CN1271815A - 流体传动式往复液压泵 - Google Patents

Abstract

一种流体传动式往复液压泵,包括液压传动往复泵、气压传动往复泵和外供流体源往复泵。其基本结构特征是,往复工作部件由泵体组件、双活塞组件、流体源配流阀、工作液组合吸排阀构成。该泵具有目前通用的机械传动往复液压泵同样功能,同时,具有体积小、重量轻、造价低、节能、应用范围广泛的特点。尤其在易燃、易爆、强毒、强腐蚀环境使用,以及输送粘度高、固体颗粒含量高的液体,具有安全可靠的优点。

Description

流体传动式往复液压泵

本发明是关于一种往复泵，即压力流体传动式往复液压泵。

通常的往复液压泵，大多是由回转动力源拖动，经机械减速，通过曲柄连杆机构带动活塞构件在缸体内往复运动完成工作的。该种液压泵在具有回转液压泵不可替代的优点(例如，输送润滑性差、流动性差、固体颗粒含量高、易挥发、腐蚀性强的流体就是回转液压泵所不可替代的)的同时，存在结构复杂，体积笨重，排量固定，机械效率较低的缺点。

本发明的目的，就是为了提供一种既具有目前常用往复液压泵的特有优点，又克服了其存在的上述缺点，相对简单，方便，机械效率高，应用范围广泛的新式往复液压泵。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：将流体动力源与由泵体组件、液缸套、双活塞组件、流体源配流阀、工作液组合吸排阀装配而成的往复工作部件组合，构成一种通过流体传动工作的往复液压泵。液压动力源与相应的往复工作部件组合，构成液压传动往复液压泵，气压动力源与相应的往复工作部件组合，构成气压传动往复液压泵，往复工作部件自身独立构成外供流体源往复液压泵。其基本结构如附图中的图1、图2所示。(图1是本发明的结构原理示意图，图2是一个液压传动往复液压泵(石油钻井泥浆泵)实施例的结构原理示意图，气压传动往复液压泵，除采用气压元件外，基本结构与之相同。)往复工作部件的基本装配结构是，将两只液缸套夹持流体源配流阀同轴装于泵体内腔，双活塞组件中的活塞杆穿过流体源配流阀的中心孔跨装于两液缸套内，两只工作液组合吸排阀分别装于泵体内腔的两端，其内侧面贴合于工作液缸的端面，外侧面与端盖贴合，贴合面处形成均布的径向通流孔道。装配后，在泵体内构成两活塞同轴联动，由流体驱动的往复工作机构，在泵体内腔与流体源配流阀、液缸套、组合吸排阀外径之间，构成沿轴向自中间向两端对称分段布置的，相互隔封的，分别与流体源流体入、出口和工作液吸、排口导通的环形导流通道。

技术方案提及的泵体组件主要由泵体本体、流体源导流体、工作液吸入汇流体和排出汇流体以及端盖组成。泵体本体为空心柱体，其圆柱内腔沿轴向自中间向两端设有七道相互隔开的凹槽，槽内分别设有通出体外的引流孔，中间孔为流体源回流孔，向两侧依次是流体源供流孔、工作液吸入孔、工作液排出孔；流体源导流体体内设有分别与流体源供流、回流管路相接，与泵体本体供流、回流孔相通的孔道，安装在泵体本体体外的中部；工作液吸入汇流体和排出汇流体分别安装在泵体本体的工作液吸入孔和排出孔处，分别将两吸入孔和两排出孔汇通由单孔引出。

技术方案中提及的流体源配流阀由一只阀体、两只滑阀、一只压缩弹簧和三块可组合构成一个外径两端带台肩的筒形体卡瓦构成。阀体为圆轮状，两侧面对称设有侧槽，在其外径自中间向两端设有五列沿周向均布的径向通流孔，中间的一列与内孔相通，两边的两列分别与两侧槽相通，在其内孔壁两端设有密封槽，槽内装有柔性密封圈；滑阀也为圆轮状，其外径与阀体侧槽外壁动配合，一侧面设侧槽，槽底设轴向通流孔，侧槽内壁与阀体内孔动配合，在其阶梯状内孔的大直径孔壁设环槽，小直径孔壁设密封槽，槽内装柔性密封圈；两滑阀侧槽相对，从阀体两侧夹压缩弹簧装入阀体，由其内孔的凹槽与卡瓦外径两端台肩挂连，使两滑阀作为一个整体沿阀体侧槽外壁左右滑移，当一侧滑阀外径将阀体侧槽外壁外侧一列通流孔遮封内侧一列通流孔开通时，则另一侧滑阀将该侧外侧一列通流孔开通内侧一列通流孔遮封。

技术方案中提及的双活塞组件，由一根活塞杆的两端分别装有活塞组件构成，活塞组件包括活塞体，导向环、密封圈、压缩弹簧、衬套和压盘组成，活塞体用工程塑料(例如MC尼龙)或者其他强度高，耐磨材料制成，其外径一部分套装导向环，余下部分设密封槽，槽内装柔性密封圈，内孔设槽，槽内装柔性密封圈，衬套装于活塞体内孔，活塞体与压盘间夹压缩弹簧一并套装于活塞杆端部，由螺旋或卡环压定。装配后，活塞体可在外力或者弹簧恢复力的作用下沿衬套适量滑移。

技术方案中提及的工作液组合吸排阀有两种基本结构形式，都是由阀座、吸入阀、排出阀、弹簧和连接螺栓构成。第一种形式：阀座为带中心孔的盘状体，一侧面为精加工平面，另一侧面为精加工凹锥面，在锥面外环设沿周均布的径向通流槽，内环设均布的轴向通流孔；吸入阀为由工程塑料(例如MC尼龙)或者其他强度高、耐磨、韧性好的材料制成的锥顶环，锥顶与阀座锥面相配合，贴近顶部锥面处设横截面成锯齿状密封环槽，外径柱面设槽，槽内装兼有导向功能的柔性密封件；排出阀材料与吸入阀相同，是带中心孔的盘状体，在与阀座贴合平面的外环设横截面成锯齿状密封环槽；连接螺栓由中心孔与排出阀固定，穿过阀座中心孔，通过带放射状弹性爪的弹簧同时将吸入阀和排出阀由两侧压贴在阀座上。第二种形式：阀座为两侧面设凹锥面的环形体，一侧锥面外环设沿周均布的径向通流槽，另一侧面接锥底设一段导向柱面，柱面上开有均布的径向通流槽，吸入阀由本体、承压环、轴面柔性密封件和锥面柔性密封件组成，本体是由强度高，韧性好材料(例如MC尼龙)制成的外径带台阶的锥顶筒状体，在锥顶的锥面上均布轴向通流孔；承压环为外锥面环，内孔设与本体台阶过盈配合的角槽；本体与承压环的两端面间分别夹装轴面柔性密封件和锥面柔性密封件，压装为一个整体；排出阀由承压盘、柔性密封件和盖板组成，承压盘设有与阀体配合的锥面及中心孔；承压盘与盖板间夹柔性密封件经连接螺栓固装为一体，连接螺栓穿过阀座，经压缩弹簧将吸入阀和排出阀同时压贴在阀体的两侧锥面上。

技术方案中提及的液压动力源，一般是一个主要由回转式变量液压泵、卸荷溢流阀、风冷散热储油箱、液马达驱动式散热风扇总成、风扇马达转速温控调节器，以及连接管路等相关附件组装构成的液压站，由其驱动控制往复工作部件完成输送工作液的任务。

根据上述技术方案，可以构造出一系列流体传动往复液压泵机械产品，将之与目前常用的往复液压泵比较，其具有以下明显优点：

1、在流体源供流平稳的情况下，其输送的压力工作液流量脉动显著减小，压力脉动也相应降低，供液质量明显提高。

2、动力源与往复工作机构可长距离配置，用于易燃、易爆、强毒、强腐蚀工况，有利于保证人身设备和环境安全。

3、通过控制流体源供流量，可以大范围连续改变其工作流量，实现变量功能。

4、可以利用伴生或者废弃压力流体做动力源，达到充分利用能源实现节能的目的。

5、活塞和吸排阀组件结构简单轻巧惯量小，允许使用工作频率及工作行程范围显著增大。

6、结构简单，重量轻，体积小，加工方便，制造和使用维护成本显著降低。

由上可以预测，本发明具有十分良好的开发应用前景。

下面，结合附图，通过实施例，对本发明的实质和特征做进一步详细的描述。

图1是本发明的基本结构原理示意图，图中标示：001，流体动力源；002，流体源配流阀；003，双活塞组件；004，工作液缸；005，工作液组合吸排阀。图2是一个用于石油钻井施工泥浆泵的实施例的结构原理示意图，图中标示：101，主动力变量液马达；102，散热风扇马达转速温控调节器；103，卸荷溢流阀；104，105，散热风扇马达；106，回液过滤器；往复工作机构部分的结构原理与图1相同。图3、图4分别是一个外供流体源往复液压泵实施例的正视图和侧视图。图5是该实施例的纵剖构造图。图6、图7分别是按图5所示位置的横剖视图。图8是一个石油钻井用泥浆泵实施例的做了局部剖视的正视图。图9是其俯视图。图10是其做了局部剖视的侧视图。图11是图8所示位置的局部放大视图。

图3、图4、图5所示的，是本发明的一个外供流体动力源往复液压泵的典型实例，其外形是一个卧置柱体，在泵体202的中部，底面设安装底脚，一侧面安装流体源导流体217，217水平螺孔备接流体源供流管路，经交汇孔道与含盖的泵体两个侧引流孔相通；垂直螺孔备接回流管路，经孔道与泵体中间引流孔交通。另一侧面安装工作液吸入导流体201，201将其含盖的泵体两引流孔经通槽与备接吸入管路的螺孔交通。在202的上部，安装工作液排出汇流体218，使其端部两孔汇通由单孔导出。其体内构造是，两只液缸套203夹持由阀体216、滑阀215、卡瓦214、压缩弹簧219装配而成的流体源配流阀，装于泵体内腔，由活塞杆210、活塞213、衬套211、碟形弹簧212、和挡圈220组装而成的双活塞组件中的活塞杆穿过阀体中心孔，跨装于两液缸套内，两端的活塞在各自的液缸套内往复联动滑移，由阀座206、吸入阀204、排出阀207、连接螺栓209、和放射状弹簧205装配而成的工作液组合吸排阀分别由两端装入泵体内腔，外面再由端盖208压定与机体封装，在阀座两侧面与液缸套和端盖接和面处构成均布的径向液流通道。

该泵的工作过程是，(在图5所示工作位置情况下)动力源压力流体经导流体体内孔道进入泵体与配流阀体间的导流环槽，通过配流阀体左侧外侧一列径向通流孔进入左侧液缸套内腔，推动活塞组件左移，将液缸套内腔活塞左侧的工作液，经组合吸排阀的排出阀压出，在工作液压力的作用下，活塞杆相对于活塞右移一段距离限定后联动，弹簧被压缩；同时，右侧液缸套内腔的动力源流体顺序通过配流阀体右侧内侧一列径向通流孔、导流环槽、导流体排出，工作液经组合吸排阀的吸入阀吸入活塞右侧的液缸套内腔；当右端活塞行进至挡圈(220)与右侧滑阀接触时，推动滑阀左移(阀体内孔的弹簧被压缩)，逐渐关闭阀体内侧的通流孔，在该列孔完全关闭的同时，连接卡瓦的两外端面分别与两滑阀凹槽外壁接触，阀体外侧一列通流孔开始打开，配流阀两侧液缸套内腔压力开始平衡，该侧活塞开始停止运动，活塞杆在左侧活塞和弹簧恢复力的拉动下推动两只滑阀一同加速继续左移，同步开通阀体右侧外侧一列通流孔和关闭阀体左侧外侧一列通流孔，之后，靠阀体内孔压缩弹簧的恢复力推动左侧滑阀继续左移，将阀体左侧内侧一列通流孔全部打开，双活塞组件整体右移运动，完成了向反向工作行程的过渡。反复交替，即实现了该泵的连续工作。

由上不难看出，该实施例具有以下主要特点：

1、由于活塞两侧压差很小，活塞杆只承受很小的使两活塞及滑阀往复运动的联动拉力，因此，结构轻巧，运动能耗小，制造、使用、维护成本低。

2、由于组合吸排阀径向尺寸大，动作较小距离即可获得较大液流通道，阀与阀座的承压面，部分呈隔网状，吸排阀刚度要求低，重量轻，惯量小，因此，阀的开启压力峰值将有所降低，容积效率将有所提高。

3、由于流体原配流阀及活塞组件的顺序协调动作，使得往复换向过程为一个连续的顺序过程，因此，在换向工作区间，工作液始终连续输送，结果是，在整个工作过程，工作液输送状况与流体源相当，流量和压力脉动很小，一般不需要增装蓄能器。

图2、图8、图9、图10、图11所示的实施例，是一个主要用于石油及其它地矿开采钻井施工的液压传动往复泥浆泵。其外形是一个液压源和往复工作部件安装于同一底座的比较规整的矩形体。底座300的前半部分，居中安装大功率回转式变量液马达301，两侧，对称各安装一个与风冷散热器组装为一体的散热储油箱302，两只分别由变量液马达303驱动的散热风扇总成304分别安装在302两风冷散热器的内侧面，液马达301的吸液口接直角截止阀313经三通管路与两散热储油箱相通。往复工作部件与301回转轴线垂直，卧置，安装在底座300的后半部分。往复工作部件的外部结构是，工作液排出汇流体312安装在泵体310的下部，工作液吸入汇流体311安装在泵体向后侧面的中部，流体源导流体309安装在泵体上平面的中部，在其向前的一面，安装与液马达排液口相通的供液管路，在该管路上装有液体压力指示器305。两只液压源回液过滤器308的轴线与泵体轴线平行，分别安装在309的两侧面，在导流体的上平面安装三通管路与两散热储油箱散热器相通，液压源卸荷溢流阀306也安装在导流体的上平面，散热风扇马达转速温控调节器307安装在306的阀体上，经液压管路与两散热风扇马达相通。往复工作部件的内部结构与前面所述的实施例基本相同，只是在活塞组件、组合吸排阀和端盖的具体结构上有所差异(参看图11)。活塞组件的主要差异是，在活塞体403的外径套装导向环406，406材质的弹性、润滑性、耐磨性能优于活塞体，改装了压盘409；工作液组合吸排阀的主要差异是，吸入阀由阀体411、承压环412、轴面密封件410、锥面密封件422装配而成，承压环由强度硬度高、耐磨耐腐蚀合金材料精加工而成，阀座413是两侧带凹锥面的环状体，材质与承压环相同，排出阀由承压盘417、盖板416间夹密封件418，由连接螺栓421固装而成，承压盘材质与阀座相同；端盖的差异是，由封板414和螺套415结合实现泵体端部的封装。

该泵的工作过程是，回转动力源驱动变量液马达301将工作液自两散热储油箱302吸入加压，送入导流体309，经309体内交汇孔道同时通入安装于一体的卸荷溢流阀306的进液孔和泵体310的两个供液引流孔，当306处于卸荷操作状况或者压力液超过设定压力值时，压力液经由306的回流孔再入导流体，经体内孔道由导流体上平面的三通管路送回两散热储油箱，当306处于截止状态下，压力液经两引流孔进入泵体内的工作腔，推动活塞组件往复工作后，经泵体中部的回流引流孔进入导流体，再经导流体体内孔道送入安装于两侧的回液过滤器308的外环腔，经过柱面滤网过滤后，由中心孔进入导流体，再经三通管路送回散热储油箱。往复工作部件的工作过程与前一个实施例所描述的完全相同。另外，在卸荷溢流阀阀体上设置压力液引流孔，由其上安装的散热风扇马达转速温控调节器307实现向风扇马达供液和利用液温调控马达转速，达到自控散热的目的。

该实施例与我国石油钻井行业目前普遍采用的由美国引进开发的NB-1300型往复泥浆泵(该泵自重30余吨，售价40余万元，通过换装不同内径的液缸套和相关零件，可有级改变泵的排量，与动力机间，由带气囊离合器的三角皮带传动机构传动。)相比，具有以下主要优点：

1、传动链短，运动部件数量少，运动件重量极轻，无功能耗小，明显节能。

2、结构简单、重量轻、体积小、造价低，可与原动机安装于同一底座直接传动，安装，转移运输费用低，易损零部件规格、品种、数量、单件造价大幅度减少，使用维护成本显著降低。

3、省掉了原动机和泥浆泵在作业现场的组合安装作业，省掉了为改变泵的排量而更换缸套组件的拆装作业，例行更换易损件时，拆装部位也大大减少，大大减轻了作业人员的劳动强度。

4、尤为重要的是，本实施例可以实现钻井液大幅度连续变量输送，输送压力连续调整，这对于加快钻井速度，提高钻井质量，减少工程事故，乃至为钻井后期施工创造条件等，都具有难以预计的积极效果。

综上所述，本发明在具有明显的新颖性、可实施性的同时，其开发应用的积极意义也十分明显，因此，希望授予相应的专利权。

Claims (6)

1、一种由压力流体传动的往复液压泵，特征在于，其往复工作部件主要由泵体组件、液缸套、双活塞组件、流体源配流阀、工作液组合吸排阀装配而成，液压动力源与相应的该部件装配组合，构成液压传动往复液压泵；气压动力源与相应的该部件组合，构成气压传动往复液压泵；该部件自身独立构成外供流体源往复液压泵，往复工作部件的基本装配结构是，将两只液缸套夹持流体源配流阀，同轴装于泵体内腔，双活塞组件中的活塞杆穿过流体源配流阀的中心孔，两活塞组件分别置于两液缸套内，由活塞杆连接为一体，两只工作液组合吸排阀分别装于泵体内腔的两端，其内侧面贴合于工作液缸的端面，外侧面与端盖贴合，贴合面处形成均布的径向通流孔道，装配后，在泵体内构成两活塞同轴联动，由流体驱动的往复工作机构，在泵体内腔与流体源配流阀、液缸套、组合吸排阀外径之间构成沿轴向自中间向两端对称分段布置的，相互隔封的，分别与流体源流体入、出口和工作液吸、排口导通的环形导流通道。

2、一种如权利要求1所述的往复液压泵，特征在于，其往复工作部件中的泵体组件，主要由泵体本体、流体源导流体、工作液吸入汇流体、工作液排出汇流体以及端盖组成；泵体本体为空心柱体，其圆柱内腔沿轴向，自中间向两端，设有七道相互隔开的凹槽，槽内分别设有通出体外的引流孔，中间孔为流体源回流孔，向两侧依次是流体源供流孔、工作液吸入孔、工作液排出孔；流体源导流体体内设有分别与流体源供流、回流管路相接以及和泵体本体供流、回流孔分别相通的孔道，安装在泵体本体体外的中部；工作液吸入汇流体和工作液排出汇流体分别安装在泵体本体体外的的工作液吸入孔和工作液排出孔处，分别将两吸入孔和两排出孔汇通由单孔引出，端盖将泵体本体内腔两端口封装。

3、一种如权利要求1所述的往复液压泵，特征在于，其往复工作部件中的流体源配流阀，由一只阀体、两只滑阀、一只压缩弹簧和数块可组合构成一个外径两端带台肩的筒形体的卡瓦构成，阀体为圆轮状，两侧面对称设有侧槽，在其外径自中间向两端设有五列沿周向均布的径向通流孔，中间的一列与内孔相通，两边的两列分别与两侧槽相通，在其内孔壁两端设有密封槽，槽内装有柔性密封圈；滑阀也为圆轮状，其外径与阀体侧槽外壁动配合，一侧面设侧环槽，槽底沿周均布轴向通流孔，侧槽内壁与阀体内孔动配合，在其阶梯状内孔的大直径孔壁处设环槽，小直径孔壁处设密封槽，槽内装柔性密封圈；两滑阀侧环槽相对，从阀体两侧夹压缩弹簧装入阀体，由其内孔的凹槽与卡瓦外径两端台肩挂连，使两滑阀作为一个整体沿阀体侧槽外壁左右滑移，当一侧滑阀外径将阀体侧槽外壁外侧一列通流孔遮封内侧一列通流孔开通时，则另一侧滑阀将该侧外侧一列通流孔开通内侧一列通流孔遮封。

4、一种如权利要求1所述的往复液压泵，特征在于，其往复工作部件中的双活塞组件，由一根活塞杆的两端分别装有活塞组件构成，活塞组件包括活塞体，导向环、柔性密封圈、压缩弹簧、衬套和压盘组成，活塞体用工程塑料(例如MC尼龙)或者其他强度高、耐磨材料制成，其外径一部分套装导向环，余下部分设槽，槽内装柔性密封圈，内孔设密封槽，槽内装柔性密封圈，衬套装于活塞体内孔，活塞体与压盘间夹压缩弹簧与衬套一并套装于活塞杆端部，由螺旋或卡环压定，装配后，活塞体可在外力或者弹簧恢复力的作用下沿衬套适量滑移。

5、一种如权利要求1所述的往复液压泵，特征在于，其往复工作部件中的工作液组合吸排阀，有两种基本结构形式，每种形式都是由阀座、吸入阀、排出阀、弹簧和连接螺栓构成，第一种形式：阀座为带中心孔的盘状体，一侧面为精加工平面，另一侧面为精加工凹锥面，在锥面外环设沿周均布的径向通流槽，内环设均布的轴向通流孔；吸入阀为由工程塑料或者其他强度高、耐磨、韧性、弹性好的材料制成的锥顶环，锥顶与阀座锥面相配合，贴近顶部锥面处设横截面成锯齿状密封环槽，外径柱面设槽，槽内装兼有导向功能的柔性密封件；排出阀材料与吸入阀相同，是带中心孔的盘状体，在与阀座贴合平面的外环设横截面成锯齿状密封环槽；连接螺栓由中心孔与排出阀固定，穿过阀座中心孔，通过带放射状弹性爪的弹簧同时将吸入阀和排出阀由两侧压贴在阀座上；第二种形式：阀座为两侧面设精加工凹锥面的环形体，一侧锥面外环设沿周均布的径向通流槽，另一侧面接锥底设一段导向柱面，柱面上开有均布的径向通流槽，吸入阀由本体、承压环、轴面柔性密封件和锥面柔性密封件组成，本体是由强度高，韧性好材料(例如MC尼龙)制成的外径带台阶的锥顶筒状体，在锥顶的锥面上均布轴向通流孔；承压环为外锥面环，内孔设与本体台阶过盈配合的角槽，本体与承压环的两端面间分别夹装轴面柔性密封件和锥面柔性密封件，压装为一个整体；排出阀由承压盘、柔性密封件和盖板组成，承压盘设有与阀体配合的锥面及中心孔；承压盘与盖板间夹柔性密封件经连接螺栓固装为一体，连接螺栓穿过阀座，经压缩弹簧将吸入阀和排出阀同时压贴在阀座的两侧锥面上。

6、一种如权利要求1所述的往复液压泵，特征在于，其流体动力源是一个主要由回转式变量液压泵、卸荷溢流阀、风冷散热储油箱、液马达驱动式散热风扇总成、风扇马达转速温控调节器，以及连接管路等相关附件组装构成的液压站。

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