CN113090487B - 摇摆板式活塞水泵 - Google Patents

Abstract

提供了一种在压力清洗机中使用并且由驱动源驱动的摇摆板式活塞水泵，该水泵包括泵体、摇摆板、五个或者更多个活塞、以及由水入口和水出口限定的水通路。驱动源是电供能的并且具有在20伏特或者220伏特下小于或者等于15安培汲取的能耗，或者驱动源是气供能的并且具有小于或者等于250立方厘米的发动机排量。

Description

摇摆板式活塞水泵

本申请是申请日为2016年10月5日，申请号为CN201680086545.6，发明名称为“在低流量气体压力清洗机或低电流电动压力清洗机中使用的摇摆板式活塞水泵”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

下文总体上涉及水泵，并且更具体地涉及在低流量气体压力清洗机或者低电流电动压力清洗机中使用的摇摆板(wobble plate，斜板、摇摆盘)式活塞水泵。

背景技术

市场上存在众多的家用和轻型商用压力清洗机。出于下文的目的，这些清洗机是那些以小于3.0加仑每分钟(gpm)的水流率提供在3500磅每平方英寸(psi)以下的加压水的清洗机。

这些压力清洗机中的绝大多数——如果不是全部的话——都采用驱动摇摆板式泵的电刷电动机或感应电动机，或者气供能发动机。摇摆板使三个活塞移位，该三个活塞交替地从入口汲取水并驱动加压水通过出口。对三个活塞的使用通常是普遍存在的。

对提高压力清洗机的功率的努力通常包括更改水泵的某些元件，诸如增加电动机强度或者用无刷电动机替换有刷电动机。然而，这些传统的更改通常会造成使压力清洗机变得不能实行、过度昂贵和/或丧失功能的损伤。

发明内容

在一方面，提供了一种在压力清洗机中使用并且由驱动源驱动的摇摆板式活塞水泵，驱动源是电供能的并且具有在120伏特或者220伏特下小于或者等于15安培汲取(ampere draw，安培消耗、电流量消耗、汲取的电流量)的能耗，或者驱动源是气供能的并且具有小于或者等于250立方厘米的发动机排量，水泵包括：泵体，该泵体限定多个通道；摇摆板，该摇摆板设置在泵体中并且具有后侧和前侧，该摇摆板经由在后侧上的到驱动源的机械连接可围绕旋转轴线旋转，前侧相对旋转轴线倾斜一角度；四个或者更多个活塞，每个活塞具有近端端部和远端端部，每个活塞位于该多个通道中的一个相应通道中，并且每个活塞具有位于近端端部上的推力滚珠轴承，每个活塞的推力滚珠轴承被偏置成接触摇摆板的前侧，在摇摆板旋转期间，活塞可在通道内沿着横向于旋转轴线的轴线往复运动；以及水通路，该水通路由水入口和水出口限定，水入口和水出口各自与该多个通道中的一个通道基于用于该通道的相应活塞的往复运动的阶段选择性地流体连通，当用于该通道的相应活塞在远离水入口移动时，该水入口向该通道提供低压水，并且当活塞在朝向水出口移动时，水出口接收来自该通道的高压水。

在具体的情况下，该四个或者更多个活塞由五个活塞构成。

在另外的情况下，该四个或者更多个活塞由六个活塞构成。

在另一情况下，摇摆板式活塞水泵还包括位于水出口与可关闭水喷嘴中间的断电子组件，断电子组件限定用于接收来自水出口的水的推杆腔，断电子组件包括：推杆，该推杆至少部分地位于推杆腔中，该推杆可移动地偏置成处于推杆腔中；以及微开关，该微开关电连接至驱动源的电源，该微开关被置位成使得：当推杆腔由于水喷嘴关闭而基本上充满水时推杆接触该微开关，并且推杆与该微开关的接触使驱动源的电力断开。

在又一情况下，驱动源是电动机并且该活塞中的每个活塞的直径都在8mm至14mm之间。

在又一情况下，驱动源是燃气发动机并且该活塞中的每个活塞的直径都在10mm至16mm之间。

在又一情况下，驱动源是电动机并且摇摆板的前侧的角度在5度至8度之间。

在又一情况下，驱动源是燃气发动机并且摇摆板的前侧的角度在6度至10度之间。

在又一情况下，摇摆板式活塞水泵还包括位于驱动源与摇摆板中间的传动装置子组件，该传动装置子组件被配置成使摇摆板以下述速率旋转：该摇摆板的旋转速率是所述活塞中的每个活塞的往复运动的速率的四至六倍。

在另一方面，提供了一种使用由驱动源驱动的摇摆板式活塞水泵从低压水源泵送出高压水的方法，该驱动源是电供能的并且具有在120伏特或者220伏特下小于或者等于15安培汲取的能耗，或者该驱动源是气供能的并且具有小于或者等于250立方厘米的发动机排量，该方法包括：经由到驱动源的机械连接使摇摆板围绕旋转轴线旋转，摇摆板的前侧相对该旋转轴线倾斜一角度；利用设置在四个或者更多个活塞中的每个活塞与摇摆板中间的推力滚珠轴承使所述活塞朝向摇摆板的前侧偏置；使该四个或者更多个活塞在摇摆板旋转期间在单独的通道中、沿着横向于该旋转轴线的轴线往复运动，该通道由泵体限定；当用于通道中的至少一个通道的活塞在远离水入口移动时，将来自水入口的低压水接收到该相应通道；以及当用于通道中的至少一个通道的活塞在朝向水出口移动时，从该相应通道向水出口提供提供高压水。

在具体的情况下，使四个或者更多个活塞偏置包括使恰好五个活塞偏置，并且使四个或者更多个活塞往复运动包括使恰好五个活塞往复运动。

在另一情况下，排出高压水包括将该高压水排出到可关闭水喷嘴，并且其中，该方法还包括：如果该可关闭水喷嘴关闭，则使活塞的往复运动停止。

这些方面和其他方面在本文中被考虑和描述。

附图说明

参照附图将获得对实施方式的更好的理解，其中：

图1和图2例示了根据一实施方式的摇摆板式活塞水泵的截面侧视图；

图3例示了根据图1和图2的实施方式的摇摆板式活塞水泵的液压示意图的截面前视图；

图4例示了根据图1和图2的实施方式的摇摆板式活塞水泵的示意图；

图5是例示清洁冲击(impact，撞击、影响、有作用)力的曲线的图表；

图6是示例性泵的侧视剖视图，例示了活塞上的力；

图7是例示用于传统三活塞布置的正效率与导程角之间的关系的图表；

图8是例示用于另外的传统三活塞布置的正效率与导程角之间的关系的图表；以及

图9是例示用于根据一实施方式的五活塞布置的正效率与导程角之间的关系的图表。

具体实施方式

现在将参照附图对实施方式进行描述。为了例示的简洁和清楚，在被认为适当的情况下，附图标记可以在附图之间被重复以指示对应的或者相似的元件。此外，提出了许多具体细节以便提供对本文中描述的实施方式的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，本文中描述的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他的实例中，公知的方法、程序和组件没有被详细描述，以便不使本文中描述的实施方式模糊不清。而且，本说明书不应被认为限制本文中描述的实施方式的范围。

除非上下文另有指示，否则使用在整个本说明书中的各种术语可以进行如下解读和理解：自始至终所使用的“或者”是包括性的，如同写作“和/或”；自始至终所使用的单数冠词和代词包括其复数形式，反之亦然；类似地，性别代词包括其对等代词，使得代词不应被理解为通过单一性别限制了本文中描述的任何事物的使用、实施、性能等；“示例性”应理解为“例示性”或者“示例”并且不一定理解为比其他实施方式更“优选”。对于术语的另外的限定可以阐述在本文中；这些限定可以适用于那些术语的之前和随后的实例，并且将根据对本说明书的解读进行理解。

传统三活塞水泵通常用于低流量压力清洗机，因为这些低流量压力清洗机具有简单的结构并且易于制造。然而，这些低流量压力清洗机的性能存在某些问题；例如，工作效率低、振动大、噪声高、寿命短、以及对于电动机上的启动扭矩的相对高的要求。对于采用低电压电源系统的地区，诸如北美，三活塞水泵的问题变得愈发突出。例如，泵的感应电动机可能因为电动机的由于必须在低电压下工作造成的低启动扭矩而无法适当地工作。

申请人认识到，对于传统的三活塞水泵，更改泵的单个元件不一定会提升水泵的性能，并且在一些环境中甚至可能会降低性能。通过反复的测试和研究，申请人认识到对于活塞型水泵当泵的单个元件被更改时的下述机械命题组：

(a)减小活塞直径将减小泵的期望驱动扭矩、提升泵的效率、并且减小泵的工作电流；

(b)缩短活塞冲程将减小泵的期望驱动扭矩、减少泵的振动、并且减小泵的工作电流；

(c)减小泵的摇摆板的节距圆将减小泵的期望驱动扭矩、减少水泵的振动、并且减小泵的工作电流；以及

(d)改变活塞的回转频率以使其处于大约2200转/分至4000转/分的范围之外可能会严重影响泵的寿命；其中，低于该范围，泵的效率大大地降低，使得泵可能无法恰当地工作；并且其中，高于该范围，泵的电动机可能非常易于过载。

借助于用于命题(a)的实施例，如果泵的活塞的直径减小，例如，直径从12mm减小到10mm，并且所有其他的参数不改变，那么电动机的启动扭矩将被降低并且振动效果也将被减轻。然而，根据流体力学公式和申请人的实际测试，减小直径具有负效果。即是，减小直径将降低泵的工作性能，使得泵的工作压力和流量两者变得大大地降低。如果在其他的工作约束不改变的同时使用较小直径的活塞，那么只有活塞的移动冲程可以被减少。然而，这将使振动增强、使效率降低并且将要求电动机上的大启动扭矩。

借助于用于命题(b)的实施例，如果活塞的冲程被缩短，例如，通过降低泵的摇摆板的角度，并且所有其他的参数不改变，那么泵的工作压力和将大大地减小。尽管可以实现由电动机主轴负荷的偏心力矩的降低，并且可以改进泵的振动效果和启动扭矩，但是泵的性能将大大地降低。如果泵的冲程缩短，并且所有其他的元件不改变，那么只有活塞的直径可以被增加以进行补偿。然而，这将导致增强的振动效果并且要求电动机上的大驱动扭矩。因此，将无法改进泵的效能。

借助于用于命题(c)的实施例，如果摇摆板的节距圆减小成使得用于三活塞水泵的摇摆板的节距圆达到用于保持功能的临界值，那么节距圆的减小仅可能通过减小泵活塞的直径来实现。然而，通常而言，这也不能如在命题(a)中所陈述的那样改进泵的性能，并且因此，仅通过减小摇摆板的节距圆来改进泵的性能是不可行的。

因此，申请人确定，仅通过更改元件或者作出局部改进来全面地改善三活塞水泵的性能通常是不能实行的。这种不能实行性很可能就是为何这种泵的产品性能在大概数十年间没有获得任何实质上的重大进展的原因。

上述损伤尤其关注低流量气体压力清洗机或者低电流电动水压力清洗机。诸如在驱动源是电供能并且在120伏特或者220伏特下具有小于或者等于15安培汲取的能耗的情况下；或者在驱动源是气供能或者具有小于或者等于250立方厘米的发动机排量的情况下。

有鉴于此，申请人现在发现通过对用于低流量气体压力清洗机或者低电流电动水压力清洗机的摇摆板式活塞水泵进行修改成运用多于三个的活塞，可以提供下述优点中的至少一个优点：更高效的水泵、更一致的流体输出、所要求的驱动扭矩降低、振动效果减轻、制造复杂性降低、产品可靠性增加、以及最小的成本影响。

现在参照图1，摇摆板式活塞水泵的示例性实施方式示出在截面侧视图中。电动机示出为感应电动机并且泵是摇摆板式泵。

在图1的实施方式中，摇摆板式活塞水泵包括高压生成子组件、压力保持子组件、机电压力安全控制子组件以及清洁液自动生成子组件。在另外的实施方式中，摇摆板式活塞水泵可以不被描绘成子组件，或者可以或多或少地被描绘成子组件，每个子组件具有或者共享公开组件的不同构造。

摇摆板式活塞水泵包括泵体，该泵体由前泵体14、中间泵体13、和后泵体12构成。

摇摆板式活塞水泵包括四个或者更多个活塞10(也称为柱塞)，每个活塞都位于高压生成子组件中。高压生成子组件由摇摆板7(也称为倾斜盘)、推力滚珠轴承8、多个活塞10和活塞弹簧11构成。摇摆板7具有前侧和后侧。摇摆板7的后侧与驱动源5机械连接。该机械连接可以经由附加至驱动源5的旋转主轴1(也称为轴)的前端部来实现。摇摆板7通过特定的偏移安装在相对于主轴从竖向偏移的一角度处。摇摆板7通过螺栓2、轴键3和垫圈4附加至主轴1的横向端部。然而，可以使用用于将摇摆板7附加至主轴1的任何结构。

多个活塞10中的每个活塞具有近端端部和横向端部。推力滚珠轴承8位于每个活塞10的近端端部处。多个活塞10设置成邻近并且经由推力滚珠轴承8接触摇摆板7。该接触由设置在活塞10的邻近摇摆板7的弹簧保持器9部分与通道P6的远端壁之间的弹簧11维持。弹簧11被偏置以朝向摇摆板7推动活塞10。摇摆板7与轴1一起旋转，这使得每个活塞在通道P6中沿着横向于摇摆板7的旋转的轴线往复运动，原因在于每个活塞都跟从摇摆板7的成角度的前侧。

多个活塞10置位成围绕摇摆板7同心地并且均匀地分布。设置在摇摆板7上的推力滚珠轴承8在活塞弹簧11的作用下朝向推力滚珠轴承8的可移动环偏置。因此，在主轴1如所描述的那样旋转的情况下，摇摆板7和推力滚珠轴承8沿着电动机5的轴线做环形移动，并且在轴承8和活塞弹簧11的压力下，活塞10做与轴承8的旋转同时的水平往复运动移动。因为活塞10在环形方向上近似同心地分布，所以活塞10的水平位置在摇摆板7的前侧上也均匀地环形地分布；使得每个活塞在任意一个时刻处于距对应的通道的远端端部不同的距离。在特定的情况下，申请人确定，用于电供能泵的节距直径处于35mm至60mm之间以及用于气供能泵的节距直径处于40mm至80mm之间是有利的。

高压生成子组件还包括传动箱体6、活塞弹性保持器环9、防油密封环41、高压水出口接头15、前泵体14、第一O形环16和无回流止回阀17。传动箱体6通常与前端盖一起连接至电动机5(或者发动机)。活塞弹性保持器环9置位在活塞10的后端部处。防油密封环41安装在泵的后部并且与活塞10同心。高压水出口接头15与前泵体14通过螺纹连接。无回流止回阀17安装在高压水出口接头15的内侧处。

压力保持子组件包括后泵体12、中间泵体13、水入口止回阀35、水出口止回阀37、止回阀内套管38、防水密封环39、密封环固定环40、止回阀支撑框架36、低压水入口接头26和第五O形环26。水入口止回阀35安装在小型腔中，该小型腔在环形方向上均匀地分布且位于中间泵体13与后泵体12之间。水入口止回阀35通常提供高流量且低压的水源。每个入口止回阀35与活塞10、低压室P2和低压腔水出口P3中的至少一个流体连通。水出口止回阀37通常约束流体的流动，例如使用直径比流体入口小的导管约束流体的流动。水出口止回阀37和止回阀内套管38安装在后泵体12的独立的小型腔中并且在环形方向上均匀地分布。每个水出口止回阀37的水入口P7通过邻近的小侧孔P8与对应的水入口止回阀35的水出口P6流体连通。每个水出口止回阀37的具有泄水口(water outlet entrance)P4的水出口P5与止回阀支撑框架36的通孔P9流体连通。防水密封环39和密封环固定环40安装在后泵体12上并且与活塞10同心。低压水入口接头26与前泵体14直接连接。

机电压力安全控制子组件由溢流阀芯19、第二O形环18、第三O形环20、溢流阀主弹簧21、压力环22、第四O形环23、阀杆支撑环24、第五O形环26、断电推杆弹簧27、微开关盒29、微开关30、断电推杆31、推杆支撑环32、推杆锁定螺母33和推杆防水密封环34构成。微开关30安装在微开关盒29中。与微开关30连接的内部线材(未示出)与电动机引出线(未示出)连接。微开关盒29通过安装在前泵体14的推杆腔中的U形销28、断电推杆31、断电推杆弹簧27、推杆支撑环32、推杆锁定螺母33和推杆防水密封环34固定至前泵体14。断电推杆31与微开关盒29中的小孔同心并且与微开关键(未示出)对准。溢流阀芯19、溢流阀主弹簧21、压力环22和阀杆支撑环24安装在与推杆腔同心的溢流阀腔中，并且两个腔通过小孔机械连通。

清洁液自动生成子组件包括文丘里(Venturi)阀(未示出)和清洁液止回阀(未示出)。

申请人确定，对于具有在环形方向上均匀分布的大于三个的活塞的水泵，在要求每个活塞的节距圆小于推力轴承的节距圆的情况下，用于电动机的活塞可以具有例如处于8mm至14mm之间的尺寸以及用于汽油发动机的活塞可以具有例如处于10mm至16mm之间的尺寸。

电动机5可以是本领域已知的任何驱动源；例如，汽油发动机或者电动机。用于本公开内容的目的的电动机可以大致上分成两类，感应电动机和串绕电动机。根据不同的电源，每一类还可以分成低电压型电动机(100V至120V)和高电压(以及高压)型电动机(200V至240V)。在本文中描述的实施方式的特定情况下，驱动源可以是电供能的并且在120伏特或者220伏特下具有小于或者等于15安培汲取的能耗。在本文中描述的实施方式的另一种情况下，驱动源可以是气供能的并且可以具有小于或者等于250立方厘米的发动机排量

在本实施方式中，电动机5连接至直接驱动传动装置；然而，可以使用任何适合的传动装置子组件。利用直接驱动传动装置，电动机5通过摇摆板7连接至水泵，由此摇摆板7直接固定至主轴1，并且电动机5的旋转速度与活塞10的移动速度相同。在另一实施方式中，在使用差动驱动传动装置的情况下，摇摆板7不与电动机转子主轴1直接地连接，而是电动机5的主轴1通过一组或者多级减速齿轮(未示出)与摇摆板7连接，并且电动机5的旋转速度可以是例如四倍或者六倍于活塞10的往复运动速度。

在运行中，在主轴1旋转的情况下，摇摆板7沿着电动机的轴线做旋转移动。随着摇摆板7旋转，由于弹簧的偏置11迫使活塞10朝向摇摆板7，多个活塞10在通道P6中在横向于摇摆板7的旋转的轴线上周期性地往复运动。以该方式，活塞10被迫使做与摇摆板7的旋转同时的水平往复运动。

因为活塞10围绕摇摆板7同心地分布，所以该移动使每个活塞10置位于在整个旋转周期上均匀分布的水平位置处。例如，在五活塞水泵中，在某个时间点处，当第一活塞到达远端端部时，邻近的第二活塞将正在朝向远端端部移动并且被压缩处于朝向远端端部的距离的4/5处。第三活塞(邻近第二活塞)将正在朝向远端端部移动并且位于朝向远端端部的距离的2/5处。第四活塞(邻近第三活塞)将正在朝向近端端部移动并且位于朝向远端端部的距离的1/5处。最后，第五活塞(邻近第三活塞)将正在朝向近端端部移动并且位于朝向远端端部的距离的3/5处。

随着每个活塞10在通道P6中往复运动，水从流体入口通过入口止回阀35被抽吸到通道P6的远端端部中，水被加压，并且被加压的水在高于流体入口的压力下从通道P6的远端端部通过出口止回阀37被排出到流体出口。

通道P6位于活塞10前方的部分连同防水密封环39、水入口止回阀35和水出口止回阀37形成局部真空。当活塞10从远端端部向后移动时，通道P6位于该活塞前方的部分逐渐扩大，并且形成在其中的负压的真空也逐渐建立。当活塞完全缩回时，水入口止回阀35打开并且水出口止回阀37保持关闭。外部水源在负压的作用下从低压水入口接头25的水入口孔P1流进通道P6位于活塞前方的部分。然后，活塞10向前朝向远端端部移动，并且水入口止回阀35关闭。通道P6位于活塞前方的部分在尺寸上逐渐减小并且该腔内的水变成是加压的。当活塞10到达或者近似到达远端端部时，水出口止回阀37打开并且高压水流动通过水出口止回阀37并且进入欠压腔P9。利用对应的水的进入和排出，活塞10的这种往复移动轮流地在五个活塞之间循环地并且周期地重复。因此，外部低压水源转换成高压水流，该高压水流然后被传送至次高压腔P9。

在该情况下，存在旁通阀P11，该旁通阀具有旁通阀进口P10，即是与加压水排放口P12流体连通。高压水出口接头15形成加压水排放口P12的一部分。

在一些情况下，摇摆板式活塞水泵可以连接至可关闭水喷嘴(未示出)(也称为水枪)。如果水喷嘴关闭，则次高压腔P9内的水压随着高压水被递送而继续升高。当次高压腔P9中的压力超过溢流阀主弹簧21和断电推杆弹簧27的弹力时，溢流阀芯19推动断电推杆31向外移动。断电推杆31移动直至开始与微开关30接触。在与微开关30接触时，微开关30断开电源，使两个电动机5停止运行。此时，摇摆板式活塞水泵处于备用状态。当水喷嘴打开时，微开关30打开，电动机再次开始运行，并且高压水流通过水喷嘴被泵送出来。

在一些情况下，水喷嘴可能被设置成低压模式。在该情况下，水流将在安装在高压水出口接头15中的文丘里阀(未示出)的前方产生局部真空。在高速穿过文丘里阀之后，在负压的作用下，清洁液止回阀(未示出)打开。在该情况下，清洁液止回阀安装在文丘里阀前方。清洁液被从清洁液接受器汲取到高压水出口接头15中并且与低压水流一起流出水喷嘴。

泵体50的示例性实施方式示出在图3中。泵体50包括五个通道52并且对应地包括位于通道52中的五个活塞54。如所示出的，五个活塞54围绕摇摆板(未示出)的中心轴线环形隔开。

在图3的示例性实施方式例示五活塞布置的同时，活塞的数量可以是四个、五个、六个、七个或者甚至更多个。考虑到这一点，基于摇摆板的直径、泵活塞直径、节距圆直径和活塞直径，存在对活塞数量的实际约束。有必要在通道之间提供一些间隔，使得在通道之间流体不连通(即，泄漏)。尽管这些组件中的任意组件可以被定制化设计，但是出于成本原因(购买某些现成的组件)，通常存在可接受直径的共同范围。

在评估本文中描述的实施方式时，申请人考虑到各种约束，诸如活塞的约束；例如，安培汲取、扭矩限制、制造成本等等。此外，申请人还考虑到摇摆板的约束，例如，安培消耗、扭矩限制等等。

有利地，对于本文中描述的实施方式，已经考虑到上述约束，申请人确定用于电动压力清洗机的活塞可以具有处于8mm至14mm之间的直径，以及用于气体压力清洗机的活塞可以具有处于10mm至16mm之间的直径。申请人还确定，有利地，用于电动压力清洗机的摇摆板的节距圆处于35mm至60mm之间以及用于气体压力清洗机的摇摆板的节距圆处于40mm至80mm之间。申请人还确定，在这些情境中，由于结构限制条件，节距圆通常必须大于35mm，并且优选地大于40mm。

申请人还确定，对本文中描述的实施方式有利地，对于电动压力清洗机，用于五活塞布置的适合的摇摆板角度可以处于5度至8度之间，以及对于气体压力清洗机，用于五活塞布置的适合的摇摆板角度可以处于6度至10度之间。申请人还确定，在这些情境中，节距圆通常必须大于5度，否则产生的扭矩将太低并且不足够高效。

图4示出了用于水压力清洗机的五活塞摇摆板活塞泵的示例性实施方式的示意图。电动机128连接至并且可旋转地驱动摇摆板126。摇摆板126与五个活塞124机械连通以产生活塞124的水平往复运动活动。仅出于例示性目的，活塞124以线性构造示出。在实际中，活塞124围绕摇摆板126的前侧环形地隔开。

每个通道125基于相应的活塞124在该通道125中的往复运动的阶段与水通路选择性地流体连通。水通路由水入口和水出口限定。当该通道125中的相应的活塞124远离该水入口移动时，水入口止回阀122向每个通道125提供水。低压水源118向低压腔120供给水，该低压腔然后向水入口止回阀122供给水。

每个活塞124与作为加压水的离开路径的一部分的水出口止回阀116流体连通。当每个通道125中的相应的活塞124朝向水出口移动时，该水出口接收来自该通道125的水。每个水出口止回阀116供给到主止回阀114中。

高压水沿着出口路径106流动，经过文丘里喷射阀104到达水喷嘴100。在该情况下，存在连接至清洁液源的压力阀102，以经由由文丘里喷射阀104形成的流体动力将清洁液供给到输出水中。

微开关113的微开关电引线110和112电连接至电动机128的电源，使得微开关113可以在某些情境中使电动机128断开。断电子组件108与高压出口路径106流体连通。

断电子组件限定推杆腔109。推杆111至少部分地位于推杆腔109中，推杆111通过例如推杆弹簧可移动地偏置成处于推杆腔中。

当固定量的加压水充满推杆腔109时，诸如当推杆腔109基本上充满水时，推杆111移动出推杆腔109并且开始与微开关113接触。然后，微开关113使到电动机128的电力断开。当推杆腔开始排空其水时微开关113使电力返回到电动机128，并且加压水可以再一次沿着上述路径朝向水喷嘴100移动。

在另外的实施方式中，如在本文中所描述的摇摆板水泵可以用于从低压水源泵送出高压水的方法。该方法包括使四个或者更多个活塞在单独的通道中往复运动。然后，当对应的活塞远离该通道中的至少一个通道的远端端部移动时，从低压水源接收去往该远端端部中的水。然后，通过使对应的活塞朝向该至少一个通道的远端端部移动来加压水。然后，在对应的活塞远离该远端端部移动之前，将高压水从该至少一个通道排出。接收水到排出水的步骤循序地重复用于每个通道。在任意一个时刻，每个活塞处于距对应通道的远端端部不同的距离处。

在特定的情况下，该方法用于确切的五个往复运动的活塞。在另一情况下，高压水被排出至可关闭水喷嘴。其中，如果可关闭水喷嘴关闭，则活塞的往复运动停止。在另一情况下，清洁液被添加到被排出的水。

在另外的实施方式中，提供了一种制造本文实施方式中描述的摇摆板式活塞水泵的方法。

申请人认识到了本文中描述的实施方式的许多优点，并且特别地，认识到了对于五活塞布置而言相对传统三活塞泵布置的许多优点。例如，申请人认识到，五活塞布置将通常提供比三活塞布置更稳定的流体输出。这是因为随着活塞循序地提供流体输出，连续涌水之间存在较短的延迟。还具有能够同时增加水压和水流量的预期优点。

作为另一示例性的认识到的优点，相比于三活塞布置，为了在使用共同电机的情况下维持用于五活塞布置的共同流体输出，可以采用较小直径的活塞。这是因为所要求的总通道容积可以被分成5份而不是3份。在该情况下，鉴于通道中的水的反作用力，驱动摇摆板所需要的电力减少。

因此，假如期望共同的流体输出，则与三活塞布置相比，在五活塞布置中，电动机可以在较低的电流下(对于电动机来说)或者利用较低的燃料消耗(对于燃气发动机来说)运行。这可能是重要的，因为在电使用中通常对电动机可用的最大电流有约束(例如，在120伏特或者220伏特电气系统中为15安培)，并且在气使用中存在中间的潜在成本(即，通过降低消耗)。相反地，假如期望以最大容量驱动电动机，则与三活塞布置相比，在五活塞布置中，这还允许同样的电动机用来驱动更高的流体流量和/或更高的压力。

作为另一示例性的认识到的优点，因为可以利用更多的活塞降低通道中的活塞行程，所以摇摆板式活塞水泵可以倾向于变得较安静并且具有较长的寿命期限。

作为另一示例性的认识到的优点，在具体的示例性情况下，申请人测量到五活塞水泵的性能相对三活塞水泵的性能提升近似20％至25％。

申请人还认识到具有四活塞布置的实施方式相对传统三活塞布置的优点。申请人测量到，相对于三活塞水泵，四活塞水泵的性能提升近似7％，同时尺寸仅增加近似15％。此外，可以降低制作泵的难度。

申请人还认识到具有六活塞布置的实施方式相对传统三活塞布置的优点。申请人测量到，相对于三活塞水泵，六活塞水泵的性能提升近似25％。

与具有其他活塞量的其他实施方式相比，申请人认识到了五活塞布置的相对优点。例如，与六活塞布置相比，测量到的五活塞水泵的性能仅少量地降低了近似7％。更重要的是，因为六活塞水泵的泵体的刚性弱于五活塞泵，所以六活塞水泵的压缩强度需要通过增大整个泵体的尺寸和壁厚来维持。这种增大会引起成本和重量的增加。在另一实例中，与其他的活塞布置相比，五活塞布置可以在节距圆方面具有理想的均匀分布。

在另外的实施例中，与偶数的活塞布置相比，诸如与四活塞布置或者六活塞布置相比，五活塞布置可以具有更大的长期强度。因为偶数的活塞布置属于偶数振动体，所以可能的是，这些布置可能会在运行期间由于泵体共振而意外地受损。

发现用于压力清洗机的五活塞泵布置的优点之后，申请人进行技术分析以论证这些优点中的一些优点。这种分析描述在下文中，其中一种分析涉及将五活塞布置的示例性实施方式与传统三活塞布置的两种示例性实施方式进行比较。

对于压力清洗机，当工作压力和流量达到最优比时通常实现了最佳的清洁效果。对来自压力清洗机的清洁效果的准确测量由冲击力公式确定：

IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)

其中，GPM是加仑每分钟，以及PSI是磅每平方英寸。

IP值越高，清洁效果将越优良，反之亦然。清洁冲击力的曲线是如示出在图5的实施例中的反抛物线。

根据清洁冲击力公式，可以发现，清洁效果与工作压力和流量关联，但是流量具有比压力更大的对结果的影响。因此，压力清洗机的清洁效果的改进主要通过增加工作流量来实现。

关于用于高压清洗机的传统三活塞布置，下文将示出，根据申请人的计算和分析结果，仅改变活塞的角度和直径以增加工作流量可能会在事实上造成三活塞泵设计无法工作，如所预期的那样。

例如，下文是对具有12mm活塞直径、42mm活塞节距圆直径、以及角度成8度的摇摆板的传统三活塞水泵的技术分析。通过分析传统三活塞水泵的参数和性能，获得了用于最佳清洁效果的电动机的输出功率、工作压力、以及工作流率的关系。

对于这种泵布置，每个活塞的单个循环冲程计算为：

L＝tan(8)*42＝5.9mm。

每个活塞的单个循环流动计算为：

V＝π*r²*L*δ＝3.14*0.6²*0.59*0.73＝0.487cm³；

其中，12mm活塞的容积效率取值为δ＝0.73。

每分钟的流量Q取值为：

Q＝0.487/1000*3*3600/3.785＝1.39GPM。

对于这种泵布置，驱动泵的感应电动机具有120V/60Hz的额定电压(V)，其中，电动机速度为3600rpm，并且最大工作电流(I)为15A。根据用于电动机输出功率的方程：HP＝V*I*Eff/746，电动机效率Eff为60％。电动机的最大输出功率为1.4HP。

由电动机生成的驱动摇摆板旋转的推力可以由螺旋推力公式获得：

Fa＝2×π*η1*T/L

其中，摇摆板、推力滚珠轴承和活塞的曳力系数(L)是0.025，8度坡度的正效率η1是85％，电动机输出扭矩(T)是5252*HP/RPM＝2.85Nm。

使用螺旋推力公式，由8度倾斜板引发的在活塞上、沿切线方向的最大推力由下式给出：

Fa＝2*π*0.85*2.85/5.9*10^-3＝2602N(265kg)

由8度倾斜板引发的在活塞上、沿水平轴向的最大推力由下式给出：

Fx＝Fa*cos(8)＝2576.8N(262.4kg)

由8度倾斜板引发的在活塞上、沿竖向轴线方向的最大推力由下式给出：

Fy＝Fa*sin(8)＝362.2N(36.9kg)

图6例示了示例性泵的侧视剖视图，总体上示出了活塞上的螺旋推力(Fa)、水平轴向力(Fx)和竖向轴向力(Fy)。

图7示出了正效率(表示在竖向轴线上)与导程角(以角度表示在水平轴线上)之间的关系。

由水泵产生的液压用于估计活塞所需要的推力。该液压也用于估计该泵是否能与电动机的最大推力匹配。即是，由电动机产生的轴向推力应当大于由高水压产生的对泵的作用力。

对于这种泵布置，当流量是1.39GPM时，最大工作压力是1300PSI(90kg/cm²)。此外，工作电流不能超过最大限制15A。

由单个活塞产生的总作用力通过将该力分成三部分来确定，即是，T＝Fp+Ts+Ff。

其中，Fp是由水压产生的对每个活塞的作用力：

Fp＝P*S＝90*π*0.6²＝101.7kg

Fs是由活塞弹簧产生的对活塞的作用力：

Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg

Ff是由橡胶密封环产生在活塞上的阻力：

Ff＝Fy*f

橡胶在D13活塞上的摩擦系数f＝0.66，并且摩擦阻力是：

Ff＝36.9*0.66＝24.31kg。

因此，单个活塞的总作用力是：

T＝101.7+5.86+24.31＝131.87kg

在水泵运行的同时，三个活塞中的两个活塞承受水压和摩擦作用力，同时第三个活塞处于返回状态并且不承受水压或摩擦作用力。如果两个活塞承受作用力，则一个弹簧被完全按压并且另一个活塞位于朝向远端端部的1/5距离处。对于该活塞的弹簧力是：

Ts(1/5)＝I+D/5*k。

泵的总作用力Fb是：

Fb＝(Fp+Ff)*2+Ts+Ts(1/5)

Fb＝(101.7+24.31)*2+5.86+3.57＝261.5kg

由电动机产生的水平推力Fx(262.2kg)小于泵的作用力Fb(261kg)。

对于这种布置，电动机和三活塞水泵在最大功率点下工作。工作流量(1.39GPM)和工作压力(1300PSI)处于最优比，并且清洁冲击(IP)达到最大值。

IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)

IP＝0.24*1.39*3.785*SQRT(1300*0.07/0.98)

IP＝12.2Kg/力

又例如，下文是对传统三活塞水泵的技术分析。在这种情况下，水泵具有13mm的活塞直径、44mm的活塞节距圆直径、以及7度的摇摆板角度。通过对传统三活塞水泵的参数和性能的分析，获得了用于最佳清洁效果的电动机的输出功率、工作压力、以及工作流率的关系。

降低摇摆板角度的首要目的是通过增加活塞的在水平方向上的推力并且减小活塞上的沿竖向方向的压力来提升泵的工作效率。因此，增加了清洁冲击力。

每个活塞的单个循环冲程是：

L＝tan(7)*44＝5.4mm；

每个活塞的单个循环流量是：

V＝π*r²*L*δ＝3.14*0.65²*0.59*0.73＝0.487cm³；

其中，13mm活塞的容积效率是δ＝0.70，并且泵的每分钟流量是：

Q＝0.5/1000*3*3600/3.785＝1.43GPM。

对于这种布置，泵使用感应电动机作为驱动力。感应电动机具有120V/60Hz的额定电压(V)、3600rpm的电动机速度、以及15A的最大工作电流(I)。根据用于电动机输出功率的方程：HP＝V*I*Eff/746，电动机效率Eff是60％。电动机的最大输出功率是1.4HP。

由电动机产生的驱动摇摆板旋转的推力可以根据螺旋推力公式获得：

Fa＝2×π*η1*T/L，

摇摆板、推力滚珠轴承和活塞的曳力系数(L)是0.025。7度坡度的正效率η1是82％。电动机输出扭矩T是5252*HP/RPM＝2.85Nm。

由7度倾斜板引发的在活塞上、沿切线方向的最大推力是：

Fa＝2*π*0.82*2.85/5.4*10^-3＝2717.8N(277kg)

由7度倾斜板引发的在活塞上、沿水平轴线方向的最大推力是：

Fx＝Fa*cos(7)＝2697.4N(331.6kg)

由7度倾斜板引发的在活塞上、沿竖向轴线方向的最大推力是：

Fy＝Fa*sin(7)＝274.9N(33.8kg)

图8示出了正效率(表示在竖向轴线上)与导程角(以角度表示在水平轴线上)之间的关系。

其中，由高压水泵产生的液压用于估计活塞所需要的推力，以及该泵是否能与电动机的最大推力匹配。即是，由电动机产生的轴向推力应当大于由高水压产生的对泵的作用力。

对于这种布置，当流量是1.43GPM时，最大工作压力是1300PSI(90kg/cm²)。在该时刻，工作电流不能超过最大限制15A。

由活塞中之一产生的总作用力通过将该力分成三部分来获得：

T＝Fp+Ts+Ff。

Fp是由水压产生的对每个活塞的作用力：

Fp＝P*S＝90*π*0.65²＝119.4kg

Fs是由活塞弹簧产生在活塞上的作用力：

Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg

Ff是由橡胶密封环产生在活塞上的阻力：

Ff＝Fy*f

其中，橡胶在D13活塞上的摩擦系数f＝0.72，并且摩擦阻力是：

Ff＝33.8*0.72＝24.15kg

单个活塞的总作用力是：

T＝119.4+5.86+24.15＝149.41kg

在水泵运行的同时，三个活塞中的两个活塞承受水压和摩擦作用力，同时第三个活塞处于返回状态并且不承受水压或摩擦作用力。如果两个活塞承受作用力，则一个弹簧被完全按压并且另一个活塞位于朝向远端端部的1/5距离处。对于该活塞的弹簧力位于朝向远端端部的1/5距离处。对于该活塞的弹簧力是：

Ts(1/5)＝I+D/5*k。

泵的总作用力是：

Fb＝(Fp+Ff)*2+Ts+Ts(1/5)

Fb＝(119.4+24.15)*2+5.86+3.57＝296.5kg

由电动机产生的水平推力Fx(274.9kg)小于泵的作用力Fb(296.5kg)。因此，电动机的输出功率不能满足用于水泵的正常工作条件的要求。电动机需要消耗更高的电流。一旦电流超过安全值，则该电流可能引发电源故障。

这种布置的清洁冲击力是：

IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)＝12.55Kg/力

即使电流没有超过安全值，清洁冲击力相对前述示例性布置也仅增加3％，并且参数的变化通常是不实际的。

因此，对于三活塞泵，通过减小摇摆板的角度并且增大活塞的直径来提高清洁效果通常是不可行的。

例如，下文是对根据本文中的实施方式的五活塞水泵的技术分析。该五活塞水泵具有10mm的活塞直径、48mm的活塞节距圆直径、以及6.5度的倾斜板角度。

同样，降低摇摆板角度的首要目的是通过增加活塞在水平方向上的推力同时减小活塞上的沿竖向方向的压力来提升泵的工作效率。因此，增加了清洁冲击力。

对于该布置，每个活塞的单个循环冲程是：

L＝tan(6.5)*48＝5.5mm

每个活塞的单个循环流量是：

V＝π*r²*L*δ＝3.14*0.5²*0.55*0.8＝0.345cm³

其中，10mm活塞的容积效率是δ＝0.80，并且泵的每分钟流量Q为：

Q＝0.345/1000*5*3600/3.785＝1.64GPM

对于该布置，泵由感应电动机驱动。感应电动机具有120V/60Hz的额定电压(V)、3600rpm的电动机速度、以及15A的最大工作电流(I)。

根据电动机输出功率的方程：HP＝V*I*Eff/746，电动机效率Eff是60％。电动机的最大输出功率是1.4HP。

由电动机产生的驱动摇摆板旋转的推力可以根据螺旋推力公式获得：

Fa＝2×π*η1*T/L。

摇摆板、推力滚珠轴承和活塞的曳力系数(L)是0.025。6.5度坡度的正效率η1是80％。电动机输出扭矩是T＝5252*HP/RPM＝2.85Nm。

由6.5度倾斜板引发的在活塞上、沿切线方向的最大推力是：

Fa＝2*π*0.80*2.85/5.4*10^-3＝2651.5N(270.4kg)

由6.5度倾斜板引发的在活塞上、沿水平轴线方向的最大推力是：

Fx＝Fa*cos(6.5)＝2636.6N(268.9kg)

由6.5度倾斜板引发的在活塞上、沿竖向轴线方向的最大推力是：

Fy＝Fa*sin(6.5)＝299.6N(30.6kg)

图9示出了正效率(表示在竖向轴线上)与导程角(以角度表示在水平轴线上)之间的关系。

其中，由水泵产生的液压用于估计活塞所需要的推力。该液压也用于估计该泵是否能与电动机的最大推力匹配。即是，由电动机产生的轴向推力应当大于由高水压产生的对泵的作用力。

对于这种布置，当流量是1.64GPM时，泵具有1300PSI(90kg/cm²)的最大工作压力。在该时刻，工作电流不能超过最大限制15A。

由活塞中的单个活塞产生的总作用力通过将该力分成三部分：

T＝Fp+Ts+Ff。

Fp是由水压产生的对每个活塞的作用力：

Fp＝P*S＝90*π*0.5²＝70.65kg

Fs是由活塞弹簧产生在活塞上的作用力：

Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg

Ff是由橡胶密封环产生在活塞上的阻力

Ff＝Fy*f

橡胶在活塞上的摩擦系数f＝0.72，并且摩擦阻力是：

Ff＝30.6*0.55＝16.83kg

单个活塞上的总作用力是：

T＝70.65+5.86+16.83＝90.34kg

在水泵运行的同时，五个活塞中的三个活塞承受水压和摩擦作用力。作为往复运动周期的一部分，剩余的两个活塞将处于返回状态并且不承受水压和摩擦作用力。在该周期的某个时刻，对于承受作用力的三个活塞，一个弹簧将被完全压缩；另一个活塞将位于到远端端部的长度的3/5处，并且最后一个活塞将位于到远端端部的长度的1/10处。最后一个活塞上的弹簧力将是：

Ts(1/10)＝I+D3/10*k。

泵的总作用力是：

Fb＝(Fp+Ff)*3+Ts+Ts(3/5)+Ts(1/10)

Fb＝(70.65+16.83)*3+5.86*(1+3/5+1/10)＝272.4kg

由电动机产生的水平推力Fx(268.9kg)接近于泵的作用力Fb(272.4kg)。因此，电动机的输出功率不能满足用于水泵的正常工作条件的要求。然而，电动机的额定电流可以被维持在用于安全运行的范围内。

对于这种布置，清洁冲击(IP)是：

IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)

IP＝0.24*1.64*3.785*SQRT(1300*0.07/0.98)

IP＝14.36Kg/力

对于这种布置，电动机和五活塞泵在最大功率点处工作。运行流量(1.64GPM)和运行压力(1300PSI)实际上处于最优比。因此，清洁冲击(IP)实际上也达到了最优值。

因此，与用于三活塞泵的第一示例性布置相比，清洁冲击力增加了18％。因此，五活塞泵明显地具有传统三活塞布置的枚举的优点。特别地，在这种情况下，由于将活塞数量增加至五个从而减小了摇摆板的角度并且减小了活塞的直径，因此五活塞泵提高了运行流量和清洁效果。

尽管参照某些具体的实施方式对前述内容进行了描述，但是，在不背离本发明的在所附权利要求中概述的精神和范围的情况下，对于前述内容的各种修改对于本领域技术人员来说将是明显的。以上已叙述的所有参考文献的全部公开内容通过引用结合在本文中。

Claims (10)

1.一种在压力清洗机中使用并且由驱动源驱动的摇摆板式活塞水泵，所述摇摆板式活塞水泵包括：

泵体，所述泵体限定五个或更多个通道；

摇摆板，所述摇摆板设置在所述泵体中并且具有后侧和前侧，所述摇摆板经由在所述后侧上的到所述驱动源的机械连接能围绕旋转轴线旋转，所述前侧在所述旋转轴线和与所述旋转轴线垂直的轴线之间倾斜，所述前侧通过在环形方向上等距间隔开的推力轴承耦接至所述后侧，所述推力轴承的数量少于通道的数量，所述摇摆板包括直径由所述推力轴承的环形间距限定的节距圆；

五个或者更多个在环形方向上等距间隔开的活塞，每个活塞具有近端端部和远端端部，每个活塞位于所述五个或更多个通道中的一个相应通道中，并且每个活塞具有位于所述近端端部上的弹簧保持器，每个活塞的所述弹簧保持器被偏置成接触所述摇摆板的所述前侧，在所述摇摆板旋转期间，每个所述活塞能在相应通道内沿着平行于所述旋转轴线的轴线往复运动，所述活塞限定一节距圆，所述活塞的节距圆具有的直径由所述活塞的环形间距限定且小于所述摇摆板的节距圆的直径；以及

水通路，所述水通路由水入口和水出口限定，所述水入口和所述水出口各自与所述五个或更多个通道中的一个通道基于用于该通道的相应活塞的往复运动的阶段选择性地流体连通，当用于该通道的相应活塞在远离所述水入口移动时，所述水入口向该通道提供低压水，并且当所述活塞在朝向所述水出口移动时，所述水出口接收来自该通道的高压水。

2.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，还包括位于所述水出口与可关闭水喷嘴中间的断电子组件，所述断电子组件限定用于接收来自所述水出口的水的推杆腔，所述断电子组件包括：

推杆，所述推杆至少部分地位于所述推杆腔中，所述推杆能移动地偏置成处于所述推杆腔中；以及

微开关，所述微开关电连接至所述驱动源的电源，所述微开关被置位成使得：当所述推杆腔由于水喷嘴关闭而基本上充满水时推杆接触所述微开关，并且所述推杆与所述微开关的接触使所述驱动源的电力断开。

3.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述驱动源是电动机，并且所述活塞中的每个活塞的直径都在8 mm至14 mm之间。

4.根据权利要求3所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述活塞中的每个活塞的直径大于12 mm。

5.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述驱动源是燃气发动机，并且所述活塞中的每个活塞的直径都在10 mm至16 mm之间。

6.根据权利要求5所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述活塞中的每个活塞的直径大于12 mm。

7.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述驱动源是电动机，并且所述摇摆板的前侧关于与所述旋转轴线垂直的轴线的角度在5度至8度之间。

8.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述驱动源是燃气发动机，并且所述摇摆板的前侧关于与所述旋转轴线垂直的轴线的角度在6度至10度之间。

9.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，还包括位于所述驱动源与所述摇摆板中间的传动装置子组件，所述传动装置子组件被配置成使所述摇摆板以下述速率旋转：所述摇摆板的旋转速率是所述活塞中的每个活塞的往复运动的速率的四至六倍。

10.根据权利要求1所述的摇摆板式活塞水泵，其中，所述五个或更多个通道中的每个通道具有环形周缘，并且五个或更多个所述环形周缘全部整体上形成于所述摇摆板的节距圆的直径内。

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