ВОДЯНОЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F04B1/04 

Изобретение относится к водяному насосу высокого давления.

Из авт. св. 1678217 известен водяной насос высокого давления, содержащий цилиндрический корпус с головкой, с установленными в нем втулкой и поршневой группой, включающей поршень с опорным башмаком, установленным с возможностью взаимодействия с направляющими башмаками, связанным с кулачком приводного вала, установленного на подшипниках в картере, управляемые клапаны с запорными элементами, при этом рабочая камера образована между втулкой, головкой и поршнем, установленным во втулке с зазором, ширина которого определяется скользящей посадкой поршня во втулке цилиндра в допустимом диапазоне температур. Стенки корпуса и крышки ограничивают камеру для размещения приводного механизма, заполненную смазочной жидкостью.

С одной стороны, насос высокого давления охлаждается прокачиваемой водой. С другой стороны, подаваемая вода несет также смазочное средство. Свободные поверхности скольжения при работе непрерывно смачиваются этой смазкой. Содержание смазки в перекачиваемой воде составляет 5 или менее процентов.

Практика показала, что поршень и металлическая втулка цилиндра должны иметь некоторое минимальное количество смазки для работы. С уменьшением содержания смазки возрастает температура втулки цилиндра и поршня вследствие повышенного трения и несмотря на упомянутое выше охлаждение водой. С повышением трения повышается износ материала поршня и/или втулки, что все более затрудняет работу водяного насоса высокого давления.

Практика показала, что известные водяные насосы высокого давления без добавления смазки к воде через сравнительно короткое время по этим причинам отказывают. Применяемые добавки смазывающего средства, однако, являются вредными для окружающей среды, если подаваемую воду нельзя использовать в замкнутом контуре циркуляции. В большинстве случаев применения водяных насосов высокого давления циркуляция воды в замкнутом контуре невозможна, или по меньшей мере очень сложна и дорога. А смазочные добавки из экологических соображений нежелательны, хотя технологически до сих пор были необходимы.

В основу изобретения положена задача создать водяной насос высокого давления, который обеспечивал бы надежную и продолжительную работу без смазочных добавок в подаваемой жидкости.

Данная задача решается за счет того, что в водяном насосе описанного выше типа согласно изобретению втулка цилиндра выполнена из высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфир-эфиркетона, при этом зазор между втулкой и поршнем образует охлаждающую полость и имеет величину, обеспечивающую при определенном перепаде давления температуру втулки не более 100^оС.

На фиг. 1 - разрез водяного насоса высокого давления по изобретению; на фиг. 2 - часть разреза по фиг. 1 в увеличенном масштабе.

В изображенном водяном насосе высокого давления представлен радиальный (звездообразный) насос высокого давления, причем остальные поршни расположены по радиусам вокруг кулачкового вала и в той же плоскости, что и изображенный цилиндр.

Остальные поршни выступают из плоскости эскиза и поэтому не изображены для ясности.

Насос содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с головкой 2 с установленной в нем втулкой 3, выполненной из высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона, и поршневой группой, включающей поршень 4 из металла с опорным башмаком 5, установленный с возможностью взаимодействия с направляющим башмаком 6, связанным с кулачком 7 приводного вала 8, установленного в картере 9 на подшипниках 10 скольжения. Направляющий башмак 6 состоит из материала группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. В области головки 2 цилиндра 1 находится всасывающий клапан 11 и нагнетательный клапан 12, которые открываются под действием давления.

Нагнетательный клапан 12 имеет запорный орган 13, который также состоит из материала группы высокопрочной и термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона.

Привод насоса подсоединяется к хвостовику 14 приводного вала 8. Поршень 4 поджат пружиной 15 в сторону нижней мертвой точки.

Между поршнем 4 и втулкой 3 оставлен зазор 16 для охлаждения, который образует охлаждающую полость, имеет ширину d и длину L и обеспечивает при определенном перепаде давления температуру втулки не более 100^оС.

Насос содержит входное отверстие 17 и выходное 18.

Рабочая камера 19 образована между втулкой 3, головкой 2 и поршнем 4. Поршень 4 так же как и кулачковый вал 8 имеют каналы 20 для охлаждения.

В такте всасывания поршень 4 движется в направлении к нижней мертвой точке, причем подаваемая вода через входное отверстие 17, картер 9 и всасывающий клапан 11 подается в рабочую камеру 19. Нагнетательный клапан при этом закрыт. В такте нагнетания поршень 4 движется в направлении верхней мертвой точки, и вода в камере 19 сжимается, при этом клапан 11 закрывается. Как только давление в камере 19 достигает верхнего порогового значения, нагнетательный клапан 12 открывается и подаваемая вода под высоким давлением выходит через отверстие 18.

Для втулки цилиндра может быть использован материал из группы высокопрочных термопластичных материалов на основе полиэфирэфиркетона без наполнителя. При благоприятной форме исполнения для втулки цилиндра можно использовать материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона с наполнителем в виде углеродных волокон. Углеродные волокна усиливают материал в структурном смысле и улучшают механические свойства. Также и теплопроводность улучшается углеродными волокнами, так что можно уменьшить частичный поток охлаждающей воды через зазор.

Углеродные волокна имеют микроструктуру графита. Графит, хотя он и является твердым телом, обладает одновременно смазочными свойствами, в чем заключается особое преимущество этой формы исполнения. В еще одной форме исполнения для втулки цилиндра применен материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона, который содержит в качестве наполнителя политетрафторэтилен.

Тефлон, как известно, также является материалом с одновременно смазочными свойствами. Еще одна предпочтительная форма исполнения изобретения состоит в том, что для втулки цилиндра применен материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона с наполнителем из углеродных волокон и политетрафторэтилена. В двух других формах исполнения для втулки цилиндра применен материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона, который в качестве наполнителя имеет стекловолокна или минералы. Во всех формах исполнения материалы из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона имеют изотропную микроструктуру.

Выгодное исполнение изобретения отличается тем, что материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона имеет твердость по меньшей мере 110 по шкале "М" Роквелла. Высокая твердость обеспечивает, как правило, малую скорость износа и хорошее сохранение размеров втулки цилиндра при длительной работе. Далее выгодно, если материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона имеет теплопроводность по меньшей мере 0,80 Вт/мК. Высокая теплопроводность втулки цилиндра позволяет иметь меньший частичный поток охладительной среды через зазор без превышения максимальной температуры 100^оС при длительной работе.

Выгоду дает, если шероховатость поверхности втулки цилиндра (глубина шероховатости) R_t менее 2,5 мкм и R_z более 1,5 мкм. Глубина шероховатости R_z определена как средняя величина отдельных измерений глубины шероховатости пяти последовательных отдельных участков измерения. Малая глубина шероховатости дает меньшее трение и в результате - меньшее выделение тепла. Однако имеется минимальная глубина шероховатости, ниже которой опускаться не следует. Если обеспечивается минимальная глубина шероховатости, то имеются углубления в поверхности, в которых вода образует более или менее устойчивые подушки, что способствует смазочному действию воды.

Особо простая и дешевая в изготовлении форма исполнения водяного насоса высокого давления по изобретению отличается тем, что втулка цилиндра вклеена в цилиндр.

Оптимальные условия работы и особо большой срок службы водяного насоса высокого давления обеспечиваются, если охлаждающий зазор при комнатной температуре имеет отношение толщины к длине в диапазоне 0,0005-0,0007. Далее выгодно, если охлаждающий зазор в такое сжатие пропускает частичный поток воды в объемном отношении 0,0002-0,0003% от объема всасываемого общего потока. Водяной насос высокого давления по изобретению может иметь направляющий башмак поршня из материала группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. Также запорные элементы клапанов могут использовать материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона.

Вследствие высоких нагрузок и больших оборотов кулачкового вала желательно его вращение в подшипниках скольжения. Обоймы их могут быть в виде полувтулок или сплошных втулок, однако в рамках изобретения могут быть также втулки подшипников скольжения, состоящие из многих частей. Одна форма исполнения водяного насоса высокого давления по изобретению отличается тем, что для обойм подшипников скольжения используется материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. Материал, который по вышеизложенным формам исполнения используется для направляющего башмака поршня и/или запорных элементов клапанов и/или обойм подшипников, может иметь наполнители указанного рода.

Водяной насос высокого давления по изобретению может иметь несколько цилиндров в рядном исполнении. Но цилиндры могут также быть расположены в одной плоскости радиально или вдоль оси. Другие расположения, а также исполнение с одним единственным цилиндром также находятся в рамках изобретения.

При применении в подземных разработках полезных ископаемых можно использовать практически чистую воду, без повреждений насоса в течение длительной работы. Опасность, что вредные вещества загрязнят природу, как, например, использовавшиеся до сих пор смазочные добавки к воде, и загрязнения просочатся в подземные разработки и далее - в почвенные воды, значительно снижается.

При применении насоса высокого давления в очистке деталей струей под высоким давлением преимуществом является, что меньше нагрузка на предписанные очистные устройства. Там выделяются лишь загрязнения, которые смыты с очищаемых деталей. Насос высокого давления по изобретению может применяться также в области науки, например в качестве напорного насоса при жидкостной хроматографии высокого давления.

Сущность изобретения: в цилиндрическом корпусе с головкой установлены втулка и поршневая группа. Группа содержит поршень с опорным башмаком, установленный с возможностью взаимодействия с направляющим башмаком, связанным с кулачком приводного вала. Вал установлен на подшипниках в картере. Рабочая камера образована между втулкой, головкой и поршнем, установленным во втулке с зазором. Втулка выполнена из высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона. Зазор между втулкой и поршнем образует охлаждающую полость и имеет величину, обеспечивающую при определенном перепаде давления температуру втулки не более 100С. 19 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ВОДЯНОЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с головкой с установленными в нем втулкой и поршневой группой, включающей поршень с опорным башмаком, установленный с возможностью взаимодействия с направляющим башмаком, связанным с кулачком приводного вала, установленного на подшипниках в картере, управляемые клапаны с запорными элементами, при этом рабочая камера образована между втулкой, головкой и поршнем, установленным во втулке с зазором, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона, при этом зазор между втулкой и поршнем образует охлаждающую полость и имеет величину, обеспечивающую при определенном перепаде давления температуру втулки не более 100^oС. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона без наполнителей. 3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона с наполнителем из углеродных волокон. 4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона с политетрафторэтиленом в качестве наполнителя. 5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона с углеродистыми волокнами и политетрафторэтиленом в качестве наполнителя. 6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона с наполнителем из стекловолокна. 7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка цилиндра выполнена из материала группы высокопрочной термопластичной пластмассы на основе полиэфирэфиркетона с минеральным наполнителем. 8. Насос по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона имеет твердость по меньшей мере 110 по шкале "М" Роквелла. 9. Насос по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что материал из группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона имеет теплопроводность по меньшей мере 0,80 Вт/мкм. 10. Насос по пп. 1 - 9, отличающийся тем, что втулка цилиндра имеет глубину шероховатости R менее 2,5 и более 1,5 мкм. 11. Насос по пп. 1 - 10, отличающийся тем, что втулка цилиндра вклеена в цилиндрический корпус. 12. Насос по пп. 1 - 11, отличающийся тем, что отношение величины зазора к его длине находится в диапазоне от 0,0005 до 0,0007. 13. Насос по пп. 1 - 12, отличающийся тем, что зазор, образующий охлаждающую полость, выполнен величиной, обеспечивающей в такте подачи прохождение охлаждающей среды, имеющей величину объема, составляющую 0,0002 - 0,0003% общего объема всасываемой жидкости. 14. Насос по пп. 1 - 13, отличающийся тем, что направляющий башмак поршня выполнен из материала группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. 15. Насос по пп. 1 - 14, отличающийся тем, что запорные элементы клапанов выполнены из материала группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. 16. Насос по пп. 1 - 15, отличающийся тем, что кулачковый вал установлен в подшипниках скольжения. 17. Насос по п. 16, отличающийся тем, что обоймы подшипников скольжения выполнены из материала группы высокопрочных термопластичных пластмасс на основе полиэфирэфиркетона. 18. Насос по пп. 1 - 17, отличающийся тем, что установлено несколько цилиндров в ряд. 19. Насос по пп. 1 - 18, отличающийся тем, что несколько цилиндров расположены в одной плоскости радиально. 20. Насос по пп. 1 - 18, отличающийся тем, что несколько цилиндров расположены вдоль оси.