技术领域
[0001] 本
发明属于三缸往复泵领域，特别适用在
对流量
压力脉动性有较高要求的场合,以提供流量和压力较为平稳的液压源。
背景技术
[0002] 往复泵是最早出现的泵类产品，其专业配套性很强，应用十分广泛。在机械工业中，往复泵的产量占有较大比重，而且随着现代科技的发展，国民经济各部
门对往复泵的要求也日益增加，甚至成为关键设备之一。往复泵广泛应用于石油、化工、
冶金、纺织、建筑、造船、造纸、制药等行业中。
[0003] 实际生活中最长应用的往复泵为
曲柄连杆往复泵。曲柄连杆往复泵是将旋转运动的
内燃机或
电机作为动力机，
活塞杆与动力机之间有一套复杂的曲柄连杆传动机构，将旋转运动转化为往复运动。曲柄连杆往复泵有以下优点：效率高且高效区宽；能提供恒定流量和较高工作压力；输出流量与压力无关，只取决于泵的转速与尺寸；自吸能力强，对液体污染度不敏感。
[0004] 然而，由于曲柄连杆的运动特性，决定了曲柄连杆往复泵的活塞的位移、速度、
加速度都按照正弦或余弦曲线规律变动。因此泵的流量也随之作正弦变化，液体始终处于变加速状态，造成排出压力
波动大、加速度大，恶化了泵
阀、活塞等运动
密封件的工作条件，降低了泵的效率，缩短了易损件的寿命。虽然曲柄连杆往复泵通过增加
液压缸的数量，使各缸的工况进行错位
叠加，可以有效地减小输出流量的脉动。但从原理上讲，曲柄连杆往复泵的流量脉动是始终无法避免的。另外，曲柄连杆往复泵的传动端结构形式比较复杂，由
机体、
曲轴连杆、曲柄、十字头及润滑、冷却等辅助设备组成。其中曲轴、曲柄、十字头的设计十分繁琐，较多的零件数量和较高的
精度要求，都是
工件易损、往复泵较高故障率的诱因。
[0005] 2001年8月，在华北油田分公司第一采油厂，直线电机抽油机投入现场试验,这是国内外第一台应用于工业试验的直线电机抽油机。该抽油机彻底改变了传统抽油机的运动机理,直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,达到举升井内
流体的目的。直线电机抽油机的研发成功为开发新型的往复泵驱动系统提出了新的思路。若往复泵
动力端采用直线电机
直接驱动做往复运动的
活塞杆，可从理论上基本消除了往复泵输出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。
[0006] 然而，直线电机往复泵也存在许多不稳定的因素：大推力直线电机的的应用还没普及；直线电机的启动不稳定；直线电机不能适应极其恶劣的工作环境；若想实现精确控制还需配备一套精密的电控系统，增加了开发难度。
[0007] 针对现有曲柄连杆往复泵和直线电机往复泵的上述
缺陷，本发明提供了一种齿
轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵。通过齿轮齿条配合提供的直线运动，不仅从原理上消除了往复泵的流量和压力脉动，而且简化了往复泵的传动端结构。同时，新型往复泵的动力机为传统的三相异步电机，柱塞的匀速直线运动和快速的换向运动，均由可靠的齿轮齿条的配合特性自然产生。因此可以得到广泛应用、并且适应多种工况、控制简单、降低了开发难度。
发明内容
[0008] 本发明针对现有往复泵存在的缺点，提出了一种与传统曲柄连杆往复泵和直线电机往复泵，结构完全不同的新型往复泵，即由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵。
[0009] 本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种齿轮齿条传动的卧式三缸柱塞往复泵，齿轮
主轴(1)与动力机连接，通过动力机将动力传递到齿轮主轴(1)上。齿轮主轴(1)与非全齿轮(2)连接，齿轮主轴(1)带动非全齿轮(2)做单一方向的匀速圆周运动，齿条(3)与非全齿轮(2)的齿轮部分相
啮合，齿条(3)在非全齿轮(2)的驱动下做匀速直线往复运动。齿条(3)与柱塞(5)相连接，齿条(3)将匀速直线往复运动传递至柱塞(5)，柱塞(5)沿柱塞缸(8)进行配合，使柱塞缸(8)内一端产生吸入液体的
真空腔，另一端减小缸内容积排出液体。
柱塞缸(8)一端与进出口
阀体(13)连接，另一端通过压盖板(7)与传动箱(12)实现连接。进出口阀体(13)与插装式
单向阀(14、15)配合，进出口阀体(13)合理分配每一个液压缸的吸入和排出动作，插装式单向阀包括排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)。
[0010] 齿轮主轴(1)、非全齿轮(2)、齿条(3)、柱塞(5)、柱塞缸(8)、进出口阀体(13)、排出单向阀(14)、吸入单向阀(15)组成柱塞往复单元；柱塞往复单元共设有三副，三副柱塞往复单元并列布置。
[0011] 当液体从柱塞缸(8)排出时，排出单向阀(14)打开，而对应的吸入单向阀(15)保持关闭。
[0012] 使任一个柱塞缸(8)在任意时段，只能选择进液或出液的一种工况。左右两端液压系统的吸入和排出均有外置管道(17、18)连接，使整套泵组只存在一个吸入口和排出口。
[0013] 三副相同参数的非全齿轮(24、26、28)，在
定位安装时存在
相位差。为了控制设备尺寸和保证传动
稳定性，每个非全齿轮的齿数均为8齿，安装
角度之间的差值互为θ＝2π/3。柱塞的行程为l，则三组齿条(25、27、29)的相互位移差均为s＝2l/3。在组装泵体的过程中，根据齿条之间的
相位差，进行齿条的定位。然后再依据啮合原理，进行非全齿轮装配，最后将确定
位置的齿轮利用平键与齿轮主轴(1)连接。
[0014] 所述柱塞(5)与柱塞缸(8)的配合间隙为δ，柱塞(5)一端通过连接环(4)与齿条(3)连接，柱塞(5)的剩余部分作为与柱塞缸(8)配合的工作表面，进行精密加工。密封方式为Y型
密封圈(10)附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸(8)的末端，用于对柱塞的运动进行导向。柱塞缸(8)前端通过
法兰配合与阀体(13)连接，末端通过
螺纹配合与压盖板(7)连接在一起。
[0015] 所述压盖板(7)一端通过螺纹配合与柱塞缸(8)连接，起到压紧柱塞缸(8)中的密封材料作用；另一端插入直线
轴承(6)，通过
螺栓将压盖板(7)、直
线轴承(6)、传动箱(12)，三位一体地紧密连接起来。
[0016] 所述进出口阀的阀体(13)由一整
块实心
铝锭通过钻通油道获得。同侧的三组进、出口单向插装阀(15、14)集成在一个铝锭上，用油孔来代替相互连接的管道。柱塞(5)在柱塞缸(8)中的主油道往复运动，对液体进行往复的吸入作用和排出作用。阀体(13)安装有一对流向相同的单向插装阀(14、15)，通过单向插装阀的液体流向均为单向，阀体(13)作为控制液体单向进出往复泵的阀门。柱塞缸(8)的主油道与进口单向阀(15)的B口相连通，进口油道与进口单向阀(15)的A口相连通；柱塞缸(8)的主油道与出口单向阀(14)的A口相连通，出口油道与出口单向阀(14)的B口相连通。左右两个阀块通过排出口连接管道(17)和吸入口连接管道(18)实现连接，吸入口连接管道(18)的直径大于排出口连接管道(17)的直径。
[0017] 与
现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0018] (1)柱塞的运动规律与传统往复泵不同。传统往复泵通过曲柄
连杆机构，将电机的旋转运动转化为柱塞的往复运动。根据曲柄连杆的运动特性，柱塞的运动速度呈正弦分布规律，不匀速的柱塞运动导致流量和压力的不稳定。齿轮齿条驱动的往复泵，通过齿轮齿条配合，将电机的旋转运动转化为直线运动。传动更加直接，效率更高；并且，电机单纯沿同一方向的匀速旋转运动，通过非全齿轮传递给齿条，就能够产生平稳的匀速直线运动。
[0019] (2)非全齿轮脱离齿条上部啮合，与进入下部啮合发生在同一瞬间，因此换向过程没有停滞。非全齿轮与齿条配合传动，可以自然地实现柱塞在行程两端极限位置的自动、快速换向。
[0020] (3)新型齿轮齿条往复泵的流量恒定，流量和压力脉动非常微小。由于往复泵运动参数的稳定性，一定会带来流体参数的稳定输出。与传统曲柄连杆式往复泵比较，齿轮齿条往复泵动力端的运动规律发生改变，进、出口阀由传统往复泵的加速下落变为匀速下落，对
阀座的冲击减小。进、出口阀，由阀体和两个方向相同的单向插装阀组成，不需要自行设计阀体、阀座等复杂零件。配件标准件化，减少了开发成本，也提高了产品的互换性和可维护性。
[0021] (4)新型齿轮齿条往复泵的结构简单。省去了曲柄连杆往复泵动力端的曲轴、连杆、十字头等复杂部件，直接将非全齿轮驱动的齿条，与往复泵
液力端的柱塞(5)相连。使往复泵结构大大的简化，制造、运输、拆装、维护都更加简便。复杂零部件的减少，也有效的降低了往复泵的故障率，提高了往复泵的工作寿命。
[0022] (5)新型齿轮齿条往复泵的，柱塞匀速直线运动和换向运动，都是由非全齿轮与齿条配合的机械特性自然产生。无需任何复杂电气控制系统的额外开发，因此大大降低了开发工作量。
[0023] 本发明提出一种由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵，不仅从理论上基本消除了，传统往复泵存在的输出流量和压力的脉冲特性，而且大大简化了往复泵的结构。整套装置不需要精密的电控系统进行支持，大大简化了新型往复泵应用的开发投入。
附图说明
[0024] 图1为由齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵的总装示意图；
[0025] 图2为本发明的柱塞与柱塞缸配合，柱塞缸、压盖板与传动箱连接，的局部放大剖面示意图；
[0026] 图3为特殊设计的压盖板剖面示意图；
[0027] 图4为
传动系统三副齿轮齿条配合的相位差示意图；
[0028] 图5为进出、口单向插装阀与阀体的装配示意图；
[0029] 图6为构成传动箱的前、后、左、右、底面，五块壁板的外形示意图。
[0030] 图中：1、齿轮轴，2、非全齿轮，3、齿条，4、连接环，5、柱塞，6、直线轴承，7、压盖板，8、柱塞缸，9、导向套，10、Y型密封圈，11、顶圈，12、传动箱，13、阀体，14、出口单向阀，15、入口单向阀，16、轴承座，17、排出口连接管道，18、吸入口连接管道，19、三角
铁，20、传动箱与压盖板螺栓连接部位，21、直线轴承装配孔，22、螺钉紧口部位，23、压盖板与柱塞缸
螺纹连接部位，24、非全齿轮1，25、齿条1，26、非全齿轮2，27、齿条2，28、非全齿轮3，29、齿条3，30、前壁板，31、后壁板，32、左壁板，33、右壁板，34、
底板，35、定位孔1，36、定位孔2，37、定位孔
3。
具体实施方式
[0031] 如图1所示，一种齿轮齿条传动的新型卧式三缸柱塞往复泵，齿轮轴(1)与动力机连接，将动力传递到主轴上。主轴在轴承座(16)的
支撑下，带动其上三副非全齿轮(2)做单一方向的匀速旋转运动，齿条(3)在非全齿轮(2)的驱动下作有规律的匀速直线往复运动，并且换向迅速。齿条(3)与柱塞(5)通过连接环(4)直接相连，柱塞(5)的匀速直线往复运动与柱塞缸(8)配合，一端吸入，同时另一端排出液体。柱塞缸(8)一端与阀体(13)通过自身所带法兰和螺栓进行连接，另一端通过螺纹配合与特制的压盖板(7)连接，压盖板(7)中插入直线轴承(6)，再通过螺栓与传动箱(12)连接在一起。柱塞缸的密封选择Y型密封圈(10)进行密封并附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸的末端用于柱塞运动的导向。阀体(13)与插装式入口单向阀(15)和出口单向阀(14)配合，合理分配每一个液压缸的吸入或者是排出。当液体从柱塞缸排出时，出口单向阀(14)打开，而与其对应的入口单向阀(15)在液压的作用下自动保持关闭，使柱塞缸在任意时段只能保持一种工况。阀体外侧的吸入和排出口分别由吸入口连接管道(18)和排出口连接管道(17)相连接。使液体都由一个吸入口统一进入往复泵，一个排出口统一排出往复泵。
[0032] 如图2所示，柱塞(5)与柱塞缸(8)的配合间隙为δ，柱塞(5)一端通过连接环(4)与齿条一端进行螺纹连接，柱塞(5)其余部分作为与柱塞缸(8)配合的工作表面进行精密加工。缸体密封选择Y型密封圈(10)并附加顶圈(11)，导向套(9)放置在柱塞缸的末端，具有导向和密封的作用。柱塞缸前端通过凹凸法兰与阀体(13)连接，末端通过螺纹配合与压盖板(7)连接。压盖板(7)与柱塞(5)之间的直线轴承(6)，它不仅润滑了柱塞(5)通过传动箱(12)的运动，还对柱塞(5)进行了有效支撑，使其整个运动过程非常平稳。
[0033] 如图3所示，压盖板(7)是一个连接柱塞缸(8)与传动箱(12)的中介，并且是一种集成了直线轴承安装和柱塞缸压紧功能的连接零部件。直线轴承(6)安装进直线轴承装配孔(21)，紧固螺栓从直线轴承法兰一端穿入定位孔，并穿过传动箱与压盖板螺栓连接部位(20)上的条形孔，实现连接。紧固
螺母放置在螺钉紧口部位(22)预留的镂空中，与螺栓旋紧，将压盖板(7)、直线轴承(6)、传动箱(12)三位一体的连接在一起。压盖板(7)与柱塞缸螺纹连接部位(23)通过螺纹配合与柱塞缸(8)末端实现连接。并且压盖板(7)的内部顶盖紧紧地压在导向套(9)上，起到压紧柱塞缸(8)中密封材料的作用，这对柱塞密封而言是至关重要的。
[0034] 如图4所示，三副相同参数的非全齿轮(2)，每个齿轮均有8个轮齿，在定位安装时存在相位差。设齿轮全齿数为偶数n，若选择齿数为n/2，根据齿轮的连续传动条件，任何情形下至少有两个轮齿保持啮合。当n/2半齿齿轮与齿条啮合在极限位置时，齿条的运动方向将发生改变，此时会出现上齿条与下齿条同时与齿轮啮合的情况，即发生运动干涉。因此齿轮应选择齿数为n/2-1个的非全齿轮(2)。为了保证传动的稳定性，选择齿轮的模数为4。考虑到传动箱(12)的尺寸不应与柱塞缸(8)的尺寸差异过大，而传动箱(12)的高度基本上由非全齿轮(2)的直径来决定，因此选择全齿轮齿数为18。因此，非全齿轮的齿数应为18/2-1＝8。图示位置为往复泵安装的初始位置，三个非全齿轮(24、26、28)的安装角度差值相互为2π/3。再根据齿轮齿条的啮合规律，确认齿条(3)上的对应齿位，进行啮合装配。将确定位置的齿轮利用平键与齿轮轴(1)相连接，齿条利用定位孔(35、36、37)和螺钉与传动箱底板(34)固定，来确保安装时各部件的初始位置不蹿动。
[0035] 如图5所示，阀体(13)由一整块实心铝锭，通过钻通油道获得。同侧的三组进、出口单向插装阀(15、14)集成在一个铝锭上，用油孔来代替相互连接的管道。柱塞(5)在主油道中的往复运动，对液体进行往复的吸入和排出作用。阀体(13)同行上，高低平行安装了一对流向相同的单向插装阀(14、15)，流向均为从下至上，作为控制液体单向进出往复泵的阀门。柱塞缸主油道与进口单向阀(15)的下口相连通，进口油道与进口单向阀(15)的上口相连通；柱塞缸主油道与出口单向阀(14)的下口相连通，出口油道与出口单向阀(14)的上口相连通。左右两个阀块通过排出口连接管道(17)和吸入口连接管道(18)实现连接。其中一只阀块，不安装管道一侧的进、出口油道被堵死；另外一只阀块不安装管道一侧的进出、口油道上连接
管接头，作为该齿轮齿条往复泵唯一的进液口和出液口。液体从泵体的进液口，毫无阻碍的进入左右两个阀块的进液油道，柱塞(5)在柱塞缸(8)中的“抽拉”动作，使柱塞缸(8)产生真空。从而液体受力提升，压缩单向阀内部
弹簧，向上顶开阀芯，经过进口单向阀(15)的下口进入单向阀体，再经过上口进入柱塞缸(8)；同理，另一侧则发生“压缩”动作，液体
压缩弹簧顶开阀芯，通过出口单向阀(14)的上口至下口，被挤出缸体到达出口油道。最后液体统一的从泵体的出液口排出，这也顺利的完成了往复式
液压泵输送液体的任务。
[0036] 如图6所示，传动箱(12)设有前板、后板、左板、右板、底板，五个面均由五块表面光滑的铝板相互拼接然后
焊接形成。底板(34)上预留安装左右箱面的定位沟槽，左右箱面(32、33)底部的凸出部分插入沟槽中。左右
板面安装定位之后，将前后箱面(30、31)的凸起与左右箱面(32、33)的凹槽对应，用于前后箱面(30、31)的定位安装。传动箱的顶部四角处，焊接上四个三角铁(19)，用于传动箱上箱面与
箱体的螺纹连接。其中，前后箱面开有安装支撑主轴轴承座(16)的预留孔，左右箱面开有安装直线轴承(6)和压盖板(7)的预留孔。根据柱塞的极限运动位置和三组齿条(25、27、29)的相互位移差s＝2l/3，在底板上设定用于固定三组齿条(25、27、29)初始位置的定位孔(35、36、37)。泵的每步安装过程中，都设置有安装参考平面，以保证泵的正常运转。
