CN107795449B - 一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵 - Google Patents

一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，由机架、输入轴、齿扇、齿条组件、凸轮、限位框、导轨、活塞及液缸构成。其中，输入轴通过轴承安装在机架上，输入轴上安装有齿扇，齿扇与齿条组件啮合，齿条组件一端与活塞杆连接，另一端与限位框连接，凸轮置于限位框之中。所述齿扇的轮齿由圆柱齿轮和变传动比的椭圆齿轮组成，有轮齿的部分对应的圆周角小于180°；所述凸轮的远休止角附近设有与限位框配合的轮廓线。机构工作时，通过齿扇与上、下齿条的交替啮合来推动活塞作往复运动，并通过凸轮与限位框的配合来确保机构顺利平稳换向。本发明结构简单，换向精确平稳，系统效率高，泵压及泵排量波动小。

Description

一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵
技术领域
本发明涉及石油、化工、矿山等行业用的一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵。
背景技术
往复泵作为最早出现的泵类机械，到目前为止仍广泛应用于工业界的各个领域，尤其是在石油钻井工程中占有相当高的地位。近年来，由于石油钻井和采油工艺发展的需要，石油矿场往复泵在性能和品种方面都有进一步提高。同时，为了适应矿场用泵的恶劣工作条件，在结构、材料、制造工艺、甚至作用原理方面，也都发生了新的变化。
随着工业技术的发展，对往复泵的要求也越来越高。高效节能、流量和压力脉动小、易损件寿命长、换向控制简单、可靠性高、体积小、重量轻是如今往复泵设计的追求目标。
CN201611255611.6公开的一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，其动力端主要由非全齿轮和齿条组成。机构工作时，通过非全齿轮与上下齿条的交替啮合来带动柱塞实现往复运动。该专利明确指出，非全齿轮脱离齿条上部啮合与进入下部啮合发生在同一瞬间，工作换向时平稳流畅。但在实际情况中，由于加工误差和安装误差等，不可能实现非全齿轮脱离齿条上部啮合与进入下部啮合在同一瞬间完成。即非全齿轮与上齿条脱离啮合瞬间，并不能与下齿条立即进入啮合，此时，齿条与非全齿轮处于完全脱离状态，即齿条和柱塞处于一种无约束状态。排液行程结束瞬时，作用于柱塞上的压力会导致柱塞及齿条有一个在液力端流体压力作用方向上的位移，从而造成在下个位置时，非全齿轮与齿条无法进入正常啮合或啮合时冲击过大，最终导致轮齿损坏甚至折断。CN201710780250.5公开的齿扇齿条式往复泵，其动力端主要由齿扇、齿条组件及导轨等构成。机构工作时，通过齿扇与上下齿条的交替啮合来带动活塞实现往复运动。为解决上述换向时存在的问题，该专利提出，往复泵液力端液缸采用双作用缸的结构形式。当无杆腔排液结束瞬间，有杆腔吸液结束，齿扇与上、下齿条均处于脱离状态时，无杆腔内的高压推动活塞向有杆腔运动，使有杆腔内液体压力升高，从而缓和换向时无杆腔内的高压产生的液力冲击。同时，上下齿条两侧末端所留的一定距离的光滑间隙，允许换向时齿条组件在未与齿扇啮合前有一定距离的反向移动，从而确保整个机构能够正常平稳地运行。该方案在很大程度上解决了换向时齿扇与齿条非正常啮合或啮合时冲击过大的问题，但尚不能完全保证换向时齿扇与齿条能够精确平稳地进入啮合。
发明内容
为克服上述技术不足，本发明旨在提出一种新的往复泵，即通过齿扇齿条机构将电机的旋转运动转化为活塞的往复运动。并且，通过凸轮与限位框的配合可实现电机连续运转情况下活塞顺利换向，解决了换向时齿扇与齿条非正常啮合的问题，从而实现往复泵流量和压力波动小、易损件寿命长、换向控制简单、可靠性高的目标。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
本发明一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，主要由机架、输入轴、齿扇、齿条组件、限位框、凸轮及导轨、活塞、活塞杆、液缸等构成。所述输入轴通过带传动与电机相连，输入轴通过轴承固定安装在机架上，机架腔内的输入轴上安装有齿扇，齿扇与齿条组件啮合；齿条组件一端通过活塞杆与活塞固定连接，另一端通过限位框连杆与限位框固定连接；限位框中安装有与其配合的凸轮，凸轮固定安装在凸轮轴上，凸轮轴通过轴承固定安装在机架上，凸轮轴与输入轴由同步带连接；齿条组件与限位框分别安装在两个导轨上，两个导轨通过螺栓固定在机架上。
所述齿扇的轮齿的中间部分为圆柱齿轮，靠近齿根圆的两端部分为变传动比的椭圆齿轮。齿扇与齿条啮合时，先由椭圆齿轮啮入，再进入圆柱齿轮啮合，最后再由椭圆齿轮啮出，从而带动齿条组件及活塞实现加速——匀速——减速的运动规律。齿扇旋转过程中，与上齿条啮合时，推动齿条组件向一个方向移动，与下齿条啮合时，推动齿条组件向相反方向移动。齿扇连续旋转过程中，与齿条组件中的上、下齿条交替啮合，从而将输入轴的旋转运动转化为活塞的往复运动。工作时，为防止齿扇与上、下两齿条同时啮合，出现干涉情况，齿扇有轮齿的部分对应的圆周角小于180°。
所述限位框通过限位框连杆与齿条组件固定连接，限位框中安装有凸轮，凸轮与齿扇同向等速旋转。凸轮与限位框只在换向过程中发生配合，其余时间处于脱离状态。即凸轮与限位框仅在活塞及齿条组件处于加速或减速运动时发生配合，在匀速运动时处于脱离状态。
所述凸轮远休止角附近设有与限位框配合的轮廓线。换向过程中，凸轮上设有轮廓线的部分与限位框配合时，可保持限位框及齿条组件换向过程中处于加速或减速段时原有运动状态不变，并在活塞及齿条组件处于无约束状态时对其进行限位，防止活塞及齿条组件受到液力端流体压力而发生位移。从而确保齿扇齿条能够准确啮入，实现精确换向。进一步的，当活塞即将到达行程死点时，齿扇的椭圆齿轮部分与一侧齿条进入啮合，带动齿条组件及活塞做减速运动，同时，凸轮与限位框进入配合并保持限位框及齿条组件做减速运动不变。当齿扇与该侧齿条脱离啮合时，凸轮与限位框继续配合，对齿条组件及活塞进行限位，防止活塞及齿条组件在无约束状态时受到液力端流体压力而发生位移。齿扇继续旋转，其椭圆齿轮部分与另外一侧齿条进入啮合，带动齿条组件及活塞开始反方向做加速运动，凸轮与限位框继续配合并保持限位框及齿条组件做加速运动不变，并逐渐退出配合。解决了换向时齿扇齿条非正常啮合的问题，可确保齿扇齿条能够准确啮入，实现精确换向。
所述往复泵液力端液缸可以是单作用缸，也可以是双作用缸。双缸时，输入轴上的两个齿扇采用180°相位差布置；三缸时，输入轴上的三个齿扇采用120°相位差布置；四缸时，输入轴上的四个齿扇采用90°或180°相位差布置；五缸时，输入轴上的五个齿扇采用72°相位差布置。
本发明的有益效果是：
(1)较传统往复泵，结构更为简单紧凑，所占空间更小；(2)容易实现长冲程、低冲次，可大幅度提高往复泵的容积效率；(3)泵压及泵排量波动小；(4)采用齿扇齿条传动方式，往复泵系统的传动效率高；(5)与传统齿扇齿条换向机构相比，采用凸轮限位框机构，可确保齿扇齿条准确啮入，实现精确换向。
附图说明
图1是本发明工作原理示意图。
图2是本发明动力端主视剖面图。
图3是本发明传动方案示意图。
图4是本发明工作过程示意图。
图5是本发明齿扇与齿条脱离啮合瞬时状态示意图。
图中1.液缸，2.活塞，3.活塞杆，4.机架，5.左侧齿条连接件，6.齿条组件，7.齿扇，8.右侧齿条连接件，9.导轨，10输入轴，11.大带轮，12.小带轮，13.电机，14.上齿条，15.下齿条，16.同步带，17.限位框连杆，18.限位框，19凸轮，20.导轨，21.凸轮轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见附图1～5，本发明一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，由机架4、输入轴10、齿扇7、齿条组件6、限位框18、凸轮19及导轨9、20、活塞2、活塞杆3、液缸1构成。其中，输入轴10通过轴承固定安装在机架4上，所述输入轴10通过带传动11、12与电机13相连，机架4腔内的输入轴10上安装有齿扇7，齿扇7与齿条组件6啮合；齿条组件6一端通过活塞杆3与活塞2固定连接，另一端通过限位框连杆17与限位框18固定连接；限位框18中安装有与其配合的凸轮19，凸轮19固定安装在凸轮轴21上，凸轮轴21通过轴承固定安装在机架4上，凸轮轴21与输入轴10由同步带16连接；齿条组件6安装在导轨9的上、下两部分间，限位框18安装在导轨20上的上、下两部分之间；导轨9上部通过螺栓固定在齿扇7处的机架4上侧，导轨9下部通过螺栓固定在齿扇7处的机架4下侧；导轨20上部通过螺栓固定在凸轮轴21处的机架4上侧，导轨20下部通过螺栓固定在凸轮轴21处的机架4下侧。
所述齿扇7与齿条组件6啮合。齿扇旋转过程中，当齿扇7与上齿条14啮合时，推动齿条组件6向一个方向移动，齿扇7与下齿条15啮合时，推动齿条组件6向相反方向移动。齿扇7连续旋转过程中，与齿条组件6中的上、下齿条14、15交替啮合，从而将输入轴10的旋转运动转化为活塞2的往复运动。
所述限位框18与凸轮19配合。当齿扇7与一侧齿条刚刚脱离啮合并与另外一侧齿条尚未进入啮合，即齿条组件6及活塞3处于无约束状态时，可由凸轮19与限位框18配合对活塞2及齿条组件6进行限位，防止活塞2及齿条组件6受到液力端流体压力而发生位移。从而保证齿扇齿条能够准确啮入，实现精确平稳换向。
工作时，有如下具体运行方案。
参见附图1～4，电机13运行时，输出动力，经带传动11、12减速后传递到输入轴10，输入轴10经同步带16将动力传递至凸轮轴21，输入轴10驱动齿扇7转动，凸轮轴21驱动凸轮19转动。
如图4(a)所示，以顺时针转动为例，齿扇7的圆柱齿轮部分与齿条组件6的下侧齿条15啮合，推动齿条组件6、活塞2及限位框18向左做匀速运动，无杆腔排出液体，有杆腔吸入液体。凸轮19与齿扇7顺时针同向等速旋转，与限位框18不发生配合。
如图4(b)所示，当活塞2行至左死点位置时，无杆腔排液结束，有杆腔吸液结束，齿扇7与上、下齿条14、15均脱离啮合。此时，凸轮19与限位框18配合对活塞2及齿条组件6进行限位，防止活塞2及齿条组件6受到无杆腔内的高压而产生位移，避免了无杆腔内高压流体产生的液力冲击。齿扇7继续旋转，椭圆齿轮部分与上齿条14进入啮合，推动齿条组件6、活塞2及限位框18开始向右做加速运动，凸轮19与限位框18继续配合并保持限位框18及齿条组件6做加速运动不变，然后逐渐退出配合，换向平稳顺利地完成。凸轮限位框机构解决了换向时齿扇齿条非正常啮合的问题，从而确保齿扇齿条能够准确啮入，实现精确换向。
如图4(c)所示，齿扇7继续顺时针转动，其圆柱齿轮部分与齿条组件6的上侧齿条14啮合，推动齿条组件6、活塞2及限位框18向右做匀速运动，无杆腔吸入液体，有杆腔排出液体。凸轮19与齿扇7顺时针同向等速旋转，与限位框18不发生配合。
如图4(d)所示，当活塞2行至右死点位置时，无杆腔吸液结束，有杆腔排液结束，齿扇7与上、下齿条14、15均脱离啮合。此时，凸轮19与限位框18配合对活塞2及齿条组件6进行限位，防止活塞2及齿条组件6受到有杆腔内的高压而产生位移，避免了有杆腔内高压流体产生的液力冲击。齿扇7继续旋转，其椭圆齿轮部分与下齿条15进入啮合，推动齿条组件6、活塞2及限位框18开始向左做加速运动，凸轮19与限位框18继续配合并保持限位框18及齿条组件6做加速运动不变，然后逐渐退出配合，换向平稳顺利地完成。凸轮限位框机构解决了换向时齿扇齿条非正常啮合的问题，从而确保齿扇齿条能够准确啮入，实现精确换向。
至此，齿扇齿条机构完成一个工作循环。随着运动的进行，齿扇7与齿条组件6的下侧齿条15啮合，推动齿条组件向左运动，第二个工作循环开始。于是，整个动力端便以此种动作模式做周期性运动，不间断地推动活塞作往复运动。

Claims (5)

1.一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，由机架(4)、输入轴(10)、齿扇(7)、齿条组件(6)、限位框(18)、凸轮(19)及导轨(9、20)、活塞(2)、活塞杆(3)、液缸(1)构成，其特征在于：输入轴(10)通过轴承固定安装在机架(4)上，机架(4)腔内的输入轴(10)上安装有齿扇(7)，齿扇(7)与齿条组件(6)啮合；齿条组件(6)一端通过活塞杆(3)与活塞(2)固定连接，另一端通过限位框连杆(17)与限位框(18)固定连接；限位框(18)中安装有凸轮(19)，凸轮(19)安装在凸轮轴(21)上，凸轮轴(21)与输入轴(10)由同步带(16)连接；齿条组件(6)安装在导轨(9)的上、下两部分间，限位框(18)安装在导轨(20)的上、下两部分之间；导轨(9)上部通过螺栓固定在齿扇(7)处的机架(4)的上侧，导轨(9)下部通过螺栓固定在齿扇(7)处的机架(4)的下侧；导轨(20)上部通过螺栓固定在凸轮轴(21)处的机架(4)上侧，导轨(20)下部通过螺栓固定在凸轮轴(21)处机架(4)下侧。
2.根据权利要求1所述的一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述齿扇(7)的轮齿的中间部分为圆柱齿轮，靠近齿根圆的两端部分为变传动比的椭圆齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述凸轮(19)远休止角附近设有与限位框(18)配合的轮廓线，且凸轮(19)与限位框(18)仅在齿扇齿条换向过程中发生配合。
4.根据权利要求1所述的一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：所述往复泵液力端液缸采用单作用缸或双作用缸。
5.根据权利要求1所述的一种凸轮限位的齿扇齿条式往复泵，其特征在于：往复泵液力端为双缸时，输入轴上的两个齿扇采用180°相位差布置；三缸时，输入轴上的三个齿扇采用120°相位差布置；四缸时，输入轴上的四个齿扇采用90°或180°相位差布置；五缸时，输入轴上的五个齿扇采用72°相位差布置。
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