一種改進的液壓驅動機器的制作方法

專利名稱：一種改進的液壓驅動機器的制作方法
技術領域：
本發明涉及液壓驅動機器，尤其用于泵送難以泵送的流體物質，例如礦物質、 礦沙、淤泥、懸浮液、泥漿和凝膠等。這些泵送機器在本文中可簡單地稱為泵或機器。
背景技術：
可以用于難以泵送的物質的常規泵送機器具有位移元件，諸如柱塞、柱塞、蠕 動軟管等。然而，這種位移元件常常經受摩擦磨損，并且機器的驅動件與已泵送的物質 沒有合適地隔離。W02005/119063公開了一種液壓驅動的多缸隔膜泵送機器，尤其用于泵送難以 泵送的物質。該泵送機器包括多個泵缸，每個泵缸具有帶有用于待泵送流體的入口和出 口的一端，以及帶有用于液壓流體的入口和出口的另一端。這些入口和出口可以是分離 的入口和出口(用于液壓流體)或者組合的入口 /出口(用于正泵送的流體物質)。該入 口和出口與各自的入口和出口閥相連。在這種機器中，分離器位于內側，并且可沿著每個泵缸往復可移動。可移動分 離器具有朝向泵缸的已泵送材料端的一側，以及朝向泵缸的液壓流體端的另一側。該可 移動分離器經由第一撓性隔膜而連接至泵缸的已泵送材料端的內側，所述第一撓性隔膜 采取六角手風琴狀風箱，其隨著可移動分離器沿著泵缸往復移動而沿著泵缸的長度方向 在泵缸中可擴展和可收縮。可移動分離器的第一側在第一風箱狀撓性隔膜內限定了第一 腔，用于容納經由入口和出口與已泵送流體歧管和回路相通的體積可變的已泵送流體。 可移動分離器還經由第二撓性隔膜而連接至泵缸的第二端內側，所述第二撓性隔膜采取 六角手風琴狀風箱，其響應于第一撓性隔膜的擴展和收縮而沿著泵缸的長度方向可收縮 和可擴展。可移動分離器的第二側在第二可擴展和可收縮隔膜中限定了第二腔，用于容 納與第二入口和出口相通的體積可變的液壓流體。在第一和第二隔膜的外側和泵缸的內 壁之間限定了環形空間，該環形空間在使用中包含的流體與所述液壓流體相同，或者具 有類似的液壓特性。該泵送機器由液壓泵驅動器直接驅動，顯著地簡化了機器，并且提供了對所遞 送的泵送流體流的改變和控制的簡單裝置。而且，雙隔膜設置提供了雙重保護，防止已 泵送的流體與正泵送的流體混合。該泵送機器的其它細節在W02005/119063中有描述，其內容在此引入作為參考。使用這種機器的補充研究已經闡述了可以改進各個方面，諸如風箱狀隔膜運作 的可靠性。

發明內容
本發明旨在改進上述類型的機器或者更一般地改進其它液壓運作的機器。本發明的一方面涉及一種對如上所述的液壓機器的改進，其中可移動分離器采
4取柱塞的形式，其可滑動地安裝在位于第一和第二風箱狀隔膜之間的泵缸內側的中間部 分內，柱塞的一端連接至第一風箱狀隔膜，而另一端連接至第二風箱狀隔膜，以分別限 定第一和第二環形空間，即位于第一風箱狀隔膜外側和泵缸內壁之間的第一環形空間， 以及第二風箱狀隔膜外側和泵缸內壁之間的第二環形空間，其中第一和第二環形空間彼 此獨立，并且第一環形空間中的流體壓力獨立于第二環形空間中的流體壓力。優選地，柱塞可滑動地安裝在固定于泵缸內側的中間部分的密封元件中。這 樣，第一和第二環形空間未連接在一起，并且這兩個腔中的流體壓力值可以彼此不同且 獨立。柱塞的外徑相應于第一和第二風箱狀隔膜的中值工作直徑，而在運作期間，第一 和第二空間的體積保持基本恒定。上述本發明的結構使得消除或顯著減少了風箱狀隔膜的徑向變形，由此產生更 好的可靠性以及增強了隔膜的壽命。如上所述的液壓機器的另一方面或者更一般的任意其它液壓機器，其包括液 壓缸，其具有一部件，該部件被安裝成用于沿著液壓缸的循環往復線性運動；用于使閥 方向轉換以在機器循環的給定時刻控制向液壓缸提供液壓流體的裝置，其中閥方向轉換 裝置包括流體機械式開關，其包括用于將所述機器部件的線性運動轉換成旋轉運動的 聯動裝置；由所述聯動裝置旋轉驅動的凸輪；以及彈簧，其設置以通過在所述機器部件 的一個沖程期間通過凸輪的旋轉而被壓縮以存儲能量，并且設置以釋放其存儲的能量以 轉換所述閥的方向，用于當所述部件沿著液壓缸到達其給定位置時控制將液壓流體供應 至機器的液壓缸。彈簧可以是安裝在從凸輪延伸的臂上的壓縮彈簧，從而在由聯動裝置旋轉地驅 動凸輪時，彈簧的鄰接凸輪的端部被壓縮，直到彈簧到達不穩定的平衡點，此后彈簧釋 放其存儲的能量，以轉換所述閥的方向。例如，當彈簧釋放其存儲的能量時，其首先突 然地驅動凸輪，并且在凸輪轉過給定角度之后，凸輪旋轉一部件以轉換閥的方向。聯動 裝置可以設置以對于所述機器部件的每個沖程，將凸輪轉過小于180°的角度。通過使用該流體機械式開關，液壓機器可以運作，而無需電磁激勵和電控的方 向閥，由此該機器更簡單并且更可靠。該方向轉換設備還涉及任何液壓循環工作機器，其具有線性移動運作部件并且 需要經由開口方向轉化而自動控制，以便于實現所需工作循環參數，例如壓力值、循環 階段持續時間等。在詳細說明中闡述了本發明的其它方面和優點，并且在權利要求中闡述了本發 明的特定特征。


作為示例給出的隨附示意性附圖示出了根據本發明的液壓驅動泵送機器的實施 例。附圖中圖1是根據本發明的具有四個泵缸的泵送機器的一個實施例的視圖；圖2是根據本發明的泵送機器的一個泵缸的橫截面視圖；圖3是示出流體機械式開關的內部的透視圖；圖4概略地示出了安裝流體機械式開關的泵缸的局部；以及
圖5是示出在根據本發明的流體機械式開關中的彈簧連接到凸輪的拆開透視 圖。
具體實施例方式本發明的主要改進涉及一種柱塞設備，其用于提供流體分離，并且在輔助方面 提供流體機械式開關，應當理解，這兩方面單獨或共同結合在液壓驅動泵送機器中。柱塞分離流體圖1中所示的液壓驅動泵送機器包括一個或多個泵缸5、開關控制系統1和液壓 驅動單元3。機器通常是多缸機器，并且在PCT專利申請W02005/119063中詳細描述了 這種基本液壓多缸機器。為了增加風箱狀隔膜的壽命，即減少它們在壓力下出現在內部和外部風箱腔之 間的徑向變形，以下列方式改進了 W02005/119063中所述的基本機器。泵缸5包含經由柱塞6彼此機械連接的兩個風箱4和10 (參見圖2)，所述柱塞6 在工作循環期間在安裝于泵缸5的中間高度部中的環形密封元件7內移動。柱塞密封組 件6和7代替了前述設計中采用的分離器。兩個注油腔“a”位于泵缸5內風箱4和10的外部。柱塞6在密封元件7中液 壓地封閉。這允許將每個腔“a”的體積彼此獨立。柱塞外徑還等于風箱的平均有效直 徑。這允許在柱塞工作移動期間保持每個腔“a”的體積恒定。因此，每個風箱外部的 腔“a”中的壓力值由相應風箱內部腔“b”或“c”中的壓力值精確指導。內部風箱腔“b”和“C”中的壓力在抽吸和排放循環之間改變，并且其取決于 機器工作模式。腔“b”位于風箱狀膜10內側，而腔“c”位于風箱狀膜4內側。在每個機器工作循環相位期間，腔“b”和“C”的壓力值幾乎相等，這是因為 通過柱塞6的蓋將驅動腔壓力傳送至被驅動腔。例如，在抽吸沖程期間，腔“c”為施 加驅動的，腔“b”是被驅動的；而在排放循環期間是相反的。為此，液壓必須在足夠 的壓力下進入機器，以克服機械和液壓阻力，因為機器不具有任何機械裝置以實現抽吸 沖程。然而，通常由上述開關設備和其它液壓和機械阻力消耗驅動腔能量的小部分，因 而，在這些腔“b”和“c”之間產生小壓降。在前述設計中，使用單個和共用的腔“a”，該壓降使得腔“a”作為平衡單 元，即腔“a”的壓力值為腔“b”和“c”的壓力值之間的中值。因此，作用在每個 風箱的外表面和內表面上的壓力值不相等，并且風箱會經受一些徑向形變，而其并不設 計成這樣。在根據本發明的設計中，腔“b”和“C”之間的壓降并不經由腔“a”平衡， 因為后者并不液壓地連接在一起。腔“b”和“c”中的壓力始終經由風箱壁作用在兩 個獨立腔“a”中的流體上。腔“a”中相應的壓力精確地補償了這一作用，并且獨立 地平衡了作用在內、外風箱表面上的壓力值。所實現的平衡消除了徑向變形，并且大大 地增加了風箱壽命。在操作期間，腔“a”的壓力增加至最小必須值，其足以避免由于流體的低可壓 縮性而引起的風箱壁的徑向變形。該壓力不取決于腔“b”和“C”之間的壓差，其僅 作用于柱塞6的上、下表面上。
根據本發明的設置消除了風箱的附加徑向變形，該徑向變形不可避免地出現在 具有相聯腔“a”的前一設計中。本發明技術方案的另一優點是改善了防止正泵送流體和已泵送流體混合或者相 反。在兩個腔串連地形成非流體密封的情況下即，腔“b”和相聯腔“a”，前一設計 將使得流體變得混合，并且引起相應的機器故障。本技術方案具有兩個獨立的腔“a”， 并且因而在該順序中多增加了一個腔。由此，其提供了一種三流體保護代替雙流體保 護。所述泵工作如下(參見圖2)在抽吸沖程期間，通過下閥模塊9從進口歧管8向風箱4內部的“c”腔中送入 已泵送物質。以小壓力(例如，3-8巴)泵送該物質，該壓力使柱塞6向上移動。相應 地，風箱4伸展，而風箱10壓縮，這導致泵送液壓流體從腔“b”移動至液壓驅動系統 抽吸歧管。作用在風箱4內表面上“c”腔中的已泵送物質的壓力由腔“a”中的作用 在風箱4外表面上的流體壓力的相應增加而平衡。類似地，腔“b”中壓力增加由風箱 10外部腔“a”中的流體壓力的增加而平衡。一旦完成抽吸沖程，控制系統1切換，并 且由液壓驅動提供處于高壓(例如200巴)下的正泵送液壓流體被送入風箱10的“b” 腔。這使柱塞6向下移動，這產生釋放沖程。在釋放沖程期間，風箱10伸展而風箱4 壓縮。以與先前相應的方式，腔“b”和“c”中的壓力(其正在增加)借助于兩個獨 立腔“a”中的壓力(其增加)而平衡，其防止風箱4、10在整個釋放沖程期間產生徑向 變形。已壓縮的已泵送材料從“c”腔通過閥模塊8移動進入釋放歧管11。在釋放沖程 結束時，控制系統1再次切換，而機器工作循環從頭開始。上述根據本發明的結構使得消除或顯著減少了在現有結構中作為壓差的結果而 發生的風箱狀隔膜的徑向變形，產生了更顯著的可靠性，并且增加了隔膜的負載性能。流體機械式開關常規地采用電磁驅動或電控方向閥以控制液壓機器和機構的循環操作。這些多 級的精密復雜控制系統使得液壓機器復雜化，并且降低了它們的可靠性。液壓機器可以包括“流體機械式開關”，以簡化控制系統，并增加這類機器的 可靠性。在該流體機械式開關中，僅通過機械裝置切換液壓開口的方向，而無需電動或 磁性裝置。使用流體機械式開關能夠拓寬受控機器在惡劣環境狀況下的應用領域，并且 減少和簡化維修、員工訓練等。圖3至5的流體機械式開關通常可應用于包括液壓缸107的任何液壓機器，其具 有一部件，即柱塞106，其安裝用于沿著液壓缸107而進行循環往復運動；以及用于切 換閥102的方向的裝置，以控制在機器循環的給定時間將液壓流體提供至液壓缸。流體 機械式開關包括聯動裝置(螺母108，螺桿109)，用于將柱塞106的線性運動轉換成旋轉 運動；凸輪103，其由所述聯動裝置可旋轉地驅動；以及彈簧115，其設置成在柱塞106 沖程期間中被壓縮而存儲由凸輪103旋轉產生的能量。彈簧115—端靠近凸輪103，而另 一自由端承載抵靠凸緣114。該彈簧115還被設置以釋放其存儲的能量，以改變閥102的 方向，用于在柱塞106處于沿著液壓缸107的給定位置處時控制提供至機器的液壓缸107 的液壓流體。彈簧115可以是安裝在從凸輪103上延伸的臂150 (圖2)上的壓縮彈簧，從而在由聯動裝置108、109旋轉地驅動凸輪103時，彈簧的鄰接凸輪的端部被壓縮，直到彈簧 到達不穩定的平衡點“A”，在經過平衡點A之后，彈簧釋放其存儲的能量，以轉換所 述閥102的方向。當彈簧115釋放其存儲的能量時，其首先突然地驅動凸輪103通過給 定角度(例如45° )，隨后，隨著凸輪103繼續旋轉，其通過轉過例如45°而旋轉一部件 以使閥102改變方向。所述聯動裝置108、109被設置以使得在柱塞106的每個沖程中凸輪轉過小于 180°的角度。例如，其包括形成螺旋齒輪聯動裝置的螺母108和螺桿109。流體機械式開關的工作原理基于消耗一部分機器線性動能。該能量中的一小部 分經由螺旋齒輪被帶走，并且存儲成彈簧115的彈性形變能量。隨后釋放該存儲的能量 以在機器工作循環的給定時間形成必須的開口/方向轉換。流體機械式開關可以設計成旋轉柱形閥(參見圖3)的形式，其包括固定的外 殼101 ；旋轉閥體102 ；凸輪103 ；驅動彈簧105 ；螺旋齒輪108、109，用于將柱塞106 的線性運動轉換成凸輪103的旋轉運動。當流體機械式開關結合在圖1和2的泵送機器中，安裝用于沿著泵缸循環往復運 動的所述部分是柱塞106或固定至其的其它部件。所示出的流體機械式開關工作如下。隨著柱塞106的線性運動，螺母108也運動。該運動引起了螺桿109的旋轉。 螺桿的軸向運動經由軸承和密封單元111而失效。單元111的另一目的是將螺桿109流 體密封地保持在蓋110內側。螺桿軸112通過銷113和指狀物104旋轉凸輪103。彈簧 115的壓縮與凸輪103的旋轉同時發生。彈簧還圍繞其自由端樞轉，并且在柱塞沖程末期 到達不穩定的平衡狀態點“A”。當彈簧115的橫軸與凸輪103的旋轉軸交叉時，該不 穩定的平衡點相應于彈簧115的最大壓縮，即彈簧彈性力處于其最大值，但是未對凸輪 施加任何扭矩，幾何上不具有杠桿效應。凸輪103的其它小角度旋轉引起了小杠桿臂效 應，而彈簧115存儲的能量開始釋放。圖5示出了彈簧與平衡位置的側向偏移，其中彈 簧115在其壓縮沖程起始時處于較小壓縮的狀態，準備開始旋轉。樞轉超過不穩定的平衡點“A”，彈簧115開始釋放所存儲的能量，并且開始 切換過程，而與柱塞運動無關，即自動地。初始地，彈簧在點“A”后的擴展僅突然地 樞轉凸輪103，因為其擴展能量僅克服了凸輪連接件113的摩擦力和阻尼器116的液壓阻 力。后者被設計成穩定彈簧運動速度。在凸輪自由旋轉通過約45度之后，其嵌齒117 開始作用在閥112的柱栓118上，并且使得閥102發生角運動。凸輪103的進一步旋轉 產生了旋轉閥102通過約45度角的同步旋轉，并且相應地使在閥102的閥體和機器外殼 101的主體中的流體通道的方向改變。由此，通過旋轉閥102，實現了控制機器所需的所 需開口方向轉換。球狀物緊固件119被設計成將閥的旋轉限制在極限位置。閥抵靠著止動件120， 并且在旋轉結束時由球狀物緊固件119固定。下列特征增加了流體機械式開關的可靠性。嵌齒117裝配有橡膠阻尼器121，以最小化接觸柱栓118和止動件120時產生的 沖擊。旋轉閥102被靜態和動態地液壓平衡，以補償徑向壓力分量，其否則將在閥旋轉期間引起不適當的摩擦力。在整個柱塞沖程期間，發生彈簧115的壓縮以均勻地消耗其能量。為此目的， 彈簧是撓性的，并且在整個沖程上具有相應的低阻抗變化。銷113的圓形表面“B”由從內泵缸腔引導通過特定通道的平衡壓力而保持，并 且表面“B”的面積等于軸112的橫截面面積以平衡拉拔力，其由于內部泵缸壓力而作用 在螺桿109上。流體機械式開關裝配有指示器122，以觀察閥和柱塞位置、運動方向、速度和工 作。除了機械指示器之外，如果需要，可以采用任何有角度傳感器以電子地監視機器工 作。凸輪軸上的漸開線花鍵124和125被設計成在組裝處理期間調節柱塞沖程和指示 器指針123的位置。螺釘126被設計成形成對凸輪103的旋轉角度和整個流體機械式開關工作的精細調整。可調連接件127被設計成調整彈簧115的性能。在初始精細調整之后，流體機械式開關自動運作，即工作機器自行控制。例 如，如果柱塞速度改變，閥方向轉換仍然繼續在正確的時間發生，因為方向轉換過程僅 取決于柱塞位置，而不取決于速度或加速度。這樣的技術方案提高了機器的可靠性，并且無需任何控制系統的維護。
權利要求
1.一種液壓驅動的隔膜泵送機器，尤其用于泵送難以泵送的物質，該泵送機器包 括至少一個泵缸(5)，該泵缸的第一端帶有用于待泵送流體的第一入口和出口(11)， 該泵缸的第二端帶有用于液壓流體的第二入口和出口(1)，所述第一和第二入口和出口與 各自的閥相連；分離器(6)，其位于泵缸內部并且能夠沿著泵缸往復移動，所述可移動 分離器(6)的第一側朝向所述泵缸的第一端，而所述可移動分離器(6)的第二側朝向所述 泵缸的第二端，其中所述可移動分離器(6)經由第一撓性隔膜(4)連接至所述泵缸的第一端的內側， 所述第一撓性隔膜(4)為六角手風琴狀風箱的形式，并且隨著所述可移動分離器(6)沿著 所述泵缸往復移動而沿著所述泵缸的長度方向能夠在所述泵缸(5)中擴展和收縮，所述 可移動分離器的第一側在能夠擴展和收縮的所述第一撓性隔膜(4)內限定了第一腔(C)， 用于容納與第一入口和出口相通的體積可變的已泵送流體，所述可移動分離器(6)還經由第二撓性隔膜(10)連接至所述泵缸的第二端的內側， 所述第二撓性隔膜(10)為六角手風琴狀風箱的形式，并且對應于所述第一撓性隔膜(4) 的擴展和收縮沿著所述泵缸的長度方向能夠收縮和擴展，所述可移動分離器的第二側在 能夠擴展和收縮的所述第二撓性隔膜(10)中限定了第二腔(b)，用于容納與所述第二入 口和出口相通的體積可變的液壓流體；以及在所述第一和第二撓性隔膜(4、10)的外側和所述泵缸(5)的內壁之間限定了環形空 間(a)，該環形空間(a)在使用中容納與所述液壓流體相同或者具有類似的液壓特性的流 體，其特征在于所述可移動分離器(6)為柱塞的形式，并且所述柱塞可滑動地安裝在位于所述第一 和第二撓性隔膜(4、10)之間的所述泵缸(5)內部的中間部分，所述柱塞的一端連接至所 述第一撓性隔膜(4)，而所述柱塞的另一端連接至所述第二撓性隔膜(10)，以限定各自 的第一和第二環形空間，即位于所述第一撓性隔膜(4)外側和所述泵缸(5)內壁之間的第 一環形空間以及位于所述第二撓性隔膜(10)外側和所述泵缸(5)內壁之間的第二環形空 間，其中所述第一和第二環形空間彼此獨立，并且所述第一環形空間中的流體壓力獨立 于所述第二環形空間中的流體壓力。
2.根據權利要求1所述的機器，其中，所述柱塞(6)可滑動地安裝在固定于所述泵缸 (5)內側的中間部分內的密封元件(7)上。
3.根據權利要求1或2所述的機器，其中，所述柱塞(6)的外徑等于所述第一和第二 撓性隔膜(4、10)的中值工作直徑。
4.根據權利要求1、2或3所述的機器，其中，在工作期間，所述第一和第二環形空 間的體積保持基本恒定。
5.根據上述權利要求中任意一項所述的機器，其包括用于自動切換閥(102)的方向的 裝置，以控制在機器循環的給定時間將液壓流體提供至液壓缸，其中所述用于自動切換 閥的方向的裝置包括流體機械式開關，該流體機械式開關包括聯動裝置(108，109)，用于將機器部件(106)的線性運動轉換成旋轉運動；凸輪(103)，其由所述聯動裝置(105，109)可旋轉地驅動；以及彈簧(115)，其被布置成在所述機器部件(106)的沖程期間由所述凸輪(103)旋轉而壓縮以存儲能量，并且被布置成在所述機器部件(106)沿著液壓缸(107)處于指定位置時 釋放其存儲的能量，以改變所述閥(102)的方向，用于控制提供至所述液壓缸(107)的液 壓流體，即用于控制機器工作循環。
6.根據權利要求5所述的機器，其中，所述彈簧(115)是安裝在從所述凸輪(103)延 伸的臂(150)上的壓縮彈簧，從而在所述聯動裝置(108、109)旋轉地驅動所述凸輪(103) 時，所述彈簧鄰接所述凸輪的端部被壓縮，直到所述彈簧到達不穩定的平衡點“A”， 在經過該平衡點后，所述彈簧釋放其存儲的能量以轉換所述閥(102)的方向。
7.根據權利要求6或7所述的機器，其中，所述彈簧釋放其存儲的能量時，所述彈簧 首先突然地驅動所述凸輪(103)，并且在所述凸輪(103)旋轉通過了給定角度時，所述凸 輪(103)旋轉一部件以使所述閥(102)改變方向。
8.根據權利要求5、6或7所述的機器，其中，所述聯動裝置(108、109)被設置成使 得在所述機器部件(106)的每個沖程中使所述凸輪轉動小于180°的角度。
9.根據權利要求5至8中任意一項所述的機器，其中，所述聯動裝置(108、109)是 包括螺母(108)和螺桿(109)的螺旋齒輪聯動裝置。
全文摘要
本發明涉及一種液壓驅動的隔膜泵送機器，其包括柱塞(6)，其可滑動地安裝在位于第一和第二風箱狀隔膜(4、10)之間的機器液壓缸(5)內側的中間部分上。柱塞(6)的端部連接至第一和第二風箱狀隔膜(10)，以分別限定彼此獨立的第一和第二外部環形空間(a)，并且第一環形空間(a)中的流體壓力獨立于第二環形空間(a)中的流體壓力。機器還可以包括流體機械式開關，用于改變閥(102)的方向，以在機器循環的給定時間自動控制將液壓流體提供至液壓缸。
文檔編號F04B43/113GK102016317SQ200880128815
公開日2011年4月13日 申請日期2008年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者J·埃斯蒙特 申請人:加尼曼股份有限公司