CN115263749A - 一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构 - Google Patents

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Abstract

一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构，包括泵体、柱塞、泵腔、自由活塞、活塞腔、密封液腔、泵副腔、进液单向阀、出液单向阀、进密封液通道、环形密封液槽，其中活塞腔设置在柱塞内，自由活塞装在活塞腔内。自由活塞将活塞腔分隔为自由活塞一端的泵副腔及自由活塞另一端的密封液腔，泵副腔与泵腔连通，密封液腔与环形密封液槽连通；自由活塞维持环形密封液槽中的密封液压力与泵腔中的液体压力动态平衡。实现了柱塞泵在泵送超高压低粘度液体时的密封；保证了柱塞的润滑；避免了柱塞与工作缸孔道的直接接触；解决了泵送低粘度液体压力达到250MPa以上的柱塞磨损问题，有效提高了柱塞泵的工作可靠性。

Description

一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构
技术领域
本发明涉及一种低粘度液体柱塞泵，具体为一种低粘度柱塞泵的液力密封与润滑结构，属于柱塞泵技术领域。
背景技术
柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高等优点，广泛应用于超高压水射流切割、超高压水射流除锈、高压水射流清洗、柴油机高压燃油泵等输出高压液体的装备。
柴油机高压柱塞泵所泵送的柴油粘度大，柱塞泵泵油时柱塞与柱塞孔道内壁之间的微小间隙对泄漏柴油的节流（即沿程阻力）作用保持了柱塞泵泵腔内的油压，同时，泄漏的柴油粘度大，对柱塞起到了良好的润滑作用，所以柱塞油泵一般采用间隙密封。
柱塞泵泵送水、甲醇、汽油等低粘度液体时，若采用间隙密封方式，不仅存在泄漏量大难以建立高的泵送压力的问题，而且由于泄露的液体粘度小，柱塞会因为得不到良好润滑而导致很快磨损失效的问题，国内外泵送低粘度液体的柱塞泵都采用机械式填料密封；机械式填料密封的缺点在于，填料与柱塞表面之间的滑动摩擦发热与磨损问题不仅限制了泵速，而且降低了工作可靠性和耐久性。工作压力在200MPa以上的低粘度液体柱塞泵的密封件寿命仅在200小时左右，随着工作压力提高填料密封件的寿命更短。提高低粘度液体高压柱塞泵的工作压力，延长使用寿命，需要解决低粘度液体高压柱塞泵的密封与润滑问题。
发明人为解决柴油机燃用低粘度甲醇燃料时高压柱塞泵的柱塞与工作缸孔道磨损失效不能满足使用要求的问题，对柱塞泵柱塞的密封与润滑问题进行持续研究，从2006年专利《多种燃料柴油机喷油泵》（ZL200620127615.1）、到2019年的《一种低粘度液体柱塞泵的密封润滑结构》（ZL201920084275.6），经历了多次的试制与试验，都存在不同程度的加工工艺复杂、加工精度难以保证、管道密封繁琐等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构更简单、制造更容易（容易保证加工精度、制造成本低）、泵送甲醇、水等低粘度液体的压力达到250MPa以上、工作可靠性好、柱塞工作寿命长的一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构；该结构可用于内燃机泵送多种燃料，亦可广泛用于作超高压水射流切割、超高压纯水射流除锈、高压水射流清洗、海水泵、化工泵等装备的高压柱塞泵，或者其它的往复运动柱塞副高压密封润滑装置。
为实现上述本发明的目的，发明人对《一种低粘度液体柱塞泵的密封润滑结构》（ZL201920084275.6）专利进一步进行“要素省略”、“要素关系改变”的创新，提出了该发明《一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构》,本申请采用如下技术方案：
一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构，包括柱塞（1）、活塞腔（1.1）、泵体（2）、工作缸孔道（3）、泵腔（3.1）、自由活塞（4）、密封液腔（4.1）、泵副腔（4.2）、活塞孔道（4.3）、环形密封液槽（6）、进密封液通道（8）、进液单向阀（11）、和出液单向阀（13）；工作缸孔道（3）设置在泵体（2）内；柱塞（1）装在工作缸孔道（3）内与工作缸孔道（3）呈精密的滑动配合；进密封液通道（8）设置在泵体（2）上，进液单向阀（11）、出液单向阀（13）与泵腔（3.1）相通；柱塞（1）内设置活塞腔（1.1）及活塞孔道（4.3）；自由活塞（4）与活塞孔道（4.3）呈精密的滑动配合，自由活塞（4）将活塞腔（1.1）分隔为与泵腔（3.1）相通的泵副腔（4.2）以及与环形密封液槽（6）相通的密封液腔（4.1）。
设置在柱塞（1）外圆柱上的环形密封液槽（6）将柱塞（1）与工作缸孔道（3）之间的环形微间隙分隔为：从环形密封液槽（6）向上至泵腔（3.1）的上柱塞环形微间隙（9）、从环形密封液槽（6）向下至工作缸孔道（3）下端的下柱塞环形微间隙（10）。
当柱塞（1）上行泵液时，泵腔（3.1）内的高压液体压力经泵副腔（4.2）、自由活塞（4）、密封液腔（4.1）传递到环形密封液槽（6），保持上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）密封液压力PR1与泵腔（3.1）的液体压力PK1相等，即PR1＝PK1，有效阻止了泵液过程高压液体进入上柱塞环形微间隙（9）而发生低粘度液体的泄漏；环形密封液槽（6）密封液粘度随压力升高而升高，由于下柱塞环形微间隙（10）对高粘度密封液的节流作用，仅有少量密封液从环形密封液槽（6）经下柱塞环形微间隙（10）回流至密封液箱。下柱塞环形微间隙（10）内形成的环状密封液膜阻碍柱塞（1）与工作缸孔道（3）壁面之间的直接接触，对柱塞（1）外表面起到润滑作用。同时，泵腔（3.1）压力升高，自由活塞（4）的下行，密封液腔（4.1）内的密封液进入环形密封液槽（6），补充从下柱塞环形微间隙（10）泄漏的密封液。
在柱塞（1）上行泵液的过程中，因上柱塞环形微间隙（9）的上下两端压力动态平衡，有效阻止了泵腔（3.1）中的超高压液体进入上柱塞环形微间隙（9），实现了对泵腔（3.1）中的超高压低粘度液体的密封。从而保证了该柱塞泵产生250Mpa以上的超高压的液体压力；下柱塞环形微间隙（10）中的高粘度密封液膜将柱塞（1）悬浮在工作缸孔道（3）中，避免了柱塞（1）的外表面与工作缸孔道（3）配合表面的接触，实现了柱塞（1）的润滑，保证了柱塞（1）的工作可靠性。
同理，柱塞下行吸液时，到达下止点之前，上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）中的压力PR1与上端的泵腔（3.1）中的液体压力PK1相等，即PR1＝PK1，阻止了泵腔（3.1）、环形密封液槽（6）的液体进入上柱塞环形微间隙（9）、实现了对高压液体的密封。
当柱塞（1）下行到下止点时，密封液进液通道（8）与环形密封液槽（6）连通，密封液经进密封液通道（8）进入环形密封液槽（6）、密封液腔（4.1），完成了密封液的补充。此时环形密封液槽（6）中的密封液压力PR2小于等于密封液输入泵泵端压力PS0， PR2≤PS0 ；同时，在柱塞（1）下行时，来自工作液输送泵泵送的压力为PF0(设PF0≤PS0)的工作液，打开进液单向阀（11）流入泵腔（3.1），泵腔（3.1）中的液体压力PK2， PF0≥PK2 ≥0bar；
上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）中的压力PR2与上端的泵腔（3.1）中的液体压力PK2压力差为：PS0≥∣PR2-PK2∣≥0，试验证明环形微小间隙两端液体的压差小于10bar时环形微小间隙中没有液体流动现象，可以保证柱塞（1）下行吸液过程的密封。
柱塞（1）下行过程是柱塞（1）上行泵液路程的往返，柱塞（1）上行泵液过程在下柱塞环形微间隙（10）中形成的高粘度密封液附着在工作缸孔道（3）表面形成的密封液膜，为柱塞（1）的下行提供了良好的润滑作用。
本发明的有益效果：
1、发明人对实用新型名称为《一种低粘度液体柱塞泵的密封润滑结构》（ZL201920084275.6)的专利进一步进行“要素省略”、“要素关系改变”的创新：将原来设置在传压油缸孔道（5）内的“自由活塞（4）”设置在活塞腔（1.1）内，发明《一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构》，减少了油道（6.1）、堵头（17）、堵头（18），减少了高压泄露环节，结构更简单、制造更容易；依然保持了本发明人原实用新型名称为《一种低粘度液体柱塞泵的密封润滑结构》（ZL201920084275.6） 原有的全部功能：
<1> 实现了无燃油或水泄漏、泵甲醇或水等低粘度液体压力达到250MPa以上；
<2> 有效实现了柱塞（1）与工作缸孔道（3）之间的密封，同时避免了柱塞（1）与工作缸孔道（3）的直接接触、克服了柱塞（1）与工作缸孔道（3）的磨损问题、有效提高了柱塞泵可靠性；
<3> 结构更简单、大幅度降低了制造成本。
2、本发明《一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构》，可用于内燃机的多种燃料泵泵送汽油、甲醇、乙醇等低粘度燃料，可用于超高压水切割、超高压纯水射流除锈、高压水射流清洗、海水泵、化工泵等装备的高压柱塞泵、往复运动副高压密封与润滑结构的实施。
附图说明：
图1 本发明低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构示意图；
图2 本发明低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构在柱塞上行泵液时的结构示意图；
图3 本发明低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构在柱塞下行吸液时的结构示意图；
图中的标记表示为：1柱塞；1.1活塞腔；2泵体；3工作缸孔道；3.1泵腔；4自由活塞；4.1密封液腔；4.2泵副腔；4.3 活塞孔道； 6环形密封液槽； 8进密封液通道；9上柱塞环形微间隙；10下柱塞环形微间隙；11进液单向阀；12进液管接口；13出液单向阀；14高压出液管接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。
如附图1所示的本发明一种低粘度液体柱塞泵液力密封与润滑结构，包括柱塞（1）、活塞腔（1.1）、泵体（2）、工作缸孔道（3）、泵腔（3.1）、自由活塞（4）、密封液腔（4.1）、泵副腔（4.2）、活塞孔道（4.3）、环形密封液槽（6）、进密封液通道（8）、进液单向阀（11）、和出液单向阀（13），其中工作缸孔道（3）设置在泵体（2）内；柱塞（1）装在工作缸孔道（3）内与工作缸孔道（3）呈精密的滑动配合，其滑动配合的环形间隙为0.0015~0.0025毫米；进密封液通道（8）设置在泵体（2）上，且与柱塞（1）处于下止点位置时的环形密封液槽（6）连通；自由活塞（4）装在活塞腔（1.1）内，自由活塞（4）与活塞孔道（4.3）呈精密的滑动配合，其滑动配合的环形微间隙为0.0015~0.0025毫米；如附图1所示进液单向阀（11）与出液单向阀（13）设置在泵体（2）上，均与泵腔（3.1）相通；自由活塞（4）装在活塞腔（1.1）内、将活塞腔（1.1）分隔为自由活塞（4）一端的泵副腔（4.2）及自由活塞（4）另一端的密封液腔（4.1）；密封液腔（4.1）与环形密封液槽（6）连通、泵副腔（4.2）与泵腔（3.1）连通；如附图1、附图2、附图3所示，设置在柱塞（1）上的环形密封液槽（6）将柱塞（1）与工作缸孔道（3）之间的环形微间隙分隔为：从环形密封液槽（6）向上至泵腔（3.1）的上柱塞环形微间隙（9）、从环形密封液槽（6）向下至工作缸孔道（3）下端的下柱塞环形微间隙（10）。
柱塞（1）上行泵液过程：
如附图2所示，柱塞（1）从下止点向上止点移动，进液单向阀（11）关闭，泵腔（3.1）容积减小，压力升高，当泵腔（3.1）压力达到出液单向阀（13）的开启压力时，高压液体打开出液单向阀（13）经高压液体管接口（14）进入高压液体管道；当柱塞（1）上行至上止点时出液体单向阀（13）关闭，泵送液体过程结束。
1>泵液过程的柱塞密封
当柱塞（1） 处于下止点位置时，环形密封液槽（6）与进密封液通道（8）相通，密封液通过进密封液通道（8）、环形密封液槽（6）进入密封液腔（4.1），自由活塞（4）上移，密封液腔（4.1）充满密封液；随着柱塞（1）的上行，泵腔（3.1）液体压力升高，泵腔（3.1）压力经泵副腔（4.2）、自由活塞（4）、密封液腔（4.1），传递到环形密封液槽（6）内，保持上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）中的压力PR1与上端的泵腔（3.1）中的液体压力PK1相等，即PR1＝PK1，因此在柱塞（1）上行泵液过程中有效地阻止了泵腔（3.1）中的高压液体进入上柱塞环形微间隙（9）、实现了对高压液体的密封；上柱塞环形微间隙（9）上下两端的泵腔（3.1）与环形密封液槽（6）压力平衡实现了对泵腔（3.1）中的超高压低粘度液体的密封、克服了超高压液体泄漏问题，从而保证了该柱塞泵泵送低粘度液体的压力达到250MPa以上。
2>泵液过程的柱塞润滑
环形密封液槽（6）中的密封液粘度随压力的升高粘度增大，由于下柱塞环形微间隙（10）对高粘度润滑油的节流作用，仅有少量密封液从环形密封液槽（6）经下柱塞环形微间隙（10）泄出回流至密封液箱，与此同时，泵腔（3.1）中的高压液体经泵副腔（4.2）压力推动自由活塞（4）下移，密封液腔（4.1）中的密封液进入环形密封液槽（6），补充从下柱塞环形微间隙（10）泄漏的密封液。
下柱塞环形微间隙（10）中的高粘度密封液将柱塞（1）悬浮在工作缸孔道（3）中，避免了柱塞（1）的表面与工作缸孔道（3）的配合表面的直接接触，实现了柱塞（1）的润滑，保证了柱塞（1）的工作可靠性和耐久性。
柱塞（1）下行吸液过程：
如附图3所示，柱塞（1）从上止点向下止点移动，泵腔（3.1）容积增大，压力减小，出液单向阀（13）关闭；当工作液输送泵的泵送压力PF0为 2bar时，2bar的工作液经进液管接口（12），打开进液单向阀（11）进入泵腔（3.1）；下行吸液过程泵腔（3.1）中的液体压力PK2，2bar≥PK2 ≥0bar；柱塞（1）下行至下止点时，进液单向阀（11）关闭，柱塞（1）下行吸液过程结束。
3>吸液过程的柱塞密封
同上行泵液密封原理相同，柱塞（1）下行吸液，到达下止点之前，上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）中的压力PR1与上端的泵腔（3.1）中的液体压力PK1相等，即PR1＝PK1，阻止了泵腔（3.1）、环形密封液槽（6）的液体进入上柱塞环形微间隙（9）、实现了对高压液体的密封。
当柱塞（1）下行到下止点时，进密封液通道（8）与环形密封液槽（6）连通，密封液外接管道中压力为4bar的低压密封液，经进密封液通道（8）进入环形密封液槽（6）、密封液腔（4.1）完成了密封液的补充；此时环形密封液槽（6）中的密封液压力PR2≤4bar ；上柱塞环形微间隙（9）下端的环形密封液槽（6）中的压力PR2（PR2≤4bar）与上端的泵腔（3.1）中的液体压力PK2（2bar≥PK2 ≥0bar）压差小于4bar，试验证明环形微小间隙两端液体的压差小于10bar时环形微小间隙中没有液体流动现象，在柱塞（1）下行吸入工作液的过程中也有效地阻止了所泵送液体的泄漏。
4> 吸液过程的柱塞润滑
柱塞（1）上行泵液过程在下柱塞环形微间隙（10）中的高粘度密封液附着在工作缸孔道（3）表面形成的密封液膜，为柱塞（1）的下行提供了很好的润滑作用。
从泵液、吸液过程的密封与润滑可知，该低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构，在柱塞（1）上行泵液与柱塞（1）下行吸液过程都实现了阻止泵腔（3.1）中的低粘度液体进入上柱塞环形微间隙（9），从而实现了一种柱塞泵的液力密封与润滑结构泵送低粘度液体压力达到250MPa以上无低粘度液体泄漏；下柱塞环形微间隙（10）中的密封液膜使柱塞（1）在工作缸孔道（3）中浮动，避免了柱塞（1）与工作缸孔道（3）直接接触，克服了柱塞（1）与工作缸孔道（3）的磨损失效问题，完成了柱塞（1）与工作缸孔道（3）之间的润滑，提高了工作可靠性与耐久性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种低粘度液体柱塞泵的液力密封与润滑结构，包括柱塞（1）、泵体（2）、工作缸孔道（3）、泵腔（3.1）、自由活塞（4）、活塞腔（1.1）、密封液腔（4.1）、泵副腔（4.2）、环形密封液槽（6）、进密封液通道（8）、进液单向阀（11）和出液单向阀（13），其特征在于：在柱塞（1）内设置活塞腔（1.1），自由活塞（4）装在活塞腔（1.1）内，将活塞腔（1.1）分隔为泵副腔（4.2）与密封液腔（4.1）；泵副腔（4.2）与泵腔（3.1）相通，密封液腔（4.1）与环形密封液槽（6）连通。
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