CN1221476A - 渐进式空腔泵 - Google Patents

Abstract

一种改进的渐进式空腔(pc)泵。一方面,pc泵包括通过与吸入腔隔离的传动轴连接于电动机的转子,由此防止被泵送的材料通过不完美的密封件到达传动轴的接头。另一方面,pc泵包括一转子组件,它包括一藉助连接件与转子件相联的转子轴,该连接件具有热感应结构失效的能力,以提供一种防破坏安全机构而阻止过热。连接件是由熔化温度低的合金制成,在某一温度连接件转变成液态,而超过这个温度泵不再安全,从而终止转子轴与转子件之间的传动关系。

Description

渐进式空腔泵

本发明涉及一种具有防损坏安全特征的渐进式空腔泵。本发明还涉及一种渐进式空腔泵，其特征是一种改进的密封机构和转子组件。

发明背景

偏心螺旋泵，也称为渐进式空腔泵(pc泵)，由于它们的低脉动流动、低产品剪切力和传送颗粒高达40％的产品的能力而广泛应用于爆炸物工业。它们还用在食品工业、污水的传送和其它需要泵送具有相当高耐磨性的材料的场合。

一般的pc泵通常包括安装在构成一泵送腔的一定子中旋转的一转子。在一般的构造中，转子的几何形状是一大节距的螺旋，而定子可被认为是一包括一节距是转子的两倍的双头螺旋的本体。其结果是，在定子与转子之间的泵送腔中形成传送空间(空腔)。

在泵送过程中，这些空腔充满了产品，并连续地从入口运动到出口。由于从一个空腔到下一个空腔的平稳传递，泵送几乎没有脉动。传送空间被转子与定子之间的过盈所密封。虽然其它构造诸如涂覆弹性体的转子也可使用，但定子通常是保持在一刚性壳体内的弹性体材料制成的。空腔的容积在运动过程中保持恒定。除了在双头螺旋定子中的大节距螺旋转子之外，其它构造也可使用，例如包括在一三头螺旋定子中的横截面为椭圆形的大节距转子，其中定子的节距是转子的1.5倍。由于特定的转子/定子构造，转子在定子内径向运动，由此形成了一轨道运动。例如见德国Waldkraiburg的Netzsch Mohnopumpen GMBH于1994年6月所编写的名称为“新的NM系列-谁想到你能改进NEMO^泵？”的Netzsch产品目录。

在一般的现有技术的泵中，转子是一被驱动的传动轴。通过电气、液压、气动或其它类型的电动机，旋转运动传给传动轴。为了适合转子的轨道运动，传动轴由诸如弹簧钢的挠性材料制成，或它可以是一种在其端部具有万向、齿轮或销接头的刚性结构。

设置密封件或弹性体保护罩是为了防止被泵送的材料例如爆炸物进入接头。有时不是用两个分开的保护罩，而是用弹性体套连接在两个接头之间并包围在轴的周围。还有，在某些构造中，可使用一个保护罩。例如见Waite的第3,930,765号美国专利。最好是，这些接头用油润滑，在那种情况下，密封件、保护罩或套筒，除了保持被泵送的材料在接头外面之外，还要防止润滑剂进入被泵送的材料中。

当pc泵用于爆炸物时，必需防止这些泵产生过量的热。在正常的工作中，被泵送的材料从pc泵带走热量，因此，防止产生过量的热。但是，在无输出运行或空载泵送的情况下，能够产生过量的热。

当来自泵的流动被阻塞的时候，无输出运行(也称为无输出泵送)发生了。这种情况能够发生在泵的出口或出口的下游。无输出泵送有可能是在泵送爆炸物的过程中所存在的最危险的情况。如果在无输出运行过程中驱动电动机不停止，供应给泵的总的驱动能转换成热，它们将被所截留的爆炸物以及转子和定子所吸收。

温度上升的速度取决于系统的动力输入、散热装置能力和散热量。当到达爆炸物的分解温度(例如，对于乳胶体约200℃之上的温度)时，在pc泵内的所有爆炸物突然燃烧，这样一般会使泵遭到毁坏，周围遭到实际破坏，在泵附近的人遭到严重的伤害。

此外，如果来自泵的碎片提供了足够的冲击推动力，而引爆了泵附近的爆炸物，这样一种最初事件会导致第二次事件。因此无输出泵送事故对于爆炸物工业而言是严重的，已花费了许多努力来试图减少这些事件发生的可能性。

当pc泵转动但在定子的吸入侧没有产品时，就出现了空载泵送。当泵在这样一种空载泵送的情况下运转时，它会因摩擦和来自于定子弹性体的变形所产生的功获得热量。由于没有产品将热量带走，热量就被转子、定子和留在定子内的爆炸物残留物的薄膜所吸收。当温度增加时，定子由于其刚性外壳的限制，所以大部分都朝内膨胀。这样，又加速了加热，并会导致在泵中爆炸物的残留物被点燃。

空载泵送的问题因为在泵中的爆炸物很少而一般比无输出泵送的问题要轻，但危险仍然还是大的。还有，空载泵送会频繁发生。例如处理气封泵的操作者知道用简单的连续运转泵的方法来试着解决这问题，而不是将时间花在灌注(prime)泵上。操作者还知道使传统的安全机构丧失能力，以允许使用这种不安全的程序。这种令人遗憾的事实是需要难以取而代之的安全系统的一个理由。如下面将要讨论的，本发明解决了这样的问题。

由于在那些接头周围的整体保护罩、密封件或套筒破裂，爆炸物进入传动轴端部的接头时，会发生第三种危险的情况。在长时间使用之后，由于疲劳、磨损、化学腐蚀或冷冻，这些接头会变得不大有效。由于可能出现密封失效而没有任何可从外部探测的信号，这就引起了一个问题。尽管在这样的接头中的滑动速度是低的，但金属零件之间的接触压力是高的，尤其当失去润滑剂而被爆炸物取而代之时，这会导致摩擦增加。爆炸物一般对摩擦敏感，爆炸物通过结晶化和水的损失就更是如此。因此，接头的摩擦程度能够高到足以点燃爆炸物。这是危险的和不希望有的。

当然，当泵送非爆炸物材料时，爆炸的危险就不存在了。但是，不希望有被泵送的材料在接头之中，因为，它会缩短泵的寿命，导致被泵送的材料被例如金属颗粒和润滑剂所污染。

为了解决上述问题，现有技术已使用了许多手段。这些手段从本质上来讲通常是电子的，并检测没有流动、高的和/或低的压力、或高的温度，所有这些是不安全情况的指示器。实施这些手段的装置一般是敏感的和相当灵敏的。因此，它们在一受控的环境下能够很好地工作，但在恶劣的环境下，诸如在泵送爆炸物的卡车上或在地下装载爆炸物的设备上，泵很难防止出故障。另一缺陷是这些装置一般都太简易，以致不能设旁路。

对于有关无输出运行和空载泵送的问题，公开在现有技术中的一个解决放案是提供一种泵，这种泵包括一具有一纵向圆筒形孔的转子件，圆筒形孔容纳一横向尺寸大大小于孔直径的转子轴。孔壁与转子轴之间的空隙注有可熔的金属接合材料，这种材料组成一连接件。如果在泵工作期间，定子内的温度上升到超过此合金的熔化温度，合金就软化，并允许转子轴在转子孔中自由转动(见公开的欧洲专利申请0,255,336)。由于转子件不再在泵的定子中转动，基本上减少了在泵送材料中的热量增加。但是，这种方案有缺陷。在正常工作条件下，此连接件将扭矩传递到转子件的能力取决于孔壁/连接件和转子轴/连接件的接合强度。将连接件连接到有关构件的连接力完全归因于在制成连接件的接合材料与转子件和转子轴的材料之间的界面连接。这种界面连接基本上是诸兼容材料之间的化学粘结。这种化学粘结在泵运行过程中抵抗常常遇到的较大剪切压力的能力是避免连接件过早失效的关键。随后必需进行专门的和细仔签署的制造程序，以确保在制造转子组件的过程中，连接件与其相关构件之间形成强度足够的接合。不这样做会由于接合的过早破裂而导致不良的性能。在某些情况下，甚至当制造过程在一满意的方法下进行的时候，由于老化、泵反复启动和关闭时连接件所经受的反复的冷却/加热循环、形成接合的材料中的化学变化等等，接合力可能随时间逐渐减弱。因此，即使在泵正常的运行中，由于转子轴所传递的剪切力，接合也可能破裂。

技术方案

因此本发明的一个目的是提供一种具有改进的安全特征的泵。

本发明的又一个目的是提供一种改进的pc泵，尤其是解决有关无输出运行、空载泵送和接头密封整体性的问题。

本发明的另一个目的是提供一种pc泵，这种泵具有改进的安全特征，从而不能轻易地走旁路。

如在此所体现的和广泛描述的，本发明提供一种渐进式空腔泵，它包括：

a)一构成一泵送腔的外壳，该外壳包括：

  -容纳将在泵送腔中被泵送的材料的入口；

  -将被泵送的材料排出泵送腔的出口；

b)一安装在外壳中的转子，转子能够在外壳内进行旋转和轨道运动，使材料移动，以在入口与出口之间的泵送腔中被泵送；

c)一将旋转运动传给转子的传动轴；

d)一使传动轴与泵送腔隔离的密封机构，密封机构提供的装置能够：

  ⅰ)适应传动轴的旋转运动；以及

  ⅱ)适应传动轴的轨道运动。

在本说明书中，术语“轨道运动”意指围绕距离转子件的中心线一定距离的某基准部位的转子件的连续路线。该路线最好是圆形的，但也可是椭圆形的或其它的形状。转子沿连续路线绕其运动的基准部位最好是定子的中心线。应该指出的是，基准部位的地方取决于转子/定子构造的几何形状，因此它可随较佳实施例变化。另一方面，“旋转运动”意指传动轴的一部分围绕该部分的中心线的角运动。例如，当与转子连接的传动轴的端部受到一角位移，该角位移是绕端部的一般与转子的中心线重合的中心线发生的，传动轴就被认为在旋转。

为了将传动轴结构与转子分开，将密封结构用作基准点。受到轨道运动和旋转运动的、限制在泵送腔边界内的连接于传动轴的所有结构和所有构件都被认为形成转子的一部分。另一方面，穿过密封机构和在泵送腔外面延伸的与转子连接的所有构件被认为形成传动轴的一部分。

如在本说明书文本中所使用的，术语“隔离”和它的派生词都用来指传动轴与被泵送的材料分开。根据在被泵送的材料的类型，这种表示不应严格地解释为传动轴被完全密封或在任何时候没有材料到达或与传动轴或与其接头接触，但不能忽视与传动轴或其接头接触的材料数量。

本发明的渐进式空腔泵与现有技术的装置相比有了很大的改进，那是因为运行比较安全。传动轴位于泵送腔的外面避免了泵送材料堆积在传动轴的接头中，如果有的话，在处理爆炸物质时，如前面所讨论的可能导致泵的燃暴。

在最佳实施例中，使传动轴与吸入腔隔离的密封机构是一个复合结构，它包括一个在与转子连接的轴端部周围的密封定位圈和两个分开的密封构件，一个密封组件适应传动轴的旋转运动，另一个密封组件适应传动轴的轨道运动。设置合适的轴承，以将密封定位圈同心地设置在转子轴周围，并使转子轴的转动运动在基本上没有摩擦的情况下发生。轴承的后面安装一与传动轴的表面接合的带唇边密封件，以形成一阻挡层，传动轴转动的时候避免被泵送的材料流出。

适应传动轴的轨道运动的第二密封组件包括一跨越限定在密封定位圈与泵外壳之间的空间的柔性环状阻挡层。环状阻挡层的结构是这样的，通过阻挡层的压缩/延伸，密封定位圈能相对于外壳移动。这使得传动轴能够沿轨道运动，同时防止被泵送的材料流出在传动轴侧的吸入腔。

在一不同的结构中，复合密封件包括一起到阻挡层作用的支承环，它能够在外壳内旋转，以适应传动轴的轨道运动。在这种形式的结构下，环状阻挡层(支承环)不需要是一种依从结构。最好是，它是由比依从的软密封件更坚固的刚性材料制成，因为在泵运行过程中，它要能较好地抵抗能遇到的磨损和实际冲撞。刚性环状阻挡层的旋转运动允许传动轴和转子件跟随轨道路线。很显然，轨道运动的半径(轨道路线与泵送腔的中心线之间的距离)是固定的，并取决于转子相对于支承环的位置。客观上，与使用顺从密封件的前面的实施例相比，这种结构需要精确的制造公差，因为轨道路线的几何形状是固定的，只能容许很小的变化。

如在此所体现和广泛描述的，本发明还提供一种渐进式空腔泵，其中密封机构包括：一位于泵送腔与传动轴之间的支承环，支承环能够在外壳内旋转；一偏心固定在支承环内的第一密封组件，该第一密封组件同心地设置在转子上，并提供用于适应转子的旋转运动的装置，泵还包括一固定于外壳的第二密封组件，该第二密封组件同心地位于支承环的周围，并提供用于适应支承环的旋转运动的装置，由此：

a)转子的轨道运动将旋转运动赋予支承环；以及

b)第二密封组件适应支承环的旋转运动。

在一最佳实施例中，泵还包括适应转子在支承环内的旋转运动的第一轴承装置，还包括适应支承环在外壳内的旋转运动的第二轴承装置。最好是，第一和第二密封组件是带唇边密封件，第一和第二轴承装置是双列向心滚珠轴承。

在另一实施例中，泵包括产生一基本上平衡在泵送期间转子在定子上产生的径向力的一径向反作用力的装置。这个特征减少了定子的磨损。在一较佳实施例中，设置一轴承，它包括一同心安装在传动轴上的环，它具有一滚动表面，最好是有弹性的，该滚动表面与外壳的一部分连续接触。轴承在转子对着定子施加的压力方面设置一限制，由此限制了定子的磨损。

在本发明的另一方面还提供了泵的转子组件，转子组件包括：

a)一包括一空腔的转子件；

b)一至少部分在空腔中延伸的转子轴；

c)一在空腔中的连接件，它建立了转子轴与转子件之间的传动关系，由此传给转子轴的旋转运动通过连接件的媒介传递到转子件；

d)转子件处在与连接件啮合条件之下；

e)连接件能够热感应结构失效，以便到达预定温度时终止传动关系。

此外，本发明提供了一种渐进式空腔泵，它包括：

a)一限定泵送腔的外壳，外壳包括：

  -容纳将在泵送腔中被泵送的材料的入口；

  -将被泵送的材料排出泵送腔的出口；

b)一安装在外壳内的转子组件，转子组件包括：

  ⅰ)一包括空腔的转子件；

  ⅱ)一至少部分在空腔中延伸的转子轴；

  ⅲ)一在空腔中的连接件，它建立了转子轴与转子件之间的传动关系，由此传给转子轴的旋转运动通过连接件的媒介传递到转子件；

  ⅳ)转子件处在与连接件啮合条件之下；

  ⅴ)连接件能够热感应结构失效，以便到达预定温度时终止传动关系。

在本说明书中，术语“啮合条件”意指转子件或转子轴与连接件机械互锁的结构布局，这样在完全不依靠或仅仅部分依靠连接件/转子件之间或连接件/转子轴之间的表面接合产生扭矩传递。例如，通过设置一个构件在连接件与转子件之间获得机械互锁，该构件有一个容纳在另一构件上的匹配凹槽中的凸起。在一个不应该以限制性的方式来解释的具体例子中，转子轴包括一系列沿转子轴的整个长度设置的、以规则的间隔角分布的纵向延伸的凸起。这些凸起形成与连接件的材料机械啮合的齿。以类似的形式，注在转子轴上的诸凸起之间的空间的连接件的材料也形成与那些凸起啮合的齿。因此，连接件与转子轴之间的啮合类似于花键连接。在转子件与连接件之间建立一相似的花键类连接。在这个实施例中，存在两种情况的啮合，即在转子件与连接件之间和在转子轴与连接件之间。

为了在连接件、转子件或转子轴之间形成啮合的条件，可使用上述的诸互锁凸起/凹槽，但不需要在连接件的整个的长度上都设置。诸凸起/凹槽可仅仅沿连接件长度的一部分延伸。在不脱离本发明的基本精神下，也可以改变诸凸起/凹槽的数量和间隔。一个可能性是使用形成在连接件上的一凸起，而该凸起容纳在转子件上的一匹配凹槽中，以及使用另一个形成在连接件上的凸起，而该凸起容纳在转子轴上的一匹配凹槽中，或反之亦然。另一个在连接件与转子轴之间建立啮合条件的可能性是使用一转子轴，而该转子轴的至少一部分长度的横截面是非圆形的。例如，正方形、多边形、三角形或椭圆形的轴都可使用。一个有点不同的可能性是使用非直线的转子轴。转子轴的一段与该轴的其余部分相交一个角度，以形成与连接件的机械啮合。在一个具体的例子中，转子轴可包括一纵向延伸的主要部分，其端部有一横档(crosspiece)，该横档形成啮合连接件材料的诸凸起。可以考虑的另外的可能性是将转子轴形成为螺旋，或基本上为螺旋形式的结构。可以考虑的再一个可能性是提供一种转子轴，其横截面是圆形的，但偏心地设置在转子件的空腔内。

术语“热感应结构失效”指形成连接件材料的能力至少部分地失去了结构整体性，使得它不能再将转子轴的旋转运动传到转子件。在一较佳实施例中，连接件由熔化温度低的合金制成，当它的温度超过熔化点时，它就转变成液体状态。在这个阶段，转子轴在液体合金池内自由地转动，而没有将旋转运动传到转子件。最好是，该材料应该是易熔的，或是基本易熔的。已经发现一种最好是由55.5％的铋和44.5％的铅组成的铋合金能够满足这种要求。其它的可能性也是存在的。例如连接件可以制成一种特定的结构，在熔化温度低的合金基体中，或一般在某一温度分解或转变成液态的材料中具有颗粒。在该某一温度之下，连接件表现为整体结构。但是，当泵过热时，颗粒之间的接合破裂，它们彼此间自由运动。这样，转子轴和转子件彼此脱开。还可以考虑使用其它材料或结构的可能性，制造在一预定的温度足以变弱的连接件，以断裂连接件的结构，这样就不能再将旋转运动传到转子件，但是不会引起连接件熔化。

但是，最好使用熔化温度低的合金，因为连接件的材料转变成液态只向旋转轴提供极小的阻力。显然，任何提供给转子轴的较大阻力都可能继续驱动转子件，当然这是不希望的。

在一较佳实施例中，转子组件还包括在连接件结构失效的情况下防止转子轴与转子件接触的装置，最好是，防止接触的装置由位于转子轴各端的轴套所组成。

在另一方面，转子组件还包括在连接件结构失效的情况下防止转子件相对于转子轴纵向偏移的装置，最好是，防止转子件纵向偏移的装置由位于转子件空腔中的一球所组成。

通过参阅下面的说明书和附图，本发明的其它目的和特征变得显而易见。

附图简要说明

下面是参考如下的附图对一较佳实施例所作的描述，其中：

图1是pc泵的垂直纵向剖视图，该pc泵具有根据本发明的第一方面改进的安全特征。

图2是根据本发明的一pc泵的垂直纵向剖视图，它详细示出了密封机构和改进的转子组件的第一实施例。

图3是根据本发明的第一方面的一pc泵的垂直纵向剖视图，它详细示出了密封机构的第二实施例。

图4是根据本发明的第一方面的一pc泵的垂直纵向剖视图，它详细示出了密封机构的第三实施例，也详细示出了轴支承辊。

图5是沿图4的5-5线截取的剖视图，它示出了密封机构的第三个实施例。

图5A是类似于图5的剖视图，它示出在一不同角度位置的支承环。

图6是沿图4的6-6线截取的剖视图，它示出了轴的支承轴承。

图7是沿图2的7-7线截取的剖视图，它示出了根据本发明另一方面的转子组件。

图8是一类似于图7的剖视图，它示出了一较佳转子组件。

较佳实施例的叙述

现在参阅图1，本发明的pc泵特别适用于泵送爆炸物，它包括一具有一入口4和一出口6的外壳2。外壳包括一容纳螺旋转子10的定子8。定子构成一泵送腔，该泵送腔包括一沿泵送材料传送方向形成在入口4下游的吸入腔11和诸传送空间，诸如限定在定子8与转子10之间的诸凹槽中的空间12。这些传送空间被转子与定子之间的过盈所密封。在泵送过程中，这些传送空间装有被泵送的材料，其运动是连续平稳过渡的，这样就提供了一种工作时几乎没有脉动的泵。

所能够使用的转子/定子构造包括一在一双头螺旋定子中的大节距螺旋转子，其中定子的节距是转子的两倍(称为1/2几何形状)，或是一个在三头螺旋定子中的横截面为椭圆形的大节距转子，其中定子的节距是转子节距的三倍(称为2/3几何形状)。由于特定的转子/定子构造，转子沿在定子中心轴线(在图4中用点划线B表示)周围的在定子中的一轨道路线运行。在具有1/2几何形状的pc泵中，转子每转一圈，它就完成一个轨道运行，在具有2/3几何形状的pc泵中，转子每转一圈，轨道运动完成两个轨道。其它的转子/定子构造也可使用。

定子可以是完全弹性体，或是具有均匀的壁厚。完全弹性体定子包括一钢管，该钢管有一具有所需形状的浇铸弹性体衬垫。壁厚均匀的定子包括一具有所需形状的、衬有一弹性体的外壳，该弹性体从头到尾具有相同的厚度，厚度的具体尺寸取决于泵的尺寸。由于衬垫的厚度在整个泵上都是相同的，它就在接触的整个范围中施加均匀的压力。定子这两种类型大家都是熟知的，并可从不同的制造商中购买。本领域的熟练技术人员还应予以理解的是，可使用其它类型的定子，这均落入本发明的范围内。

螺旋转子10可有任何合适的材料诸如不锈钢或涂覆硬质表面的铝所制成，铝由于其散热性能而是较佳的。由于在此详细介绍的理由，转子具有良好的导热性，为由于无输出运行或空载泵送而引起的泵内部产生过热提供全面的迅速反应，这是很重要的。良好的散热性能也是重要的，以免形成所谓的“热点”，这些热点是由于转子或定子的表面缺陷，在某一特定区域中的转子与定子之间产生过度摩擦而引起的。

转子10包括一轴13。转子10和轴13可由单个的机加工构件组成，或由两个分开的彼此连接的零件所组成，这将在下面详细说明。

用一可以包括第一轴18和第二轴16的复合传动轴将转子10连接于一发动机14。发动机可以是电气的、液压的、气动的或任何其它类型的。转子10以任何传统的方式连接于传动轴。如果需要，转子10和传动轴可用单向锁定装置连接，如果不注意而将发动机反向驱动，这种单向锁定装置就会脱开，由此避免了可导致事故的任何危险。

在第二轴16的每一端上设置接头20和22。这些接头可以使发动机14对转子施加所需的转矩，同时适应其轨道运动。接头20和22最好是万向节头，但也可以是任何其它类型的，诸如齿轮、销或homokenetic接头。

与传动轴位于泵送腔内的传统pc泵相反，本发明pc泵的传动轴与泵送腔是隔开的。这是由在图2、3和4中更详细描述的特定密封机构来实现的。

现在结合图2描述本发明的密封机构的第一实施例。根据该第一实施例，在邻近接头20的转子轴第一端设置一密封定位圈24。用合适的轴承诸如球轴承26将密封定位圈24安装在转子上，以适应转子的旋转运动。轴承26可包括例如在一塑料材料制成的滚道内部中的一金属球，或在一金属滚道内部中一塑料球。由于被泵送的材料可能是腐蚀性和侵蚀性的金属，所以推荐使用塑料。密封定位圈本身不旋转，但跟随转子的轨道运动，这将在下面说明。

密封定位圈24包括一由两个带唇边密封件28和29组成的第一密封组件。带唇边密封件28和29靠在转子10的表面上，并允许转子在密封定位圈内转动，同时形成一障碍，以防被泵送的材料从形成泵送腔的一组成部分的泵吸入腔中溢出来。如果，为了任何的理由，被泵送的材料越过带唇边密封件28，就将通过径向溢流槽30溢出密封定位圈24，从而不会到达轴承26或接头20。也可使用其它类型的密封件，只要它们允许转子在密封定位圈内旋转，同时能防止被泵送的材料进入密封件中。

藉助一第二密封组件将密封定位圈24的外侧与吸入腔隔离，第二密封组件包括一横跨在密封定位圈24与外壳之间的空间的打褶的柔性圆环阻挡层。密封定位圈在柔性阻挡层内不旋转，后者通过压缩/延伸适应转子和密封定位圈的轨道运动。因此，第二密封组件使密封定位圈24跟随转子轴的轨道运动，同时将传动轴与吸入腔11隔离。

对于典型的爆炸物的使用场合，第二密封组件必需能支承大约9米水柱的负压头和大约10米水柱的正压头，并能承受达±8毫米的径向挠曲。可以用作本发明第二密封组件的一种密封件如图2所示，它由一具有V形横截面的弹性体环32所组成，其内周通过一种合适的夹具33固定于密封定位圈24，外周通过一种适当的定位环35和诸螺钉37固定于泵的外壳2。

为了防止密封定位圈24由于旋转轴13与密封件28和29之间的摩擦而在第二密封组件内旋转，可设置一个能可靠地锁定密封定位圈24阻止旋转的空心转矩臂34。转矩臂34包括一能可滑动地容纳螺钉37的细长槽(在附图中没有示出)。在密封定位圈24的轨道运动过程中，转矩臂34在螺钉37上滑动以允许轨道运动，同时防止密封定位圈转动。但如果转子轴13与带唇边密封件28之间的摩擦极小，那么这样一种转矩臂不是非要不可的。

下面参阅图3，图中示出了本发明密封机构的第二实施例。该第二实施例的特征是一个较紧凑的密封件结构，这样减少了泵的纵向尺寸。在这第二实施例中，第一和第二密封组件类似于第一实施例的第一和第二密封组件，它们分别由合适的带唇边密封件28a和包括一弹性体圈32a的挠性环状阻挡层所组成，弹性体圈32a通过一合适的定位圈35a和诸螺钉37a固定于密封定位圈24a和外壳2。在该特定的实施例中，滚珠轴承26a位于与第一密封组件(带唇边密封件28a)很接近的部位，由此提供了一比第一实施例的密封定位圈24较短的密封定位圈24a。但第二实施例的密封定位圈不包括一径向溢流槽，而允许越过带唇边密封件28a的任何被泵送的材料被排出。因此，为了上述的理由最好提供不具有任何金属对金属接触的轴承26a，还提供不具有外带唇边密封件的轴承，以便允许通过带唇边密封件28a并到达轴承26a的任何被泵送的材料通过轴承26a而不被阻挡。

现在结合图4、5和5a描述密封机构的第三实施例。总的编号为50的该特定密封机构具有将在一个装置中的适应转子旋转运动的第一密封组件和适应转子轨道运动的第二密封件结合在一起的优点。

根据该实施例，提供了一第一密封组件，它包括一压配在支承环54内部的带唇边密封件60，该带唇边密封件60同中心地位于转子的周围(图5)并适应转子旋转运动。与第一和第二实施例相反，支承环不要求是顺从结构，最好是刚性的。如图5所特别示出的，支承环54的形状做成使第一密封组件60偏心地位于支承环54内。具体地说，支承环54的形状做成使第一密封组件60将精确跟随转子轴13围绕定子的中心轴线(在图4和5中用B表示)的轨道运动。因此，带唇边密封件60避免了被泵送的材料进入转子与支承环54之间的空间。

在该实施例中还设置了一第二密封组件，它由压配在外壳2内部的一带唇边密封件62所组成，带唇边密封件62同心地位于支承环54的周围，并适应下面将要描述的支承环的旋转运动。带唇边密封件62避免被泵送的材料进入支承环54与外壳2之间的空间。

为了便于转子轴13和支承环54的旋转运动，设置了合适的轴承。一第一双列向心滚珠轴承52固定于支承环54的内部，与带唇边密封件相邻，以适应转子轴13的旋转运动。类似地，一第二双列向心滚珠轴承56固定于外壳2的内部并适应支承环54的旋转运动。第一和第二轴承52和56分别通过第一和第二密封组件60和62与吸入腔隔离。

在泵工作的过程中，由于转子轴13在第一密封组件60和第一轴承装置52内自由转动以及由于支承环54在第二密封组件62和第二轴承装置56内自由转动，转子轴13的轨道运动将旋转运动赋予支承环54(见图5a)，其结果是密封机构将既适应转子轴的旋转运动，又适应其轨道运动，同时将传动轴与吸入腔隔离。

虽然用双列向心滚珠轴承描述了第三实施例，但还可使用其它类型的轴承，诸如单列滚珠轴承或双列或单列滚柱轴承。在另一个实施例中(未示出)，还可设置另一列靠近带唇边密封件60和62的带唇边密封件和在两列密封件之间的通道，以将任何越过第一列密封件的被泵送的材料排出密封组件，而不会到达第二列密封件(类似图2所示的第一实施例)。

由于越过带唇边密封件60和62的任何被泵送的材料将到达轴承52和56，所以在第三实施例中为了前述的理由最好设置没有任何金属对金属接触的轴承。类似地，这些轴承最好不包括任何集合成整体的密封件，以避免材料被阻挡在轴承的内部。任何越过诸轴承的材料将通过径向槽30’排出泵外，而不会到达传动轴。

发明人明白，将pc泵的接头设置在吸入腔的外面，有时可能导致定子的过早磨损，尤其在邻近吸入腔(在本说明书中定义为“定子入口”)的区域，特别是在弹性体定子的情况下。没有被任何特别的理论所束缚的意图，相信这种过早磨损是转子施加到定子上的过大径向力的结果，尤其是在吸入腔11区域。确实，在泵出口的材料压力在转子上产生一力，使转子朝右移位，例如如图4所示。该力与作用在转子上并由传动轴产生的反力平衡。由于转子与传动轴之间的角度关系，该反力具有一水平分量和一径向分量。该力的径向分量会引起转子/定子界面上的压力增加，特别是在定子入口的区域，这样会加速定子的磨损。

反力的径向分量的大小取决于传动轴相对于转子的纵向轴的角度和定子入口与传动轴的第一接头之间的距离。总而言之，较大的角度或距离将导致较大的径向分量。为了防止定子入口的过早磨损，使用者面临两个选择。第一方案(通常在现有技术中采用的)是使接头尽可能靠近定子入口。但该方案具有此前讨论过的缺点。第二个方案是提供一长的传动轴，以减小传动轴与转子之间的角度。虽然该方案可以使传动轴与吸入腔隔离，但具有增加了pc泵纵向尺寸的缺点。

如图4和6所示，为了防止其传动轴与吸入腔隔离的一pc泵中的定子入口的过早磨损，设置一轴承，该轴承将使该力的径向分量被泵的外壳所吸收，而不是作用在定子的弹性体壳体上。

尤其如图4所示，轴承70位于密封机构与接头20之间。轴承70包括：一固定于转子轴13的内滚道72；一将连续接触外壳2内部的外滚道76，使该力的径向分量被外壳2而不是定子入口所吸收；以及在两滚道之间的滚珠或滚柱74，用来减少摩擦。转子轨道运动的结果是，轴承70的外滚道将靠在外壳的内部圆筒形表面3滚动，这样又产生一个使作用在转子上的径向分量为零的反作用力。

在一较佳实施例中，轴承的外滚道76可设置有一弹性护套78，可补偿定子的中心轴线(点划线B)与轴承70在其内滚动的外壳的中心轴线之间的任何不对准，或补偿外壳任何小的变形。这样一种弹性表面还降低了噪声和省略了润滑。

在本发明的另一方面，pc泵包括一改进的转子组件，它被设计成当达到预定的温度时就自动停止转动，以避免热量上升。这种转子组件与目前现有技术中的转子或特别是与在前面引用的已公开的欧洲专利申请0255336中描述的转子组件相比有了改进，使用一种可熔的金属接合材料，以在转子轴与转子件之间产生结合。

尤其是，发明人已发现了轴与转子之间的结合断裂有关的问题可通过在转子轴与转子件之间设置一连接件来避免，这种连接件依靠与转子件或转子件和转子轴的机械接合(啮合条件)来传递转矩的。在结合图2和7所描述的一较佳实施例中，改进的转子组件包括一转子件10，转子件10包括一纵向延伸的圆筒形空腔。在空腔中有一转子轴13，该转子轴13的第一端靠近接头20，第二端靠近泵输出端，转子轴13的直径小于转子件的空腔的直径。还可将塑料轴套36放置在转子轴的第一端和第二端附近，当连接件如下面所要说明的从固体状态变为液体状态时，塑料轴套36可避免转子轴接触转子件。转子轴13的表面与转子件10的内壁构成了一空间38(见图7)。

尤其如图7所示，转子件10的内表面和转子轴13的表面包括彼此间隔的纵向凸起和凹槽。当空间38注有能形成连接件的合适材料时，该空间38使转子件和转子轴处在与连接件啮合的情况下。具体地说，将要制成连接件的材料液化和灌注此空间。当材料固化时，连接件也将形成，并使转子轴13与转子件10之间在不依靠表面粘结剂的情况下建立传动关系，如在本说明书中的介绍部分所讨论的。

根据被泵送材料的性质来选择形成连接件的材料的预定熔化温度。在爆炸物的情况下，材料的(和连接件的)熔化温度在最大的泵送温度(即泵内部一般所达到的最高温度)之上大约20℃到40℃，但较好的是在爆炸物的分解温度之下，如前面所述对于乳胶体是约200℃。对非雷管敏感的爆炸物(non-cap sensitive explosive)的最大泵送温度一般在80℃左右，而对于雷管敏感的爆炸物一般在95℃左右。通过选择合适的易熔或接近易熔材料的合金来获得所需的熔化温度。用于爆炸物场合的一种较佳合金由55.50％Bi和44.50％Pb的混合物所组成，它的熔化温度为124℃。这样一种合金可以从加拿大金属有限公司购买，而且已经成为商标CERROBASE(5550-1号)的商品。这种合金还具有足够的蠕变强度，以承受转子轴传给材料的剪切应力，在一具有2/3几何形状的泵中，估计材料处在约50psi(每平方英寸磅)。但是，本领域的熟练技术人员将会明白，能够热感应结构失效的其它材料也可采用，只要它们具有所需的蠕变强度就可以了。

作为无输出运行或空载泵送的结果，如果泵内部的温度上升，转子件的温度也上升，热量传递到连接件。当连接件到达材料的熔化温度时就熔化，其结果是，转子轴13与转子件10之间的传动关系终止。从而，转子轴将在轴套36中自由转动，不会将任何运动传到转子件，转子件10就不会有大量的热量产生。这样避免了泵内部的爆炸物获得较多的热量，由此避免了爆炸物可能的爆燃。靠近轴套36设置合适的密封件39，以避免熔化的材料流出空间38或避免被泵送的材料进入该空间。

转子件的内表面和转子轴的表面可以提供一个处在与转子轴和与转子件啮合的情况下的连接件。因此，转子组件的转子轴13与转子件10之间的连接可以不依靠粘结剂，而是依靠其强度取决于形成连接件的材料的蠕变强度的连接，“蠕变”应被理解为长期暴露于压力所引起的形状变化或变形。虽然本发明的转子组件不排除形成粘结，但它不依赖于它。

关于蠕变强度的要求，形成连接件的材料应该具有足够的蠕变强度，以便连接件在正常的工作情况下能够承受转子轴传到材料的剪力。如前所述，具有2/3几何形状的泵的转子轴所给予的剪切应力大约是50psi，材料在泵送温度下应该承受这样一个应力。因此，必需注意的是，要查明材料在泵送温度下能够承受应力，而不仅仅在室温下。本领域的熟练技术人员通过常规的测试能够选择具有所需蠕变强度和熔化温度的合适材料。类似地，由于凸起或凹槽的尺寸使得连接件在转子轴与转子件之间建立传动关系，这也随该材料的蠕变强度而变化，所以也可要求进行常规测试来决定合适的尺寸。

在一个较佳实施例中，直径为50毫米的转子轴设置有约2.5毫米深的齿，而转子件的内表面也设置有约2.5毫米深的齿。转子轴与转子件之间的空隙约为2毫米，该空腔用CERROBASE(5550-1号)灌注。

但要指出的是，上述实施例在泵送温度接近形成连接件的材料的预定熔化温度的情况下，连接件会过早失效。在比预定熔化温度低的温度下，连接件的材料会受到上述的蠕变作用。在图7所述的实施例中，这种蠕变作用会使转子轴与转子件失去啮合。由于连接件材料的应力断裂，该被观察到的失效一般以如下方法出现，即在转子轴与转子件之间的空隙区域中形成连续破裂。当这种现象发生时，转子轴与转子件不再有传动关系，即使连接件材料还没有完全熔化。

为了使连接件的这类过早失效的可能性最小，对于图7中所描述的结构，泵的正常工作温度最好足以低于连接件材料的熔化点。对于在此前面所述的泵实施例，转子轴与转子件内表面之间的空隙基本上保持在约2毫米不变，已经发现泵工作温度保持在连接件材料之下35℃以上基本上排除了这个问题。这就可以使连接件的材料具有足够的蠕变强度以维持转子轴与转子件之间的啮合。

但是，保持泵的温度在连接件材料的熔化点之下小于比方说35℃，在需要连接材料的热感应失效的时间中，会导致反应时间缓慢。

所幸的是，可以使用其它的连接件构造，它们能减少和/或消除这类的过早连接件失效。在这些实施例中，转子轴与转子件之间的横截向的空隙不是恒定的。在一较佳实施例中，最大的空隙距离(在任何给定的横截面上)大于最小的空隙距离的19％。最大的空隙距离大于最小的空隙距离较好的是50％，更好的是100％，甚至最好的是200％。

采用这种技术的实施例最好使用普通的几何形状，以在空隙距离中获得所需的变化。例如，如图8所示的一在转子件的十二边形的内部中的六边形转子轴在空隙厚度中提供了足够的变化，从而减少了连接件过早失效的可能性。在图8中，转子轴13位于转子件10的内部，并限定了空隙区域38。要指出的是，空隙区域38的厚度从最小值38a变化到最大值38b。

在这个结构中，横截面上的最小空隙距离是1.5毫米，而最大空隙距离是5毫米，这样空隙距离增加了233％。

其它的结构也是可以，例如包括：一在正方形转子件中的三角形转子轴；一在圆形转子件中的椭圆形转子轴；一在圆形转子件中的正方形转子轴；或甚至是一在圆形转子件中的偏心圆形转子轴。其它的结构还包括在无规则形状的转子件内部的无规则形状转子轴，只要空隙的厚度是变化的就可以了。但是，较佳结构包括在8至14边的转子件内部的6至12边的转子轴，其中转子轴的边数最好少于转子件的边数。

不受理论的束缚，可以相信的是，由于消除了转子轴和转子件的距离是恒定的这种连续的圆形通道的可能性，这种方法减少了过早失效的可能性。因此，在连接件材料的某一厚度处的任何蠕变或应力破裂很少可能传播到连接件材料的相邻的较厚区域。

还有，当连接件材料“变软化”或开始显示接近材料熔化温度的较低的蠕变强度时，连接件材料开始作为一种高粘度的液体。但是，在这些情况下，转子轴与转子件之间的啮合通过从高(大)的空隙区域到低(小)的空隙区域的材料流动的阻力而维持着。虽然出现了一些流动，即使转子轴和转子件以略微不同的相对速度运动，但转子轴和转子件仍保持在啮合状态下。换句话讲，转子轴可以相对于转子件运动，同时维持与转子件的传动连接。

只有在连接件材料已熔化，变成一种粘度足够低的“流体”，使材料从高的空隙区域流到低的空隙区域，而不使转子件运动，这时这种传动连接才被破坏。

这种效应在此被称为“粘性楔效应”(Viscosity-wedge effect)，这样描述了由流体从高空隙区域流到低空隙区域的阻力所引起的啮合状态。

应指出的是，图7的结构由于转子轴与转子件之间的空隙区域基本上恒定在2毫米，是不变的，所以不具有这种“粘性楔效应”。在转子轴和转子件上的2.5毫米深的“齿”中的材料不会受到这种粘性楔效应，这是由于在引起蠕变强度下降的温度条件下，不需要有材料流动。

使用这种结构上的改变，可以选择连接件材料，使这些材料具有在泵的正常的最大泵送温度之上不到20℃的熔化温度，最好是不到15℃，采用这种结构，可以在泵处在过热的时期连接件的热感应结构失效做出更迅速的反应。

但是，应指出的是，转子轴的最大横截面尺寸必需小于转子件的内部最小横截面尺寸，以便转子轴在连接件热感应失效的情况下不会撞击转子件。

一旦连接件熔化，作用在面对泵出口的转子上的剩余泵送压力会使转子件10相对于转子轴13纵向偏移。如果这种偏移出现了，由转子轴的顶部施加在转子件容纳转子轴的空腔的底部上的摩擦力会产生足够的摩擦，将转动传到转子件。为了防止转子件的这种纵向偏移和随后出现的不希望的传动接合，在转子件的空腔内部，在转子件与转子轴的第二端之间，设置一坚硬的球40(见图2)。如果连接件液化了，该球除了防止转子件的纵向偏移之外，还减少了由转子轴的第二端施加的摩擦力，使转子轴13在转子件内部自由转动。在一较佳实施例中，转子轴13的端部可设置一坚硬的插入件42，以防转子轴在转子轴与球40接触的区域磨坏。其它装置，诸如位于转子件10与接头20之间或转子件10与转子轴第一端之间的止推轴承也可用于同样的目的。

如果需要，泵可配备一传感装置，它可促使发动机在转子件脱开时停止工作。

不能以任何限制的方式来解释较佳实施例的上述说明，因为在本发明的基本精神和范围内的各种改变和改进都是可以的。本发明的范围限定在所附的权利要求书以及它们的等效物。

Claims (34)

1．一种渐进式空腔泵，它包括：

a)一构成一泵送腔的外壳，所述外壳包括：

  -一入口，包括一用于接纳将在所述泵送腔中被泵送的材料的吸入腔；

  -将被泵送的材料排出所述泵送腔的一出口；

b)一安装在所述外壳中的转子，转子能够在所述外壳内进行旋转和轨道运动，使材料移动，以在所述入口与所述出口之间的所述泵送腔中被泵送；

c)一将旋转运动传给所述转子的传动轴；

d)一使所述传动轴与所述吸入腔隔离的密封机构，所述密封机构提供的装置能够：

  ⅰ)适应所述传动轴的旋转运动；以及

  ⅱ)适应所述传动轴的轨道运动。

2．如权利要求1所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述密封机构包括：

ⅰ)一位于所述吸入腔与所述传动轴之间的密封定位圈；

ⅱ)一在所述密封定位圈径向里面的第一密封件，它适应所述转子的旋转运动；以及

ⅲ)一在所述密封定位圈径向外面的第二密封件，它适应所述转子的轨道运动。

3．如权利要求2所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述密封机构还包括在所述密封定位圈与所述转子之间的轴承装置。

4．如权利要求2所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述第一密封组件是一种带唇边密封件，所述第二密封件是由弹性体材料制成的，它至少包括一个褶。

5．如权利要求1所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述密封机构包括：

ⅰ)一位于所述泵送腔与所述传动轴之间的支承环，所述支承环能够在所述外壳内进行旋转运动；

ⅱ)一偏心安装在所述支承环内的第一密封组件，所述第一密封组件相对于所述转子同心设置，并提供适应所述转子的旋转运动的装置；

ⅲ)一固定于所述外壳的第二密封组件，所述第二密封组件与所述支承环同心，并提供适应所述支承环的旋转运动的装置，

由此所述转子的轨道运动将旋转运动赋予所述支承环，所述第二密封组件适应所述支承环的旋转运动的装置。

6．如权利要求5所述的渐进式空腔泵，其特征在于，还包括适应所述转子在所述支承环内的旋转运动的第一轴承装置，还包括适应所述支承环在所述外壳内的旋转运动的第二轴承装置。

7．如权利要求6所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述第一和第二密封组件是带唇边密封件。

8．如权利要求6所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述第一和第二轴承装置是双列向心滚珠轴承。

9．如权利要求1所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述传动轴施加在所述转子上的一个力具有径向分量，所述泵还包括一轴承，它提供产生一基本上平衡所述径向分量的径向反作用力的装置。

10．如权利要求9所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述轴承安装于所述传动轴，所述轴承与所述外壳滚动接触。

11．如权利要求10所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述轴承包括弹性材料，所述弹性材料在所述轴承滚动运动过程中与所述外壳接合。

12．一用于泵的转子组件，所述转子组件包括：

a)一包括一空腔的转子件；

b)一至少部分在所述空腔中延伸的转子轴；

c)一在所述空腔中的连接件，它建立了所述转子轴与所述转子件之间的传动关系，由此传给所述转子轴的旋转运动通过所述连接件的媒介传递到所述转子件；

d)所述转子件处在与所述连接件啮合的状态下；

e)所述连接件能够热感应结构失效，以当到达预定温度时终止所述传动关系。

13．如权利要求12所述的转子组件，其特征在于，所述连接件处在与所述转子轴啮合的条件下。

14．如权利要求12所述的转子组件，其特征在于，转子轴与转子件之间的横截面空隙距离不是恒定的，以便形成一较大的空隙区域和一较小的空隙区域，连接件的材料能够热感应结构失效，其中连接件材料从较大空隙区域运动到较小空隙区域产生粘性楔效应。

15．如权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大10％以上。

16．如权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大50％以上。

17．如权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大100％以上。

18．如权利要求14所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大200％以上。

19．如权利要求12所述的转子组件，其特征在于，所述转子轴的横截面形状为六边形，所述转子件的所述空腔的横截面形状为十二边形。

20．一种渐进式空腔泵，它包括：

a)一限定泵送腔的外壳，所述外壳包括：

  -一用于接纳将在所述泵送腔中被泵送的材料的入口；

  -一将被泵送的材料排出所述泵送腔的出口；

b)一安装在所述外壳内的转子组件，所述转子组件包括：

  ⅰ)一包括一空腔的转子件；

  ⅱ)一至少部分地在所述空腔中延伸的转子轴；

  ⅲ)一在所述空腔中的连接件，它建立了所述转子轴与所述转子件之间的传动关系，由此传给所述转子轴的旋转运动通过所述连接件的媒介传递到所述转子件；

  ⅳ)所述转子件处在与所述连接件啮合条件下；

  ⅴ)所述连接件能够热感应结构失效，以当到达预定温度时终止所述传动关系。

21．如权利要求20所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述连接件处在与所述转子轴啮合的条件下。

22．如权利要求21所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述连接件在到达所述预定温度时转变成液体状态。

23．如权利要求22所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述转子组件还包括在所述连接件转变成液体状态时防止所述转子轴与所述转子件接触的装置。

24．如权利要求23所述的渐进式空腔泵，其特征在于，防止所述转子轴与所述转子件接触的所述装置包括位于所述转子轴的各端的轴套。

25．如权利要求22所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述连接件由铋合金制成。

26．如权利要求25所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述合金由55.5％的铋和44.5％的铅所组成。

27．如权利要求22所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述转子组件还包括当所述连接件液化时防止所述转子件相对于所述转子轴纵向偏移的装置。

28．如权利要求27所述的渐进式空腔泵，其特征在于，所述防止所述转子件纵向偏移的装置包括位于所述转子件的所述空腔中的靠近所述转子轴一顶部的一球。

29．如权利要求20所述的渐进式空腔泵，其特征在于，转子轴与转子件之间的横截面空隙距离不是恒定的，以便形成一较大的空隙区域和一较小的空隙区域，连接件的材料能够热感应结构失效，其中连接件材料从较大空隙区域运动到较小空隙区域能够产生粘性楔效应。

30．如权利要求29所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大10％以上。

31．如权利要求29所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大50％以上。

32．如权利要求29所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大100％以上。

33．如权利要求29所述的转子组件，其特征在于，所述较大空隙区域比所述较小空隙区域大200％以上。

34．如权利要求20所述的转子组件，其特征在于，所述转子轴的横截面形状为六边形，所述转子件的所述空腔的横截面形状为十二边形。

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