往复式增压泵的制作方法

本发明属于泵类技术领域，尤其涉及一种往复式增压泵。

背景技术

往复泵作为一种常见的流体机械，是容积泵的一类，在油田、化工、工业生产等领域有着广泛应用。随着各类生产工艺及生产条件的改变，传统往复泵存在的一些缺点却越来越明显，需要我们不断在传统往复泵的基础上进行改善创新以满足更多特殊工况的需求。

往复泵主要有活塞式和柱塞式两种。传统柱塞往复泵如图1所示，主要由动力端100和液力端200组成。动力端100通过连接外部动力源，将电机或原动机提供的旋转运动转换为往复直线运动，该动力端100包括壳体101、曲轴102、轴瓦103、连杆104和十字头105，液力端200包括泵头201、柱塞202和单向阀203，液力端200的柱塞202与动力端100往复直线运动的十字头105连接，在动力端100的驱动下直线往复运动改变泵头201腔体内的容积，从而通过容积的变化达到吸液和排液的目的。由于此类泵结构简单、介质适应性强、输出压力高等特点得到了广泛应用。

传统往复泵的运用往往是泵吸入口压力相对于排出口压力可忽略不计，通过往复泵柱塞的运动将介质加压到需求值后输出进行生产作业。但随着生产模式及作业工艺的改变，部分往复泵吸入口的压力已经达到了较高值。需要将已经具有一定压力的介质二次增压后作业。例如部分油田井场或化工作业现场需要将具有一定压力的主供水管线内的介质进行二次增压至特定数值后满足各自作业需求。在此类工况下，如果仍然使用常规往复泵，则主供液管线提供的能量不但无法利用，反而会由于主供液管线内介质反作用于往复泵柱塞202及动力端100，造成动力端100的轴瓦103磨损加剧、寿命急剧缩短、功率损失严重。

为了有效利用主供液管线的介质能量、延长往复泵寿命，增压泵应运而生。现成熟运用的增压泵在常规往复泵基础上对液力端部分进行了改进。增压泵液力端原理如图2所示。将柱塞设计为两级阶梯，将柱塞分成b、d两个封闭的腔,通过容积的变化实现介质的增压排出。图2中a为吸入口，吸入口压力为p0；b为工作腔，工作腔压力为p1，工作腔柱塞直径为d1，工作腔柱塞的作用面积为s1；c为排出口，排出口压力为p2；d为平衡腔，平衡腔柱塞直径为d2，截面积为s2，平衡腔柱塞的作用面积为s1-s2。在平衡腔d与排出口c之间设置平衡管204，通过从高压排出口c引入的高压介质至平衡腔d，平衡进液压力对柱塞的作用力，即

从而达到柱塞及曲轴的受力平衡，从而有效改善动力端磨损严重、能量损失大的缺陷。

由上式可知，当排量一定时，进出口压力需求不同时，阶梯柱塞的平衡腔柱塞直径匹配也不同，因此只要进出口压力或者排量任意一项作业参数不同时，增压泵就需要重新匹配设计，通用性不强。甚至如果部分作业工况进出口压力及排量变化较大时，此类增压泵仍然无法满足所需作业工况。

现有的活塞式增压泵与上述柱塞式增压泵结构相似，原理相同，因此也存在上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种往复式增压泵，无论吸入口压力、排出口压力以及流量如何变化，柱塞或活塞组件所受液压力均处于平衡状态，有效避免因受工作介质液压力不平衡导致的设备损坏以及功率损失，通用性好。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：往复式增压泵，包括泵头以及安装于所述泵头的柱塞或活塞组件，所述泵头设有吸入口和排出口，所述泵头内设有工作腔，所述泵头上还安装有填料箱总成或缸套总成，所述柱塞贯穿所述填料箱总成，或所述活塞组件贯穿所述缸套总成；所述柱塞或所述活塞组件均包括中间段以及位于所述中间段两侧的驱动段和工作段，所述中间段的直径大于所述驱动段的直径，所述工作段对应所述工作腔设置，所述填料箱总成或所述缸套总成、所述驱动段和所述中间段之间设有平衡腔，所述吸入口与所述平衡腔之间设有连通通道；所述中间段径向截面的面积与所述驱动段径向截面的面积之差与所述工作段径向截面的面积相等。

作为一种改进，所述泵头上安装所述柱塞，所述填料箱总成包括固定安装在所述增压泵的壳体和所述泵头之间的填料箱，所述填料箱靠近所述壳体的一侧密封安装有副填料箱，所述副填料箱部分伸出所述填料箱且两者之间设有腔体，所述副填料箱上固定连接有副填料箱压帽；

所述填料箱与所述中间段之间设有第一密封元件，所述副填料箱与所述驱动段之间设有第二密封元件，所述副填料箱、所述驱动段、所述中间段、所述第一密封元件和所述第二密封元件之间围成所述平衡腔。

作为进一步的改进，所述连通通道包括第一通道、第二通道、平衡管和第三通道，所述第一通道设于所述副填料箱上且连通所述平衡腔和所述腔体，所述平衡管的一端固定安装于所述填料箱，另一端固定安装于所述泵头，所述第二通道设于所述填料箱上且连通所述腔体和所述平衡管，所述第三通道设于所述泵头上且连通所述平衡管和吸入口。

作为进一步的改进，所述泵头与所述工作段之间设有第三密封元件。

作为进一步的改进，所述填料箱位于所述第一密封元件与所述第三密封元件之间的部位开设有通气孔。

作为一种改进，所述泵头上安装所述活塞组件，所述驱动段为活塞杆，所述中间段为设于所述活塞杆的杆体的第一活塞，所述工作段为设于所述活塞杆端部的第二活塞。

作为进一步的改进，所述缸套总成包括固定安装在所述增压泵的壳体和所述泵头之间的缸套，所述缸套上固定连接有缸套压帽，所述缸套压帽与所述活塞杆之间设有第四密封元件；所述缸套、所述活塞杆、所述第一活塞、所述缸套压帽和所述第四密封元件之间围成所述平衡腔。

作为进一步的改进，所述连通通道包括平衡管、第四通道和第五通道，所述平衡管的一端固定安装于所述缸套，另一端固定安装于所述泵头，所述第四通道设于所述缸套上且连通所述平衡腔和所述平衡管，所述第五通道设于所述泵头上且连通所述平衡管和吸入口。

作为进一步的改进，所述第一活塞上设有第五密封元件，所述第二活塞上设有第六密封元件。

作为进一步的改进，所述缸套位于所述第一活塞与所述第二活塞之间的部位开设有通气孔。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

由于往复式增压泵的所述柱塞或所述活塞组件均包括中间段以及位于所述中间段两侧的驱动段和工作段，所述中间段的直径大于所述驱动段的直径，填料箱总成或缸套总成、所述驱动段和所述中间段之间设有平衡腔，往复式增压泵的所述吸入口与所述平衡腔之间设有连通通道；因而通过连通通道将吸入口压力作为平衡压力消除工作腔吸液时供液介质对柱塞或活塞组件的做功损失，同时通过尺寸匹配，使所述中间段径向截面的面积与所述驱动段径向截面的面积之差与所述工作段径向截面的面积相等，这样无论吸入压力、排出压力以及流量如何变化，柱塞或活塞组件所受液压力均处于平衡状态，有效避免因受工作介质液压力不平衡导致的设备损坏以及功率损失，能够适应各类吸入口压力较大的增压工况，解决了现有技术中增压泵适用作业工况固定的不足。

附图说明

图1是现有技术提供的常规柱塞往复泵的结构示意图；

图2是现有技术提供的柱塞往复式增压泵液力端的原理图；

图3是本发明实施例一提供的往复式增压泵的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的往复式增压泵的原理图；

图5是本发明实施例二提供的往复式增压泵的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的往复式增压泵的原理图；

图中：100-动力端，101-壳体，102-曲轴，103-轴瓦，104-连杆，105-十字头，200-液力端，201-泵头，202-柱塞，203-单向阀，204-平衡管；

1-泵头，a-吸入口，c-排出口，11-单向阀，12-单向阀，b-工作腔，13-第三密封元件，2-柱塞，21-中间段，22-驱动段，23-工作段，3-填料箱总成，d-平衡腔，31-填料箱，311-通气孔，32-副填料箱，33-密封圈，34-腔体，35-副填料箱压帽，36-第一密封元件，37-第二密封元件，4-连通通道，41-第一通道，42-第二通道，43-平衡管，44-第三通道，5-壳体；

6-活塞组件，61-中间段，62-驱动段，63-工作段，64-活塞杆，65-第一活塞，651-第五密封元件，66-第二活塞，661-第六密封元件，7-缸套总成，71-缸套，711-通气孔，72-缸套压帽，73-第四密封元件，8-连通通道，81-平衡管，82-第四通道，83-第五通道。

图2、图4中的双向箭头代表柱塞运动的方向，图6中的双向箭头代表活塞组件的运动方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图3所示，一种往复式增压泵，包括泵头1和安装于泵头1的柱塞2，泵头1设有吸入口a、排出口c、单向阀11和单向阀12，泵头1内设有工作腔b，泵头1上还安装有填料箱总成3，柱塞2贯穿填料箱总成3，柱塞2为三级阶梯轴，柱塞2包括中间段21以及位于中间段21两侧的驱动段22和工作段23，中间段21的直径大于驱动段22的直径，驱动段22与往复式增压泵的的十字头连接，工作段23对应工作腔b设置，填料箱总成3、驱动段22和中间段21之间设有平衡腔d，吸入口a与平衡腔d之间设有连通通道4。

中间段21径向截面的面积与驱动段22径向截面的面积之差与工作段23径向截面的面积相等。

在本实施例中，填料箱总成3包括固定安装在增压泵的壳体5和泵头1之间的填料箱31，填料箱31靠近壳体5的一侧密封安装有副填料箱32，填料箱31与副填料箱32之间设有密封圈33，副填料箱32部分伸出填料箱31且两者之间设有腔体34，副填料箱32上固定连接有副填料箱压帽35。

填料箱31与中间段21之间设有第一密封元件36，副填料箱32与驱动段22之间设有第二密封元件37，副填料箱32、驱动段22、中间段21、第一密封元件36和第二密封元件37之间围成上述平衡腔d。

当然，填料箱总成3也可以选用本领域技术人员能够实现的其它方式，例如将上述填料箱31和副填料箱32设计成整体结构等等，在此不再赘述。

在本实施例中，上述连通通道4包括第一通道41、第二通道42、平衡管43和第三通道44，第一通道41设于副填料箱32上且连通平衡腔d和腔体34，平衡管43的一端固定安装于填料箱31，另一端固定安装于泵头1，第二通道42设于填料箱31上且连通腔体34和平衡管43，第三通道44设于泵头1上且连通平衡管43和吸入口a。

为了保证工作腔b的密封，泵头1与工作段23之间设有第三密封元件13。

为了保证柱塞2运动顺畅，填料箱31位于第一密封元件36与第三密封元件13之间的部位开设有通气孔311，通过通气孔311连通大气。

需要说明的是，上述第一密封元件36、第二密封元件37和第三密封元件13优选为密封圈。当然，第一密封元件36、第二密封元件37和第三密封元件13也可以选用本领域技术人员能够实现的其他方式，在此不再赘述。

为了便于理解，下面结合图4详细分析本发明实施例一的工作原理。

如图4所示，通过尺寸匹配使中间段21径向截面的面积与驱动段22径向截面的面积之差与工作段23径向截面的面积相等，即平衡腔d作用在柱塞2上的环形面积s2-s3与工作腔b作用在柱塞2上的面积s1相等,即

式中：d1—工作段23直径；d2—中间段21直径；d3—驱动段22直径。

设吸入口a压力为p0，工作腔b压力为p1，排出口c压力为p2，平衡腔d压力为p3，由于设计了连通通道4，平衡腔d与吸入口a压力始终相同。

当柱塞2左移时，吸入口a处单向阀11打开，p0＝p1。p2>p1，排出口c单向阀12关闭。同时平衡腔d的体积减小，液体从平衡腔d到吸入口a，当连通通道4设计合适时可近似看做p3＝p0，则近似p3＝p1。由于平衡腔d作用在柱塞2上的环形面积s2-s3与工作腔b作用在柱塞2上的面积s1相等。此时柱塞2受到的介质作用力近似平衡。曲轴提供的外力仅克服柱塞2的惯性及摩擦即可驱动柱塞2向左移动。平衡腔d排出的液体即为工作腔b腔进入的液体体积。

当柱塞2向右移动时，排出口c单向阀12打开，p2＝p1。p1>p0，吸入口a单向阀11关闭。同时平衡腔d的体积增大，液体从吸入口a到平衡腔d，当连通通道4设计合适时同样可近似看做p3＝p0。则柱塞2受到介质作用力的合力向左，f＝p2×s1-p0(s2-s3)，曲轴提供的外力需克服力f及摩擦和惯性从而驱动柱塞右移，泵出高压介质，从而达到增压的目的。

这样，无论吸入压力、排出压力以及流量如何变化，柱塞2所受液压力均处于平衡状态，有效避免因受工作介质液压力不平衡导致的设备损坏以及功率损失。能够适应各类吸入口压力较大的增压工况，解决了现有技术中增压泵适用作业工况固定的不足。

当然，从上述分析过程可以看出，该往复式增压泵同样可以适用于吸入口没有压力或压力较低的工况。

实施例二

如图5和图6共同所示，一种往复式增压泵，包括泵头1以及安装于泵头1的活塞组件6，泵头1设有吸入口a、排出口c、单向阀11和单向阀12，泵头1内设有工作腔b，泵头1上还安装有缸套总成7，活塞组件6贯穿缸套总成7，活塞组件6包括中间段61以及位于中间段61两侧的驱动段62和工作段63，中间段61的直径大于驱动段62的直径，驱动段62与往复式增压泵的的十字头连接，工作段63对应工作腔b设置，缸套总成7、驱动段62和中间段61之间设有平衡腔d，吸入口a与平衡腔d之间设有连通通道8。

在本实施例中，驱动段62为活塞杆64，中间段61为设于活塞杆64的杆体的第一活塞65，工作段63为设于活塞杆64端部的第二活塞66。为了保证密封，第一活塞65上设有第五密封元件651，第二活塞66上设有第六密封元件661。

缸套总成7包括固定安装在增压泵1的壳体5和泵头1之间的缸套71，缸套71上固定连接有缸套压帽72，缸套压帽72与活塞杆64之间设有第四密封元件73；缸套71、活塞杆64、第一活塞65、缸套压帽72和第四密封元件73之间围成上述平衡腔d。

当然，缸套总成7也可以选用本领域技术人员能够实现的其它方式，例如将上述缸套71设计成分体结构等等，在此不再赘述。

在本实施例中，连通通道8包括平衡管81、第四通道82和第五通道83，平衡管81的一端固定安装于缸套71，另一端固定安装于泵头1，第四通道82设于缸套71上且连通平衡腔d和平衡管81，第五通道83设于泵头1上且连通平衡管81和吸入口a。

为了保证活塞组件6运动顺畅，缸套71位于第一活塞65与第二活塞66之间的部位开设有通气孔711。

需要说明的是，上述第四密封元件73优选为密封圈，上述第五密封元件651、第六密封元件661优选为活塞环。当然，第四密封元件73、第五密封元件651、第六密封元件661也可以选用本领域技术人员能够实现的其他方式，在此不再赘述。

为了便于理解，下面结合图6详细分析本发明实施例二的工作原理。

如图6所示，通过尺寸匹配使中间段61径向截面的面积与驱动段62径向截面的面积之差与工作段63径向截面的面积相等，即平衡腔d作用在第一活塞65上的环形面积s2-s3与工作腔b作用在第二活塞66上的面积s1相等,即

式中：d1—第二活塞66直径；d2—第一活塞65直径；d3—活塞杆64直径。

设吸入口a压力为p0，工作腔b压力为p1，排出口c压力为p2，平衡腔d压力为p3，由于设计了连通通道8，平衡腔d与吸入口a压力始终相同。

当活塞组件6左移时，吸入口a处单向阀11打开，p0＝p1。p2>p1，排出口c单向阀12关闭。同时平衡腔d的体积减小，液体从平衡腔d到吸入口a，当连通通道8设计合适时可近似看做p3＝p0，则近似p3＝p1。由于平衡腔d作用在第一活塞65上的环形面积s2-s3与工作腔b作用在第二活塞66上的面积s1相等。此时活塞组件6受到的介质作用力近似平衡。曲轴提供的外力仅克服活塞组件6的惯性及摩擦即可驱动活塞组件6向左移动。平衡腔d排出的液体即为工作腔b腔进入的液体体积。

当活塞组件6向右移动时，排出口c单向阀12打开，p2＝p1。p1>p0，吸入口a单向阀11关闭。同时平衡腔d的体积增大，液体从吸入口a到平衡腔d，当连通通道8设计合适时同样可近似看做p3＝p0。则活塞组件6受到介质作用力的合力向左，f＝p2×s1-p0(s2-s3)，曲轴提供的外力需克服力f及摩擦和惯性从而驱动活塞组件6右移，泵出高压介质，从而达到增压的目的。

本发明提供的往复式增压泵，无论吸入口压力、排出口压力以及流量如何变化，柱塞或活塞组件所受液压力均处于平衡状态，有效避免因受工作介质液压力不平衡导致的设备损坏以及功率损失，通用性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。