EA014972B1 - Насос с компенсацией по давлению - Google Patents

Abstract

Предлагается насос, который включает в себя поршень, способный перемещаться вдоль первой оси и эксцентрический кулачок, расположенный вокруг второй оси, при этом вторая ось, по существу, перпендикулярна первой оси. Насос также включает в себя приводной элемент, расположенный примыкающим к кулачку и имеющий такую конфигурацию, чтобы перемещать кулачок вдоль второй оси. Кроме того, насос дополнительно включает в себя примыкающий к кулачку подшипник, расположенный между поршнем и кулачком, при этом примыкающий к кулачку подшипник при перемещении кулачка вдоль второй оси остается расположенным, по существу, вдоль первой оси.

Description

Настоящее изобретение относится в основном к гидравлическим насосам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к насосам, работающим в режиме постоянной выходной мощности, даже при колебаниях давления.

В настоящее время известны насосы, работающие в режиме постоянной выходной мощности при колебаниях давления. Эти насосы предназначены для того, чтобы использовать заданную величину мощности, передаваемой двигателем, и максимизировать величину мощности на выходе независимо от давления, при котором они работают. Таким образом, такие насосы работают более эффективно, чем другие насосы, которые неспособны поддерживать постоянную выходную мощность.

Как правило, насосы, которые способны поддерживать постоянную выходную мощность, могут работать в диапазонах относительно низких давлений. С другой стороны, насосы, которые могут работать в диапазонах более высоких давлений, неспособны поддерживать постоянную выходную мощность, когда рабочее давление насоса изменяется. Как правило, такие насосы с более высоким давлением являются многоступенчатыми и, по существу, состоят из нескольких насосов, которые связаны вместе с использованием механизма для переключения между этими насосами.

Соответственно, было бы желательно предложить новые насосы и способы, которые способны поддерживать постоянную выходную мощность даже при высоком давлении. Также было бы желательно предложить новые насосы, которые состоят из бесконечного числа ступеней, то есть которые на самом деле являются одинарными насосами.

В дополнение к вышесказанному, также было бы желательно предложить насосы, которые являются модульными, и, следовательно, их легко и рентабельно ремонтировать. Кроме того, было бы желательно предложить насосы, которые максимизируют эффективность, минимизируя суммарный объем поршневых камер, входящих в их состав.

Вышеописанные потребности в значительной степени удовлетворяются настоящим изобретением, в котором в одном варианте его реализации предусматривается насос. Насос включает в себя поршень, способный перемещаться вдоль первой оси. Насос также включает в себя эксцентрический кулачок, расположенный вокруг второй оси, при этом вторая ось, по существу, перпендикулярна первой оси. Насос дополнительно включает в себя приводной элемент, расположенный примыкающим к кулачку и обеспечивающий перемещение кулачка вдоль второй оси. Кроме того, насос также включает в себя первый примыкающий к кулачку подшипник, расположенный между поршнем и кулачком, при этом первый примыкающий к кулачку подшипник при перемещении кулачка вдоль второй оси остается расположенным, по существу, вдоль первой оси.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения предусматривается способ работы насоса. Способ включает в себя этап, на котором насос работает на первом уровне давления и на первом уровне выходной мощности. Способ также включает в себя этап, на котором осуществляется переход от первого уровня давления, на котором работает насос, ко второму уровню давления, который выше приблизительно 40 МПа. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором поддерживают, по существу, первый уровень выходной мощности, когда насос переходит от работы на первом уровне давления к работе на втором уровне давления.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения предусматривается другой насос. Насос включает в себя средство поступательного перемещения для поступательного перемещения вдоль первой оси. Насос также включает в себя вращательное средство для вращения вокруг второй оси, при этом вторая ось, по существу, перпендикулярна первой оси. Насос дополнительно включает в себя приводное средство для перемещения вращательного средства вдоль второй оси. Кроме того, насос также включает в себя средство качения для качения по наружной поверхности вращательного средства, при этом средство качения располагается между средством поступательного перемещения и вращательным средством, и при этом средство качения при перемещении вращательного средства вдоль второй оси остается расположенным, по существу, вдоль первой оси.

Согласно еще одному другому варианту реализации настоящего изобретения предусматривается другой способ работы насоса. Способ включает в себя этап, на котором вращают имеющий эксцентрическую форму кулачок вокруг первой оси. Способ также включает в себя этап, на котором осуществляют поступательное перемещение кулачка вдоль первой оси. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором при поступательном перемещении кулачка вдоль первой оси сохраняют положение вдоль первой оси подшипника, который примыкает к кулачку. Кроме того, способ также включает в себя этап, на котором при вращении кулачка перемещают поршень, расположенный примыкающим к подшипнику, этим подшипником. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором при поступательном перемещении кулачка вдоль первой оси поддерживают, по существу, постоянный уровень выходной мощности насоса.

Таким образом, в общих чертах были описаны некоторые варианты осуществления изобретения для лучшего понимания и для того, чтобы мог быть лучше понят вклад данного изобретения в данную область техники. Конечно, имеются и дополнительные варианты осуществления изобретения, которые будут описаны ниже и которые определяют объем в соответствии с формулой изобретения, прилагаемой к данной заявке.

- 1 014972

В связи с этим, перед подробным объяснением по меньшей мере одного варианта реализации изобретения следует понимать, что изобретение не ограничено своим применением к подробностям конструкции и к вариантам расположения компонентов, сформулированным в нижеследующем описании или проиллюстрированным на чертежах. Изобретение допускает варианты своей реализации, дополняющие описанные варианты реализации, и допускает свое практическое осуществление и выполнение различными способами. Кроме того, следует понимать, что используемые здесь фразеология и терминология, так же как и реферат, приводятся в целях описания и не должны рассматриваться в качестве накладывающих ограничения.

Также специалисты в данной области техники должны понимать, что концепция, на которой базируется данное раскрытие, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и систем для достижения нескольких целей настоящего изобретения. Следовательно, важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая в себя такие эквивалентные конструкции и в той мере, в какой они не выходят за рамки сущности и объема настоящего изобретения.

Фиг. 1 иллюстрирует разрез насоса согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - вид в перспективе в разрезе внутренней части насоса, проиллюстрированного на фиг. 1;

фиг. 3 - часть разреза насоса, проиллюстрированного на фиг. 1, на котором кулачковый вал находится в положении смещения на полную длину хода;

фиг. 4 - часть разреза насоса, проиллюстрированного на фиг. 1, на котором кулачковый вал находится в положении обратного смещения на полную длину хода;

фиг. 5 - три характерные кривые мощности для насоса, проиллюстрированного на фиг. 1-4;

фиг. 6 - разрез поршневого картриджа согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения;

фиг. 7 - внешний вид поршневого картриджа, проиллюстрированного на фиг. 6;

фиг. 8 - полупрозрачный вид в перспективе сборочной единицы кольца насоса, проиллюстрированной на фиг. 2, которая включает в себя три картриджа и один смазочный картридж;

фиг. 9 - другой полупрозрачный вид в перспективе сборочной единицы кольца насоса, проиллюстрированной на фиг. 8;

фиг. 10 - вид в перспективе характерного воплощения насоса, проиллюстрированного на фиг. 1.

Далее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых аналогичные ссылочные позиции относятся к аналогичным частям.

Фиг. 1 иллюстрирует разрез насоса 10 согласно первому варианту реализации настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 1, насос 10 имеет радиальную конструкцию в противоположность осевой конструкции и содержит двигатель 12, который соединен с валом 14 насоса. Вал 14 насоса содержит комплект 16 пружин, имеющий первый конец, который примыкает к двигателю 12, и второй конец, который примыкает к кулачку 17.

Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения комплект 16 пружин включает в себя пакет из двух, трех или больше пружин. При использовании трех пружин пружина с большим усилием сжатия, т.е. пружина с высокой жесткостью и способная при сжатии создавать большую силу, обычно располагается крайней справа в комплекте 16 пружин, проиллюстрированном на фиг. 1. В таком случае пружина со средним усилием сжатия располагается в середине комплекта 16 пружин, а слабая пружина располагается рядом с кулачком 17. Все вместе эти три пружины образуют имеющий возрастающую жесткость комплект 16 пружин, который, как будет объяснено ниже, используется для того, чтобы позиционировать кулачок 17 относительно других элементов насоса 10. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения каждая пружина из комплекта 16 пружин имеет различные жесткости/силу сжатия пружины. Однако конструкции, где две или больше пружин имеют одинаковые жесткости/силу сжатия, также находятся в рамках объема настоящего изобретения.

На фиг. 1 комплект 16 пружин располагается вокруг внутренней направляющей 13. Внутренняя направляющая 13 пружины концентрически располагается внутри вала 14, примыкает к штифту 11 и удерживает комплект 16 пружин, по существу, в центре вала 14. На конце комплекта 16 пружин, ближайшем к кулачку 17, располагается уплотняющая пробка 15 кулачка, предназначенная для того, чтобы предотвращать вытекание жидкости, которая смазывает кулачок 17, на комплект 16 пружин.

При работе двигатель 12 механически соединен с валом 14 насоса и кулачком 17 и заставляет обоих вращаться. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения кулачок 17 вращается со скоростью между приблизительно 3000 и приблизительно 4000 об./мин. Однако другие диапазоны скоростей также находятся в рамках объема настоящего изобретения.

Как проиллюстрировано на фиг. 1, вал 14 насоса установлен в подшипниках 18 вала. Вокруг вала 14 насоса и около конца, который примыкает к двигателю 12, располагается уплотнительный узел 20 вала. Также вокруг вала 14 насоса располагается пара подпятников 24, которые используются для того, чтобы удерживать другие элементы насоса 10 в требуемом положении, как это станет понятно в результате рассмотрения прилагаемых чертежей.

Примыкая к концу кулачка 17, который расположен на противоположной стороне от комплекта 16

- 2 014972 пружин, располагается управляющий поршень 22, который фактически играет роль приводного элемента для перемещения кулачка 17 вдоль продольной оси А вала 14 насоса. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения между управляющим поршнем 22 и кулачком 17 располагается сферический элемент, например шарик, или упорный подшипниковый узел, такой как элемент 23 на фиг. 1, для того, чтобы облегчать осевое вращение кулачка 17 относительно управляющего поршня 22. По существу, сферический элемент или упорный подшипниковый узел 23 может вращаться при повороте кулачка 17.

Согласно некоторым другим вариантам реализации настоящего изобретения управляющий поршень 22 представляет собой небольшой стержень, который расположен вдоль продольной оси А вала 14 насоса и доходит до точки, которая располагается напротив кулачка 17. Согласно таким вариантам реализации изобретения управляющий поршень 22 обеспечивает одноточечный контакт с кулачком 17 и, следовательно, отсутствует плечо вращающего момента. Кулачок 17, как таковой, может вращаться с относительно высоким числом оборотов в минуту, и вращающееся уплотнение не требуется. То же самое верно и для вариантов реализации настоящего изобретения, в которых одноточечный контакт заменен упорным подшипниковым узлом 23 или, по существу, сферическим элементом.

Кулачок 17 снабжен несколькими канавками 26 и, как это проиллюстрировано на фиг. 1, в результате имеет зубчатую форму и эксцентричен относительно продольной оси кулачка, которая является также продольной осью вала 14 насоса на фиг. 1. В каждой из канавок 26, проиллюстрированных на фиг. 1, размещается шар 28А, 28В, 28С, 28Ό. Каждый из шаров 28А, 28В, 28С, 28Ό, проиллюстрированных на фиг. 1, располагается между поршнем 30 и смазочным поршнем 31 и в той же плоскости, что и центральные оси поршней 30, 31. Смазочный поршень 31 обеспечивает введение смазки во внутреннюю часть вала 14 насоса, а поршень 30 имеет такую конструкцию, обеспечивающую вытеснение текучей среды посредством механизма, рассматриваемого ниже. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения при работе имеющий эксцентрическую форму кулачок 17, шары 28А, 28В, 28С, 28Ό и вал 14 насоса все вращаются двигателем 12 вокруг продольной оси А вала 14 насоса в кольцах 44 и 45 подшипников, проиллюстрированных на фиг. 2, которые в сочетании действуют в качестве эксцентрика.

На фиг. 1 шары 28А и 28В в вертикальном направлении находятся на одной линии друг с другом и составляют первые пары шаров, в то время как шары 28С и 28Ό в вертикальном направлении также находятся на одной линии друг с другом и составляют вторую пару шаров. Каждая пара шаров также находится в вертикальном направлении на одной линии с одним из поршней 30 и одним из смазочных поршней 31, проиллюстрированных на фиг. 1. В каждой паре шаров один шар, например 28 А и 28Ό, располагается относительно близко к продольной оси А вала 14 насоса, в то время как другой шар в этой паре шаров, например 28В и 28С, располагается относительно далеко от той же самой оси. При вращении кулачка 17 и шаров 28А, 28В, 28С, 28Ό, подпятников 24 и колец 44 и 45 подшипников вокруг продольной оси А, образующих эксцентрик, каждый из шаров 28А, 28В, 28С, 28Ό смещает эксцентрик, который входит в контакт с поршнями 30 и смазочными поршнями 31.

При контакте эксцентрика с одним из поршней 30 и смазочных поршней 31 шары 28В, 28С, которые находятся относительно далеко от продольной оси А вала 14 насоса, будут отжимать эксцентрик и один из поршней 30 или смазочных поршней 31 наружу, а шары 28А, 28Ό, которые находятся относительно близко к продольной оси А, позволят другому поршню 30 и смазочному поршню 31 переместиться назад вовнутрь по направлению к продольной оси А. Полное расстояние, на которое поршни 30 перемещаются за один полный оборот эксцентрика и кулачка 17, т.е. ход поршня, определяет, сколько текучей среды способен перекачать насос 10. Вообще, чем больше расстояние, на которое перемещается поршень 30, тем больше текучей среды перекачает насос 10.

Насос 10, проиллюстрированный на фиг. 1, также содержит резервуар 32 для масла, всасывающий фильтр 34, сливную трубку 36, канавку 38 для подвода масла из резервуара 32 и выходное отверстие 40 насоса для выхода поток масла под высоким давлением из насоса 10. При работе масло течет из резервуара 32 через всасывающий фильтр 34, через канавку 38 для подвода масла и в поршневые камеры, например в насосную камеру 62, проиллюстрированную на фиг. 6, которые прилегают к поршням 30, проиллюстрированные на фиг. 1. Поршни 30 в таком случае создают давление масла в поршневых камерах, и масло выпускается через выходное отверстие 40 насоса. Однако и другие конфигурации насоса также находятся в рамках настоящего изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в перспективе в разрезе внутренней части насоса 10, проиллюстрированного на фиг. 1. Сечение, проиллюстрированное на фиг. 2, перпендикулярно сечению, проиллюстрированному на фиг. 1. Передняя грань фиг. 2 также совпадает с сечением сборочной единицы кольца 25 насоса. Как проиллюстрировано на фиг. 2, эти два шара 28А, 28В с каждой стороны кулачка 17 располагаются, примыкая к подпятнику 24 и кольцу 42 подшипника. Внешняя сторона кольца 42 подшипника примыкает к одному из двух эксцентриков 44, 45, проиллюстрированных на фиг. 2. Передний эксцентрик 44 проиллюстрирован как располагающийся на ближнем конце сечения, а задний эксцентрик 45 располагается позади переднего эксцентрика 44, т. е. ближе к двигателю 12.

Как будет описано ниже, насос 10 является насосом с компенсаций по давлению, который при соот

- 3 014972 ветствующем расположения кулачка 17 относительно вала 14 насоса и поршней 30 обеспечивает переменный расход текучей среды как функцию любого давления, при котором работается насос 10, и при любом этом давлении. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения и как будет также описано ниже, насос 10 имеет конструкцию, оптимизирующую свои собственные выходные рабочие характеристики, регулируя давление, при котором он работает, используя это значение давления для того, чтобы управлять своей собственной работой.

По определению, для того чтобы определить мощность насоса, расход текучей среды, например, в л/мин сначала умножают на давление, при котором работает насос, и это вычисленное значение затем делят на некоторую постоянную. При использовании в качестве двигателя 12 для приведения в действие насоса 10, например двигателя с мощностью 1,5 лошадиных сил, обычно предпочтительно для оптимизации рабочих характеристик эксплуатировать насос 10 как можно ближе к уровню номинальной мощности. Также обычно предпочтительно, чтобы была возможность поддерживать приблизительный уровень номинальной мощности работы насоса, даже когда рабочее давление насоса колеблется.

В настоящее время на рынке существует потребность в насосах, которые способны поддерживать постоянную выходную мощность в диапазоне до 70 МПа и более, даже когда давление, при котором они работают, колеблется, т. е. существует потребность в насосах с компенсацией по давлению, которые работают при относительно высоком давлении. Однако имеющиеся в настоящее время на рынке насосы с компенсацией по давлению в лучшем случае работают лишь в диапазонах с максимальным значением между приблизительно 15 и 35 МПа. Кроме того, даже при этих относительно низких давлениях имеющиеся в настоящее время насосы с компенсацией по давлению представляют собой сложные, дорогостоящие и громоздкие механизмы.

Имеющиеся в настоящее время насосы, которые действительно работают в диапазоне 70 МПа, являются многоступенчатыми насосами и, следовательно, не обеспечивают непрерывную компенсацию по давлению. Наоборот, эти многоступенчатые насосы испытывают скачкообразное снижение выходной мощности всякий раз, когда возрастающее рабочее давление насоса вызывает переключение или переход на новую ступень. Другими словами, эти насосы относительно неэффективны по сравнению с насосами с компенсацией по давлению. Кроме того, механизмы скачкообразного снижения, используемые в таких насосах, включают в себя либо сложные, дорогостоящие и громоздкие движущиеся наклонные шайбы и/либо клапанные шайбы или разгрузочные клапаны для каждой ступени.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения насос 10 представляет собой бесступенчато регулируемый одноступенчатый насос с компенсацией по давлению, т.е. с бесконечным числом ступеней, который может работать при любом значении от приблизительно 6 до приблизительно 70 МПа и более. Как было проиллюстрировано на фиг. 1 и 2, детали насоса 10 являются относительно простыми и, как будет описано ниже, работа насоса 10 эффективна.

Фиг. 3 иллюстрирует часть разреза насоса 10, проиллюстрированного на фиг. 1, на котором кулачковый вал 17 находится в положении смещения на полную длину хода, т.е. в положении, где шары 28В и 28С, которые являются самыми близкими к поршням 30, располагаются на самых мелких участках канавок 26. Фиг. 4 иллюстрирует часть разреза насоса 10, проиллюстрированного на фиг. 1, на котором кулачковый вал 17 находится в положении обратного смещения на полную длину хода, т.е. в положении, где шары 28В, 28С, которые являются самыми близкими к поршням 30, располагаются на самых глубоких участках канавок 26. Фиг. 4 также иллюстрирует отверстие с управляющим давлением, которое соединено с каналами высокого давления насоса 10. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения это давление используется для того, чтобы управлять положением управляющего поршня 22.

Как будет ясно специалисту в данной области техники при практическом осуществлении некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, когда кулачок 17 располагается так, как проиллюстрировано на фиг. 3, и вращается двигателем 12, проиллюстрированным на фиг. 1, поршни 30 испытывают максимальную величину перемещения, допускаемую насосом 10, и обеспечивают наибольший расход, поддерживающий данную мощность. С другой стороны, когда кулачок 17 располагается так, как проиллюстрировано на фиг. 4, поршни 30 испытывают минимальную степень перемещения, которая, тем не менее, позволяет насосу 10 работать надлежащим образом. Регулирование положения кулачка 17, рассматриваемое ниже, позволит насосу 10 обеспечивать требуемую максимальную мощность при рабочем давлении насоса 10.

Фиг. 5 иллюстрирует три характерные кривые мощности. Сплошная кривая основана на теоретических данных мощности, в то время как две пунктирные кривые основаны на измеренных данных двух типичных двухступенчатых насосов, которые не совпадают с этой кривой мощности. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения профиль кулачка 17, т. е. кривизна канавок 26, наряду с конструкцией комплекта 16 пружин, т.е. относительными силами, действующими со стороны пружин, входящих в состав комплекта 16 пружин после сжатия в соответствии с силой на управляющем поршне, поддерживают работу насоса 10 на теоретических кривых мощности, проиллюстрированных на фиг. 5. Хотя, как было отмечено выше, могут использоваться величины, полученные теоретическим путем, форма кривой мощности обычно определяется посредством эмпирических исследований. Формула,

- 4 014972 которая определяет кривую мощности, представляет собой экспоненциальную функцию и получена с использованием сотни точек на графике, взятых при различных рабочих давлениях и объемных расходах насоса 10, которые максимизируют выходную мощность насоса 10.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения кривая мощности сглажена таким образом, чтобы быть непрерывной. Это позволяет канавкам 26 в кулачке 17 также быть гладкими и непрерывными. Когда насос 10 находится в работающем состоянии, управляющий поршень 22 воздействует на кулачок 17 с силой, которая обычно либо равна давлению, при котором работает сам насос 10, либо представляет собой функцию этого давления. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения для управления управляющим поршнем 22 используется сигнал замкнутого контура обратной связи, что поясняется ниже. Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения для управления управляющим поршнем 22 могло бы быть предусмотрено ручное или автоматическое устройство управления. Кроме того, и другие средства управления управляющим поршнем 22, которые станут очевидны специалисту в данной области техники при практическом осуществлении настоящего изобретения, также находятся в рамках объема настоящего изобретения.

Независимо от способа управления, сила, действующая либо непосредственно, либо опосредованно, на кулачок 17 со стороны управляющего поршня 22, располагает кулачок 17 в таком положении относительно поршней 30, которое является, по существу, оптимальным для рабочего давления насоса 10. Другими словами, кулачок 17 располагается таким образом, чтобы шары 28А, 28В, 28С, 28Ό заставляли поршни 30 перемещаться на такие расстояния, которые обеспечивают насосу 10 расход, который в существенной мере оптимизирует номинальную мощность насоса 10 при этом рабочем давлении.

Возвращаясь к рассмотрению фиг. 3 и 4, отметим, что в положении смещения на полную длину хода, проиллюстрированном на фиг. 3, насос 10 создает относительно высокий расход при относительно низком давлении, например всего порядка 10-30 кПа. В положении обратного смещения на полную длину хода, проиллюстрированном на фиг. 4, насос создает относительно небольшой расход при относительно высоком давлении, например между приблизительно 40 и приблизительно 70 МПа или больше. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения управляющий поршень 22 может использоваться для позиционирования кулачка 17 в любом месте между положениями смещения и обратного смещения на полную длину хода. По существу, могут быть получены все расходы и связанные с ними давления, которые в существенной мере максимизируют мощность насоса 10. Другими словами, насос 10 представляет собой бесступенчатый насос с компенсацией по давлению, который работает при перемещении очень небольшого количества деталей.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения каждый поршень 30, который располагается вокруг переднего эксцентрика 44, проиллюстрированного на фиг. 2, имеет соответствующий однотипный ему поршень 30, который располагается вокруг заднего эксцентрика 45 вокруг продольной оси А вала 14 насоса. Однако другие формы также возможны и предусматриваются в рамках настоящего изобретения. Например, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в состав которого включены пять поршней 30, эти пять поршней могут располагаться в форме звезды или пятиугольника, т.е. поршни могут быть смещены относительно друг друга на 72°.

Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения результирующий вектор набора поршней на каждом эксцентрике 44, 45 сдвинут по фазе на 180° относительно результирующего вектора набора поршней на другом эксцентрике 44, 45. Этот признак не дает эксцентрикам 44, 45, проиллюстрированным на фиг. 2, нагрузить кулачок 17 вращающим моментом и, следовательно, по меньшей мере, существенно ограничивает потребность предусматривать в насосе 10 противовесы. В свою очередь, этот способ работы уменьшает полную стоимость и сложность насоса 10.

Хотя на фиг. 2 проиллюстрированы только два эксцентрика 44, 45, согласно другим вариантам реализации настоящего изобретения могут быть использованы три или больше эксцентриков. Когда в состав насоса 10 включены, например, три эксцентрика, каждый поршень имеет два однотипных поршня, которые работают в одной фазе с поршнем 30, и каждый однотипный поршень смещен на 120° вокруг продольной оси А вала 14 насоса. Аналогичным образом, когда в состав насоса 10 включены, например, четыре эксцентрика, каждый поршень 30 имеет три синфазных однотипных поршня. Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения силы, действующие на кулачок 17 со стороны первого поршня, по существу, всегда уравновешиваются силами, действующими на кулачок 17 со стороны одного или более смещенных, синфазных, однотипных поршней.

Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения предусматриваются способы работы насоса. Согласно некоторым из этих вариантов осуществления изобретения насос, например вышерассмотренный насос 10, работает на первом уровне давления, например приблизительно 7 МПа. Тот же самый насос также работает на первом уровне выходной мощности, который, например, может быть выбран таким образом, чтобы, по меньшей мере, существенно совпадать с уровнем мощности двигателя, который приводит в действие насос, например, приблизительно 1,5 лошадиных сил согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Затем от первого уровня давления, на котором работает насос, осуществляется переход ко второму

- 5 014972 уровню давления. Этот второй уровень давления согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения составляет свыше приблизительно 40 МПа или составляет свыше приблизительно 70 МПа в других вариантах осуществления изобретения или даже еще выше согласно другим вариантам осуществления изобретения.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения во время перехода уровня рабочего давления насоса от первого уровня давления ко второму уровню давления или даже к другим уровням, по существу, поддерживается первый уровень выходной мощности. Один приводимый в качестве примера способ осуществления поддержания первого уровня выходной мощности включает в себя этап, на котором по мере увеличения или уменьшения давлении насоса позволяют управляющему поршню 22 перемещаться вдоль продольной оси А. Согласно таким вариантам реализации изобретения кулачок 17 смещается управляющим поршнем 22 в различные положения вдоль продольной оси А.

Как было описано выше, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения комплект 16 пружин и управляющий поршень 22 специально предназначены для того, чтобы перемещать шары 28А, 28В, 28С, 28Ό в канавках 26 кулачка 17, проиллюстрированных на фиг. 1, по мере того, как рабочее давление насоса 10 изменяется. Если описать это более конкретно, то шары 28А, 28В, 28С, 28Ό перемещаются в канавках 26 таким образом, что при вращении шаров 28А, 28В, 28С, 28Ό вокруг продольной оси А поршни 30 будут смещаться на расстояния, которые будут сохранять выходной уровень номинальной мощности насоса 10. По существу, рассмотренное выше поддержание в существенной мере первого уровня выходной мощности насоса может быть осуществлено с использованием компонентов, проиллюстрированных на фиг. 1.

Рассмотренный выше способ также может включать в себя минимизацию вибраций в насосе посредством предоставления уравновешивающих механизмов вытеснения текучей среды. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения этот этап может быть осуществлен посредством смещения поршней 30 в насосе 10, как это проиллюстрировано на фиг. 2, и работы поршней 30 со сдвигом по фазе относительно друг друга для того, чтобы скомпенсировать силу, действующую со стороны каждого поршня на кулачок 17.

Фиг. 6 иллюстрирует разрез поршневого картриджа 60 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Поршневой картридж 60 содержит один из рассмотренных выше поршней 30 в насосной камере 62. В верхней и нижней части разреза картриджа 60, проиллюстрированного на фиг. 6, находятся отверстия 64 входа масла. Также на фиг. 6 проиллюстрирован и расположен справа от отверстий 64 входа масла впускной запорный шарик 66 и направляющая 68 запорного шарика. На боковых сторонах насосной камеры 62 находятся выходные отверстия 76 для масла, которые имеют примыкающие к ним выходные запорные шарики 74. Картридж 60 также содержит упорные резьбы 48 на внешней своей стороне и пружину 50 возврата поршня, которая расположена между поршнем 30 и одним концом поршневого картриджа 60.

Поршневой картридж 60, проиллюстрированный на фиг. 6, представляет собой автономный насосный элемент, который может использоваться не только в сочетании с насосом 10, проиллюстрированным на фиг. 1, но также и в сочетании с другими насосами и устройствами. Типы других насосов и устройств, в которых может быть использован поршневой картридж 60, станут понятны специалисту в данной области техники при практическом осуществлении одного или более вариантов реализации настоящего изобретения.

Как проиллюстрировано на фиг. 6, поршень 30 располагается в центре поршневого картриджа 60. Если описать это более конкретно, то поршень 30 находится в насосной камере 62 и функционирует как насосный поршень, который качает масло в насосе 10. Как было описано выше, поршень 30 перемещается, поскольку он контактирует с одним или более эксцентриками, проиллюстрированными на фиг. 1-4. Однако для перемещения поршня 30 могут также использоваться традиционный, т.е. обеспечивающий фиксированное смещение, кулачковый вал или другой элемент.

По мере того, как поршень 30, проиллюстрированный на фиг. 6, перемещается направо, запорный шарик 66 всасывания втягивается по направлению к поршню 30 за счет разрежения, создаваемого перемещением поршня 30. Поршень 30 также втягивает масло через входные отверстия 64 вокруг запорного шарика 66 всасывания и в насосную камеру 62. При втягивании масла в насосную камеру 62, как рассмотрено выше, выходные запорные шарики 74, проиллюстрированные на фиг. 6, не дают маслу течь через выходные отверстия 76, потому что выходные запорные шарики 74 втягиваются вовнутрь за счет поршневого всасывания и удерживаются на месте С-образной пружиной 78, проиллюстрированной на фиг. 7 смещенными по направлению к седлам.

Непосредственно справа от запорного шарика 66 находится направляющая 68 запорного шарика, которая вмещает запорный шарик 66 и может быть изготовлена из любого материала, но которая часто изготавливается из пластмассы. Направляющая 68 шарика включает в себя множество лепестков 70, т.е. выступов, которые направляют запорный шарик 66 центрально по отношению к направляющей 68 запорного шарика. Направляющая 68 шарика включает в себя также множество канавок 72, которые позволяют маслу проходить из входных отверстий 64 и в насосную камеру 62.

Как проиллюстрировано на фиг. 6, также в состав поршневого картриджа 60 входит пружина 73,

- 6 014972 которая располагается между запорным шариком 66 и направляющей 68 запорного шарика. Эта пружина 73 смещает запорный шарик 66 по направлению к входным отверстиям 64, и когда поршень 30 не создает давление всасывания, запорный шарик 66 располагается на входных отверстиях 64 и препятствует протеканию масла через них.

Когда поршень 30 перемещается налево на фиг. 6, входные отверстия 64, по меньшей мере, существенно закупориваются запорным шариком 66 всасывания. Кроме того, выходные запорные шарики 74 отодвигаются в направлении от поршня 30, и масло выталкивается через выходные отверстия 76, расположенные на боковых сторонах насосной камеры 62.

Фиг. 7 представляет собой внешний вид поршневого картриджа 60, проиллюстрированного на фиг.

6. Как проиллюстрировано на фиг. 7, канавка 92 входа масла с низким давлением направляет текучую среду к входным отверстиям 64. Кроме того, на внешней стороне поршневого картриджа 60 вокруг канавки 80 выхода масла с высоким давлением обернута С-образная пружина 78 и она простирается над выходными отверстиями 76. По существу, С-образная пружина 78 препятствует полному отходу выходных запорных шариков 74 от картриджа 60 в то время, когда поршень 30 перемещается направо на фиг. 6. Также следует отметить, что согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения на внутренней поверхности С-образной пружины 78 располагается лапка или другой выступ 57. Этот выступ 57 обычно вставлен в удерживающую бороздку 59, выполненную в канавке 80 выхода масла с высоким давлением, и предотвращает поворот С-образной пружины 78 вокруг картриджа 60.

Также на фиг. 7 проиллюстрирована снабженная резьбой область 82, которая содержит резьбу, например упорную резьбу 48, проиллюстрированную на фиг. 6, позволяющую ввинчивать картридж 60 в насос или другое устройство и, таким образом, фиксировать положение картриджа 60. Конечно, могут быть использованы и другие способы крепления, например сочленение. Ранее рассмотренная пружина 50 возврата поршня проиллюстрирована на фиг. 7 и давит на поршень 30. Эта пружина 50, если нет противодействия со стороны других сил, возвращает поршень 30 в положение на правой стороне фиг. 7. Кроме того, на фиг. 7 проиллюстрирована пара кольцевых уплотнений 86 высокого давления и отдельное кольцевое уплотнение 88 низкого давления. Пара кольцевых уплотнений 86 предназначена для того, чтобы предотвратить утечку масла из картриджа 60.

Фиг. 8 иллюстрирует полупрозрачный вид в перспективе сборочной единицы 25 кольца насоса, проиллюстрированного на фиг. 2, который включает в себя три картриджа 60, таких как картридж, проиллюстрированный на фиг. 7, и один смазочный картридж 61, который размещает в себе рассмотренный выше смазочный поршень 31. На сборочной единице 25 кольца также проиллюстрированы болтовые отверстия 63, которые позволяют пропустить болты через сборочную единицу 25 кольца для того, чтобы прикрепить сборочную единицу 25 кольца к другим компонентам рассмотренного выше насоса 10.

Когда масло качают из картриджа 60, масло течет в канавку 80 выхода масла с высоким давлением. Кроме того, следует отметить, что имеется канал 96 входа масла с низким давлением, проиллюстрированный на фиг. 8, который позволяет маслу перемещаться из резервуара 32 (см. фиг. 1) во входные канавки 92 картриджей.

Фиг. 9 иллюстрирует другой полупрозрачный вид в перспективе сборочной единицы 25 кольца насоса, проиллюстрированной на фиг. 8. После попадания в канавку 80 выхода масла с высоким давлением, проиллюстрированную на фиг. 8, масло обычно протекает через одно из выходных проходных отверстий 94, проиллюстрированных на фиг. 8, и из них к выходному отверстию 40 (см. фиг. 9) насоса 10. Это масло обычно течет через один из каналов 81, проиллюстрированных на фиг. 9. Фиг. 10 иллюстрирует вид в перспективе характерного варианта реализации насоса 10, проиллюстрированного на фиг. 1.

Одно преимущество некоторых вариантов реализации настоящего изобретения состоит в том, что рассмотренная выше геометрия минимизирует размер мертвого пространства в насосной камере 62 при поршнях 30, смещенных на полную длину хода. Другими словами, размер насосной камеры 62 минимизирован и, поскольку масло до некоторой степени сжимаемо, то тот факт, что имеется меньше масла для сжатия, максимизирует эффективность насоса 10. Устройство двух выходных отверстий 40 малыми и расположенными близко к концу ходу поршня 30 минимизирует мертвое пространство.

Еще одно преимущество некоторых вариантов реализации настоящего изобретения относится к тому факту, что снабженный резьбой тип картриджа 60 делает возможным удобное и полное удаление картриджа 60 из насоса 10. Поскольку направляющая 68 запорного шарика может быть спроектирована таким образом, чтобы быть легко удаляемой из картриджа 60, например, посредством простого открепления одной или более лапок, направляющая 68 также может быть экономически эффективно отремонтирована или заменена на другую без необходимости прерывать использование насоса на сколько бы то ни было протяженный промежуток времени.

Согласно другим вариантам реализации настоящего изобретения предусматривается способ работы поршня, такого как, например, поршневой картридж 60. Способ включает в себя введение рабочей жидкости, например масла в поршневую камеру, например насосную камеру 62. Способ также включает в себя приложение силы к рабочей жидкости в камере с использованием поршня. Этот этап можно осуществить, например, перемещая поршень 30 на фиг. 6 налево, тем самым, прилагая давление к маслу в насосной камере 62.

- 7 014972

В дополнение к вышесказанному способ также может включать в себя выпуск рабочей жидкости из множества выпускных отверстий, например отверстий 76, при этом по меньшей мере одно из выпускных отверстий остается, по существу, разблокированным поршнем, в то время как поршень прикладывает силу к рабочей жидкости. Другими словами, при осуществлении этого этапа с использованием картриджа 60, во время работы ход поршня 30 полностью не блокирует выходные отверстия 76.

Способ согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения также включает в себя, по существу, закупоривание выпускного отверстия во множестве выпускных отверстий с использованием подвижного препятствия, например выходных запорных шариков 74 при удалении поршня от выпускного отверстия. Способ может также включать в себя, по существу, окружение поршневой камеры с использованием удерживающего приспособления, например С-образной пружины 78. В таком случае способ может включать в себя использование этого удерживающего приспособления для того, чтобы предотвратить полное отделение подвижного препятствия от поршневого картриджа. Другими словами, С-образная пружина 78 может быть использована для того, чтобы удерживать выходные запорные шарики 74 от удаления от картриджа при перемещении поршня 30 налево на фиг. 6.

Способ может также содержать включение в состав поршневой камеры в качестве ее части корпуса, проиллюстрированного на фиг. 6 как позиция 98. Способ может также включать в себя создание на этом корпусе снабженного резьбой участка, например снабженного резьбой участка 82, что облегчает удаление корпуса из насоса. Другими словами, благодаря этим резьбам корпус 98 картриджа 60 может быть вывернут и заменен новым картриджем 60.

Рассмотренный выше насос 10 и картриджи 60 могут быть выполнены множеством способов. Например, фиг. 9 иллюстрирует вид в перспективе характерного осуществления насоса 10, рассмотренного выше. Далее фиг. 10 иллюстрирует другой вид в перспективе поршневого картриджа 60, проиллюстрированного на фиг. 6 и 7. Наконец, фиг. 11 иллюстрирует другой полупрозрачный вид в перспективе сборочной единицы 25 кольца насоса, проиллюстрированной на фиг. 8.

В дополнение к вышесказанному способ может также включать в себя обеспечение возможности для рабочей жидкости поступать в камеру через впускное отверстие, например отверстия 64, и, по существу, запирание впускного отверстия при перемещении поршня по направлению к впускному отверстию. Как правило, это может быть сделано с использованием запорного шарика 66 всасывания. Кроме того, способ может включать в себя частичное ограничение перемещения подвижного препятствия, которое, по существу, герметизирует впускное отверстие, с использованием выступов. Этот этап может быть осуществлен с использованием направляющей 68 запорного шарика и лепестков 70 на ней. Наконец, способ может включать в себя обеспечение возможности для рабочей жидкости протекать через каналы в подвижном препятствии, что, по существу, герметизирует впускное отверстие. Этот этап может быть осуществлен с использованием рассмотренных выше канавок 80.

Многие признаки и преимущества изобретения очевидны из подробного описания, и, таким образом, подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие признаки и преимущества изобретения, которые ограничены рамками существа изобретения. Кроме того, поскольку специалистами в данной области техники могут быть осуществлены многочисленные модификации и изменения, то нет намерения ограничивать изобретение в точности проиллюстрированными конструкцией и способом работы, и, соответственно, можно прибегнуть ко всем подходящим изменениям и эквивалентам, попадающим в рамки объема изобретения.

Claims (21)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Насос, содержащий поршень, установленный с возможностью перемещения вдоль первой оси;

   эксцентрический кулачок, расположенный на второй оси, при этом вторая ось перпендикулярна первой оси;

   приводной элемент, расположенный примыкающим к кулачку и обеспечивающий перемещение кулачка вдоль второй оси; и первый примыкающий к кулачку подшипник, расположенный между поршнем и кулачком, при этом первый примыкающий к кулачку подшипник при перемещении кулачка вдоль второй оси остается расположенным вдоль первой оси.
2. 2. Насос по п.1, в котором приводной элемент содержит комплект пружин.
3. 3. Насос по п.2, в котором комплект пружин содержит первую пружину, имеющую первую жесткость, и вторую пружину, имеющую вторую жесткость.
4. 4. Насос по п.3, в котором первая жесткость пружины и вторая жесткость пружины не равны между собой.
5. 5. Насос по п.1, в котором приводной элемент содержит штифт, обеспечивающий передачу давления к кулачку вдоль второй оси; и примыкающий к штифту подшипник, расположенный между штифтом и кулачком.
6. 6. Насос по п.1, дополнительно содержащий кулачковый вал, который, по существу, окружает уча

   - 8 014972 сток кулачка и участок приводного элемента.
7. 7. Насос по п.6, дополнительно содержащий примыкающий к кулачковому валу подшипник, который, по существу, окружает кулачковый вал.
8. 8. Насос по п.1, в котором эксцентрический кулачок включает в себя канавку, образованную на внешнем его участке, и в котором первый примыкающий к кулачку подшипник располагается в этой канавке.
9. 9. Насос по п.1, дополнительно содержащий второй примыкающий к кулачку подшипник, смещенный по кулачку от первого примыкающего к кулачку подшипника и расположенный таким образом, чтобы при вращении кулачка вокруг второй оси первый примыкающий к кулачку подшипник и второй примыкающий к кулачку подшипник перемещались со сдвигом по фазе 180° друг с другом.
10. 10. Насос по п.9, дополнительно содержащий третий примыкающий к кулачку подшипник, смещенный по кулачку как от первого примыкающего к кулачку подшипника, так и от второго примыкающего к кулачку подшипника и, кроме того, расположенный для балансировки насоса таким образом, чтобы при вращении кулачка вокруг второй оси первый примыкающий к кулачку подшипник, второй примыкающий к кулачку подшипник и третий примыкающий к кулачку подшипник перемещались со сдвигом по фазе друг с другом.
11. 11. Насос по п.1, дополнительно содержащий направляющую подшипника, расположенную примыкающей к первому примыкающему к кулачку подшипнику и имеющую такую конфигурацию, чтобы минимизировать поперечное движение первого примыкающего к кулачку подшипника по отношению к поршню.
12. 12. Насос по п.1, дополнительно содержащий смазочный поршень, расположенный примыкающим к кулачку и имеющий такую конфигурацию, чтобы обеспечивать проход к кулачку для смазочной жидкости.
13. 13. Насос по п.12, дополнительно содержащий второй примыкающий к кулачку подшипник, расположенный между смазочным поршнем и кулачком, при этом второй примыкающий к кулачку подшипник при перемещении кулачка вдоль второй оси остается расположенным, по существу, вдоль первой оси.
14. 14. Способ работы насоса, причем способ содержит этапы, на которых насос работает на первом уровне давления и на первом уровне выходной мощности;

    осуществляется переход от первого уровня давления, на котором работает насос, ко второму уровню давления, который выше приблизительно 40 МПа; и поддерживают, по существу, первый уровень выходной мощности, когда насос переходит от работы на первом уровне давления к работе на втором уровне давления.
15. 15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этапы, на которых осуществляется переход от второго уровня давления, на котором работает насос, к третьему уровню давления, который выше приблизительно 70 МПа; и поддерживают, по существу, первый уровень выходной мощности, когда насос переходит от работы на втором уровне давления к работе на третьем уровне давления.
16. 16. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором минимизируют вибрации в насосе посредством снабжения уравновешивающими механизмами вытеснения текучей среды, расположенными вокруг кулачка, который имеет такую конфигурацию, чтобы приводить в действие эти механизмы вытеснения текучей среды.
17. 17. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором минимизируют плечи вращающего момента в насосе посредством установки упорного подшипникового узла между кулачком в насосе и приводным элементом, который регулирует положение кулачка во время работы насоса.
18. 18. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором минимизируют плечи вращающего момента в насосе посредством установки шарика между кулачком в насосе и приводным элементом, который регулирует положение кулачка во время работы насоса.
19. 19. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором выбирают первый уровень выходной мощности таким образом, чтобы он, по существу, совпадал с уровнем мощности двигателя, который приводит в действие насос.
20. 20. Насос, содержащий средство поступательного перемещения для перемещения вдоль первой оси;

    вращательное средство для вращения вокруг второй оси, при этом вторая ось перпендикулярна первой оси;

    приводное средство для перемещения вращательного средства вдоль второй оси и средство качения для качения по наружной поверхности вращательного средства, при этом средство качения располагается между средством поступательного перемещения и вращательным средством, и при этом средство качения при перемещении вращательного средства вдоль второй оси остается расположенным вдоль первой оси.
21. 21. Способ работы насоса, содержащий этапы, на которых вращают имеющий эксцентрическую форму кулачок вокруг оси;

    осуществляют поступательное перемещение кулачка вдоль этой оси;

    - 9 014972 сохраняют положение вдоль этой оси подшипника, который примыкает к кулачку при поступательном перемещении кулачка;

    при вращении кулачка подшипником перемещают поршень, расположенный примыкающим к подшипнику; и при поступательном перемещении кулачка вдоль этой оси поддерживают, по существу, постоянный уровень выходной мощности насоса.