CN205937011U - 新型多柱塞组高压水泵及应用水泵的高压系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及新型多柱塞组高压水泵及应用水泵的高压系统，水泵由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件组成，含4柱塞及以上，每一柱塞对应一组高压生成组件，高压生成组件中斜盘固定在电机轴前端，同心均布的多个柱塞在柱塞弹簧作用下与置于斜盘上的推力球轴承靠紧在其动圈上；随着电机轴的转动，斜盘和推力球轴承沿马达轴心做圆周运动，多个紧压在轴承上的柱塞随着轴承的转动同步做直线往复运动；由于柱塞是按圆周方向同心分布，每个柱塞运动位置也是均布在一个整圆周上。本实用新型解决了低电压感应电机启动困难问题，不仅仅提高了产品性能，同时为清洗机行业带来了革命性的突破。

Description

新型多柱塞组高压水泵及应用水泵的高压系统
[技术领域]
本实用新型涉及高压水泵技术领域，具体的说是一种新型多柱塞组高压水泵及应用该水泵的高压系统。
[背景技术]
高压清洗机通常分为电动高压清洗机和汽油高压清洗机，这两大类清洗机压力生成系统均是由动力驱动组及高压水泵组成。在电动高压清洗机中，有两种通用电机做为动力源来驱动高压水泵，一种是感应电机，另一种是串激电机；同时有两种水泵用来生成高压水流，一种是柱塞水泵，另一种是曲轴水泵。
三柱塞水泵结构简单，加工方便，技术较成成熟，故市场上所有高压清洗机柱塞水泵均采用三柱塞水水泵。但三柱塞水泵存在一些性能上的问题和不足，如工作效率低，振动大，噪音高，寿命短，要求电机有较大的启动力矩等。
对于北美及日本等低电压供电系统的国家和地区，三柱塞水泵的不足体现的更为突出。许多清洗机企业出口的感应电机产品在这些地区普遍遇到较高的退货率，这主要是因为在低工作电压下，感应电机在驱动三柱塞水泵时出现因电机启动力矩小而产生无法正常工作的现象。相对于串激电机来讲，感应电机的高压清洗机代表高端产品，有较大的客户群。但感应电机的高压清洗机形象已大大受到高退货率的冲击而深受打击，生产商和销售商均受到极大的压力和影响。
近十多年来尽管国内外各大清洗机生产厂针对感应电机配三柱塞水泵各出奇招进行技术攻关，但改良后的清洗机并未从根本上解决感应电机启动力矩的难题，退货率仍居高不下， 针对市场要求及三柱塞水泵遇到的技术瓶颈，仅从现有产品的结构设计的基础上进行简单的改进及提高是不能从根本上解决产品启动、效率及振动等问题。但如何解决这个问题却困扰了整个清洗机行业多年仍无有效方案。
[实用新型内容]
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种新型多柱塞组高压水泵及应用该水泵的高压系统及运行方法。
为实现上述目的，设计一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，多柱塞水泵含4柱塞及4柱塞以上的柱塞，每一柱塞对应一组高压生成组件，所述高压生成组件由斜盘7、推力球轴承8、柱塞10、柱塞弹簧11构成，所述斜盘7固定在电机轴1前端，同心均布的多个柱塞10在柱塞弹簧11作用下与置于斜盘7上的推力球轴承8靠紧在其动圈上；随着电机轴1的转动，斜盘7和推力球轴承8沿马达轴心做圆周运动，多个紧压在轴承8上的柱塞随着轴承8的转动同步做直线往复运动；由于柱塞是按圆周方向同心分布，每个柱塞运动位置也是均布在一个整圆周上。
高压生成组件还设有传动箱体6、柱塞弹性挡圈9、防油密封圈41、高压出水接头15、前泵体14、O形圈16、止回流单向阀17；传动箱体6与电机或发动机前端盖相连接，柱塞弹性挡圈9定位在柱塞10后端，防油密封圈41安装在后泵体上并与柱塞同心，高压出水接头15通过螺纹与前泵体14联接，止回流单向阀17安装在高压出水接头的内侧。
所述压力保持组件由后泵体12、中泵体13、进水单向阀35、出水单向阀37、单向阀内套38、防水密封圈39、密封圈固定环40、单向阀支撑架36、低压进水接头26、O形圈26组成，进水单向阀35安装在中泵体14和后泵体12之间按圆周方向均布的小腔体内，且每个单向阀与之相对应的柱塞10和低压腔出水口P3相连通。出水单向阀36与单向阀内套37安装 在后泵体12的小独立的小腔体内并按圆周方向均布。出水单向阀进水口P7与进水单向阀出水口P6通过相邻的一个小侧孔P8相连通，出水单向阀出水口P5与单向阀支撑架通孔P9相连通。防水密封圈39与密封圈固定环40安装在后泵体上并与柱塞同心。低压进水接头26直接与前泵体相连。
所述机械电子压力安全控制组件由溢流阀芯19、O形圈20、溢流阀主弹簧21、压环22、阀杆支撑环24、O形圈26、断电推杆弹簧27、微动开关盒29、微动开关30、断电推杆31、推杆支撑环32、推杆锁紧螺母33、推杆防水密封圈34组成，微动开关30安装在塑胶微动开关盒29内，与微动开关相连的内部导线与电机引出线相接，微动开关盒29通过U形销28与前泵体14固定在一起，断电推杆31、断电推杆弹簧27、推杆支撑环32、推杆锁紧螺母33、推杆防水密封圈34安装在前泵体推杆腔体内，断电推杆与微动开关盒上的小孔同心且正好与对准微动开关按键，溢流阀芯19、溢流阀主弹簧21、压环22、阀杆支撑环24安装在与推杆腔体同心的溢流阀腔体内，两腔体通过一小孔相连通。
而所述清洁液自动生成组件由文式射流阀，清洁液单向阀组成。
所述多柱塞组高压水泵须采用四柱塞或五柱塞或六柱塞及七柱塞高压水泵，每一柱塞按圆周方向均匀分布，柱塞分度圆须小于推力轴承的分度圆；
对于汽油高压清洗机，其高压水泵的柱塞分度圆直径最大为80mm，最小为40mm；柱塞直径尺寸最大为16mm，最小为10mm；斜盘角度最大为12度，最小为6度；
对于电动高压清洗机，其高压水泵的柱塞分度圆直径最大为60mm，最小为35mm；柱塞直径尺寸最大为14mm，最小为8mm；斜盘角度最大为10度，最小为5度。
一种应用上述多柱塞组高压水泵的高压系统，其特征在于，多柱塞组之高压系统是由一个驱动源、传动箱6和多柱塞组高压水泵组成，所述驱动源采用气油发动机或电机，电机分为感应电机和串激电机两大类，每类电机按供电电源的不同又分为低电压电机100V～120V 和高电压电机220～240V，多柱塞组高压水泵由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，采用直联传动传动箱，即驱动动力源与高压水泵通过斜盘相连接，斜盘是直接固定在电机转轴上，发动机或电机的转速与水泵柱塞移动的速率相同；采用差联传动传动箱时，斜盘并不直接与电机转轴相连，而是发动机或电机传动轴需通过一组或多级减速齿轮与斜盘连接，电机转速一般是水泵柱塞移动的速率的四到六倍。
在多柱塞水泵概念推动下，经过近一年多的研究、设计及测试，一款独创的多柱塞水泵终于研制成功，首先提出的水泵为五柱塞水泵。多柱塞水泵从根本上解决了低电压感应电机启动困难问题，从产品的成本变化及综合性能的提高来考量，五柱塞水泵不仅仅提高了产品性能，同时为清洗机行业带来了革命性的突破。相对于三柱塞水泵，五柱塞水泵有以下几个突出的优点：在相同的工作条件下，五柱塞水泵较三柱塞水泵清洗力提高20％以上。在相同的工作条件下，用功率低一型号的电机配五柱塞水泵便完全能达到原型号电机配三柱塞水泵的工作性能，大大地降低到产品的能耗值。因柱塞运行行程较短，水泵工作寿命得以提升(从目前的100小时提高到200小时以上)产品振动和噪音水平明显降低水泵成本增加较少对于低电压感应电机，电机堵转难题得到根本性的改善，在北美及日本等低电压供电系统的国家和地区，由于供电系统电压较低(100～120V),同时供电系统对产品可使用的最高电流有严格的要求，不得超过15A，这就对于配感应电机的高压水泵的改进需有别于用在其它类型的电机上的水泵。
对于北美及日本等国家和地区电动清洗机，五柱塞水泵柱塞直径不能超过12mm，但最小也不能小于8mm。其它高供电电压地区，如欧洲和中国，五柱塞水泵柱塞直径可达到14mm，但最小也不能小于9mm。对于汽油高压清洗机，五柱塞水泵柱塞直径不能超过16mm，但最小也不能小于10mm。
[附图说明]
图1为多柱塞组高压水泵第一侧剖视图
图2为多柱塞组高压水泵第二侧剖视图
图3为多柱塞组高压水泵部分俯视图
图4为多柱塞组高压水泵工作原理图
图5为清洁冲击力曲线图
图6-1为斜盘推力正效率曲线图
图6-2为柱塞受力分析图
图7-1为斜盘推力正效率曲线图
图7-2为柱塞受力分析图
图8-1为斜盘推力正效率曲线图
图8-2为柱塞受力分析图
图中标记说明
1电机主轴，2斜盘固定螺栓，3轴用方键，4螺栓垫片，5电机前端盖，6传动箱，7斜盘，8推力球轴承，9柱塞弹性挡圈，10柱塞，11柱塞弹簧，12后泵体，13中泵体，14前泵体，15高压出水接头，16O形密封圈，17止回流单向阀，18O形密封圈，19溢流阀芯，20O形密封圈，21溢流阀主弹簧，22压环，23O形密封圈，24阀杆支撑环，25低压进水接头，26O形密封圈，27断电推杆弹簧，28O形密封圈，29微动开关 盒，30微动开关，31断电推杆，32推杆支撑环，33推杆锁紧螺母，34推杆防水密封圈，35进水单向阀，36单向阀支撑架，37出水单向阀，38单向阀内套，39柱塞防水密封圈，40密封圈固定环，41柱塞防油密封圈
p1泵进水孔，p2低压腔入口，p3低压腔出口，p4进水单向阀入水孔，p5进水单向阀出水孔，p6柱塞前腔室，p7出水单向阀入水孔，p8出水单向阀出水孔，p9次级高压室，p10溢流阀进水孔，p11溢流阀出水孔，p12泵高压出水孔。
[具体实施方式]
现结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步阐述，相信对本领域技术人员来说是清楚的。
在通过对柱塞式及曲轴式水泵每个运动元件反复测试和研究中得到以下几个规律：柱塞直径越小，水泵所需驱动力矩小，水泵效率越高，工作电流越低；柱塞行程越短，水泵所需驱动力矩小，水泵振动越小，工作电流越低；斜盘分度圆越小，水泵所需驱动力矩小，水泵振动越小，工作电流越低；柱塞运动频率最佳点为每分钟2200循环到每分钟4000循环，柱塞运动频率小于区段频率范围则产品效率过低，产品无法正常工作；但高过该段频率电机易过载且水泵寿命亦会受到严重影响。
对水泵几种关键元件进行改良性的研究情况来看，按上述规律单一改变一个元件并不能有效地改善产品的工作性能，在某些情况下，产品性能甚至有所降低。以下是单一元件分析测试结果。
高压清洗机的清洗效果并不是靠单方面提高工作压力或单方面提高工作流量来实现，对任意一台高压清洗机来讲，只有当工作压力与工作流量达到一个最佳配比后才能达到其最佳清洗效果。用于准确衡量一台高压清洗机清洗效果优劣是通过下面清洗冲击力公式来确定的。 IP值越高，清洗效果越好，反之则越差。清洗冲击力是曲线为反抛物线。
IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)
从上述清洗冲击力公式表达来看，清洗效果是与工作压力和工作流量相关连，但流量对其结果影响较压力更大。对水泵的清洗效果的改善主要是围绕提升工作流量展开的。下面计算分析结果证明了对在现有产品上仅采用改变柱塞角度及柱塞直径来提高流量的方法会造成产品电流超过额定值而使产品无法正常工作。具体的说，减小斜盘角度同时可达到增加柱塞水平轴向推力和减少柱塞运动阻力效果，如要提高水泵工作效率，减小斜盘角度是重要改善方案。对在现有产品上采用减小斜盘角度同时加大柱塞直径方案不可行，不加大柱塞直径工作流量又会减少而影响清洗效果。在减小斜盘角度的同时，增加柱塞数量及减小柱塞直径是提高水泵效率的改良方案。
在其它参数不变的情况下如只将柱塞直径减小(如将12mm直径柱塞改为10mm)，则可以来实现降低水泵对电机启动力矩需求，同时水泵振动亦可减少。但根据流体力学公式及实际测试结果发现，此方案的负作用是降低产品的工作性能，工作压力及流量均大大降低。如采用小直径柱塞方案且维持产品工作性能不变，只能增加柱塞运动行程。但这以会造成产品振动变大，产品效率降低，同时要求电机启动力矩大。在其它参数不变的情况下如只将柱塞行程减小(即减小斜盘角度)，尽管在此种状况下产品可实现降低了电机轴受到的偏心力矩，改善了水泵振动，降低对电机启动力力矩要求，但却极大地牺牲了产品工作性能(工作压力和流量)。如采用小行程方案且维持产品性能不变，只能增加柱塞直径。但这又与上述规律相向，会造成产品振动变大，要求电机启动力矩大。故此方案仍无法提高产品功效。
至于减小斜盘分度圆的方案，由于目前清洗机常用三柱塞水泵的斜盘分度圆已接近临界值，如要减小分度圆，只能靠采用减小柱塞直径方法来实现。这样方法同样是不能有效提高 产品性能的，故仅仅靠减小斜盘分度圆来实现提高性能的方案也不是切实可行的。
通过以上对高压水泵的各主要元件独立改良测试结果来看，仅仅在三柱塞水泵的基础上进行局部性改良来达到全面提高水泵工作性能的思路是不现实的，这也就是为什么近二十年来各大清洗机企业在产品性能方面没有取得长足的进步关键所在。
联想到气泵及汽车发动机，气泵有单缸和双缸之分，汽车发动机有四缸、六缸类型，既然在三柱塞水泵基础上无法取得突破，高压水泵也可以通过增加柱塞数量的概念来实现全面提升工作性能的目的。尽管柱塞数量增加对水泵结构，加工及装配带来一定的难度，但水泵的工作效率会得到提高，降低对电机启动力矩的要求，振动减少，工作稳定等优点。对于电动清洗机水泵和汽油清洗水泵，多柱塞水泵的改良方法有所不同。在选择柱塞数量方面的考量上，改良后的水泵须满足以上几方面的要求：工作性能有一定程度上的提高、产品结构简单、制造难度较少，产品可靠性高且产品成本增加较少。
首先对通用型三柱塞水泵的工作原理及其工作参数进行量化分析从而得出三柱塞水泵在达到最佳清洗效果时电机输出功率与水泵工作压力和工作流量关系。
通用型三柱塞高压水泵主要元件的规格参数如下：柱塞直径为12mm,柱塞分度圆直径为42mm，斜盘角度为8度。每个柱塞的单循环行程为：L＝tan(8)*42＝5.9mm；每个柱塞的单循环流量为：V＝π*r2*L*δ＝3.14*0.62*0.59*0.73＝0.487cm3；注：12mm柱塞之容积效率δ＝0.73，每分钟水泵流量Q为：Q＝0.487/1000*3*3600/3.785＝1.39GPM，以额定电压(V)120V/60Hz的感应电机做为动力源驱动高压水泵，其电机转速为3600RPM,最大工作电流(I)为15A。根据电机输出功率方程式，HP＝V*I*Eff/746，电机的效率Eff为60％，在最大电流为15A时，电机最大输出功率为1.4HP。
根据螺杆推力公式(Fa＝2xπ*η1*T/L)可计算得到电机带动斜盘转动而对柱 塞产生轴向的推力。斜盘、推力球轴承与柱塞间的阻力系数为0.025，由图表6-1查得8度斜度的正效率η1为85％；T为马达输出扭力，T＝5252*HP/RPM＝2.85Nm；8度斜盘对柱塞产生切线方向的最大推力为：Fa＝2*π*0.85*2.85/5.9*10-3＝2602N(265kg)，见图6-2。8度斜盘对柱塞产生水平轴线方向的最大推力为：Fx＝Fa*cos(8)＝2576.8N(262.4kg)，8度斜盘对柱塞产生垂直轴线方向的最大压力为：Fy＝Fa*sin(8)＝362.2N(36.9kg)。
另一方面，从高压水泵产生的内压可反推出柱塞所需的推力是否与电机最大推力相匹配，即电机产生的轴向推力需大于水泵因高压水压而产生的反作用力。前面提及高压清洗机三柱塞水泵常用的柱塞直径为12mm,柱塞分度圆直径为42mm，斜盘角度为8度。则每个柱塞的行程为5.9mm，三柱塞高压水泵在流量为1.39GPM状态下的最高工作压力为1300PSI(90kg/cm2),此时工作电流也达到最高限值15A。对单个柱塞产生的总反作用力分为背压推力、柱塞摩擦力和弹簧弹力三部分组成，即T＝Fp+Ts+Ff。其中：Fp为水压对每个柱塞产生的反作用力，Fp＝P*S＝90*π*0.62＝101.7kg，Fs为柱塞弹簧对柱塞产生的反作用力,Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg，Ff为橡胶密封圈对柱塞产生的阻力,Ff＝Fy*f,橡胶对D12柱塞摩擦系数f＝0.66,摩擦阻力Ff＝36.9*0.66＝24.31kg，综上单个柱塞总反作用力T＝101.7+5.86+24.31＝131.87kg。水泵在高压工作循环过程中，三个柱塞中总有两柱塞承受水压及摩擦反作用力，一个柱塞处于回位状态不承受水压及摩擦反作用力。在承受反作用力的两个柱塞中，一个弹簧处于完全受压状态；另一个位于全程1/5处，弹簧力为Ts(1/5)＝I+D/5*k。水泵总反作用力Fb＝(Fp+Ff)*2+Ts+Ts(1/5)＝(101.7+24.31)*2+5.86+3.57＝261.5kg。
由于电机产生的水平轴向推力Fx(262.2kg)略大于水泵的反作用力Fb(261kg)，电机在最大输出功率状态下是够驱动三柱塞高压水泵进行正常工作的。对于120V/60Hz电动高压清 洗机，在此状态下其电机及三柱塞水泵均工作在最高功率点，工作流量(1.39GPM)和工作压力(1300PSI)为最佳配比，其清洗冲击力(IP)亦达到最大值。IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)＝0.24*1.39*3.785*SQRT(1300*0.07/0.98)＝12.2kg/force。
由于减小斜盘角度是实现提高柱塞式水泵的关键要素，因此针对三柱塞高压水泵的改进采取的方案重点是减小斜盘角度，即从8度减到7度。如只将斜盘角度减小而不变其它元件，水泵的流量及压力亦会减少而无法达到最佳清洗效果，故采用加大直径的柱塞，即直径从12mm加大到13mm，且三个柱塞的分度圆直径适当调整为44mm。采用减小斜盘角度主要目的是通过增加电机在柱塞水平方向上的推力和降低柱塞垂直方向的压力来实现提高水泵工作效率，从而达到提高清洗冲击力的最终目的。这样高压清洗机三柱塞水泵变更的参数如下：柱塞直径为13mm，柱塞分度圆直径为44mm，斜盘角度为7度。重复上公式可得到下面计算结果。
每个柱塞的单循环行程为：L＝tan(7)*44＝5.4mm；每个柱塞的单循环流量为：V＝π*r2*L*δ＝3.14*0.652*0.59*0.73＝0.487cm3；注：13mm柱塞之容积效率δ＝0.70，每分钟水泵流量Q为：Q＝0.5/1000*3*3600/3.785＝1.43GPM。
根据螺杆推力公式(Fa＝2xπ*η1*T/L)可得到电机带动斜盘转动而产生的推力。斜盘，推力球轴承与柱塞间的阻力系数为0.025，由图7-1，7-2查得7度斜度的正效率η1为82％；T为马达输出扭力，T＝5252*HP/RPM＝2.85Nm；7度斜盘对柱塞产生切线方向的最大推力为：Fa＝2*π*0.82*2.85/5.4*10-3＝2717.8N(277kg)，7度斜盘对柱塞产生水平轴线方向的最大推力为：Fx＝Fa*cos(7)＝2697.4N(331.6kg)，7度斜盘对柱塞产生垂直轴线方向的最大压力为：Fy＝Fa*sin(7)＝274.9N(33.8kg)。
前面提及高压清洗机三柱塞水泵的柱塞直径变更为为13mm,柱塞分度圆直径为44mm，斜盘角度为7度，则每个柱塞的行程为5.4mm。考虑到13mm的柱塞综合容积效率δ为0.70， 变更后三柱塞高压水泵在流量Q＝0.5/1000*3*3600/3.785＝1.43GPM。
对单个柱塞产生的总反作用力分为三部分组成，即T＝Fp+Ts+Ff。Fp为水压对每个柱塞产生的反作用力，Fp＝P*S＝90*π*0.652＝119.4kg，Fs为柱塞弹簧对柱塞产生的反作用力,Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg，Ff为橡胶密封圈对柱塞产生的阻力,Ff＝Fy*f，橡胶对D13柱塞摩擦系数f＝0.72,摩擦阻力Ff＝33.8*0.72＝24.15kg，单个柱塞总反作用力T＝119.4+5.86+24.15＝149.41kg。在水泵工作循环过程中，三个柱塞中总有两柱塞承受水压及摩擦反作用力，一个柱塞处于回位状态不承受水压及摩擦反作用力。在承受反作用力的两个柱塞中，一个弹簧处于完全受压状态；另一个位于全程1/5处，弹簧力为Ts(1/5)＝I+D/5*k。水泵总反作用力Fb＝(Fp+Ff)*2+Ts+Ts(1/5)＝(119.4+24.15)*2+5.86+3.57＝296.5kg。
由于水泵的反作用力Fb(296.5kg)超过了电机产生的水平推力Fx(274.9kg)，高压清洗机电机输出功率已无法支撑水泵正常工作负荷，电机的工作电流会升高并超过限定的最高电流(15A)，从而引起供电系统断电故障或其它安全事故。
同时，根据清洗冲击力公式(IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)＝12.55kg/force)得到的结果来看，采用减小斜盘角度的三柱塞水泵的清洗冲击力较原状态只提高了不到3％，即使不考虑电流超标的问题，3％清洗冲击力提高使得此改善方案并无实际意义。故对三柱塞水泵来讲，采用减小斜盘角度和加大柱塞直径的方案来达到提高清洗效果的方案是不可行的。
四柱塞水泵：
优点：四柱塞水泵方案是基于三柱塞水泵而拓展的一款最初级的改进性水泵。相对于三柱塞水泵，四柱塞水泵工作性能有所提升，但加工难度增加有所增加。
缺点：四柱塞水泵工作性能与三柱塞水泵相比只有7％左右的提升，但在水泵的尺寸上却增加超过15％；因四柱塞水泵属偶数振动体，存在因出现共振而对水泵泵体强度造成意外破坏的可能。
四柱塞水泵虽能够在清洗冲击力方面相对于三柱塞水泵有所提高，但从性能提升、实用性和经济性几方面衡量来看，四柱塞水泵仅是一款过渡机型，无实际上可行的市场前景。
五柱塞水泵：
优点：五柱塞水泵方案是基于三柱塞及四柱塞水泵方案而推出的一款优化级的水泵。相对于三柱塞水泵，五柱塞水泵工作性能增加近15％～20％，有较大的性能提升；与四柱塞水泵相比，五柱塞水泵其泵体尺寸只增加不到5％，加工难度与四柱塞水泵相当，且成本上也与四柱塞水泵相当。
缺点：产品结构和制造难度相对于三柱塞水泵增加较多，泵体承压强度有所下降，需增加高压区局部的壁厚来保证泵体的刚性。
从产品性能提升和经济性两方面衡量来看，五柱塞水泵具备有高性能，低能耗和低成本几大优点，五柱塞水泵具有良好的市场前景。
五柱塞高压水泵主要采用了减小斜盘角度，减小柱塞直径的优化方案，选用10mm柱塞直径，柱塞分度圆直径为48mm，斜盘角度为6.5度。采用减小斜盘角度主要目的是通过增加电机在柱塞水平方向上的推力和降低柱塞垂直方向的压力来实现提高水泵工作效率，从而达到提高清洗冲击力的最终目的。
五柱塞水泵设定的柱塞直径为10mm，柱塞分度圆直径为48mm，斜盘角度为6.5度。每个柱塞的单循环行程为：L＝tan(6.5)*48＝5.5mm；每个柱塞的单循环流量为：V＝π*r2*L*δ＝3.14*0.52*0.55*0.8＝0.345cm3；考虑到10mm柱塞容积效率δ为0.80，每分钟水泵流量Q＝0.345/1000*5*3600/3.785＝1.64GPM。
根据螺杆推力公式(Fa＝2xπ*η1*T/L)可得到电机带动斜盘转动而产生的推力。斜盘，推力球轴承与柱塞间的阻力系数为0.025，由图8-1，8-2查得6.5度斜度的正效率η1为80％；T为马达输出扭力，T＝5252*HP/RPM＝2.85Nm；选用6.5度斜盘时，电机对柱塞产生切线方向的最大推力Fa＝2*π*0.80*2.85/5.4*10-3＝2651.5N(270.4kg)，电机对柱塞产生水平轴线方向的最大推力Fx＝Fa*cos(6.5)＝2636.6N(268.9kg)，电机对柱塞产生的径向最大压推力Fy＝Fa*sin(6.5)＝299.6N(30.6kg)。
对单个柱塞产生的总反作用力分为三部分组成，即T＝Fp+Ts+Ff。Fp为水压对每个柱塞产生的反作用力，Fp＝P*S＝90*π*0.52＝70.65kg，Fs为柱塞弹簧对柱塞产生的反作用力,Ts＝I+D*k＝3+5.2*5.5/10＝5.86kg，Ff为橡胶密封圈对柱塞产生的阻力,Ff＝Fy*f，橡胶对D10柱塞摩擦系数f＝0.55,摩擦阻力Ff＝30.6*0.55＝16.83kg，单个柱塞总反作用力T＝70.65+5.86+16.83＝90.34kg。
在水泵工作循环过程中，五个柱塞中总有三柱塞承受水压及摩擦反作用力，两个柱塞处于回位状态不承受水压及摩擦反作用力。在承受反作用力的三个柱塞中，一个弹簧处于完全受压状态；一个位于全程1/2处，弹簧力为Ts(3/5)＝I+D3/5*k；一个位于全程1/10处，弹簧力为Ts(1/10)＝I+D3/10*k。故水泵总反作用力Fb＝(Fp+Ff)*3+Ts+Ts*(1/2)+Ts*(1/10)＝(70.65+16.83)*3+5.86*(1+3/5+1/10)＝270kg。
由于电机产生的水平推力Fx(268.9kg)和水泵的反作用力Fb(270kg)十分相近，在电 流保持在最高限额内，高压清洗机电机输出功率基本上满足水泵正常工作要求。
五柱塞水泵的清洗冲击力IP＝0.24*GPM*3.785*SQRT(PSI*0.07/0.98)＝0.24*1.64*3.785*SQRT(1300*0.07/0.98)＝14.36kg/force，相对于通用型三柱塞水泵，五柱塞水泵的清洗冲击力提高了18％，其工作效率相应地也提高了18％。故五柱塞高压水泵方案是一种可行的新设计方案，尤其针对于低电压区域(如120V/60H)使用电动高压清洗机，五柱塞水泵工作性能的提高更为突出。
六柱塞水泵：
优点：六柱塞水泵方案是基于五柱塞水泵而推出的一款最高端的水泵。相对于五柱塞水泵，六柱塞水泵工作性能提升约7％左右，成本方面较与五柱塞水泵有较大的增加。
缺点：六柱塞水泵工作性能与五柱塞水泵相比只有7％左右的提升，由于其泵体的刚性较弱，靠加大整个泵体的尺寸和壁厚来保持其耐压强度；因六柱塞水泵属亦偶数振动体，也存在因出现共振而对水泵泵体强度造成意外破坏的可能。故六柱塞水泵与四柱塞水泵相类似，与五柱塞水泵相比实用低，不具备推向市场的特质。
如图1至4所示，多柱塞组高压水泵，由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，多柱塞水泵含4柱塞及4柱塞以上的柱塞，每一柱塞对应一组高压生成组件，所述高压生成组件由斜盘7、推力球轴承8、柱塞10、柱塞弹簧11构成，所述斜盘7固定在电机轴1前端，同心均布的多个柱塞10在柱塞弹簧11作用下与置于斜盘7上的推力球轴承8靠紧在其动圈上；随着电机轴1的转动，斜盘7和推力球轴承8沿马达轴心做圆周运动，多个紧压在轴承8上的柱塞随着轴承8的转动同步做直线 往复运动；由于柱塞是按圆周方向同心分布，每个柱塞运动位置也是均布在一个整圆周上。
所述高压生成组件还设有传动箱体6、柱塞弹性挡圈9、防油密封圈41、高压出水接头15、前泵体14、O形圈16、止回流单向阀17，传动箱体6与电机或发动机前端盖相连接，柱塞弹性挡圈9定位在柱塞10后端，防油密封圈41安装在后泵体上并与柱塞同心，高压出水接头15通过螺纹与前泵体14联接，止回流单向阀17安装在高压出水接头的内侧。
所述压力保持组件由后泵体12、中泵体13、进水单向阀35、出水单向阀37、单向阀内套38、防水密封圈39、密封圈固定环40、单向阀支撑架36、低压进水接头26、O形圈26，进水单向阀35安装在中泵体14和后泵体12之间按圆周方向均布的小腔体内，且每个单向阀与之相对应的柱塞10和低压腔出水口P3相连通，出水单向阀36与单向阀内套37安装在后泵体12的小独立的小腔体内并按圆周方向均布；出水单向阀进水口P7与进水单向阀出水口P6通过相邻的一个小侧孔P8相连通，出水单向阀出水口P5与单向阀支撑架通孔P9相连通，防水密封圈39与密封圈固定环40安装在后泵体上并与柱塞同心，低压进水接头26直接与前泵体相连。
所述机械电子压力安全控制组件由溢流阀芯19、O形圈20、溢流阀主弹簧21、压环22、阀杆支撑环24、O形圈26、断电推杆弹簧27、微动开关盒29、微动开关30、断电推杆31、推杆支撑环32、推杆锁紧螺母33、推杆防水密封圈34组成，微动开关30安装在塑胶微动开关盒29内，与微动开关相连的内部导线与电机引出线相接，微动开关盒29通过U形销28与前泵体14固定在一起，断电推杆31、断电推杆弹簧27、推杆支撑环32、推杆锁紧螺母33、推杆防水密封圈34安装在前泵体推杆腔体内，断电推杆与微动开关盒上的小孔同心且正好与对准微动开关按键，溢流阀芯19、溢流阀主弹簧21、压环22、阀杆支撑环24安装在与推杆腔体同心的溢流阀腔体内，两腔体通过一小孔相连通。
而所述清洁液自动生成组件由文式射流阀，清洁液单向阀组成。
所述多柱塞组高压水泵可采用五柱塞或四柱塞及六柱塞高压水泵，每一柱塞按圆周方向均匀分布，柱塞分度圆须小于推力轴承的分度圆，对配电机的柱塞，最大为14mm,最小为8mm，对配汽油机的柱塞，最大为16mm，最小为10mm。
一种应用上述多柱塞组高压水泵的高压系统，其特征在于，多柱塞组之高压系统是由一个驱动源、传动箱6和多柱塞组高压水泵组成，所述驱动源采用气油发动机或电机，电机分为感应电机和串激电机两大类，每类电机按供电电源的不同又分为低电压电机100V～120V和高电压电机220～240V，多柱塞组高压水泵由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，采用直联传动传动箱，即驱动动力源与高压水泵通过斜盘相连接，斜盘是直接固定在电机转轴上，发动机或电机的转速与水泵柱塞移动的速率相同；采用差联传动传动箱时，斜盘并不直接与电机转轴相连，而是发动机或电机传动轴需通过一组或多级减速齿轮与斜盘连接，电机转速一般是水泵柱塞移动的速率的四到六倍。
一种多柱塞组高压水泵的运行方法，斜盘7由螺栓2、方键3和垫圈4固定在电机轴有1前端，同心均布的多个柱塞10在柱塞弹簧11作用下与置于斜盘7上的推力球轴承8靠紧在其动圈上，随着电机轴1的转动，斜盘7和推力球轴承8沿马达轴心做圆周运动，多个紧压在轴承8上的柱塞随着轴承8的转动同步做直线往复运动；由于柱塞按圆周方向同心分布，每个柱塞运动位置也是均布在一个整循环上；以五柱塞水泵为例，当第一个柱塞到达到最前端；相邻的第二个向前移动柱塞则位于单程的2/5处；第三个向前移动柱塞则位于单程的4/5处，第四个开始向后移动柱塞则位于单程的1/5处；第五个向后移动柱塞则位于单程的3/5处。斜盘随电机做圆周转动、柱塞是由斜盘及推力轴承推动下做直线运动，斜盘可与电动或发动机主轴直接相连，亦可通过齿轮组与电机相连，与柱塞相配合的斜盘角度为5度到9度。
柱塞前部的空腔体是在防水密封圈39、进水单向阀35和出水单向阀37包围下形成局部 气密状态；当柱塞10从最前端向后移动过程中，柱塞前部的空腔室P6)则逐渐变大，内部形成的真空负压也逐渐升高；此时进水单向阀35打开，出水单向阀37呈关闭状态，外部水源便在负压作用下从低压进水接头25进水孔(P1流入柱塞前腔室P6；当柱塞10从最后端向前部移动过程中，进水单向阀35很快关闭，柱塞前部的空腔室P6)则逐渐变小，腔体内部的液体受压后压力升高并打开出水单向阀37，高压水流便流过出水单向阀37流入次高压腔室P9；五个柱塞轮流往复循环运转将外部低压水源转化成脉动高压水流并输送到次高压腔内。
如与水泵相连接的水枪关闭后，次高压腔内P9的水压会一直升高，当系统压力值超过溢流阀主弹簧21和断电推杆弹簧27弹力后，溢流阀芯19推动断电推杆31向外移动直至触动微动开关30来切断电源。这时，电机停止运行，水泵也停止工作，机器呈待机状态。如开通水枪，电机和水泵又开始工作输出高压水流。
当水枪设定为低压状态时，水流高速通过安装在高压出水接头内的文式阀体后，会在文式阀体前部产生局部真空；在负压作用下，安装在文式阀体前部的清洁液单向阀打开，清洁液便从清洁瓶中吸入到高压出水接头内并随着低压水流一同流出水枪。

Claims (7)

1.一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，多柱塞水泵含4柱塞及4柱塞以上的柱塞，每一柱塞对应一组高压生成组件，所述高压生成组件由斜盘(7)、推力球轴承(8)、柱塞(10)、柱塞弹簧(11)构成，所述斜盘(7)固定在电机轴(1)前端，同心均布的多个柱塞(10)在柱塞弹簧(11)作用下与置于斜盘(7)上的推力球轴承(8)靠紧在其动圈上；随着电机轴(1)的转动，斜盘(7)和推力球轴承(8)沿马达轴心做圆周运动，多个紧压在轴承(8)上的柱塞随着轴承(8)的转动同步做直线往复运动；由于柱塞是按圆周方向同心分布，每个柱塞运动位置也是均布在一个整圆周上。
2.如权利要求1所述的一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，高压生成组件还设有传动箱体(6)、柱塞弹性挡圈(9)、防油密封圈(41)、高压出水接头(15)、前泵体(14)、O形圈(16)、止回流单向阀(17)；传动箱体(6)与电机或发动机前端盖相连接，柱塞弹性挡圈(9)定位在柱塞(10)后端，防油密封圈(41)安装在后泵体上并与柱塞同心，高压出水接头(15)通过螺纹与前泵体(14)联接，止回流单向阀(17)安装在高压出水接头的内侧。
3.如权利要求1所述的一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，所述压力保持组件由后泵体(12)、中泵体(13)、进水单向阀(35)、出水单向阀(37)、单向阀内套(38)、防水密封圈(39)、密封圈固定环(40)、单向阀支撑架(36)、低压进水接头(25)、O形圈(26)组成，进水单向阀(35)安装在中泵体(14)和后泵体(12)之间按圆周方向均布的小腔体内，且每个单向阀与之相对应的柱塞(10)和低压腔出水口(P3)相连通，出水单向阀(37)与单向阀内套(38)安装在后泵体(12)的小独立的小腔体内并按圆周方向均布；出水单向阀进水口(P7)与进水单向阀出水口(P6)通过相邻的一个小侧孔(P8)相连通，出水单向阀出水口(P5)与单向阀支撑架通孔(P9)相连通，防水密封圈(39)与密封圈 固定环(40)安装在后泵体上并与柱塞同心，低压进水接头(2526)直接与前泵体相连。
4.如权利要求1所述的一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，所述机械电子压力安全控制组件由溢流阀芯(19)、O形圈(20)、溢流阀主弹簧(21)、压环(22)、阀杆支撑环(24)、O形圈(26)、断电推杆弹簧(27)、微动开关盒(29)、微动开关(30)、断电推杆(31)、推杆支撑环(32)、推杆锁紧螺母(33)、推杆防水密封圈(34)组成，
微动开关(30)安装在塑胶微动开关盒(29)内，与微动开关相连的内部导线与电机引出线相接，微动开关盒(29)通过U形销(28)与前泵体(14)固定在一起，断电推杆(31)、断电推杆弹簧(27)、推杆支撑环(32)、推杆锁紧螺母(33)、推杆防水密封圈(34)安装在前泵体推杆腔体内，断电推杆与微动开关盒上的小孔同心且正好与对准微动开关按键，溢流阀芯(19)、溢流阀主弹簧(21)、压环(22)、阀杆支撑环(24)安装在与推杆腔体同心的溢流阀腔体内，两腔体通过一小孔相连通。
5.如权利要求1所述的一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，所述多柱塞组高压水泵须采用四柱塞或五柱塞或六柱塞及七柱塞高压水泵，每一柱塞按圆周方向均匀分布，柱塞分度圆须小于推力轴承的分度圆。
6.如权利要求1所述的一种新型多柱塞组高压水泵，其特征在于，对于汽油高压清洗机，其高压水泵的柱塞分度圆直径最大为80mm，最小为40mm；柱塞直径尺寸最大为16mm，最小为10mm；斜盘角度最大为12度，最小为6度；
对于电动高压清洗机，其高压水泵的柱塞分度圆直径最大为60mm，最小为35mm；柱塞直径尺寸最大为14mm，最小为8mm；斜盘角度最大为10度，最小为5度。
7.一种应用如权利要求1所述多柱塞组高压水泵的高压系统，其特征在于，多柱塞组之高压系统是由一个驱动源、传动箱(6)和多柱塞组高压水泵组成，所述驱动源采用气油发动机或电机，多柱塞组高压水泵由高压生成组件、压力保持组件、机械电子压力安全控制组件、清洁液自动生成组件四部分组成，采用直联传动传动箱时，即驱动动力源与高压水泵通过斜盘相连接，斜盘是直接固定在电机转轴上，发动机或电机的转速与水泵柱塞移动的速率相同；采用差联传动传动箱时，斜盘并不直接与电机转轴相连，而是发动机或电机传动轴需通过一组或多级减速齿轮与斜盘连接，电机转速一般是水泵柱塞移动的速率的四到六倍。
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