本发明总的来说与流体泵设备有关,特别是同特殊设计的高压液压泵装置有关,这种装置使用特殊设计的液压泵。 为了提供一种装置能以连续、无脉冲的形式抽水或抽其他液体,众所周知的方法是把几个流体驱动泵连结起来,例如可参看美国专利3,816,029(BOWEN和他的同事)。在需要提供高压输出流体,如在20,000PSi左右或更高的地方,经常应用液压驱动类的泵。这样的泵包括典型地用油往复驱动的大活塞,它依次驱动在活塞两面较小的柱塞以交替地产生高压液流。驱动压力直接与驱动活塞同输出柱塞的面积比和出口压力的乘积有关。
刚才引述的这类泵一般是作为增压器,现在使用地一种部分略示在图1。一般用数字10表示,在图中特殊显示的装置包括增压器活塞12,它有两个相对的柱塞14,位于气缸套16内。用包括主滑阀18和导向阀20的控制装置驱动活塞在气缸套内来回运动。当活塞到达它冲程的终点时,它和销22机械接触(在气缸套每一端有一个销),这销作用到推压钢索24上,使构成导向阀的导向滑阀26移动。结果导向阀使油通过孔板到构成主阀18的主滑阀28的终端,使主滑阀在它的阀套30内轴向移动。通过改变两滑阀之间控制孔板32的尺寸可以控制主滑阀的移动速度。一旦移动结束,就不再继续对活塞运动进行控制。它完全由高压气缸内的水压和液压泵的特性所决定。
在刚才描述的系统内有两种液压冲击。第一种是在主滑阀跨过中心时,它一般对液压回路产生不同的阻力,接着阀被全打开,使油作用到活塞上。所以在回路内压力和流动必须迅速调整到新的状态导致液压冲击。通过研磨主滑阀使跨过时的条件与增压器的操作负荷相适应以稍微减轻这种情况,如美国专利3,811,795和4,029,440描述的那样。
液压冲压的第二个原因或理由与增压器活塞所抽的水或其他液体的可压缩性有关。当活塞开始它的冲程时所抽的流体压力相对较低,以水为例,大约在100PSi。在增压器出口压力达到,例如60,000左右之前活塞必须移动大约它冲程的1/8。压力补偿的液压泵企图在冲程的压缩段增加它的流量来维持压力不变,使流速产生很大波动。另一方面,定容积泵使流速恒定但浪压力下降引起输出压力剧烈降低。在这两种情况下,在增压器冲程的这一段产生瞬态过程。曾试图利用在液压回路内装设蓄液罐以提供冲程压缩段所需的全部油,以平滑和减轻这些瞬态过程。但是一般来说在压力线路上的蓄液罐会引起回复线路上的脉冲。
曾发现以特殊的方式控制组成整个泵系统的每个增压器中活塞的动作可以减轻上面所讨论的问题。还有将如以后要详细描述的那样,在本发明的优先实施方案中使用这样的两个增压器,控制它们各自活塞的运动以保证(1)至少一个活塞,它的加压驱动流体入口是全开的没有任何流动约束和(2)每个活塞经过它冲程中压缩段时以节流来控制它的运动。
为了控制增压器中活塞的运动,希望能连续监测那种运动并通过反馈装置提供所希望的控制。现有的各种装置是利用反馈方案,如不是控制至少也是监测活塞的运动。在美国专利3,318,197和3,816,029中颁布了这两种技术。后面将要更详细地描述,本发明还提供另一种方法,将会看到它并不复杂而且相当可靠。
鉴于上述的讨论,本发明的目标是提供一种整个泵的装置,它用并不复杂而可靠的方式使上面讨论的问题减轻到最低限度。
本发明的另一目标是提供一种改进的增压器,它是这样设计用并不复杂的方式对它活塞的往复运动进行可靠的控制。
本发明更特殊的目标是提供整个泵的装置,它至少使用两个上述的增压器,它驱动这些增压器的活塞使得(1)在驱动活塞的液压回路或输出水回路中不需要蓄液罐(2)能达到很高的冲程速率而没有液压冲击和(3)不需要液压泵去迅速补偿每个冲程的压缩段。
本发明另一特殊的目标是提供不复杂而可靠的技术,以达到上面提到的另一目标的方式来协调构成整个泵装置的两个增压器活塞的运动。
将如下面要更详尽地描述的那样,这里公开的增压器的特殊类型包括由气缸套和在套内相对的第一和第二出入口之间可来回移动的活塞所组成的机构。构成第一和第二泵室的机构与活塞相对的两端及所抽流体的供应源相配合,通过活塞从邻近一个室的位置移到邻近另一室位置的动作把流体抽入到一个室内,而同时把流体压出另一个室。这样活塞来回的运动交替地产生相对一室是吸入冲程而相对另一室则是输出冲程。作为开始,注意到下述事实是很重要的,输出冲程包括两段,初始压缩段在此期间泵室内的流体尚未压缩到足够的压力以从该室排出,接着是排出段在此期间泵室内的流体已有足够的压力而从室内排出。
还要描述这里公布的特殊增压器,它使用的驱动机构包括加压驱动流体的供应源,还包括控制装置用来引导加压驱动流体从它的供应源以流动受控的方式交替通过每个出入口进入到气缸套。同时其他的各口维持流体与相对加压驱动流体来说压力相当低的管道相连通,从而使活塞离开接受加压流体的口,而移向另一口以完成吸入和输出冲程。设计和装设了控制装置,它可以作用到增压器的驱动机构上使得(1)在活塞输出冲程的排出段,接受加压驱动流体以提供这样运动的出入口是连续维持在全开状态和(2)在输出冲程的压缩段,同一个出入口的作用是作为带有活塞位置反馈控制的伺服阀,使活塞在它的压缩段移动缓慢。
将如下面详细描述的那样,本发明的一方面是提供一种高压泵装置,它使用两个上述的增压器包括刚刚说过的控制阀装置。这种控制阀装置以上述的方式操作活塞,也使两个增压器的活塞以相互间固定的相位关系交替进行往复的吸入和输出冲程,因而保证这些阀中至少一个在输出冲程的排出段,总是全开的。
如上所示,这里公开的这类增压器包括可在气缸套内来回移动的活塞和使活塞以这种方式运动的液压驱动机构。为了控制在压缩段活塞的位置,驱动机构包括控制阀,例如前面描述过的滑阀,它可围绕它自己的轴旋转。控制阀与活塞通过钢索机构互相连结使得活塞来回运动引起钢索机构以与活塞来回运动相对应的方式使控制滑阀围绕自己的轴旋转,从而在增压器操作期间控制滑阀在任意一点的旋转位置与活塞沿着它运动路径中某一特定位置相对应。还有通过螺杆将旋转位置转换成轴向位置,这样提供反馈去关闭阀以响应开阀引起的活塞运动。
依照本发明的另一方面,上述的驱动装置包括加压流体的供应源和通过液压回路相互连结的低压通道,液压回路伸展在供应源、气缸套和低压通道之间。钢索机构全部位于液压回路之内,因而不必要进行钢索相对周围大气的密封。按照本发明的另一方面刚刚上述的钢索机构包括将活塞和控制滑阀相互连结的第一和第二分离的两钢索,从而活塞的运动同时使得各钢索分别绕上或松开控制滑阀,使后者以与活塞运动相对应的方式旋转。
上面简单描述的本发明的各个目标和特征,将在下面与下列各图一起进行详细的描述。
图1图示简略说明现有技术的增压器,它的活塞运动控制的设计与本发明不一样;
图2图示说明整个高压泵装置,它包括按照本发明一个实施方案设计的增压器;
图3和4图示说明在两个终端操作条件下图2的增压器;
图5A-C图示说明图2的增压器怎样以往复的方式操作移动它的活塞;
图6说明和图2的增压器相配合的控制装置,以受控的方式移动增压器的活塞;
图7图示说明使用两个如图2和图7-9类型的增压器的整个泵装置;
图8图示说明按照本发明相互连结的两个增压器的压力输出;
图9图示说明与图10A装置的增压器相配合的控制装置,用来按照本发明控制增压器活塞的运动;
图10图示说明按照本发明第二实施方案设计的全反馈型的增压器;
图11图示说明图10表示的这类二个增压器之间的连结。
现在来看这些图,其中相同的部件在各图中全部使用相同的参考号码,由于图1已在上面讨论过,请把注意力集中到图2、3和4。图2图示说明一般以34指示的用来抽流体的装置,为了说明方便,流体将假定是高压水。例如压力在12,000PSi或更高。
显示的装置包括按照本发明设计的增压器36,由箭头38指出的机构能从40水源把要抽的水送到增压器和由箭头42指出的机构是引导加压的泵出水从增压器到需要它们的地方44。
与图3、4一起继续参看图2,显示的36增压器包括(气)液压缸套46,它包含轴向延伸的(气)液压缸室48和轴向间距一定距离的驱动出入口50和52,分别位于(气)液压缸室的两端。活塞54是安装在48室内,在出入口50和52之间以下面将要描述的方式作往复运动。如图2-4显示,活塞带有两个同轴柱塞56和58,从活塞的两边向外伸展。柱塞56通过(气)液压缸套46中相配合的开口59伸入到由柱塞套62确定的泵室60。以同样的方式柱塞58通过配合的开口63伸入到由柱塞套66确定的柱塞室64。泵室60和64分别通过柱塞套的流体口72和74和阀门68和70与流体连通管线连结。由于下面马上要讨论的理由,阀门68包括入口和传送止回阀76和78,和阀门70包括入口和传送止回阀80和82。
整个增压器36包括下面将要详细讨论的装置84,如图3和4清楚显示的那样,它使活塞54在口50和52之间作来回往复运动。假定活塞的初始位置如图3所示,在出入口50附近,被移向出入口52如图4所示,这使柱塞56运动通过泵室60离开阀门68,而同时使柱塞58移动进入它的泵室移向阀门70。当柱塞56离开阀门68时,止回阀76保持开启而止回阀78闭合。这使水从水源抽到阀最后进入泵室60。同时,入口止回阀80保持关闭而出口止回阀82打开。这样当柱塞58移向阀门70时,在泵室64内的水被压出孔板74,阀门70和止回阀82,以加压的形式送到需要它的地方44。
为了描述的目的,上述形式柱塞56的运动可看作是吸入冲程,因为它将水吸入到泵室60,而柱塞58的运动可看作是输出冲程,因为它的作用是把水加压从泵室64内排出。活塞向相反方向的运动,从图4它在52口附近的位置移到图3在出入口50附近的位置使得柱塞56移动经过输出冲程而柱塞58运动经过吸入冲程。为了使止回阀76,78和80,82在上述适当的时刻开启和闭合,这些阀用合适的机构(未显示)进行控制。
显示的驱动装置84包括驱动泵86用来供应加压驱动流体,如油和控制机构88,控制机构用来引导加压的驱动流体从供应源86交替通过出入口50和52进入到气缸室48,而保持这两口中的一口与压力相当低的通道相连通,例如与驱动流体贮槽90相连,如图2专门显示的那样,贮槽使泵86的入口与返回流体相连通。这样轮流使活塞54从接受加压流体的口离开,如图3中的口50和图4中的口52,并移向另一口,因而为了使活塞54在图3和图4的两个终端位置之间往复运动,出入口50和52是交替地与从泵86来的加压流体接通,而另一口同时与贮槽90连通。如下面将会看到的那样,控制机构88与将要描述的驱动机械联合完成这个功能,同时监测活塞54在气缸室48内整个往复运动的位置。
仍参考图2-4,将可看到控制机构88的作用象是四通的控制阀,它包括阀套92,它包含终端开口的阀室94与先前讨论的出入口50和52连通,一个入口通道96将从供应泵86来的加压流体与阀室连通,一个出口通道98将阀室和贮槽90连通。
控制机构88还包括控制阀或滑阀100,滑阀包括圆筒形的终端部分102和104以及中间的圆柱形塞106和108,它们由直径缩小的圆柱体110互相连结。控制滑阀可以是由图2-4图示的形状或其他任意能满意地完成整个控制机构所需操作的合适形状。在任何情况下,控制阀或滑阀是安装在阀室94内围绕它自己的轴旋转,同时在图3显示的第一终端位置和图4显示的另一终端位置之间作往复运动,如图3所示位置它将出入口50和52分别与驱动泵86和贮槽90连通,在图4所示位置正好把出入口和泵、贮槽的连结反过来。这样当滑阀移到它最左边如图3所示,让从驱动泵86来的加压流体进入到阀室48活塞54的后面,而阀室里活塞前面的驱动流体则与贮槽90相连通,因而使活塞从它的最左边位置移到它的最右边位置。以同样的方式,当控制滑阀移到最右边时,如图4所示,产生相反的作用使活塞向相反方向移动。在这种运动中,止逆阀76,78和80,82以上面讨论过的方式适当地开启和闭合。
注意到下述情况是很重要的,因为控制滑阀100是在它的终端位置间运动,如图2所示它移动通过中间位置时会瞬间同时关闭两个出入口50和52与驱动泵86和贮槽90的连通。这样为了使活塞54反向,有必要完全闭合各出入口和重新将它们打开。如后面将要详细讨论的那样,本发明的一个方面是控制速度,通过控制速度来控制泵装置的整个操作,以使液压冲击减到最小,省去与驱动泵相连的蓄液罐,也无必要使驱动泵在活塞的每个输出冲程压缩段进行快速补偿。
如前面指出的那样,控制机构88不仅开启和闭合出入口50和52与泵86和贮槽90的连通,而且当活塞54在(气)液压缸室48中移动时还连续监测它的位置。这由钢索机构将活塞和控制滑阀相互连接来完成,从而活塞在出入口之间的来回运动通过钢索机构使滑阀围绕它自身的轴在阀室94内以相应的方式旋转,所以在任意给定时刻滑阀的旋转位置相应于活塞在(气)液压缸套内那个时刻的位置。在图2-4所示特定的实施方案中,单钢索112的一端,是固定连结到活塞54的一边,而单钢索的另一端是绕到控制滑阀的终端102上。滚轮113支持在两个终端位置中间的钢索。同时控制滑阀的另一端包含有内螺纹、轴向伸展的通道,可同轴接受外螺纹的驱动轴114,轴由116号机构支持,可围绕它自身的轴旋转但不能轴向移动。负荷弹簧118是放在控制滑阀102的终端部分104和116机构之间。这样来选择该弹簧和控制滑阀与驱动轴之间的螺纹连接使得负荷弹簧总是迫使控制滑阀围绕自身的轴以一定的方向旋转,这方向就是使钢索112绕到终端102上的方向,因而总是保持钢索拉紧着。
后面将会看到,驱动轴114是控制滑阀100位置因而也控制活塞54运动的整个装置的一部分。但是对某一时刻,假设这个装置把滑阀放在图3显示的位置,而活塞从它的图2中心位置开始移向右边。在活塞运动的最初时刻,滑阀是在和活塞位置相对应的特定旋转位置。当活塞移向右边,它拉着钢索112跟着它走,因而使得钢索从滑阀上松开,依次使滑阀以与活塞运动相应的方式反时针方向旋转(从102部件处看)直到后者到达它在图2的位置停止运动。这是预先假设由于活塞运动的结果钢索所加的力大于负荷弹簧118引起的反转矩,在设计整个增压器时必须考虑到这一因素。现在假设滑阀100是在它图4位置的时刻,使活塞54向左移动回到它图2的位置。这使钢索112重新绕到滑阀上,又因为负荷弹簧118加到滑阀上的转矩,使得滑阀顺时针方向旋转(也是从104终端处看)回到它原来的旋转位置。当再次到达它图2的位置时,油的流动停止,运动结束。
这样对应轴114在它运动中每一个位置,活塞54有它唯一的静止的轴向位置。所描述的机械提供完全的伺服反馈系统用轴114的角输入124来控制活塞54的运动。这种反馈控制也可由光学方法来完成或者任何不背离本发明的其他合适方法来完成。活塞54的位置最好用钢索112来监测,但也可用其他的方法来监测,不直接与滑阀连接并不背离本发明某些领域。例如活塞的位置可用电子的、光学的或两者结合的方法来检测,相对图7将在下面进一步讨论这个问题。
简略地参看图10(这图将在下面更详细地讨论),图解说明修正的增压器340。图中显示这个增压器的活塞120和滑阀280及连结活塞和滑阀的两条钢索430而不是只有一条钢索。显示的两条钢索是在活塞的两边并与其固定连接,绕在控制滑阀280的两终端上。第二条钢索代替负荷弹簧118。更特殊的是,如图10中所见当活塞从它的左边移向右边时,使得一条钢索从滑阀上松开而另一条钢索绕到滑阀上。当活塞从它右边移到左边时情况刚好相反。这种双重作用不仅使负荷弹簧没有必要而且还发现解决了因使用负荷弹簧引起的粘结问题。下面将讨论增压器340的其他特性。
回到图2-4,应该注意钢索112从活塞室48内伸出到周围大气中,在大气中它绕到控制滑阀100上。这就需要在图2中没有显示的机构,当钢索离开阀套46时适当密封钢索在阀套中的通道。这可用适当的机构来完成,按照本发明的另一方面,在下面图10显示的增压器340的讨论中将可看到没有必要进行这类密封。现在完全可以说刚才上面讨论的后一种增压器包括两条钢索,这两条都在增压器的液压驱动回路之内,一点也没有暴露在大气中。由于这样,就不必要进行出口密封。
如上所指,增压器84包含123所指的装置(请看图2)用来驱动滑阀100在它的两个终端位置之间运动,驱动轴114是这装置的一部分。使驱动轴围绕自己的轴旋转的机构也是该装置的一部分,如双箭头124所指。为了解释这个装置怎样操作,将假定增压器初始是在静止的无抽入状态,活塞54和滑阀100在如图2显示的位置。特别注意活塞位于活塞室48的中间位置,滑阀100位于阀室94中的相似位置,因而入口50和52都关闭。在该位置的增压器为了将活塞移到图2中的右边,轴114必须向合适的方向旋转,例如从滑阀到轴方向看是反时针,以使滑阀旋出轴也就是使滑阀移向左边。一旦滑阀开始移向左边,两口50和52就都打开,从泵86来的加压流体开始将活塞移向右边,因为出入口并不是一下全开,移动有点慢。同时钢索112使滑阀以与驱动轴相同的方向旋转,也就是反时针,因而使得滑阀想移向右边。只要驱动轴114的旋转速度是大于滑阀的旋转速度,那么滑阀将继续向左运动直到它碰到整个增压器一部分的固定制动器126。那个时候,滑阀在它的最左边位置,各出入口都全开。同时活塞继续向右移动,因而使滑阀继续反时针方向旋转。在那个时刻驱动轴的反时针旋转可能已停止,在这种情况下滑阀的继续旋转将使后者移向右边返回到它的初始位置关闭出入口。活塞和滑阀运动之间的相互联系是这样,当活塞移到图4所示的右边位置时出入口关闭。没有驱动轴114的进一步动作,增压器的操作将停止。
为了将活塞移回到它的中间位置,使驱动轴以相反的方向旋转,例如顺时针,使滑阀移向右边如图4所示,因而打开出入口以使活塞移向左边。只要驱动轴的旋转速度大于活塞运动所引起的滑阀旋转速度,滑阀将一直移到右边碰到第二个固定的制动器128。如果驱动轴的旋转在那个时候结束,滑阀将旋回到它的中心位置因而在活塞到达它的中心点时关闭出入口。为了将活塞一直移到左边,驱动轴必须重新顺时针旋转,并足够到使滑阀移回到右边,从而使活塞进一步移向左边,这样驱动活塞回到它的中心位置。
刚才描述的动作是预先假设增压器84的操作是步进式的。但是有可能旋转驱动轴114使活塞54在活塞室48内作连续往复运动。为了理解这是怎样产生的,假设活塞最初是在它的最左边位置如图3所示,并假定驱动轴以反时针方向旋转,足够快将滑阀移向左边碰到制动器126。在这个时候,活塞正开始向右边移动,因而使钢索112从滑阀上松开。只要驱动轴反时针方向旋转的速度等于由钢索引起的滑阀反时针旋转的速度,滑阀将轴向静止不动地压在制动器126上,因而出入口保持在它们的全开状态。通过驱动轴的这种旋转作用,滑阀可以保持在它的最左边位置直到活塞到达图4它的最右边位置,如前描述的那样这可由控制滑阀的旋转位置来检测。注意,因为活塞的运动是对滑阀旋转的响应,所以驱动轴的这种旋转运动被活塞运动所限制,并是活塞运动的函数。一旦当活塞到达它的最右边位置,驱动轴可以反向旋转以使滑阀从它的图3中最左边位置移到图4所示的它的最右边位置,因而使增压器84的操作反向。这个程序可以不断重复以使活塞作连续往复运动。
适当的机构可很容易监测滑阀的轴向位置和它的旋转位置以便适当控制驱动轴114的速度和方向。
根据驱动轴114的旋转运动来描述驱动装置123的操作。在驱动装置另一实施方案中,如图5A-5C所示,显示的驱动装置123′中驱动轴是不旋转的,但由来回的箭头130,132指出的合适机构使它轴向离开或移向控制滑阀。图5a图解说明活塞54初始在它的最左边位置而滑阀被轴向移向左边碰到制动器126,如箭头130所指。这使各出入口都全开,因而使活塞开始移向右边。接着如箭头134所指使滑阀反时针方向旋转,因而使滑阀向右旋转经过驱动轴114,如箭头136所指。只要驱动轴是连续推向左边并与滑阀想移向右边的速度相等(滑阀速度取决于活塞速度),滑阀将继续压在制动器126上,各出入口将仍保持全开。这样,控制滑阀100可保持在它图5A的位置上直到活塞到达它的最右边位置。如图5b中箭头132所指,在那时可把驱动轴从它的最左边位置拉向它的最右边位置。注意在这个动作过程中滑阀与出入口交叉,瞬态关闭各出入口。由图5C可见一旦滑阀跨过出入口,活塞开始移向左边使得滑阀如箭头137所示,向相反方向旋转,因而旋出有螺纹的驱动轴到达它的左边如箭头139所指。同时将滑阀以较快的速率移到右边直到它碰到制动器128。在那时驱动轴向右的运动等于滑阀移向驱动轴左边的运动,因而保持滑阀在最右边压在制动器128的位置。滑阀保持在这个位置直到活塞到达它的最左边位置,整个程序可以重复进行,从而使活塞在室48内来回运动。
从刚才上面的说明中很清楚看到通过控制与滑阀100运动有关的驱动轴114的往复运动,就可控制与活塞位置有关的滑阀的轴向位置。例如,当活塞在它的两个终端位置之间运动的整个过程中,可以使滑阀停留在最左边或最右边位置,以使出入口如描述的那样保持全开,然后滑阀能以最快的速度在它的两个终端位置之间移动以使出入口全部关闭的时间减到最小。另一方面,可以控制滑阀的轴向移动以便通过节流使出入口开启减慢。下面将可看到,用两个增压器构成整个泵装置是最好的。还有每次活塞54从一个终端移向另一终端时它的柱塞56或58中一个是在它的泵室里进行输出冲程。正因为是输出冲程,它必须首先在泵室内把水或其他液体压缩到足够的压力直到这些液体可被压出泵室。例如在水的情况下,当柱塞开始它的冲程时在泵室内的水,在实际工作的实施方案中大约是100PSi。在同一实施方案中,在压力增加到出口压力例如60,000PSi之前,柱塞必须移动1/8左右的冲程。这样输出冲程可以分成两段,初始的压缩段和排出段。后面将可看到,对包含两个增压器的装置来说,增压器是这样操作使得与某一给定的增压器相连的出入口在输出冲程的压缩段总是开得很慢,也就是进行节流。当使用驱动装置123或123′时,可很容易做到相对活塞运动来控制该滑阀的轴向位置。
已经描述过的驱动装置123′包括外螺纹的驱动轴114和使驱动轴产生轴向移动没有显示的合适机构,如箭头130和132所指。图6显示能完成这种功能的机械。参考号为140的这种机械包括一对刚性连杆140和142,在其公共端用枢轴互相连接。同时,连杆142在它的另一端与驱动轴114的自由端枢轴连结,而连杆144的另一自由端是固定安装到转动部件146上,当146旋转时使连杆象曲柄一样旋转。部件146通过环形的驱动皮带由马达150带动。同时通过适当的导轨152限制驱动轴仅作轴向运动。这样连杆式曲柄144围绕部件146中心的旋转运动使驱动轴114沿着它自身的轴作来回往复运动。150马达可以是速度可变的马达,也可是转矩恒定的马达、可停转马达或任何适合的马达以按照活塞54的运动来控制驱动轴114的运动,使控制滑阀100产生所希望的运动。在任何可以控制驱动轴来回运动的合适机构中,已经特别说明过140机械,因为它是构成驱动二个增压器装置更复杂机构的一部分,将在下面进行详细描述。
仍参看140机械,复述如下,驱动轴114的一类运动是,当活塞54运动时如果要使控制滑阀停留在碰到制动器126,128中某一个的位置上,这需要驱动轴的轴向移动速度等于控制滑阀100的速度,而方向相反。这样用140机械来完成这个功能,它为了维持控制滑阀固定在一个制动器上,要限制曲柄144的转动使驱动轴仅作必要的运动,环形带148也一样。因而在这些条件下,148带的运动被活塞本身的运动所限制,因此重要的是马达150可以停转,要么对这种情况进行补偿。
现在参看图7,图解说明整个泵装置200包括二个与前面描述过的增压器84几乎一样的增压器84′和84″。因没有显示,两个增压器84′和84″的阀门是相互连接到同一个输送流体源,相当于前面引述过的源40,需要流体送入的地点,相当前面引述的地点44。为了说明方便,构成两个泵一部分的两个活塞将分别说为活塞A和活塞B,它们各自的柱塞将都用数字1和2区别。用一个驱动泵86′,相当于驱动泵86,来驱动活塞A和B。同时也用一个贮槽相当于贮槽90,图中未显示。每个增压器84′和84″可以包含它自己的控制装置,未显示,相当于装置88利用可旋转和轴向可移动的控制滑阀如滑阀100。以这种方式,活塞A和B往复来回运动使得一个活塞的一个柱塞是在经过吸入冲程而它的另一个柱塞是在输出冲程,后者如前述一样包括压缩段和排出段。
仍按照本发明的另一方面,提供适当的机构来控制构成两个增压器84′和84″一部分的控制滑阀的运动,以使增压器各自的活塞来回往复运动经过吸入和输出冲程时相互间有固定的相位关系,以便保持下面的关系。第一,在整个装置的操作期间,至少有一个泵的活塞相对该泵的泵室总是处于输出冲程的排出段;第二,在它输出冲程的排出段,接受用来移动上述活塞的加压驱动流体的出入口总是保持全开状态;第三每个泵的活塞通过它每个输出冲程的初始压缩段时总是维持接受加压驱动流体的出入口在该时刻仅仅是部分开启式是在冲程的整个压缩段处于节流状态以便通过部分开启的口使加压流体的压力慢慢上升。图8很好说明两个活塞之间的这种相互关系。图7说明增压器84′的活塞A运动经过它输出冲程的排出段。注意如图示说明的那样这时各出入口是全开的。同时显示的增压器84″的活塞B是经过它冲出冲程的压缩段。注意在各出入口是节流的。
如刚才上面说明的那样,增压器84′和84″之间的相互关系使得它们有可能使用一个驱动泵而不需要蓄液罐,驱动泵本身也不需要迅速补偿在每个输出冲程压缩段产生的瞬态过程。更重要的是液压冲击减到最低限度。
说明的两个增压器84′和84″包括控制装置,它应用如前描述的相当于滑阀100的控制滑阀。不言而喻,用来控制A、B每个活塞位置的控制装置并不限于这一种,可以是任何其他类型能以所希望的方式控制活塞的装置。例如,可用如图7中161所指的电的或光电的机构,来检测每个活塞的位置并提供合适的反馈信号,以适当的方式通过开启和闭合各出入口来控制它们的运动。但是假定增压器84′和84″包括与前述机构88相当的控制装置,就需要合适的驱动装置以适当的方式去移动与它们相连的控制滑阀。图9中140′图示说明这样一种驱动装置。这种机械包括两个相同的辅机械140a和140b,它们与前面讲过的图6表示的机械140基本相似。因而辅机械140a包括相应的连杆142a和144a及相应的旋转部件146a。辅机械140b包括相应的连杆142b和144b和相应的旋转部件146b。连杆142a和142b在它们的自由端与螺纹驱动轴114′和114″的自由端枢轴相连,这些驱动轴是增压器84′和84″的构成部分,它们的作用与前面叙述的驱动轴114相对应。两个部件146a和146b由一个与马达150相当的马达150′拖动,并通过与驱动带148功能相同的环形带148′驱动,使这两部件同时旋转,速度相等。为了下面所讨论的理由,马达150′设计成可停转的。
辅机械140′与构成增压器84′和84″的各控制滑阀互相连结使得它们各自的活塞A和B相互间的相位差为90°。还有把一个控制滑阀驱动到它的终端碰到一个辅机械的制动器时,在控制滑阀保持在该位置的整个时间内,因上述理由相应活塞的运动限制和滑阀相连的146a或146b部件的旋转运动。例如,如果辅机械140b作用在它的控制滑阀上以维持后者压在制动器上,如图9所示,那么144b和146b部件的旋转运动就被与这滑阀相连的活塞运动所限制。这限制了环形带148′的运动,因而也限制连杆144a和相连部件146a的运动,使之成为相同的运动,所以最后限制了另一个控制滑阀的运动。换句话说,一个活塞和它的控制机构(滑阀)之间的反馈作用控制与另一活塞相连的控制滑阀的运动。这种联合作用提供并不复杂而可靠的力学机械使活塞有图7和8所说明的关系。
现在与图8一起参看图10和11,请注意按照本发明实际工作的实施方案设计的流体泵装置340。为便于说明,将假设装置是抽高压水,压力例如在10,000PSi或更高。图10显示活塞120和在气缸400内操作的抽水柱塞140,它交替地把水从室410压出和吸入。产生泵作用的止回阀与通道420连接,但它们是现有的技术,这里没有显示。钢索430的一端通过滑轮440与活塞120相连,它的另一端是以这种方式绕在并固定在滑阀280上,使得活塞的运动使滑阀旋转在其一端松开钢索,而另一端绕上钢索。
阀有压力入口450,滑阀280有纵向孔460使得两个470室总是在液压泵的输出压力。480室是连结在回液压贮槽的管线或液压泵的吸入线上,从而使得480室和通道490总是在低压。钢索430是在通路500A和500B内运行,而这些通道又作为油路使油流过阀作用到活塞120上。通道500A和500B由脊510使其与各470和480室密封。
在滑阀280的中心是旋入螺母530中的螺杆520,螺母530的顶部横有与曲柄540的曲柄销550啮合的槽。如曲柄540在某一位置保持不动,情况将如说明的那样脊510密封各口500A和500B,所有的部件都将保持不动。装置的操作如下:
当曲柄540转动时,譬如说它使滑阀向右。脊510就不再盖住各口500A和500B让油从压力室470流入通道500A,并让油从通道500B经过480室回去。这就使活塞120移向右边,钢索使滑阀旋转。当滑阀旋转时,螺杆520使它在螺母530中向左移动,然后再一次关闭500A和500B口。总的效果是使活塞跟随螺母530的运动。
但是,如果限制活塞120的速度,譬如说由油的流动或所抽水的流阻造成,有可能使滑阀280碰到终端塞570或入口560。在这种情况下阀保持全开,活塞120的速度限制螺母530和曲柄540的运动,因为它使滑阀280旋转以让螺母530沿着螺杆520运动。
这样阀的功能有两种模式:
(1)作为节流阀,当螺母相对活塞运动较慢和螺母的速度确定活塞的速度时。
(2)作为全开阀,活塞的运动支配螺母的速度。
如下面解释那样,两个增压器可以连结起来使得在某一给定时刻每个操作在一种模式。
在讨论多个增压器的操作之前,还必须澄清几点关于一个增压器的操作。首先,选择曲柄540的冲程使得当曲柄销550在图10中它的最左或最右位置时活塞120分别在它的左边和右边位置。曲柄冲程大小取决于螺杆520的螺纹间距。钢索绕在滑阀部分的直径和活塞120的冲程,所以很容易计算。
本发明还有一方面是基于这样的认识,活塞120当它在160室内来回运动时有轻微旋转漂移的倾向,所以采取措施来消除这种漂移。如图10所说明的那样,特别在活塞120上装设尖头的销钉580,设计与活塞套终端中相配合的孔590啮合。结果在活塞每次第二冲程的终了,使活塞旋回到它的零位,从而消除旋转漂移。
在实践中已经发现有必要使用球轴承的螺杆螺母和在滑阀280接触终端塞570和入口560的地方使用球轴承止推轴承以把摩擦力减到最小。还发现选用尖齿的螺杆520是有用的,使得曲柄销550所加的力引起螺杆旋转。那么钢索430作为旋转器的制动器而不是提供拖动力结果使操作得到很大的改善。
图11是两个曲柄540A和540B及驱动链轮610的顶视图。图中还显示螺母530A和530B,但图10中其他部分机械为了简化都省略,曲柄销钉如图示保持90°相位差,链600把它们与驱动马达链轮610连结起来并带动它们。
用有限的转矩拖动驱动链轮610,但速度足够把两个滑阀中的一个推到图10中的终端制动器560和570。如前解释那样驱动链轮610的旋转速度由活塞120的速度决定。在图11中是增压器A限制了速度,因为曲柄540B正在通过顶部中心的死区,没有任何运动传给螺母530B。当曲柄540B通过顶部中心死区后,螺母530B与上述在节流模式操作的增压器B一起,速度慢慢增加。在45°点增压器B完成它的压缩段,现在两个增压器以相同的速度运动。超过45°,增压器B是在全开模式,现在活塞B的速度支配链轮610的速度。同时当曲柄销550A通过底部中心死区时活塞A节流到停止,并平稳地反向。现在过程重复,增压器A执行B先前进行的程序。
从这种运动得到的压力图现显示在图8。我们看到只少有一个气缸总是在全压输送流体到负载。虽然在每个压缩段要求从液压泵抽入一些额外的流量,输入输出两个流动相对平稳。但是普通尺寸的压力补偿泵由于在压缩段进行节流,在传送这种流动时将没有很陡的瞬态过程。
前面是讨论用两个泵的整个泵装置,其中每个泵包括在它自身气缸套内可移动的驱动活塞,在空间上分开布置的出入口之间交替地经过吸入和输出冲程。当一个活塞以全功率通过它输出冲程中排出段时(它的入口全开),这活塞的运动使用图9或11显示的控制装置限制另一活塞(被节流活塞)的运动。如果整个装置包含两个以上的泵,并至少包括一个小于全功率驱动的泵(即被节流),这些没有显示,被节流活塞的运动将被那些以全功率运动的活塞中最慢的一个所限制。