НАСОСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2003 года по МПК F04B9/02 

Настоящее изобретение относится к системам высокого давления, в частности к системам высокого давления, имеющим плунжерный насос, предназначенный для создания высокого и точно регулируемого по величине давления жидкости.

Принципиально возможно создание в жидкости давления высокой величины с любой требуемой точностью, поскольку в жидкости, к которой приложено усилие сжатия, возникает сила противодействия, прямо пропорциональная приложенному усилию. При этом может быть определен объем сжатой жидкости с помощью измерений взаимного положения измерительного цилиндра и плунжера насоса и введения расчетных поправок на изменение действительного объема камеры измерительного цилиндра и плунжера насоса в зависимости от приложенного давления.

Известен насос для подачи жидкости при постоянном давлении, используемый в жидкостном хроматографе [US 3847507]. Насос имеет корпус, на котором установлен электродвигатель, приводящий во вращение плунжер через понижающую зубчатую передачу. Плунжер представляет собой винт, который взаимодействует с фиксированно установленной на нем ведущей гайкой. Ведущая гайка совершает возвратно-поступательные перемещения вдоль расположенного на корпусе направляющего стержня. Насос винтового типа не предназначен для измерения объема прокачиваемой жидкости и не позволяет создавать высокие давления в диапазоне сотен мегапаскалей.

Известны способ и устройство для измерения изменений объема [ЕР 0275825] . Аппарат имеет измерительный цилиндр с камерой для пробы, плунжер, помещенный в эту камеру и снабженный датчиком перемещений, датчик температуры, расположенный внутри камеры, датчик давления и средство регулирования давления. В средстве регулирования давления использованы связи, позволяющие создавать с помощью плунжера два альтернативных уровня давления, что удобно при решении конкретной задачи измерения изменений объема пластичных материалов в процессе их отвердения, для которой и было создано данное устройство. Однако для решения других задач, в частности для непрерывного и плавного сжатия жидкостей с низкой вязкостью нужны другие связи, необходимые для непрерывного и плавного регулирования объема и давления.

Известно также устройство для исследования процессов фильтрации и определения характеристик текучих сред и пористых тел [RU 2129265], содержащее два гидроцилиндра с приводами плунжеров, при этом каждый привод выполнен с возможностью обеспечения поступательно-вращательного движения плунжера и поступательного движения привода посредством пары "винт - гайка". Гайка каждого привода связана с торцом соответствующего корпуса гидроцилиндра пружиной. Устройство снабжено датчиком давления, который выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное осевое смещение корпуса гидроцилиндра и гайки, и датчиком перемещений, который выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение поршня и корпуса для гидроцилиндра.

Основным недостатком этого устройства является крепление гайки к торцу корпуса гидроцилиндра через гибкую пружину без какой-либо дополнительной связи между ними. Это приводит к торцовому биению гайки относительно корпуса гидроцилиндра из-за воздействия резьбы шпинделя на шпиндельную гайку, что влечет за собой неточность измерений взаимного смещения шпиндельной гайки и корпуса гидроцилиндра датчиком перемещений.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является насосная система [RU 21078387], в которой цилиндр с отверстием для плунжера установлен неподвижно. Насосная система содержит установочную плиту и соединенный с ней корпус, в нижней части которого установлен привод, создающий вращение и осевое перемещения шпинделя и содержащий электродвигатели и понижающую зубчатую передачу, связанную со шпинделем с помощью шлицевого соединения в его хвостовой части. Шпиндель, соединенный с плунжером имеет вал и резьбу, на которую установлена гайка, соединенная пружиной с цилиндром, при этом шпиндельная гайка снабжена устройством, препятствующим ее вращению и допускающим ее осевое движение относительно неподвижного цилиндра.

Устройство снабжено датчиком давления, который выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение цилиндра и гайки, и датчиком объема, который выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение шпинделя и корпуса.

Насосная система содержит также устройство регулирования температуры. В качестве устройства регулирования температуры в системе использованы термостат, датчики температуры и блок управления.

Основным недостатком этой насосной системы является неточность измерений величины давления и объема при высоких давлениях в диапазоне сотен мегапаскалей. Ошибка в определении давления возникает в результате нарушения параллельности торцов цилиндра и гайки относительно друг друга из-за силы реакции резьбы шпинделя на резьбу шпиндельной гайки, возникающей при нагружении пробы усилием сжатия при высоких давлениях. Причина такого нарушения кроется в системе крепления пружины: пружина крепится одним концом к торцу гайки, а другим концом к торцу цилиндра без дополнительной связи между ними.

Другим источником ошибок в определении величины давления, а также объема является то, что положение шпинделя относительно цилиндра фиксируется поверхностями резьбового соединения пары "винт - гайка" и поверхностями шлицевого соединения, которые не обеспечивают соосности шпинделя относительно цилиндра.

Предметом изобретения является насосная система, в которой решена проблема точного измерения давления жидкости и точного одновременного измерения объема сжатой жидкости при высоких давлениях в диапазоне сотен мегапаскалей.

Поставленная задача решается тем, что в насосной системе, содержащей установочную плиту, корпус, плунжер с продольной осью, шпиндель, соединенный с плунжером и имеющий вал и резьбу, шпиндельную гайку, установленную на шпинделе, неподвижный цилиндр, имеющий, для размещения в нем плунжера, отверстие, которое имеет возможность заполнения жидкой пробой, подлежащей испытаниям, пружину, привод, состоящий из двигателя и редуктора, для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к цилиндру, устройство для создания относительного вращения по отношению друг к другу шпинделя и шпиндельной гайки, датчик давления, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение цилиндра и шпиндельной гайки, датчик объема, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение плунжера и цилиндра, устройство для регулирования температуры пробы, содержащее термостат, датчики температуры и блок управления, согласно изобретению, насосная система снабжена стаканом, дно которого установлено между корпусом и торцом пружины, чашкой, установленной на корпусе соосно стакану, опорой скольжения, установленной между чашкой и цилиндром, в отверстие которой заведен плунжер, гильзой, на дне которой установлена шпиндельная гайка и во внутреннюю полость которой заведен стакан, втулкой, в отверстие которой заведен стакан, устройством, препятствующим вращению втулки, но допускающим ее осевое движение, которое выполнено из шарикоподшипника, установленного на валике, соединенном с нижней частью гильзы, и опирающемся на прямолинейные направляющие втулки, основанием, на котором с одной стороны установлена втулка, а с другой стороны привод, муфтой, соединяющей выходной вал привода и шпиндель, вал которого установлен на основании в двухрядный шариковый сферический подшипник.

Насосная система может быть дополнительно снабжена камерой для пробы, сообщающейся с отверстием цилиндра.

Таким образом, согласно изобретению, осевые перемещения шпиндельной гайки по резьбе шпинделя относительно цилиндра направляют частично вложенные друг в друга стакан, гильзу и втулку, фиксирующие шпиндельную гайку от торцового биения на резьбе шпинделя относительно цилиндра, а опора скольжения и двухрядный сферический подшипник, в которых фиксируется шпиндель, дополнительно стабилизируют положение оси вращения шпинделя относительно цилиндра. Такое сочетание конструктивных элементов является новым и неожиданно позволяет обеспечить относительное движение шпиндельной гайки и цилиндра, а также шпинделя относительно цилиндра без торцовых и радиальных биений. Исключение радиальных и торцовых биений, вносящих ошибки в измерения величины давления и объема, позволяет повысить точность измерений.

Особенности и преимущества настоящего изобретения поясняют чертежи, где на фиг.1 изображен фронтальный вид насосной системы без разреза системы высокого давления; на фиг.2 - вид сбоку на насосную систему с частичным разрезом системы высокого давления; на фиг.3 - осевой разрез опоры скольжения шпинделя и уплотнительного узла плунжера.

Одни и те же элементы насосной системы, показанной на фиг.1-3, имеют одинаковые позиции.

Насосная система (фиг. 1) содержит установочную плиту 1, стойки 2, на которых в верхней части закреплен корпус 3 системы высокого давления.

На корпусе 3 (фиг.2, 3) с его внешней стороны установлена чашка 4, а с внутренней стороны корпуса - стакан 5, внутри которого установлена пружина 6, прикрепленная одним концом к дну стакана, а другим концом - к фланцу шпиндельной гайки 7, направляющие которой включают гильзу 8 и среднюю часть шпинделя 9, снабженную резьбой 10. Гильза 8 соосно установлена во втулку 11, фланец 12 которой соединен с основанием 13. Привод, состоящий из шагового двигателя 14 и редуктора 15, имеет выходной вал 16. Выходной вал 16 муфтой 17 соединен с нижней частью шпинделя 9, который закреплен в двухрядном шариковом сферическом подшипнике 18, установленном на основании 13.

Верхняя часть шпинделя 9 выполнена в виде плунжера 19, который расположен в отверстии 20 опоры скольжения 21, которая своей нижней цилиндрической частью соосно установлена в центральном отверстии 22 чашки 4, а своей верхней цилиндрической частью - в отверстии 23 цилиндра 24. Таким образом, взаимодействие между пружиной 6 и цилиндром 24 осуществляется опосредованно, через дно стакана 5, чашку 4 и опору 21.

Для предотвращения вращения втулки 11 используется направляющее устройство, которое состоит из шарикоподшипника 25, установленного на валике 26, который в свою очередь крепится к нижней части гильзы 8. Шарикоподшипник 25 опирается на прямолинейные направляющие 27 втулки 11.

Цилиндр 24 имеет центральное отверстие 28, являющееся приемным для плунжера 19.

Отверстие 28 сообщается с камерой 29 для пробы, образованной контейнером 30, который соединен с цилиндром 24 через не пропускающее жидкость резьбовое соединение 31.

Датчик давления 32, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение гильзы 8 относительно цилиндра 24, установлен на угловом кронштейне 33, который крепится к корпусу 3 и имеет чувствительный стержень 34, который упирается в зеркало 35, установленное на кронштейне 36, закрепленном на валике 26.

Датчик объема 37, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение плунжера 19 и цилиндра 24, установлен на стойках 2 и имеет чувствительный стержень 38, который упирается в зеркало 39, установленное на кронштейне 40, закрепленном на основании 13.

Для регулирования температуры пробы насосная система содержит термостат 41, датчик температуры 42 и блок управления 43.

Между внутренним торцом отверстия 23 и верхним торцом опоры 21 расположены круглое кольцо 44 и предохранительные кольца 45, уплотняющие плунжер 19.

Насосная система работает следующим образом. Отверстие 28 цилиндра 24 и камера 29 для пробы контейнера 30 полностью заполняются исследуемой жидкой пробой. Проба поступает через отверстие в верхнем конце контейнера 30, которое затем закрывается пробкой датчика температуры 42. При включении шагового двигателя 14 шпиндель 9 через понижающий волновой редуктор 15, выходной вал 16 и муфту 17 приводится во вращение. При этом шаговый двигатель 14, волновой редуктор 15, основание 13 и втулка 11 перемещаются в осевом направлении как одно целое, не вращаясь относительно цилиндра 24 из-за наличия системы прямолинейных направляющих 27 и шарикоподшипника 25. Плунжер 19 движется по спирали относительно цилиндра 24 и, вращаясь, перемещается вверх внутри отверстия 28 цилиндра. Линейное перемещение плунжера 19 относительно цилиндра 24 является функцией сжимаемости жидкой пробы или относительного изменения объема пробы. Это линейное перемещение измеряется датчиком перемещений 37.

Осевая сила, возникающая при сжатии жидкой пробы и пропорциональная удлинению пружины 6, измеряется дистанционным измерительным устройством.

Реактивный момент шагового двигателя 14, приложенный к основанию 13 и обусловленный силами трения между резьбой 10 шпинделя 9 и гайкой 7, а также между плунжером 19 и уплотнительным кольцом 44, воспринимается установочной плитой 1 через пружину 6, корпус 3, стойки 2.

Нежелательные перекосы основания 13 относительно корпуса 3, а также нежелательные перекосы гайки 7 относительно корпуса 3, вызывающие ошибки в измерениях относительного изменения объема и осевой силы при сжатии пробы, сведены к минимуму за счет введения системы с достаточной угловой жесткостью, которую образуют цилиндрические поверхности стакана 5, гильзы 8 и втулки 11.

Кроме того, нежелательные радиальные биения шпинделя 9 относительно шпиндельной гайки 7 компенсируются в значительной мере двухрядным шариковым сферическим подшипником 18, обладающим самоустанавливаемостью.

Смещение оси выходного вала 14 привода относительно шпинделя 9 компенсируется муфтой 17.

Заявляемая насосная система позволяет измерять термодинамические параметры жидкостей при различных испытаниях.

Изобретение относится к системам высокого давления, в частности к системам, имеющим плунжерный насос, предназначенный для создания высокого и точно регулируемого по величине давления жидкости. Содержит установочную плиту, корпус, плунжер, соединенный со шпинделем, шпиндельную гайку, неподвижный цилиндр, имеющий для размещения в нем плунжера отверстие для заполнения жидкой пробой, подлежащей испытаниям, пружину, привод, состоящий из двигателя и редуктора, для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к цилиндру, устройство для создания относительного вращения по отношению друг к другу шпинделя и шпиндельной гайки. Датчик давления выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение цилиндра и шпиндельной гайки. Датчик объема выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение плунжера и цилиндра. Устройство для регулирования температуры пробы снабжено системой с достаточной угловой жесткостью за счет цилиндрических поверхностей частично вложенных друг в друга стакана, гильзы и втулки, фиксирующих шпиндельную гайку от торцового биения. Снабжено также системой, дополнительно стабилизирующей положение оси вращения шпинделя относительно цилиндра. Позволяет измерять термодинамические параметры жидкостей при различных испытаниях. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Насосная система, содержащая установочную плиту, корпус, плунжер с продольной осью, шпиндель, соединенный с плунжером и имеющий вал и резьбу, шпиндельную гайку, установленную на шпинделе, неподвижный цилиндр, имеющий для размещения в нем плунжера отверстие, которое имеет возможность заполнения жидкой пробой, подлежащей испытаниям, пружину, привод, состоящий из двигателя и редуктора для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к цилиндру, устройство для создания относительного вращения по отношению друг к другу шпинделя и шпиндельной гайки, датчик давления, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение цилиндра и шпиндельной гайки, датчик объема, выполненный в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение плунжера и цилиндра, устройство для регулирования температуры пробы, содержащее термостат, датчики температуры и блок управления, отличающаяся тем, что она снабжена стаканом, дно которого установлено между корпусом и торцом пружины, чашкой, установленной на корпус соосно стакану, опорой скольжения, установленной между чашкой и цилиндром, в отверстие которой заведен плунжер, гильзой, дно которой установлено на шпиндельной гайке и во внутреннюю полость которой заведен стакан, втулкой, в отверстие которой заведен стакан, устройством, препятствующим вращению втулки, но допускающим ее осевое движение, которое выполнено из шарикоподшипника, установленного на валике, соединенном с нижней частью гильзы и опирающемся на прямолинейные направляющие втулки, основанием, на котором с одной стороны установлена втулка, а с другой стороны привод, муфтой, соединяющей выходной вал привода и шпиндель, вал которого установлен на основании в двухрядном шариковом сферическом подшипнике.2. Насосная система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно имеет камеру для пробы, сообщающуюся с отверстием цилиндра.