本发明涉及一种平流柱塞泵。
背景技术：
载人三期阶段，空间站内环控生保分系统中的水净化器需要额定流量的冷凝水参与净化，这就要求液体的流速始终处于恒流状态，不能受到后级反应器和其它设备的影响，即要求无论输出端的后级压强变化多大，液体供应装置的输出液体的量不能有较大波动。柱塞泵容积效率高，流量小且流量输出稳定，扬程高，压力变化几乎不影响流量，可实现对低压到高压水介质的精确定量输送，满足任务要求。
由于柱塞泵结构复杂，零件较多，制造工艺复杂，国内的制造水平和研究水平远落后于国外，导致国内现有柱塞泵产品在其运行一段时间后，密封副磨损严重，产生较多的磨损多余物，导致泄漏率超标，使用性能无法满足客户对高性能泵的需求，高性能的柱塞泵大部分来自国外产品并占据着国内中高端市场。因此需要研制一种满足高可靠密封及长寿命要求的柱塞泵，保证空间站内环控生保分系统中水净化系统的可靠运行。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有泵寿命短、可靠性低等不足之处，提供了一种并联式平流柱塞泵，该并联式平流柱塞泵采用串联密封结构设计，大大提高了产品的可靠性及使用寿命。采用双缸并联结构实现液体的恒流供应，具有供应准确、不受后级压强干扰、输出效率高、输出稳定的特点，能够满足特殊工况的需求。
本发明所采用的技术方案是：一种并联式平流柱塞泵，包括：驱动传动模块、缸体柱塞模块、整机支架；缸体柱塞模块包括主缸模块、副缸模块；驱动传动模块包括步进电机、控制器、主动齿轮、联轴器、从动齿轮、接近开关、传动机构A、传动机构B；步进电机的输出轴与联轴器连接，控制器与步进电机相连，控制步进电机的运行；联轴器通过传动机构A与主缸模块中的第一柱塞相连，控制第一柱塞进行往复运动，主动齿轮通过传动机构A的带动进行旋转；主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮通过传动机构B与副缸模块中的第二柱塞相连，控制第二柱塞进行往复运动；接近开关安装在整机支架上，接近开关检测第一柱塞运动的位置并传递给控制器用于确定第一柱塞的运动行程并根据运动行程转变第一柱塞的运动方向。
所述传动机构A包括第一轴承端盖、第一轴承、第一丝杠、第一丝杠螺母、第一柱塞套、第一柱塞套导向板、第一导向轴衬套、第一导向轴；第一丝杠一端的第一丝杠螺母与第一柱塞套导向板固定；第一丝杠另一端的第一轴承与第一丝杠配合，第一轴承通过第一轴承端盖与整机支架固定；第一柱塞套一端固定在第一柱塞套导向板上，另一端与第一柱塞浮动连接；第一导向轴穿过第一柱塞套导向板，两端固定在整机支架上；第一丝杠端部与联轴器相连，主动齿轮套在第一丝杠上，主动齿轮一侧为联轴器，另一侧为第一轴承。
所述传动机构B包括第二轴承端盖、第二轴承、第二丝杠、第二丝杠螺母、第二柱塞套、第二柱塞套导向板、第二导向轴衬套、第二导向轴；第二丝杠一端的第二丝杠螺母与第二柱塞套导向板固定；第二丝杠另一端的第二轴承与第二丝杠配合，第二轴承通过第二轴承端盖与整机支架固定；从动齿轮套在第二丝杠上，位于第二丝杠安装有第二轴承的一端端部；第二柱塞套一端固定在第二柱塞套导向板上，另一端与第二柱塞浮动连接；第二导向轴穿过第二柱塞套导向板，两端固定在整机支架上。
所述主缸模块包括第一支撑环、第一副密封圈、第一副密封圈挡圈、第一衬套、第一主密封圈、第一柱簧、第二支撑环、第一缸体、第一O形圈、第一法兰端盖、第一单向阀、第二单向阀、第二O形圈、第一支撑环挡圈、第一柱塞、第一柱塞套筒、第一柱塞套螺母；
第一柱塞套筒套在第一柱塞一端端部，第一柱塞另一端穿过整机支架的安装孔后、置于第一缸体内；第一柱塞套螺母安装在第一柱塞套筒上，将第一柱塞套筒与第一柱塞套端部连接；第一支撑环套在第一柱塞上，第一支撑环挡圈套在第一支撑环上，第一支撑环挡圈安装在整机支架的安装孔内；第一缸体一端与整机支架连接，另一端安装第一法兰端盖；第二O形圈安装在第一缸体端面和整机支架之间形成密封，第一O形圈安装在第一缸体另一端端面与第一法兰端盖之间形成密封；第一副密封圈挡圈套在第一柱塞上，并置于第一缸体内，第一副密封圈套在第一柱塞上，位于第一副密封圈挡圈、第一柱塞之间，与第一支撑环挡圈相邻；第一主密封圈套在第一柱塞上，一侧与第一副密封圈挡圈相邻，另一侧与第一柱簧相邻；第一衬套套在第一主密封圈上，并置于第一缸体内，第一柱簧套在第一柱塞上，位于第一主密封圈、第二支撑环之间；第二支撑环套在第一柱塞上，通过第一缸体内壁台阶结构限位；第一法兰端盖上安装第一单向阀、第二单向阀，第二单向阀进口与第一缸体相通，第一单向阀出口与第一缸体相通；主缸模块通过第二单向阀出口与外部设备连接，排出液体，通过第一单向阀进口与外部设备连接，吸入液体。
所述副缸模块包括第三支撑环、第二副密封圈、第二副密封圈挡圈、第二衬套、第二主密封圈、第二柱簧、第四支撑环、第二缸体、第三O形圈、第二法兰端盖、第三单向阀、第四单向阀、第四O形圈、第三支撑环挡圈、第二柱塞、第二柱塞套筒、第二柱塞套螺母；
第二柱塞套筒套在第二柱塞端部，第二柱塞另一端穿过整机支架的安装孔后、置于第二缸体内；第二柱塞套螺母安装在第二柱塞套筒上，将第二柱塞套筒与第二柱塞套端部连接；第三支撑环套在第二柱塞上，第三支撑环挡圈套在第三支撑环上，第三支撑环挡圈安装在整机支架的安装孔内；第二缸体一端与整机支架连接，另一端安装第二法兰端盖；第四O形圈安装在第二缸体端面和整机支架之间形成密封，第三O形圈安装在第二缸体另一端端面与第一法兰端盖之间形成密封；第二副密封圈挡圈套在第二柱塞上，并置于第二缸体内，第二副密封圈套在第二柱塞上，位于第二副密封圈挡圈、第二柱塞之间，与第三支撑环挡圈相邻；第二主密封圈套在第二柱塞上，一侧与第二副密封圈挡圈相邻，另一侧与第二柱簧相邻；第二衬套套在第二主密封圈上，并置于第二缸体内，第二柱簧套在第二柱塞上，位于第二主密封圈、第四支撑环之间；第四支撑环套在第二柱塞上，通过第二缸体内壁的台阶结构限位；第二法兰端盖上安装第三单向阀、第四单向阀，第四单向阀进口与第二缸体相通，第三单向阀出口与第二缸体相通；副缸模块通过第四单向阀出口与外部设备连接，排出液体，通过第三单向阀进口与外部设备连接，吸入液体。
所述整机支架包括电机齿轮支架、导向轴支架、柱塞套支架、缸体支架、底板；电机齿轮支架、导向轴支架、柱塞套支架与缸体支架通过螺钉与底板连接；电机齿轮支架为框架结构，用于安装步进电机、控制器、第一轴承端盖、第二轴承端盖；导向轴支架共两对，分别用于安装第一导向轴、第二导向轴；柱塞套支架有两个，分别用于支撑第一柱塞套、第二柱塞套；缸体支架有两个，分别用于支撑并安装第一柱塞、第一缸体、第二柱塞、第二缸体。
所述第一衬套靠近第二支撑环的端口内壁沿周向均匀设有个条形槽。
所述第二衬套靠近第四支撑环的端口内壁沿周向均匀设有个条形槽。
第一主密封圈、第一副密封圈、第二主密封圈、第二副密封圈材料为改性聚四氟乙烯。
第一支撑环、第二支撑环、第三支撑环、第四支撑环采用高分子聚乙烯。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明区别于一般常见液体供应装置，采用主副双缸并联设计，实现装置的稳定流量输出；利用滚珠丝杠副将电机的旋转运动转换为柱塞的平稳直线运动；选用工艺性好的氧化锆陶瓷柱塞以及柱塞采用浮动自定位设计，以减少密封圈的偏磨问题；采用主副密封圈串联密封设计，封间具备容纳磨损多余物，依靠主副密封圈的匹配，主密封圈形成阻尼，承载绝大部分压力，实现降压；副密封圈承受的中间压力值明显低于系统压力，形成有效密闭，从而实现长效密封。
(2)本发明通过优化柱塞的直径、行程、电机转速等结构件的几何参数与机构件的运动参数，严格控制缸体的死体积，提高输出液体量的精度；针对串联密封存在封间压力过大问题，设计了具有泄压功能的泄压孔结构，保证封间压力达到一定值时，系统可以自行泄压，形成自我保护机制，保证密封可靠性。
(3)本发明采用滚珠丝杠驱动柱塞运动的结构形式，采用导向轴进行导向，通过底板上设置定位销孔来保证各传动部件之间的同轴度，提高了结构的稳定性，保证了柱塞运行过程平稳，从而减少了密封圈的磨损，延长了泵的使用寿命。
(4)本发明主要用于空间站内环控生保分系统中的水净化系统，以恒定的流量将冷凝单元提供的冷凝水从0Pa增压至450～580kPa并供给净化器，属于载人航天技术领域，本装置同样适用于其它需要输出恒定流量液体的场合
附图说明
图1是本发明的主体结构示意图；
图2(a)是本发明的驱动传动模块正视图；
图2(b)是本发明的传动机构B结构图；
图2(c)是本发明的驱动传动模块俯视图；
图3(a)是本发明的主缸模块结构图；
图3(b)是本发明的副缸模块结构图；
图4是本发明的整机支架结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
1、整体结构
如图1所示，该并联式平流柱塞泵包括：驱动传动模块1、缸体柱塞模块2、整机支架3。缸体柱塞模块2包括主缸模块21、副缸模块22；整体装配及运动关系为：
整机支架3是所有结构件(驱动传动模块1和缸体柱塞模块2的安装基体)，所有结构件通过紧固螺钉固定在整机支架3上，底板305上设置定位销孔来保证传动机构A与主缸模块21之间的同轴度以及传动机构B与副缸模块22之间的同轴度。缸体柱塞模块2采用主缸模块21与副缸模块22并联设计结构，通过控制器102控制步进电机101的运行；将步进电机101的旋转运动通过传动机构A与传动机构B实现第一柱塞214和第二柱塞514的往复运动。
2、并联式缸体柱塞
缸体柱塞模块2有两组，一组为主缸模块21、一组为副缸模块22；主缸模块21与副缸模块22通过主动齿轮111与从动齿轮113的啮合实现耦合。
如图3(a)所示，主缸模块21包括第一支撑环201、第一副密封圈202、第一副密封圈挡圈203、第一衬套204、第一主密封圈205、第一柱簧206、第二支撑环207、第一缸体208、第一O形圈209、第一法兰端盖210、第一单向阀211、第二单向阀215、第二O形圈212、第一支撑环挡圈213、第一柱塞214、第一柱塞套筒216、第一柱塞套螺母217；
第一柱塞套筒216套在第一柱塞214一端端部，第一柱塞214另一端穿过整机支架3的安装孔后、置于第一缸体208内；第一柱塞套螺母217安装在第一柱塞套筒216上，将第一柱塞套筒216与第一柱塞套107端部连接；第一支撑环201套在第一柱塞214上，第一支撑环挡圈213套在第一支撑环201上，第一支撑环挡圈213安装在整机支架3的安装孔内；第一缸体208一端与整机支架3连接，另一端安装第一法兰端盖210；第二O形圈212安装在第一缸体208端面和整机支架3之间形成密封，第一O形圈209安装在第一缸体208另一端端面与第一法兰端盖210之间形成密封；第一副密封圈挡圈203套在第一柱塞214上，并置于第一缸体208内，第一副密封圈202套在第一柱塞214上，位于第一副密封圈挡圈203、第一柱塞214之间，与第一支撑环挡圈213相邻；第一主密封圈205套在第一柱塞214上，一侧与第一副密封圈挡圈203相邻，另一侧与第一柱簧206相邻；第一衬套204套在第一主密封圈205上，并置于第一缸体208内，第一柱簧206套在第一柱塞214上，位于第一主密封圈205、第二支撑环207之间；第二支撑环207套在第一柱塞214上，通过第一缸体208内壁台阶结构限位；第一法兰端盖210上安装第一单向阀211、第二单向阀215，第二单向阀215进口与第一缸体208相通，第一单向阀211出口与第一缸体208相通；主缸模块21通过第二单向阀215出口与外部设备连接，排出液体，通过第一单向阀211进口与外部设备连接，吸入液体。
如图3(b)所示，副缸模块22包括第三支撑环501、第二副密封圈502、第二副密封圈挡圈503、第二衬套504、第二主密封圈505、第二柱簧506、第四支撑环507、第二缸体508、第三O形圈509、第二法兰端盖510、第三单向阀511、第四单向阀515、第四O形圈512、第三支撑环挡圈513、第二柱塞514、第二柱塞套筒516、第二柱塞套螺母517；
第二柱塞套筒516套在第二柱塞514端部，第二柱塞514另一端穿过整机支架3的安装孔后、置于第二缸体508内；第二柱塞套螺母517安装在第二柱塞套筒516上，将第二柱塞套筒516与第二柱塞套407端部连接；第三支撑环501套在第二柱塞514上，第三支撑环挡圈513套在第三支撑环501上，第三支撑环挡圈513安装在整机支架3的安装孔内；第二缸体508一端与整机支架3连接，另一端安装第二法兰端盖510；第四O形圈512安装在第二缸体508端面和整机支架3之间形成密封，第三O形圈509安装在第二缸体508另一端端面与第一法兰端盖210之间形成密封；第二副密封圈挡圈503套在第二柱塞514上，并置于第二缸体508内，第二副密封圈502套在第二柱塞514上，位于第二副密封圈挡圈503、第二柱塞514之间，与第三支撑环挡圈513相邻；第二主密封圈505套在第二柱塞514上，一侧与第二副密封圈挡圈503相邻，另一侧与第二柱簧506相邻；第二衬套504套在第二主密封圈505上，并置于第二缸体508内，第二柱簧506套在第二柱塞514上，位于第二主密封圈505、第四支撑环507之间；第四支撑环507套在第二柱塞514上，通过第二缸体508内壁的台阶结构限位；第二法兰端盖510上安装第三单向阀511、第四单向阀515，第四单向阀515进口与第二缸体508相通，第三单向阀511出口与第二缸体508相通；副缸模块22通过第四单向阀515出口与外部设备连接，排出液体，通过第三单向阀511进口与外部设备连接，吸入液体。
当第一柱塞214向第一法兰端盖210侧运动时，第二单向阀215打开，第一单向阀211关闭，第一缸体208内液体工质被压缩，主缸模块21进行排液动作，同时通过主动齿轮111与从动齿轮的啮合，此时，第二柱塞514向远离第二法兰端盖510侧运动时，第四单向阀515关闭，第三单向阀511打开，副缸模块22进行吸液动作；当第一柱塞214向远离第一法兰端盖210侧运动时，第二单向阀215关闭，第一单向阀211打开，主缸模块21进行吸液动作，同时通过主动齿轮111与从动齿轮的啮合，此时，第二柱塞514向第二法兰端盖510侧运动时，第四单向阀515打开，第三单向阀511关闭，副缸模块22进行排液动作，如此往复进行循环，实现并联式平流柱塞泵的连续稳定输出。
3、驱动传动部件设计
如图2(a)、图2(c)所示，驱动传动模块1包括步进电机101、控制器102、主动齿轮111、联轴器112、从动齿轮113、接近开关114、传动机构A、传动机构B；步进电机101的输出轴与联轴器112连接，控制器102与步进电机101相连，控制步进电机101的运行；联轴器112通过传动机构A与主缸模块21中的第一柱塞214相连，控制第一柱塞214进行往复运动，主动齿轮111通过传动机构A的带动进行旋转；主动齿轮111与从动齿轮113啮合，从动齿轮113通过传动机构B与副缸模块22中的第二柱塞514相连，控制第二柱塞514进行往复运动；接近开关114安装在整机支架3上，接近开关114检测第一柱塞214运动的位置并传递给控制器102用于确定第一柱塞214的运动行程，适时换向，保证运动的连续性。
传动机构A包括第一轴承端盖103、第一轴承104、第一丝杠105、第一丝杠螺母106、第一柱塞套107、第一柱塞套导向板108、第一导向轴衬套109、第一导向轴110；第一丝杠105一端的第一丝杠螺母106与第一柱塞套导向板108固定；第一丝杠105另一端的第一轴承104与第一丝杠105配合，第一轴承104通过第一轴承端盖103与整机支架3固定；第一柱塞套107一端固定在第一柱塞套导向板108上，另一端与第一柱塞214浮动连接；第一导向轴110穿过第一柱塞套导向板108，两端固定在整机支架3上；第一丝杠105端部与联轴器112相连，主动齿轮111套在第一丝杠105上，主动齿轮111一侧为联轴器112，另一侧为第一轴承104。
如图2(b)所示，传动机构B包括第二轴承端盖403、第二轴承404、第二丝杠405、第二丝杠螺母406、第二柱塞套407、第二柱塞套导向板408、第二导向轴衬套409、第二导向轴410；第二丝杠405一端的第二丝杠螺母406与第二柱塞套导向板408固定；第二丝杠405另一端的第二轴承404与第二丝杠405配合，第二轴承404通过第二轴承端盖403与整机支架3固定；从动齿轮113套在第二丝杠405上，位于第二丝杠405安装有第二轴承404的一端端部；第二柱塞套407一端固定在第二柱塞套导向板408上，另一端与第二柱塞514浮动连接；第二导向轴410穿过第二柱塞套导向板408，两端固定在整机支架3上。
4、整机支架
驱动传动模块1与缸体柱塞模块2通过固定支架安装在底板305上，底板305上设置定位销孔来保证各传动部件之间的同轴度。
如图4所示，整机支架3包括电机齿轮支架301、导向轴支架302、柱塞套支架303、缸体支架304、底板305；电机齿轮支架301、导向轴支架302、柱塞套支架303与缸体支架304通过螺钉与底板305连接；电机齿轮支架301为框架结构，用于安装步进电机101、控制器102、第一轴承端盖103、第二轴承端盖403；导向轴支架302共两对，分别用于安装第一导向轴110、第二导向轴410；柱塞套支架303有两个，分别用于支撑第一柱塞套107、第二柱塞套407；缸体支架304有两个，分别用于支撑并安装第一柱塞214、第一缸体208、第二柱塞514、第二缸体508。
电机齿轮支架301尺寸为132mm×58mm×100mm，整体框架结构设计保证了支架良好的结构刚度，可避免装配误差导致的同轴度偏差大的问题；导向轴支架302结构尺寸为52mm×11mm×24.5mm，用于安装第一导向轴110、第二导向轴410及接近开关114，保证第一柱塞214和第二柱塞414的往复直线运动；柱塞套支架303结构尺寸为52mm×20mm×72mm，用于支撑第一柱塞套107和第二柱塞套407，与电机、齿轮支架301结构共同保证驱动和传动部分的同轴度；缸体支架304结构尺寸为52mm×26mm×78mm，用于支撑第一缸体208和第二缸体508，保证其与第一丝杠105和第二丝杠405的同轴度。底板305结构尺寸为285mm×140mm×12mm，用于固定各支架结构，保证各部件的整体性，底板进行了轻量化设计。所有支架及底板均采用2A12T4铝合金制造。
5、串联密封
采用第一主密封圈205与第一副密封圈202串联及第二主密封圈505与第二副密封圈502串联的密封结构设计能够有效避免密封圈过早产生磨损颗粒物，密封寿命短等问题。第一主密封圈205和第二主密封圈505选用带有PTFE夹套的压力辅助式弹簧蓄能密封圈，通过弹簧受压，促使夹套唇边紧贴密封沟槽，阻挡密封沟槽表面由于机械加工存在的微小泄漏通道形成密封；弹簧赋予密封夹套弹力，弥补材料磨损及零件装配存在的偏移或偏心；系统压力辅助密封夹套蓄能，促使密封唇边贴合密封界面，延长寿命。第一副密封圈202和第二副密封圈502采用带有法兰边的弹簧蓄能圈，法兰边能够增强配合零件的保持力，可容许较大的轴向跳动及偏移；通过弹簧力和介质压力实现有效密封，二级密封可实现系统的绝对密封，达到最佳密封效果；该密封圈压缩永久变形小且不易老化。串联密封系统中，第一主密封圈205、第二主密封圈505形成阻尼，承载绝大部分压力，实现降压；第一副密封圈202、第二副密封圈502承受的中间压力值明显低于系统压力，相比单圈密封，副密封圈初始压缩量小，磨损少，从而实现长寿可靠的密封。
6、泄压结构
第一柱塞214和第二柱塞514往复运动时，第一主密封圈205与第一副密封圈202之间以及第二主密封圈505与第二副密封圈502之间的轴向空隙，会积蓄一定的工质，造成封间压力过大，对密封圈造成异常破坏。为避免封间压力过大，通过在第一衬套204和第二衬套504上设计泄压槽结构保证封间压力达到一定值时，系统可以自行泄压，形成自我保护机制，保证密封可靠性。第一主密封圈205与第一副密封圈202之间的压力超过第一柱簧206设定的背压值及第二主密封圈505与第二副密封圈502之间的压力超过第二柱簧506设定的背压值后，第一主密封圈205和第二主密封圈505右移，双圈空隙中滞留的工质随即通过第一衬套204和第二衬套504上泄压槽返回液路系统实现泄压，泄压结束，第一主密封圈205和第二主密封圈505左移封间水介质再次蓄积。第一衬套204靠近第二支撑环207的端口内壁沿周向均匀设有4个条形槽。第二衬套504靠近第四支撑环507的端口内壁沿周向均匀设有4个条形槽。
7、密封副材料
第一柱塞214和第二柱塞514采用高耐磨性的致密氧化锆陶瓷，材料化学稳定性好，刚度大，其特有的微观结构和高精度的加工，保证其工作面光滑，最大限度的延长摩擦副整体寿命，整体使用寿命可达金属柱塞的5～10倍。第一主密封圈205和第一副密封圈202、第二主密封圈505、第二副密封圈502材料为改性聚四氟乙烯，具有耐高温、自润滑特性，摩擦系数极低，水润滑状态下动摩擦系数为0.04～0.08，环境适应性好，与陶瓷做成的第一柱塞214和第二柱塞514配副能形成优良的密封特性。第一支撑环201、第二支撑环207、第三支撑环501、第四支撑环507采用高分子聚乙烯，它是一种新型的线型结构的热塑性工程材料，具有优越的耐磨性能，摩擦系数小，水润滑状态动摩擦系数为0.05～0.10，冲击强度高、硬度高。
工作过程如下：
通过控制器102控制步进电机101的旋转启停；通过传动机构A将步进电机101的旋转运动转化为第一柱塞214的往复直线运动，在第一柱塞214往复运动时，分别完成一次吸排液循环。当第一柱塞214向第一法兰端盖210侧运动时，第二单向阀215打开，第一单向阀211关闭，第一缸体208内液体工质被压缩，主缸模块21进行排液动作，同时通过主动齿轮111与从动齿轮的啮合，此时，第二柱塞514向远离第二法兰端盖510侧运动时，第四单向阀515关闭，第三单向阀511打开，副缸模块22进行吸液动作；当第一柱塞214向远离第一法兰端盖210侧运动时，第二单向阀215关闭，第一单向阀211打开，主缸模块21进行吸液动作，同时通过主动齿轮111与从动齿轮的啮合，此时，第二柱塞514向第二法兰端盖510侧运动时，第四单向阀515打开，第三单向阀511关闭，副缸模块22进行排液动作，如此往复进行循环，实现并联式平流柱塞泵的连续稳定输出。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。