ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЙ НАСОС ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ДОЗИРОВКИ ОБЪЕМА НЕВУЛКАНИЗИРОВАННОГО КАУЧУКА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК B29B15/02 

Изобретение касается создания устройства для перекачки с помощью насоса заданного объема вещества, в частности пастообразного, такого как невулканизированный каучук.

Изготовление продуктов из каучука требует на многих стадиях этого процесса осуществления количественной дозировки невулканизированного каучука.

Например, в момент изготовления смесей обычно прибегают к взвешиванию. Для применения продуктов из каучука для получения заготовки пневматической шины в известном устройстве, предложено использовать совокупность цилиндр-поршень для получения объемной навески благодаря строго определенному объему, освобождаемому поршнем, действующим как орган экструзии. Однако этот процесс является прерывистым, так как при опустошении цилиндра необходимо его снова наполнить, чтобы иметь возможность осуществить получение новой навески.

Использование экструзионных машин шнекового типа позволяет сделать непрерывным процесс перехода первичных материалов в экструдированные. Однако шнековые экструзионные машины не являются волюметрическими, по крайней мере недостаточно волюметрическими во время фаз разгона и останова. Шнековые экструзионные машины позволяют экструдировать заданный объем материала только при строго определенном режиме работы: при стабилизированной температуре, отсутствии потерь нагрузки на выходе экструдера. Кроме того, в случае использования экструзионных машин шнекового типа, в том случае, когда переходят от одной смеси к другой, имеющей отличные физические характеристики, например другие клеющие свойства, экструдированный расход для одной и той же скорости вращения шнека будет другим. Необходимым условием, при котором экструдер или насос могли бы быть квалифицированы как волюметрические, является зависимость экструдированного расхода только от управляющего параметра (например, скорости вращения входного вала) и независимость от физических характеристик экструдированного материала.

Целью изобретения является осуществление непрерывности работы насоса, который остается волюметрическим во время фазы разгона и останова, вне зависимости от экструдированного объема, и который может быть использован даже для обработки тяжелых материалов, таких как пастообразные, высокоэластичные или пластичные, такие как невулканизированный каучук.

Поставленная цель достигается тем, что в насосе, содержащем расположенный в корпусе с впускным люком и выходным отверстием цилиндр, и возвратно-поступательно перемещаемый поршень, приводимый в движение от входного вала, цилиндр с поршнем размещены соосно в корпусе с образованием зазора, в котором дополнительно установлено средство для питания цилиндра, а цилиндр снабжен впускным отверстием для прохода материала из зазора и выходным отверстием с антивозвратным устройством.

Причем, средство для питания выполнено в виде вращающего шнека, расположенного в корпусе между впускным люком и выходным отверстием; антивозвратное устройство выполнено в виде шарика, взаимодействующего с седлом, установленным в выходном отверстии цилиндров.

По другому варианту волюметрический насос, содержащий расположенный в корпусе поступательно перемещаемый поршень, приводимый в движение от входного вала и антивозвратное устройство, снабжен по меньшей мере вторым цилиндром с возвратно-перемещаемым поршнем, связанной с входным валом кулачковой системой для осуществления перемещения поршней и средством для питания цилиндров.

Причем, средство для питания выполнено в виде вращающегося шнека, расположенного в корпусе между впускным люком и выходным отверстием; насос снабжен камерой переменного объема, расположенной на выходе из цилиндров перед впускным отверстием, кулачковая система выполнена в виде одного кулачка, а кулачок выполнен цилиндрическим двойного действия, ось вращения которого параллельна оси поршней; насос снабжен роликами, а кулачок имеет две дорожки, взаимодействующие с роликами, одни из которых размещены по оси поршней в направляющих вилках, а оси других смещены относительно осей поршней; антивозвратное устройство выполнено в виде шарика, взаимодействующего с седлом, установленным в выходном отверстии цилиндров.

На фиг. 1-7 представлены различные варианты изобретения, в которых каждый раз насос спроектирован, как индивидуальный орган, приводимый в движение единственным входным валом, имеющим возможность манипуляции с помощью робота, содержащего трансмиссию, которая может быть подключена к входному валу.

На фиг. 1 представлен волюметрический насос; на фиг. 2 - то т же насос, содержащий дополнительное устройство компенсации пульсаций; на фиг. 3 - волюметрический насос с многими поршнями, (сечение IV-IV на фиг. 6); на фиг. 4 - сечение по V-V на фиг. 5; на фиг. 5 - сечение по VI-VI на фиг. 3; на фиг. 6 и 7 иллюстрируется управление основными движениями насоса.

На фиг. 1 и 2 показаны в корпусе 1 выталкивающий поршень 2, который скользит в цилиндре 3. Выталкивающий поршень 2 изображен в верхней мертвой точке своего хода. В этом положении четыре окна 4, выполненные в стенке цилиндра 3, закрыты выталкивающим поршнем 2, так как они расположены между верхней и нижней мертвыми точками хода поршня. Камера 5 частично опоясывает цилиндр 3. В указанной камере вращается шнек 6 наполнения, ось вращения которого совпадает с осью цилиндра 3, шнек осуществляет передачу материала к окнам 4, которые в свою очередь расположены на конце камеры 5.

Благодаря наполнению через окна 4, расположенные в боковой стенке цилиндра 3, можно осуществлять эффективную доставку какого-либо материала, в особенности невулканизированного каучука, внутрь цилиндра, так как подобное построение позволяет иметь большое проходное сечение и минимум потерь нагрузки. Непрерывность стенки цилиндра 3 обеспечивается несколькими узкими секторами 7, необходимыми для задания направления движения поршня 2 в цилиндре 3. Преимущественно, размер окон 4 в осевом направлении (в направлении движения поршня в цилиндре) оптимизирован для обеспечения волюметрического характера насоса при полном заполнении цилиндра 3 (окна возможно большего размера в осевом направлении) и для достижения максимального расхода в заданном режиме (окна возможно меньшие в осевом направлении). Поскольку камера 5 окружает со всех сторон цилиндр 3, наполнение объема цилиндра осуществляется по всей его периферии и происходит очень быстро.

С другой стороны камеры 5 предусмотрен люк питания 8, выполненный в наружной в радиальном направлении стенке корпуса 1. Достаточно ввести ленту невулканизированного каучука в люк питания 8 и затем с помощью вращения питающего шнека 6, получить автоматически необходимую навеску каучука. Могут быть также предусмотрены и другие формы снабжения сырым каучуком, при этом не требуется никаких объемных (волюметрических) уточнений на этом этапе. За счет концентрического расположения питающего шнека 6 относительно цилиндра 3 осуществляется хорошее конечное расположение материала вокруг цилиндра 3 при ограниченных размерах конструкции.

Крышка 9 закрывает цилиндр 3 со стороны верхней мертвой точки поршня 2. Она содержит выпускное отверстие 10, снабженное антивозвратным устройством. В данном случае это шарик 11, перемещение которого ограничено упором. Этот шарик 11 освобождает отверстие 10 под действием давления, передаваемого каучука выталкивающим поршнем 2, и закрывает отверстие 10 под действием контрдавления. Подобный насос позволяет реализовать в точности волюметрическую дозировку пастообразного продукта, такого как каучук в невулканизированной стадии.

Можно предусмотреть возврат шарика 11 на его седло помощью пружины, для закрывания отверстия 10, вне зависимости от условий противодавления, имеющих на выходе из отверстия 10. Можно также предусмотреть противовозвратного устройства, такого как клапан, управляемый синхронно с движением поршня 2 с целью быстрого открывания в момент перекрытия окон 4 выталкивающим поршнем 2 и закрывания отверстия 10 при достижении поршнем своей верхней мертвой точки.

Кинематическая цепь содержит входной вал 12, первое зубчатое зацепление 13, управляющее вращением шнека 6, затем второе зубчатое зацепление 14, управляющее через кривошипно-шатунный механизм 15 переменным движением тяги 16, являющейся расположением выталкивающего поршня 2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Невулканизированный каучук поступает через окна 4 в корпусе 1 насоса. Заполнение цилиндра 3 осуществляется очень быстро. С помощью шнека каучук перемещается в зазоре между корпусом 1 и цилиндром 3, через окна 4 и далее через выпускное отверстие 10, расположенное в крышке 9 цилиндра 3. Поршень 2 перемещается в цилиндре 3 и выталкивает дозировку пастообразного продукта через отверстие 10, в котором расположено антивозвратное устройство в виде шарика 11.

Расход описанного насоса является пульсирующим, а это означает, что при данной скорости вращения, приданной входному валу 12, средний расход является постоянным, в то время как мгновенный расход внутри цикла движения выталкивающего поршня 2 является изменяющимся. Для тех областей применения, в которых необходимо избегать пульсаций, необходимо добавить к описанному устройству камеру переменного объема, способствующую компенсации пульсации, расположенную на выходе антивозвратного устройства и на входе выходного отверстия. Вариация объема этой камеры должна позволить поглощать часть экструдированного поршнем объема во время полезной части его хода, и сохранять расход через выходное отверстие во время остальной части цикла насоса, восстанавливая поглощаемый объем во время закрывания антивозвратным устройством выходного отверстия цилиндра.

Указанную роль выполняет дополнительное устройство, показанное на фиг. 2. Можно видеть на чертеже камеру 17 переменного объема, расположенную между выпускным отверстием 10 и выходным отверстием 18. Объем, который следует поглотить во время хода выталкивающего поршня 2 между точкой, в которой он закрывает окна 4 и верхней мертвой точкой должен соответствовать объему цилиндра, очищаемому компенсирующим поршнем 19. Головка 20 компенсирующего поршня 19 образует часть камеры 17.

На фиг. 2 позицией 21 обозначена регулируемая часть объема камеры 5, т. е. объема, заключенного между головкой 20 компенсирующего поршня 19 в рассматриваемой точке цикла и головкой 20 поршня компенсации 19, когда он находится в своей верхней мертвой точке. Движение компенсирующего поршня 19 координировано с движением выталкивающего поршня таким образом, чтобы сделать постоянным расход через выходное отверстие 18.

Все движения осуществляются от одного и того же входного вала 12. Можно видеть, что коленчатый вал 22 системы кривошипно-шатунного механизма 15, управляющий движением выталкивающего поршня 2, осуществляет также синхронное вращение кулачка 23, который управляет перемещением компенсирующего поршня 19, причем возврат этого компенсирующего поршня 19 осуществляется за счет противодавления, имеющегося в камере 17.

Профиль кулачка определен таким образом, что в каждый момент объемы, образуемые перемещением выталкивающего поршня 2 и компенсирующего поршня 19, которые алгебраически складываются, обеспечивают постоянный расход через выходное отверстие 18. При этом складывании действие выталкивающего поршня 2 не принимается в расчет, за исключением его полезного перемещения между точкой закрытия окон 4 и верхней мертвой точкой, и должно считаться нулевым во время остальной части цикла. Указанный постоянный расход может быть очень просто определен при раскладывании на весь цикл желательного объема материала, который следует экструдировать выталкивающим поршнем 2, когда он функционирует без учета влияния компенсирующего поршня 19.

Так как движением поршня 2 управляет кривошипно-шатунный механизм, линейная скорость поршня близка к своему максимуму в тот момент, когда выталкивающий поршень 2 перекрывает окна 4, когда освобождается выходное отверстие 10. Таким образом, при наличии компенсации возникает резкая инверсия движения компенсирующего поршня 19, причем скорость возврата максимальна сразу же после инверсии движения.

Изготовленный описанным образом насос может быть очень компактным: он легко может быть приспособлен для роботизированной загрузки каучуком для изготовления заготовок пневматических шин, причем термин "заготовка" обозначает пневматическую шину в ходе ее изготовления, неважно в какой стадии до вулканизации. В изобретении предусматривается также использование способа изготовления пневматических шин, при котором невулканизированный каучук накладывается на заготовку с помощью описанного выше насоса.

Чтобы избежать необходимость в резкой компенсации, можно управлять как движением выталкивающего, так и компенсирующего, поршней с помощью кулачков соответствующего профиля. Можно также питать множество поршней с помощью одного шнека 6. Это позволяет увеличить возможный расход насоса при сохранении его других характеристик, что приводит к уменьшению прерывания потока каучука в камере 5, при котором может происходить повышенное нагревание каучука при непрерывном вращении питающего шнека.

Таким образом, когда рассмотренное решение не позволяет осуществить управление с помощью кривошипно-шатунного механизма, можно использовать волюметрический насос, имеющий впускной люк материала и выходное отверстие, приводимый в движение единственным входным валом, содержащим по меньшей мере один выталкивающий поршень, скользящий в цилиндре и совершающий возвратно-поступательное движение между своей верхней и нижней мертвыми точками, причем стенка цилиндра содержит впускное отверстие материала, имеющее возможность перекрывания при выталкивании, и выпускное отверстие, снабженное антивозвратным устройством, причем указанный насос имеет средство для его заполнения через входные отверстия, причем экструдированный за один цикл объем является функцией очищаемого каждым поршнем объема между моментом его движения, когда закрывается впускное отверстие, и верхней мертвой точкой его движения, движение каждого поршня создается за счет системы кулачков, дорожка или дорожки которых выполнены таким образом, что расход проходящего через выходное отверстие материала постоянен для постоянной скорости входного вала.

На фиг. 3 показан вариант выполнения насоса, содержащего два выталкивающих поршня 2, движение которых управляется с помощью одного и того же единственного кулачка 23. В описании "кулачком" именуют любой механический элемент, позволяющий осуществить периодическое прямолинейное движение или же периодическое угловое движение с помощью кругового движения.

Входной вал имеет непосредственную связь с питающим шнеком 6, расположенным внутри камеры 5, имеющий питание 8. Питающий шнек 6 обеспечивает передачу материала к концу 24 камеры 5, откуда он через окна 4 поступает в цилиндры 3. Эти окна 4 выполнены по всей окружности цилиндра 3 для облегчения его хорошего наполнения.

Наполнение каждого цилиндра 3 осуществляется при опущенном поршне 2, как это объяснено ранее. Точный экструдируемый объем определяется объемом цилиндра 3 в тот момент, когда поршень 2 закрывает заполнения 4. Со стороны верхней мертвой точки расположено в отверстии 10 цилиндра 3 антивозвратное устройство, которое в данном случае образовано шариком 11, движения которого будут объяснены в последующем.

Движение всех поршней управляется одним кулачком 23. Этот кулачок 23 является цилиндрическим двойного действия. Он приводится во вращение со скоростью, в 4 раза превышающей скорость вращения входного вала 12 за счет эпициклоидной передачи 24. Входной вал объединен с валом 25 промежуточных шестерен, имеющих две цапфы 26. Промежуточные шестерни 27 установлены на этих цапфах с помощью игольчатых подшипников 28.

Зубцы промежуточных шестерен 27 находятся в зацеплении с внешним венчиком 29 и с внутренним венчиком 30. Внутренний венчик 30 закреплен на кулачке 23. Опора кулачка 23 осуществляется через подшипники на вал 12 и на внутреннюю часть корпуса насоса.

Движение перемещения поршней 2 параллельно оси вращения кулачка 23. Движение перемещения каждого выталкивающего поршня 2 из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке управляется с помощью ролика 31, находящегося в контакте с первой дорожкой качения 32 кулачка 23. Этот первый ролик 31 стоит в вилке между двумя фланцами 33, расположенными с одной и другой сторон от ролика 31. Кроме того, этот первый ролик 31 расположен по оси поршня 2, которым он управляет. За счет закрепления в вилке исключается ошибочное положение ролика 31. Таким же образом поршень 2 и, особенно, тяга 16, которая является его продолжением вниз и связывает его с роликом 31, не подвержены воздействию изгиба, что является важным, если учесть повышенные усилия, вызываемые давлением выталкивания, которые могут быть весьма значительными.

Движение возврата из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке осуществляется при слабом противодействии. Управление этим движением осуществляется с помощью второго ролика 34, имеющего значительно меньшие размеры, чем первый. Этот ролик 34 смонтирован на оси консольно относительно поршня 2 и находится в контакте со второй дорожкой 35 кулачка 23. На фиг. 6 и 7 представлена развертка кулачка 23 для лучшего объяснения принципа его построения. По оси абсцисс отложены углы. Полный оборот соответствует вращению на 2π радиан. N представляет собой число выталкивающих поршней 2. Необходимо иметь роликов или совокупностей роликов 31 и 34, обеспечивающих управление каждым выталкивающим поршнем 2, которые разделены дугой 2π /N радиан. По оси ординат представлено перемещение в направлении по оси каждого выталкивающего поршня 2. Высота Н изображает полезный ход каждого поршня, т.е. ход между перекрытием окон 3 и верхней мертвой точкой.

Дорожка 32 имеет постоянный наклон на дуге 2π/N-R, где R - угол перекрытия между двумя поршнями, соответствующий времени, в течение которого производят замедление выталкивающего поршня, приходящего в свою верхнюю мертвую точку, и в течение которого необходимо произвести ускорение следующего выталкивающего поршня для обеспечения постоянства расхода. Вне этих периодов перекрытия один из этих выталкивающих поршней 2 приводится в регулярное движение перемещения с постоянной скоростью за счет вращения с постоянной скоростью входного вала 12. Таким образом, наклон дорожки 32 соответствует 2π /N и является постоянным. На входе и выходе участка 2π/N имеются участки с нулевым наклоном длительностью R, позволяющие осуществлять останов в верхней мертвой точке и скоординированный пуск следующего выталкивающего поршня (таким образом, дорожка 32 имеет форму, соответствующую тому, чтобы сумма соответствующих перемещений каждого из роликов 31 обеспечивала постоянство расхода). Остальная часть дорожки 32 такова, что каждый поршень может переходить из верхней в нижнюю мертвую точку, а затем перемещаться до перекрытия окон 4, причем осуществлено плавное согласование участков для осуществления движения без толчков.

Второй ролик 34 взаимодействует с дорожкой 35, выполненной таким образом, что осуществляется управление с двойным эффектом: каждый из роликов 31 и 34 каждого поршня находится в постоянном контакте со своей дорожкой. Возможно также вырезать вилку, удерживающую ролик 31, чтобы позволить последнему контактировать с боковой стороной дорожки, обеспечивающей возврат поршня к нижней мертвой точке, реализуя таким образом управление двойного действия с помощью единственного кулачка.

Каждая тяга 16 проходит в полом пространстве 36 (см. фиг. 3), имеющемся в корпусе насоса. Роль того полого пространства заключается в сборе возможных небольших утечек каучука между поршнем - 2 и цилиндром 3, что позволяет избежать нежелательной аккумуляции каучука в нежелательном месте, например на уровне трансмиссии. Эти утечки при любом состоянии являются совершенно пренебрежимыми с точки зрения волюметрии насоса, волюметрическая точность которого достигает 0,3% , однако, их следует принимать во внимание из-за аспекта поддержания хорошего состояния насоса, который должен функционировать многие десятки тысяч часов без риска аварии.

Антивозвратное устройство, помещенное на выходе из цилиндров, в данном случае представлено шариком 11, взаимодействующим с гнездом 37, выполненным в выпускном отверстии 10 с внешней стороны цилиндра 3. Каждый шарик 11 находится в контакте с удлинителем 38. Два удлинителя 38 находятся в контакте с одним и тем же коромыслом 39 (см. фиг. 4), которое прижимает один из шариков к его основанию 37, в то время, как другой шарик освобождает отверстие 10, и наоборот. Коромысло 39 в свою очередь управляется двумя толкателями 40, каждый из которых приводится в действие с помощью ролика 41. Ролики 41 раздвинуты на 180^о и взаимодействуют с одной дорожкой 42, выполненной на кулачке 23, чтобы позволить осуществлять движение шарика 11 синхронно относительно движения соответствующего выталкивающего поршня. Наличие двух толкателей необходимо для осуществления управления двойного действия при наличии одной дорожки 42, хорошо просматриваемой на фиг. 3. На фиг. 7 изображение находится в фазе с фиг. 6, который выполнен для частного случая при N=2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Дозируемый материал поступает через люк питания 8. С помощью шнека 6 материал перемещается к окнам 4, откуда он попадает в цилиндры 3. Наполнение цилиндров осуществляется при опущенном поршне 2. Движение двух выталкивающих поршней 2 координируется таким образом, чтобы сделать постоянным расход через выходное отверстие 18, расположенное на выходе из камеры 17, в которую поступает материал, выдаваемый каждым цилиндром 3. Движение всех поршней управляется одним кулачком 23 двойного действия.

Использование: при изготовлении продуктов из каучука, например пневматических шин, в качестве устройства для количественной дозировки. Сущность изобретения: в водометрическом насосе, содержащем расположенный в корпусе с впускным люком и выходным отверстием цилиндр и возвратно-поступательно перемещаемый поршень, приводимый в движение от входного вала, цилиндр с поршнем размещены соосно в корпусе насоса с образованием зазора, в котором дополнительно установлено средство для питания цилиндра, а цилиндр снабжен впускным отверстием для прохода материала из зазора и выходным отверстием с антивозвратным устройством. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЙ НАСОС ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ДОЗИРОВКИ ОБЪЕМА НЕВУЛКАНИЗИРОВАННОГО КАУЧУКА (ЕГО ВАРИАНТЫ).