Гидравлический насос, диафрагма, способ изготовления диафрагмы и способ обнаружения разрушения диафрагмы - RU2348847C2
Код документа: RU2348847C2
Чертежи
Описание
Настоящая заявка регистрируется как международный патент РСТ приоритетом по патентной заявке США No.10726,984, зарегистрированной 2 декабря 2003 года.
Предпосылки создания изобретения
Область техники
Изобретение, в основном, относится к насосам с гидравлическим приводом, и, более конкретно, оно относится к диафрагмам для насосов с гидравлическим приводом.
Известное техническое решение
Вращающийся масляный диафрагменный насос является насосом высокого давления, который способен перекачивать многие агрессивные среды, поскольку при перекачке технологических жидкостей в нем не используются подверженные износу скользящие поршни или уплотнения. Диафрагма полностью изолирует насос от окружающей среды (технологической жидкости), таким образом защищая насос от загрязнения.
Такой примерный диафрагменный насос 20 показан на фигурах 9 и 10.
Насос 20 имеет ведущий вал 22, который жестко крепиться в корпусе насоса 24 с помощью большого конического роликового подшипника 26 в задней части вала и небольшого подшипника (не показан) на передней стороне вала. Кулачок с постоянным углом или наклонный диск 28 находится между другой парой больших подшипников (не показано). При вращении ведущего вала наклонный диск перемещается, двигаясь вперед и назад, преобразуя осевое движение в прямолинейное движение.
Три поршневых блока 30 (только один поршневой блок показан на чертежах) поочередно смещаются наклонным диском 28. Как показано ниже, каждый поршень и цилиндр находятся в замкнутом объеме или камере, и эта камера заполнена маслом. Шаровой обратный клапан 32, расположенный в основании цилиндропоршневого блока 30, обеспечивает поступление масла из бака 27 (наклонный диск 28 находится в баке), чтобы заполнить камеру в такте всасывания. В течение выходного такта или такта сжатия масло в камере герметизирует заднюю стенку диафрагмы 34 и по мере движения наклонного диска заставляет диафрагму изгибаться вперед, осуществляя операцию перекачивания. В идеале, насос гидравлически балансирует давление поперек диафрагмы по отношению к полному диапазону расчетного давления. Как обсуждено ниже, с известными насосами на практике в разных ситуациях дело обстоит не так. В любом случае, каждая диафрагма имеет свою собственную насосную камеру, которая содержит вход и выход узла обратного клапана 36, 37. По мере изгиба диафрагмы технологическая жидкость входит в насос через общий вход и проходит через один из обратных клапанов на входе. На выходе или в такте сжатия диафрагма вытесняет технологическую жидкость из выходного обратного клапана и форсирует ее через коллектор в общий выпускной патрубок. Диафрагмы равномерно распределены по отношению друг к другу и работают последовательно, чтобы обеспечить постоянный, фактически безимпульсный поток технологической жидкости.
Диафрагма 34 удерживается между двумя частями 38, 40 корпуса 24.
Диафрагма 34 отделяет сторону насоса от заполненной маслом гидравлической стороны привода насоса. На стороне привода размещен поршневой блок привода 30, включая плунжер диафрагмы 42 в заполненной маслом камере, которая функционирует как передаточная камера 44. Пара обратных клапанов 32 в поршне 46 отделяет передаточную камеру 44 от масляного бака (не показано). Наклонный диск 28 (не показан на фигуре 2) входит в контакт с прокладкой 48, чтобы привести в движение поршень 46. Стрелка 49 указывает на общее направление движения кулачка или наклонного диска. Когда поршень и диафрагма завершают движение вперед или такт сжатия, днище 50 поршня 46 находится в верхней мертвой точке (ВМТ). Когда поршень и диафрагма завершили такт всасывания, днище 50 поршня 46 находится в нижней мертвой точке (НМТ).
На фигурах показана работа обычного насоса 20 в нормальных стандартных условиях работы с использованием обычной возвратной пружины 96.
На чертежах показаны типичные давления. Типичные векторные направления для кулачка или наклонного диска (на фигурах не показаны) составляют: давление всасывания не превышает 1,1 кг/см2, рабочее давление больше величины 1,1 кг/см2. Перепад давления поперек диафрагмы 34 установлен приблизительно порядка 0,21 кг/см2.
Со ссылкой на фигуру 11(а) отметим, что такт всасывания начинается в конце такта сжатия. Для предполагаемых условий давление в камере сжатия немедленно падает от величины высокого давления, например, от 8,4 кг/см2 до 0,7 кг/см2. Давление в гидравлической передаточной камере составляет 0,91 кг/см2, что меньше давления 1,1 кг/см2 в баке. Поршень 30 находится в верхней мертвой точке и начинает перемещаться в нижнюю мертвую точку. Возвратная пружина 96 мгновенно перемещает плунжер 42 и, в частности, цилиндрический золотник вправо, чтобы открыть канал 98. Поскольку давление в передаточной камере меньше, чем давление в баке, обратный клапан 46 открывается, и масло течет из бака в передаточную камеру, чтобы соответственно заполнить ее маслом, которое было вытеснено в течение предыдущего такта сжатия. Иными словами, под давлением в такте сжатия масло протекает через свободные зазоры частей поршня так, что некоторое количество масло течет из передаточной камеры назад в бак.
Таким образом, в течение такта всасывания масло должно снова заполнить передаточную камеру с тем, чтобы имелось достаточно масла, чтобы создать достаточное давление в течение последующего такта сжатия.
На фигуре 11(b) показана конфигурация в середине хода поршня. При движении поршня 30 вправо небольшое разряжение в камере сжатия (порядка 0,7 кг/см2) удерживает диафрагму 34 и золотник в левом положении, закрывая, таким образом, канал 98.
Поскольку давления почти равны и диафрагма 34 перемещается вправо вместе с поршнем 30, камера насоса заполняется технологической жидкостью.
Как показано на фигуре 11(с), поток технологической жидкости продолжается по мере перемещения диафрагмы 34 право. Клапан канала остается закрытым. Из бака в камеру 44 вытекает очень небольшое количество масла (не показано), поскольку давления почти равны.
Таким образом, пространства по обе стороны диафрагмы заполняются должным образом.
Когда поршень 30 достигает нижней мертвой точки, такт всасывания заканчивается, и начинается такт сжатия. Давление в передаточной камере быстро увеличивается, например, от 0,7 кг/см2 до 8,5 кг/см2. Аналогичным образом давление в камере сжатия немедленно увеличивается, например, от 0,7 кг/см2 до 8,4 кг/см2. Наклонный диск начинает перемещать поршень 30 влево, что вызывает повышение давления. Обратные клапаны 32 закрываются. Диафрагма 34 движется вместе с объемом масла, и технологическая жидкость выталкивается поршнем из цилиндра.
Как показано на фигуре 11(е) в середине хода поршня создается непрерывный выход.
Некоторое количество масла, протекающее через зазор между поршнем и цилиндром, может переместить цилиндрический золотник 84 плунжера диафрагмы 42 вправо, чтобы открыть канал клапана 98. Однако обратные клапаны 32 закрыты, запирая, таким образом, масло в передаточной камере 44 и исключая утечку.
Ход сжатия заканчивается конфигурацией, показанной на фигуре 11(f). Заполненная передаточная камера 44 вызывает перемещение диафрагмы 34 влево, создавая некоторое усилие на диафрагме 34.
Поршень 46 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 47. Поршень 46 имеет цилиндрическую часть 52, которая формирует внешнюю стенку поршня. Цилиндрическая часть 52 состоит из юбки 54 и торцевой части 56 с фланцем, который входит в контакт с наклонным диском.
Юбка 54 имеет секцию основания 58. Секция основания 58 включает первое основание 60, которое находится в контакте с торцевой частью 56, и включает элементы уплотнения 62 для создания уплотнения между первым основанием 60 и юбкой 54. Секция основная 58 также включает второе основание 64 на конце, противоположном первому основанию 60. Соединительная стенка 66 соединяет первое и второе основания 60 и 64. Возвратная пружина поршня 68 представляет собой цилиндрическую пружину, которая проходит между первым основанием 60 и стопором диафрагмы 70, который является частью корпуса насоса 24. Корпус клапана 72 расположен в секции основания 58 и проходит между вторым основанием 64 и торцевой частью 56. Уплотнения 74 создают механизм уплотнения между корпусом клапана 72 и соединительной стенкой 66 у второго основания 64.
Торец 76, противоположный торцу 56 части втулки 52, открыт.
Аналогичным образом торец 78 корпуса клапана 72 открыт. Второе основание 64 имеет отверстие 80, в которое входит шток 82 плунжера 42.
Плунжер диафрагмы 42 имеет цилиндрический золотник 84, расположенный в корпусе клапана 72 со штоком 82, проходящим от цилиндрического клапана 84 через отверстие 80 к головке 86 на стороне передаточной камеры диафрагмы 34. Опорная плита 88 находится на стороне насосной камеры диафрагмы 34 и прижимает диафрагму к головке 86 с помощью винта 90, который ввинчивается в полую часть 92 плунжера 42. Полая часть 92 проходит по оси от одного конца плунжера 42 к другому концу. Винт 90 ввинчивается в торец диафрагмы. Торец поршня полой части 92 открыт. В штоке 82 выполнено множество радиальных отверстий 94. Возвратная пружина 96 представляет собой цилиндрическую пружину, которая проходит между вторым основанием 64 и золотником. В стенке корпуса клапана 72 предусмотрено отверстие клапана 98. В стенке корпуса клапана 72 имеется канавка 100, которая проходит по соединительной стенке 66 от отверстия клапана 98 до торцевой части 56. Обратный клапан 102 расположен в торцевой части 56 в канале 104, который связан жидкостью с баком (не показан). Таким образом, имеется возможность прохода жидкости из бака (не показан) через канал 104 и обратный клапан 102, канавку 100 к отверстию клапана 98. Когда клапан открыт, создается дополнительный проход жидкости из полой части 92 через пространство, в котором расположена цилиндрическая пружина 96, и затем через одно из множества радиальных отверстий 94 и через осевую полую часть 92 плунжера и другие радиально направленные отверстия 94 к различным частям передаточной камеры 44. Полый канал 92 вместе с радиальными отверстиями 94 обеспечивает проход жидкости от части передаточной камеры 44 около диафрагмы 34 к части передаточной камеры 44 в корпусе клапана 72 поршня 30. Передаточная камера также включает пространство, занятое возвратной пружиной поршня 68.
На стороне диафрагмы насоса 34 расположен узел входного обратного клапана 36, который открывается во время такта всасывания, когда в камере сжатия 106 создается вакуум. Также предусмотрен обратный клапан 37, который открывается во время нагнетания или такта сжатия, когда в камере сжатия 106 создается давление.
Однако при использовании обычных диафрагменных насосов возникает проблема, связанная с возможным разрывом диафрагмы при некоторых рабочих режимах. Диафрагма может выйти из строя намного быстрее, чем это оговорено в технических условиях, или довольно часто выходит из строя быстрее, чем другие компоненты насоса. Такая неисправность загрязняет технологические линии с гидравлическим приводом. Рабочий режим, при котором наиболее часто возникает подобная неисправность, связан с высоким давлением на входе с соответствующим низким давлением на выходе. Это довольно частое явление в типичной насосной системе, когда входной фильтр начинает забиваться твердыми частицами. В этом случае забитый фильтр требует высокого разряжения для прокачки технологической жидкости через фильтр. В то же время понижение объема прокачиваемой технологической жидкости вызывает понижение давления на выходе. Это создает ситуацию, когда высокий вакуум на стороне всасывания понижает давление во время такта всасывания на стороне передаточной камеры так, что передаточная камера по существу "просит больше наполняемой жидкости" и, следовательно, поступающее масло переполняет передаточную камеру и делает это без соответствующего высокого давления, способного протолкнуть масло во время нагнетания или такта сжатия для баланса давления. Переполнение перемещает диафрагму к отверстиям для входа жидкости клапана вплоть до разрыва диафрагмы. Кроме того, в случае быстродействующего реверсивного насоса, работающего в режиме вакуум/давление, в рассматриваемом устройстве быстрое закрытие клапана создает огромные всплески давления, называемые «ударами Жуковского». Эти всплески могут состоять из давления жидкости или акустических волн и гармоник обоих.
Всплески давления могут вызвать перетекание масла в поршень привода, что крайне нежелательно. Это снова может привести к переполнению и к выходу диафрагмы из строя.
Из-за возможности разрушения диафрагмы насосы с гидравлическим приводом, как правило, не годятся для многих областей применения, в которых не допускается такое загрязнение перекачиваемой среды, например, в линии распылителя краски. При исключении возможности загрязнения среды из-за разрыва диафрагмы насосы с гидравлическим приводом были бы предпочтительны при выборе насосов для многих областей применения. Следовательно, возникает необходимость своевременного обнаружения неисправности диафрагмы и использования этой информации для остановки насоса.
В прошлом использовались различные способы обнаружения разрушения диафрагмы. Одна примерная система обнаружения разрыва диафрагмы включает использование двух диафрагм с созданием некоторого разряжения между ними, как это раскрыто в патенте США No. 5,667,368. Этот способ требует использования сложных аппаратных средств и ЭВМ для поддержания вакуума и обнаружения ухудшения вакуума.
В другом способе обнаружения разрыва диафрагмы используются две диафрагмы, которые разделены жидкостью. Этот способ раскрыт в патенте США No. 4,971,523. Он включает обнаружение изменения в удельной электропроводности жидкости.
Этот способ дополнительно требует, чтобы свойства рабочей жидкости гидропривода отличались от свойств перекачиваемой жидкости с тем, чтобы это изменение могло быть обнаружено в случае разрыва диафрагмы. Таким образом, основное требование этого способа заключается в том, чтобы разделительная жидкость отличалась от перекачиваемой жидкости и масла насоса, при этом разделительная жидкость должна изменяться в зависимости от электропроводности перекачиваемой жидкости.
Еще один способ обнаружения разрыва диафрагмы раскрыт в патенте США №4.781.535. В этом способе используется непрерывная металлическая дорожка, сформированная на поверхности диафрагмы. Дорожка проверяется на непрерывность, также как на замыкание на массу перекачиваемой жидкости. Обнаружение замыкания на массу должно предохранить от разрыва, замаскированного электропроводностью жидкости, которая в противном случае соединилась бы с токопроводящей дорожкой. При использовании тонкой металлической пленки она будет ломаться, если будет подвергнута любому существенному механическому напряжению. Эта система позволяет использовать металлическую дорожку, сводя к минимуму механические напряжения с помощью сложных форм этой дорожки. В патенте США №4.781.535 приведено несколько примеров низкого прогиба диафрагм большого диаметра, на которые воздействует относительно низкое механическое напряжение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в основном, относится к насосам с гидравлическим приводом, которые имеют диафрагму. Диафрагма по настоящему изобретению состоит из нескольких высокоэластичных слоев с высокоэластичной токопроводящей дорожкой, внедренной в один из слоев. Хотя слои могут быть соединены друг с другом, в предпочтительном варианте слои независимо подвижны относительно друг друга так, что износ и разрыв каждого слоя происходит независимо. (Объяснение термина «независимо подвижны» приводится ниже.)
Один вариант изобретения относится к многослойной диафрагме для использования в насосе с гидравлическим приводом. Диафрагма содержит первый слой в контакте с перекачиваемой технологической жидкостью, второй слой в контакте с рабочей жидкостью гидросистемы насоса и третий слой, изготовленный из высокоэластичного материала, который включает высокоэластичную токопроводящую дорожку, внедренную в высокоэластичный материал. Третий слой помещен между первым и вторым слоями и независимо подвижен относительно первого и второго слоев.
Для достижения другой цели изобретение относится к способу изготовления диафрагмы насоса, которая содержит высокоэластичный слой и токопроводящую дорожку. Способ включает формирование первой части высокоэластичного слоя, формирование токопроводящей дорожки на первичной поверхности первой части высокоэластичного слоя и формирование вторичной части высокоэластичного слоя на первичной поверхности первой части над частью токопроводящего слоя так, что первая и вторая части являются составными по отношению друг к другу, и внешняя периферия токопроводящей дорожки открыта. Токопроводящая дорожка включает высокоэластичный материал типа смеси углерода и кремнийорганического материала, который является стойким к механическому напряжению, по меньшей мере, порядка 20% расчетной величины и обладает электропроводностью.
Для достижения еще одной цели изобретение относится к способу обнаружения разрушения диафрагмы в гидравлическом насосе, который содержит первый, второй и третий высокоэластичные слои. Третий слой включает высокоэластичный материал типа кремнийорганического материала и высокоэластичную токопроводящую дорожку, внедренную в высокоэластичный материал. Способ включает стадии: размещение первого слоя в контакте с жидкостью, закачиваемой гидравлическим насосом, размещение второго слоя в контакте с рабочей средой гидросистемы гидравлического насоса, размещение третьего слоя между первым и вторым слоями, подключение электрического тока к токопроводящей дорожке, обнаружение изменений в электрическом сопротивлении в результате использования диафрагмы в гидравлическом насосе и формирование сигнала обнаружения и отключения гидравлического насоса, когда сигнал неисправности находится в предопределенном диапазоне.
Еще одна цель изобретения состоит в создании многослойной диафрагмы для использования в насосе с гидравлическим приводом, который содержит первый слой, имеющий первый модуль упругости, второй слой, имеющий второй модуль упругости, и третий слой, помещенный между первым и вторым слоями и имеющий третий модуль упругости ниже первого и второго модуля упругости. Диафрагма также включает высокоэластичную токопроводящую дорожку, внедренную в третий слой и открытую по внешней периферии третьего слоя в месте, удаленном от контакта с жидкими средами в насосе.
В соответствии с еще одной целью изобретение относится к насосу с гидравлическим приводом, который содержит первую камеру в контакте с технологической жидкостью, вторую камеру, предназначенную для рабочей жидкости гидросистемы, и многослойную диафрагму, помещенную между первой и второй камерами. Диафрагма имеет первый слой в контакте с технологической жидкостью, второй слой в контакте с рабочей жидкостью гидросистемы и третий слой, который содержит высокоэластичный материал типа кремнийорганического соединения и высокоэластичную токопроводящую дорожку, внедренную в высокоэластичный материал. Третий слой предпочтительно помещен между первым и вторым слоями и предпочтительно независимо подвижен относительно первого и второго слоев.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - вид спереди в перспективе на один типовой насос, который содержит узел диафрагмы согласно настоящему изобретению;
Фигура 2 - вид спереди в перспективе на узел диафрагмы, показанный на фигуре 1;
Фигура 3 - вид сзади в перспективе на узел диафрагмы, показанный на фигуре 1;
Фигура 4 - перспективный вид спереди с пространственным разделением деталей на узел диафрагмы, показанный на фигуре 1;
Фигура 5 - перспективный вид сзади с пространственным разделением деталей узла диафрагмы, показанного на фигуре 1;
Фигура 6 - поперечный разрез узла диафрагмы, показанного на фигуре 2 по линии 6-6;
Фигура 7 - поперечный разрез с пространственным разделением деталей узла диафрагмы, показанного на фигуре 6;
Фигура 8 - вид сверху на один из слоев диафрагмы, показанных на фигуре 4, который имеет примерную токопроводящий дорожку, сформированный на указанном слое в соответствии с настоящим изобретением;
Фигура 9 - перспективное изображение обычного диафрагменного насоса;
Фигура 10 - частичный поперечный разрез обычного диафрагменного насоса, показанного на фигуре 9.
Фигуры иллюстрируют работу обычного насоса в нормальных стандартных рабочих режимах, в которых используется обычная возвратная пружина.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в основном, относится к диафрагме для насоса с гидравлическим приводом, которая является усовершенствованием обычных диафрагм насосов, описанных выше. На всех чертежах аналогичные части обозначены одинаковыми цифровыми позициями. Части, усовершенствованные по настоящему изобретению, выделены и описаны. Изобретение, в основном, относится к насосам с гидравлическим приводом и, более конкретно, относится к диафрагмам для насосов с гидравлическим приводом и к обнаружению дефектов в таких диафрагмах. Диафрагма имеет, по меньшей мере, три высокоэластичных слоя, выполненные из материалов, стойких к воздействию механических напряжений. Слой, помещенный между двумя другими слоями, включает токопроводящую дорожку, внедренную в этот слой.
Изменение сопротивления токопроводящей дорожки контролируется во время работы диафрагмы. Когда величина сопротивления достигает некоторого предопределенного значения, которое указывает на неисправность в одном или большем количестве слоев диафрагмы или на возможность появления разрыва, формируется сигнал неисправности. Разрушение среднего слоя также будет обнаружено, поскольку трещины в токопроводящем слое вызывают размыкание электрической цепи, которое превысит предопределенный уровень сопротивления. Сигнал неисправности может быть использован для отключения насоса, предотвращая, таким образом, смешивание рабочей жидкости для гидросистемы на одной стороне диафрагмы с перекачиваемой технологической жидкостью на другой стороне диафрагмы в насосе.
Предпочтительно, чтобы слои диафрагмы не были бы соединены вместе с тем, чтобы они оставались независимо подвижными, когда диафрагма изменяет форму при изгибе. Когда слои отделены друг от друга, снижается вероятность того, что разрушение в одном слое будет передано смежному слою. В результате повреждение в одном слое диафрагмы может быть обнаружено, и насос будет остановлен прежде, чем все слои будут повреждены.
Используемый здесь термин "модуль упругости" определяется как отношение прироста некоторого определенного вида напряжения к приросту некоторого заданного вида напряжения типа модуля Юнга, модуля объемной деформации или модуля сдвига.
Термин "эластомерный" или "высокоэластичный" материал определяется как полимерный материал типа синтетического каучука или пластмассы, которая при комнатной температуре может быть вытянута под низким напряжением, по меньшей мере, вдвое больше ее первоначальной длины, и после быстрого снятия напряжения она возвращается к своей соответствующей первоначальной длине.
Пример диафрагменного насоса 120, в котором используется диафрагма 122 по настоящему изобретению, показан на фигуре 1. Насос 120 содержит первую камеру 124, которая открыта для прокачиваемой технологической жидкости, и вторую камеру 126, которая заполняется рабочей жидкостью для гидросистемы. Диафрагма 122 расположена между первой и второй камерами 124, 126 и герметично закреплена в насосе, чтобы обеспечить герметичную поверхность раздела между рабочей жидкостью гидросистемы и технологической жидкостью. За исключением диафрагмы 122 насос 120 содержит признаки и функциональные возможности, соответствующие известным диафрагменным насосам, как описано выше в разделе известной области техники.
Как показано на фигурах, диафрагма 122 имеет первый слой 140, второй слой 142 и средний или третий слой 144, токопроводящую дорожку 150, сформированную на первичной поверхности третьего слоя 144 (см. конфигурацию токопроводящей дорожки, сформированную на третьем слое 144 и показанную на фигуре 8). Слои 140, 142, 144 могут удерживаться вместе первыми и вторым опорными кольцами или оправой 152, 154, которые, когда они соединены вместе, создают пакетный узел, который является относительно легким для целей установки и транспортировки. Использование оправы для удержания слоев диафрагмы, в частности, полезно, когда слои диафрагмы не соединены вместе так, что при работе диафрагмы они являются независимо подвижными относительно друг друга.
Первый слой 140 имеет первую и вторую стороны 160, 162 и периферийную внешнюю поверхность 164. Первый слой 140 имеет размер, обеспечивающий контакт с внутренней поверхностью первого кольца 152, и формирует уплотнение между ними. Поскольку кольцо 152 открыто в его центре, первая сторона 162 первого слоя 140 открыта по направлению к центру кольца 152. Соединитель клапана 156 запрессован в слой 140 и служит для соединения со штоком клапана 158 поршневого блока привода 157 на гидравлической стороне привода насоса (см. фигуру 1).
Второй слой 142 имеет первую и вторую стороны 170, 172 и периферийную внешнюю поверхность 174. Второй слой 142 имеет размер, достаточный для его размещения во втором кольце 154 и для уплотнения между указанными элементами (см. фигуру 6). Поскольку второе кольцо 154 также открыто по направлению к центру, вторая поверхность 172 открыта по направлению к центру кольца 154.
Первая часть 146 третьего слоя 144 включает первую и вторую боковые поверхности 180, 182 и периферийную внешнюю поверхность. Вторая часть 148 третьего слоя 144 включает первую и вторую боковые поверхности 190, 192 и периферийную внешнюю поверхность 194. Как показано на фигуре 7, первая часть 146 имеет больший диаметр (D4), чем диаметры D2, D3 соответствующих слоев 140, 142 второй части 148. Больший диаметр D4 обеспечивает выход элементов первой части 146 за пределы наиболее удаленных периферийных поверхностей первого и второго слоев 140, 142 и второй части 148 диафрагмы. При этом часть токопроводящей дорожки 150 может быть сформирована на второй стороне 182 таким образом, что часть дорожки 150 также открыта, когда слои диафрагмы собраны вместе. Эта открытая часть токопроводящей дорожки 150 позволяет присоединить электрические провода 240, 242 к первому и второму концам 202, 204 элемента 200 токопроводящей дорожки (см. фигуры 6 и 8) без контакта с другими слоями диафрагмы.
Вторая часть оправы 154 может включать первое и второе отверстия соединителя 220, 222 и первый и второй элементы 224, 226 на внешней поверхности 230 для обеспечения электрического контакта первого и второго проводов 240, 242 с первым и вторым концами 202, 204 токопроводящей дорожки 150. Хотя первый и второй соединительные элементы 224, 226 показаны в данном варианте как резьбовое соединение, могут использоваться другие типы соединителей или другие способы обеспечения электрического контакта между первым и вторым проводами 240, 242 и токопроводящей дорожкой 150 в других вариантах.
Первый элемент кольца 152 включает периферийную внешнюю поверхность 210 и пропазованный элемент 212, который входит в зацепление с поддерживающим зажимом 228 у внутренней поверхности 232 второго элемента оправы 154. Соединение пропазованного элемента 212 с поддерживающим зажимом 228 формирует защелочное соединение между первым и вторым опорными кольцами 152, 154, чтобы удержать первый, второй и третий слои 140, 142, 144 вместе. В других вариантах первый, второй и третий слои 140, 142, 144 могут удерживаться вместе с другим средством вне показанного элемента оправы, используя, например, такие детали, как заклепки, застежки, зажимы и клеи, которые наносятся на внешние края слоев. В других вариантах слои 140, 142, 144 могут быть литыми, ламинированными, соединенными клеем, соединенными горячей или ультразвуковой сваркой, или иным путем соединены вместе поперек первичных поверхностей слоев, чтобы сформировать унитарный элемент диафрагмы без отдельного кольца или другой крепежной структуры. Однако, как обсуждено выше, слои 140, 142, 144 предпочтительно независимо подвижны относительно друг друга за исключением внешней кромки, где кольцевые элементы 152, 154 закрепляют слои вместе.
Фраза "независимо подвижны относительно друг друга", как она используется здесь, определяет движение слоев по отношению друг к другу, когда слои изгибаются во время работы насоса. Когда слои соединены вместе поперек их полных первичных поверхностей, создаются большие силы сдвига, в частности, если слои изготовлены из различных материалов, которые имеют различные физические свойства, которые позволяют их растягивать или изгибать в различной степени относительно друг друга. Как обсуждено ниже более подробно, некоторые из слоев диафрагмы 122 могут иметь модуль упругости, отличный от других слоев, что может создавать дополнительно силы сдвига.
Кроме того, если слои были скреплены вместе поперек их первичных поверхностей, возникшая неисправность типа трещины в одном слое легко распространяется на ближайший слой или несколько слоев.
Преимущество движения слоев 140, 142, 144 независимо друг от друга состоит в том, что в большинстве случаев одновременно выходит из строя только один слой, обеспечивая, таким образом, достаточное время для выключения насоса, прежде чем будут повреждены все остальные слои. Чтобы дополнительно повысить независимость движения слоев 140, 142, 144, диафрагма 122 может включать слой смазки между слоями, который также снижает трение, вызывающее износ поверхностей слоев. Для этой цели может быть использована кремниевая смазка, хотя также может быть использована любая не проводящая электрического тока смазка, которая совместима с эластомерами, используемыми в диафрагме.
Использование смазок для снижения износа и трения между двумя элементами хорошо известно во многих областях применения, но ее использование между высокоэластичными слоями диафрагмы насоса ранее не было известно.
Токопроводящая дорожка 150, показанная на фигуре 8, представляет собой непрерывную спираль с первым и вторым концами 202, 204, открытую на второй поверхности около периферийной внешней поверхности 184 первой части 146 третьего слоя 144. Этот примерный вариант является только одной из возможных различных конфигураций, которые могут быть использованы, чтобы обеспечить необходимую чувствительность к изменениям сопротивления токопроводящего слоя во время изгиба диафрагмы 122 при ее использовании. Токопроводящая дорожка 150 может быть сформирована из многих различных материалов или сочетания материалов при условии, что токопроводящая дорожка 150 имеет электропроводящие свойства и достаточное механическое сопротивление к воздействию внешних сил, например напряжения, превышающего определенный уровень. Эти уровни напряжения, как правило, исключают возможность использования металла типа меди и металлических сплавов как материала дорожки. Примером связующего материала для токопроводящей дорожки 150 может служить высокоэластичное вещество типа латекса кремнийорганического материала или уретана, который связывает токопроводящий материал типа порошка углерода, нанесенный на первую часть 146. Токопроводящий материал обеспечивает требуемые электропроводящие свойства и не оказывает значительного влияния на высокоэластичные свойства связующего компонента так, что токопроводящая дорожка 150 является стойкой к воздействию механических напряжений, превышающих 20% нормальной нагрузки.
Материал токопроводящей дорожки 150 может быть в виде электропроводящих чернил и других веществ, которые будут надежно соединены с высокоэластичным материалом с помощью связующего компонента при условии, что токопроводящий материал сохраняет удельную электропроводность в условиях высоких механических напряжений. Серебро, золото и другие токопроводящие металлы могут быть использованы в виде порошка, нанесенного на первую части 146 и закрепленного связующим компонентом, как обсуждено выше. Токопроводящая дорожка предпочтительно представляет собой непрерывный элемент с двумя свободными концами с тем, чтобы подключенный к ним источник питания мог бы передавать ток по токопроводящей дорожке и контролировать сопротивление токопроводящей дорожки при работающей диафрагме 122.
Токопроводящая дорожка 150 может быть сформирована, используя любой процесс аппликации, который обеспечивает очень тонкий слой наносимого материала, например трафаретную печать, набивку и распыление.
Первая и вторая части 146, 148 третьего слоя 144 показаны на фигурах как отдельные слои, но, в конечном счете, они соединены вместе таким образом, что в конечном продукте формируется единственный слой с внедренной в него токопроводящей дорожкой 150. Первая и вторая части 146 изготовлены из высокоэластичного материала типа кремнийорганического материала, синтетического каучука, неопрена, термопластичного каучука или уретана, который является стойким к воздействию высоких уровней напряжения (больше 20%). Предпочтительно, чтобы первая и вторая части 146, 148 были бы изготовлены из того же самого материала, чтобы улучшить связь между слоями. В одном примере соединения первый слой 146 может быть сформирован, используя любой имеющийся процесс. Затем на первом слое 146 сформируется токопроводящая дорожка 150, используя, например, один из описанных выше способов. После этого вторая часть 148 соединяется с первой частью 144, используя процесс формирования типа литья, нанесения жидкого слоя (например, распылением) или ламинирование этих двух слоев с помощью клея, чтобы сформировать объединенный третий слой 144, показанный на фигуре 5. В этом связанном состоянии токопроводящая дорожка 150 предпочтительно полностью закрыта у внешней кромки первой части 146, открытая часть которой в собранной диафрагме охвачена опорными кольцами 152, 154, чтобы защитить дорожку от воздействия рабочей и технологической жидкостями насоса 120. Открытая часть дорожки 150 у периферийной внешней поверхности 184 первой части 146 находится внутри первого и второго опорного кольца 152, 154 с тем, чтобы электрический контакт был ограничен контактом с первым и вторым проводами 240, 244 и вторым элементом оправы 154.
Чтобы уменьшать возможность короткого замыкания или воздействия иных помех на электрический сигнал в токопроводящем слое 150, опорные кольца 152, 154 могут быть выполнены из изоляционного материала типа стекловолокна или полимерного материала или могут включать слой такого изоляционного материала в точках контакта с токопроводящей дорожкой 150, когда диафрагма 122 полностью собрана. Защита токопроводящей дорожки 150 от воздействия жидкостями насоса 120 значительно снижает вероятность неисправности, замаскированной удельной электропроводностью жидкости. Кроме того, поскольку токопроводящая дорожка выполнена в виде тонкой пленки, внедренной в слой 144, только очень небольшое поперечное сечение электропроводящего материала открыто, когда слой 144 срезан или сломан. Электропроводность этой небольшой области, контактирующей с электропроводной жидкостью, небольшая по сравнению с электропроводностью неповрежденной токопроводящей дорожки, и, таким образом, дорожка устраняет необходимость обнаружения замыкания на массу для диафрагмы. Некоторые преимущества настоящего изобретения могут быть описаны на основе обсуждений различных видов неисправностей диафрагмы. Наиболее общий тип неисправности имеет место, когда сбой в системе регулирования объема рабочей жидкости в гидравлических системах позволяет накопиться слишком большому объему масла позади диафрагмы (на первой стороне 160 первого слоя 140). В этой ситуации диафрагма прогибается вперед, пока она не войдет в контакт с отверстиями в первой камере 124, которые повреждают диафрагму. Если слои диафрагмы независимо подвижны по отношению друг к другу, то при повреждении только внешнего слоя (второго слоя 142) не происходит никакой утечки масла через диафрагму, поскольку первый и третий слои 140 и 144 остаются целыми, и повреждение во втором слое 142 не передается первому и третьему слоям. Поскольку токопроводящая дорожка 150 может контролировать простые изменения электрического сопротивления, которые указывают как на фактическое повреждение, так и на возможное начало неисправности, а не разрыв токопроводящего слоя или контакт токопроводящей дорожки с электропроводной жидкостью, то это и определяет повреждение одного из слоев диафрагмы, что хорошо известно в данной области техники, то есть шанс, что насос может быть выключен прежде, чем все слои будут повреждены.
Другая неисправность диафрагмы может быть вызвана усталостью материала. Усталость материала может происходить с течением времени по мере ухудшения свойств материалов слоя диафрагмы, когда начинают формироваться трещины. Если этот тип неисправности произойдет в первом или втором слое 140, 142, произойдет изменение сопротивления в результате увеличения механического напряжения, действующего на токопроводящую дорожку. Если оба первый и второй слои 140, 142 одновременно выходят из строя, остается еще третий слой, который будет обеспечивать разделение жидкостей, пока не произойдет повреждение этого слоя. Когда третий слой 144 является последним слоем, вышедшим из строя, резкое изменение величины сопротивления из-за неисправности первого и второго слоев может быть использовано для выключения насоса, предпочтительно прежде, чем третий слой будет не в состоянии устранить или, по меньшей мере, значительно уменьшить смешивание рабочей жидкости гидросистемы с технологической жидкостью в насосе.
Токопроводящая дорожка 150 может быть сформирована, используя любой процесс наложения, который способен обеспечить очень тонкий слой материала, например трафаретная печать, набивка и распыление.
Первая и вторая части 146, 148 третьего слоя 144 показаны на фигурах как отдельные слои, но, в конечном счете, они объединены вместе так, чтобы сформировать один слой в конечном продукте с внедренной в него токопроводящей дорожкой 150. Первая и вторая части 146 изготовлены из высокоэластичного материала типа кремнийорганического материала, синтетического каучука, неопрена, термопластичного каучука или уретана, который является стойким к высоким механическим напряжениям, превышающим 20% расчетной величины. Предпочтительно первая и вторая части 146, 148 изготавливаются из одного и того же материала, чтобы улучшить соединение между слоями. В одном способе соединения первый слой 146 сформирован, используя любой известный процесс. Затем на первом слое 146 формируется токопроводящая дорожка 150, используя, например, один из способов, описанных выше. Затем вторая часть 148 соединяется с первой частью 144, используя процесс формирования типа литья под давлением, нанесение жидкого слоя (например, распылением) или ламинирование этих двух слоев с использованием клея, чтобы сформировать объединенный третий слой 144, показанный на фигуре 5. В этом пакете токопроводящая дорожка 150 предпочтительно полностью закрыта за исключением внешней кромки первой части 146 (в собранной диафрагме открытая часть закрыта опорными кольцами 152, 154), чтобы защитить эти элементы от воздействия гидравлической и технологической жидкостей насоса 120. Открытая часть дорожки 150 у периферийной внешней поверхности 184 первой части 146 размещена в первом и втором опорных кольцах 152, 154 с тем, чтобы электрический контакт был ограничен контактом с первым и вторым проводами 240, 244 и вторым опорным кольцом 154.
Чтобы уменьшать вероятность короткого замыкания или иной помехи электрическому сигналу в токопроводящем слое 150, опорные кольца 152, 154 могут быть выполнены из изоляционного материала типа стекловолокна или полимерного материала или могут включать слой такого изоляционного материала в точках, в которых происходит контакт с токопроводящей дорожкой 150, когда диафрагма 122 полностью собрана. Защита токопроводящей дорожки 150 от воздействия жидкостей насоса 120 значительно снижает возможность неисправности, замаскированной электропроводностью жидкости. Кроме того, поскольку токопроводящая дорожка сделана в виде тонкой пленки, внедренной в слой 144, только очень небольшое поперечное сечение электропроводящего материала открыто воздействию жидкости, когда слой 144 разрушен или растрескался. Электрическая проводимость этой небольшой области, контактирующей с электропроводной жидкостью, является небольшой по сравнению с проводимостью токопроводящей дорожки, когда она не повреждена, и, следовательно, токопроводящая дорожка устраняет необходимость обнаружения замыкания на массу для диафрагмы. Некоторые другие преимущества настоящего изобретения могут быть описаны путем обсуждения различных видов неисправности диафрагмы. Наиболее часто неисправность возникает, когда имеется повреждение в системе управления объемом рабочей жидкости в гидравлических системах, которое приводит к тому, что слишком много масла скапливается позади диафрагмы (на первой стороне 160 первого слоя 140). В этой ситуации диафрагма прогибается вперед до тех пор, пока она не входит в контакт с отверстиями в первой камере 124, которые повреждают диафрагму. Когда слои диафрагмы подвижны независимо друг от друга, никакой утечки масла через диафрагму не происходит, если поврежден только внешний слой (т.е. второй слой 142), а первый и третий слои 140 и 144 остаются целыми, и повреждение во втором слое не передается первому и третьему слоям. Поскольку токопроводящая дорожка 150 может контролировать простые изменения в сопротивлении, которые указывают как на фактическое повреждение, так и на возможное начало неисправности, а не разрыв токопроводящего слоя, или на контакт токопроводящей дорожки с электропроводной жидкостью, и это определяет повреждение одного из слоев диафрагмы, как это хорошо известно в данной области техники, здесь есть шанс, что насос может быть выключен прежде, чем все слои будут повреждены.
Другая неисправность диафрагмы может быть вызвана усталостью материала. Усталость материала может происходить с течением времени по мере ухудшения материалов слоя диафрагмы, когда начинают формироваться трещины. Если этот тип неисправности произойдет в первом или втором слое 140, 142, произойдет изменение сопротивления в результате увеличения механического напряжения, действующего на токопроводящую дорожку. Если оба первый и второй слои 140, 142 одновременно выходят из строя, остается еще третий слой, который будет обеспечивать разделение жидкостей, пока не произойдет повреждение этого слоя. Когда третий слой 144 является последним слоем, вышедшим из строя, резкое увеличение величины сопротивления из-за неисправности первого и второго слоев может быть использовано для выключения насоса предпочтительно прежде, чем третий слой будет не в состоянии устранить или, по меньшей мере, значительно уменьшить смешивание рабочей жидкости гидросистемы с технологической жидкостью в насосе.
Способ формирования или изготовления диафрагмы насоса в соответствии с настоящим изобретением может включать формирование первой части высокоэластичного слоя, формирование токопроводящей дорожки на первой части высокоэластичного слоя и формирование второй части высокоэластичного слоя на первой части высокоэластичного слоя по сечению токопроводящей дорожки так, что первая и вторая части являются составными по отношению друг к другу, и внешняя периферия токопроводящей дорожки открыта. Дальнейшие стадии этого способа могут включать размещение эластомерного слоя между первым и вторым слоями для образования многослойной диафрагмы. Еще одна стадия этого способа включает ввод смазки между различными слоями диафрагмы.
Способ обнаружения разрушения диафрагмы в гидравлическом насосе в соответствии с настоящим изобретением может включать размещение первого высокоэластичного слоя в контакте с перекачиваемой технологической жидкостью, размещение второго высокоэластичного слоя в контакте с рабочей жидкостью в гидравлической системе насоса, размещение третьего высокоэластичного слоя между первым и вторым слоями и создание и внедрение токопроводящей дорожки в третий слой. Способ может также включать стадию подключения источника электрического тока к токопроводящей дорожке и обнаружение изменений в электрическом сопротивлении в токопроводящем слое и формирование сигнала обнаружения изменения электрического сопротивления дорожки. Сигнал обнаружения может быть использован для создания предупреждения о том, что имеется изменение в состоянии диафрагмы или может быть использован для автоматического отключения гидравлического насоса. Такой способ может также включать объединение слоев таким образом, что слои являются независимо подвижными относительно друг друга при изгибе диафрагмы.
Приведенное выше описание изобретения, примеры и данные представляет собой полное описание изготовления и использования предмета изобретения. Однако могут иметь место различные другие варианты изобретения без выхода из духа и возможностей изобретения. Объем изобретения изложен в приведенной ниже формуле изобретения.
Реферат
Устройство предназначено для использования в области насосостроения. Насос с гидравлическим приводом содержит первую камеру, открытую для перекачиваемой жидкости, вторую камеру, предназначенную для хранения рабочей жидкости гидросистемы, и многослойную диафрагму, помещенную между первой и второй камерами. Диафрагма включает первый слой в контакте с перекачиваемой жидкостью, второй слой в контакте с рабочей жидкостью гидросистемы и третий слой, включающий высокоэластичный материал основы и высокоэластичную токопроводящую дорожку, внедренную в высокоэластичный материал основы. Третий слой расположен между первым и вторым слоями и может двигаться относительно первого и второго слоев. Изменения электрического сопротивления токопроводящей дорожки указывают на условия неисправности в первом, втором или третьем слое. Повышается надежность работы насоса. 5 н. и 26 з.п. ф-лы, 11 ил.
