位于前气缸体12内；四级气缸有一个，位于后气缸盖2内。对位于前气缸体12和后气缸体9内的气缸分别进行编号，如图2所示，则其中1、4、5号气缸和8、9、10号气缸为一级气缸；3、7号气缸为二级气缸；2号气缸为三级气缸；6号气缸始终与大气连通，不参与气泵内气体的多级压缩过程；气泵的前三级共九个气缸直径尺寸完全一样，气泵的第四级气缸位于后气缸盖2内，直径尺寸小于其他气缸。所述气泵的进气口位于后气缸体9上，所述气泵内四级气缸的排气口处安装有一个气动可调式单向阀1，用于调节四级气缸的排气压力，即调节四级气缸的压缩比，进而调节整个气泵的总压缩比，四级气缸的排气口就是整个气泵的排气口。

所述前气缸体12和后气缸体9内沿圆周方向均加工有多个通孔，形成各级气缸之间的进、排气通道。所述前气缸盖13和后气缸盖2内均加工有多个不规则形状的空腔，形成各级气缸的进气腔和排气腔。所述前气缸盖13和前气缸体12之间以及后气缸盖2和后气缸体9之间均安装有进、排气阀组件，通过单向阀配流，将同一级气缸并联连接，相邻级气缸串联连接，从而实现多级压缩。

本发明多级斜盘柱塞式气泵的工作过程如下：

如图1所示，当传动主轴16带动斜盘旋转时，钢球滑履10沿固定的轨迹在斜盘上滑动，随着钢球滑履10在斜盘上位置的改变，推动双向作用式柱塞11在气缸内沿轴向作周期性的往复运动。由于柱塞11是双向作用，所以两侧气缸同时工作，当一侧气缸处于吸气过程时，则另一侧气缸就处于压缩或排气过程，视每一个气缸所对应的柱塞都是一个单独的柱塞，则该气泵共具有十一个柱塞，对位于前气缸体12和后气缸体9内的柱塞分别进行编号，如图2所示，则其中1-10号柱塞的往复运动由斜盘驱动，四级柱塞4的压缩过程由6号柱塞驱动，回程（即膨胀过程）由位于后气缸盖2内的弹簧3驱动。

图3是本发明多级斜盘柱塞式气泵的工作原理展开示意图，在传动主轴16驱动斜盘沿图示方向旋转时，根据各个柱塞的相对运动关系，1、4、5号柱塞作为一级柱塞依次将气体压入3号气缸，8、9、10号柱塞作为一级柱塞依次将气体压入7号气缸；3、7号柱塞作为二级柱塞依次将气体压入2号气缸；2号柱塞作为三级柱塞将气体压入四级气缸，四级柱塞4将前三级柱塞压缩后的气体再进行一定程度的压缩后通过气动可调式单向阀1排出气泵，完成气体的四级压缩过程。通过调节气动可调式单向阀1的开启压力，可以调节四级气缸的压缩比，进而可以微调气泵总的排气压力。在此过程中，各级柱塞之间的相对运动关系满足前一级柱塞处于压缩状态的同时，后一级柱塞处于膨胀状态，而且前一级柱塞排气过程结束的同时后一级柱塞刚刚开始压缩过程，从而保证气泵的多级压缩过程是连续进行的。

Claims (9)

1.一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：主要构件包括前气缸盖13、前气缸体12、传动主轴16、双向作用式柱塞组件、轴承组件、进、排气阀组件、后气缸体9、四级柱塞4、弹簧3、后气缸盖2、气动可调式单向阀1。

2.其中，所述前气缸盖13、前气缸体12、后气缸体9与后气缸盖2依次固定连接；所述五列双向作用式柱塞组件置于前气缸体12和后气缸体9内部的柱塞孔内；

所述轴承组件包括传动主轴16与前气缸体12之间以及传动主轴16与后气缸体9之间均依次安装有平面圆柱滚子轴承18和圆柱滚子轴承17；

所述进、排气阀组件包括依次相连的进气单向阀8、阀座7、排气单向阀6和带金属骨架的橡胶密封垫5，进、排气阀组件通过两个圆柱销19固定在前气缸盖13与前气缸体12之间以及后气缸盖2与后气缸体9之间；

所述双向作用式柱塞组件包括双向作用式柱塞11和钢球滑履10，双向作用式柱塞11通过两个钢球滑履10夹嵌在斜盘两侧；

所述气泵内共具有十一个气缸，斜盘两侧各均布有五个，分别沿圆周方向均布于前气缸体12和后气缸体9内，后气缸盖2内有一个，这十一个气缸中位于后气缸体9内的一个气缸始终与大气连通，不参与气泵内气体的多级压缩过程，剩下的十个气缸将气泵内的气缸共分为四级，其中一级气缸有六个，斜盘两侧各分布三个；二级气缸有两个，斜盘两侧各分布一个；三级气缸有一个，位于前气缸体12内；四级气缸有一个，位于后气缸盖2内；气泵的前三级共九个气缸直径尺寸完全一样，第四级气缸直径尺寸小于其他气缸；

所述气泵的进气口位于后气缸体9上，所述气泵内四级气缸的排气口处安装有一个气动可调式单向阀1，用于调节四级气缸的排气压力，即调节四级气缸的压缩比，进而调节整个气泵的总压缩比，四级气缸的排气口就是整个气泵的排气口；

所述前气缸体12和后气缸体9内沿圆周方向均加工有多个通孔，形成各级气缸之间的进、排气通道；

所述前气缸盖13和后气缸盖2内均加工有多个不规则形状的空腔，形成各级气缸的进气腔和排气腔；

所述前气缸盖13和前气缸体12之间以及后气缸盖2和后气缸体9之间均安装有进、排气阀组件，通过单向阀配流，将同一级气缸并联连接，相邻级气缸串联连接，从而实现多级压缩；

所述后气缸盖2内的四级气缸内安装有一个弹簧3，四级柱塞4的一个端面与位于后气缸体9内与之同轴但不参与气体多级压缩过程的柱塞的一个端面在弹簧3的作用下紧密贴合，二者之间并不存在连接关系，是两个独立分离的零件，四级柱塞4的压缩过程由斜盘驱动，膨胀过程由弹簧3驱动。

3.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述后气缸盖2上沿圆周方向加工有一圈螺纹盲孔，相应的后气缸体9、前气缸体12和前气缸盖13上沿圆周方向均加工有一圈通孔，通过螺栓连接将前气缸盖13、前气缸体12、后气缸体9与后气缸盖2依次固定连接起来。

4.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述前气缸盖13与前气缸体12之间和后气缸盖2与后气缸体9之间均通过两个圆柱销19定位。

5.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述前气缸盖13与前气缸体12之间和后气缸盖2与后气缸体9之间均安装有一个O型圈20来保证密封。

6.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：斜盘和所述传动主轴16为一体式结构。

7.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述传动主轴16动力输入端加工有键槽或花键。

8.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述传动主轴16和前气缸盖13之间安装有油封14和孔用弹性挡圈15。

9.根据权利要求1所述一种多级斜盘柱塞式气泵，其特征在于：所述双向作用式柱塞11和四级柱塞4的材料为高硅铝合金材料，且其表面还均匀地涂抹有一层耐磨聚四氟乙烯膜。