Поршневая машина
PISTON MACHINE

Устройство относится к области машиностроения, а именно к поршневым моторам, насосам, компрессорам, и может быть использовано в различных отраслях техники для придания вращательного движения исполнительным механизмам, перекачки жидкостей или нагнетания газов.
Известна поршневая машина, патент RU №2267012 С1, содержащая полый приводной вал, являющийся одновременно корпусом. В цилиндрической полости приводного вала-корпуса размещены поршни, на наружной поверхности которых выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие поршни с приводным валом-корпусом. Приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга. Поршни надеты на неподвижную центральную ось, при этом проворот поршней относительно оси ограничен шлицевым соединением. Цилиндрическая полость вала-корпуса разделена перегородкой и поршнями, которых как минимум два на четыре цилиндра. В оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.
Поршневая машина-аналог работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением в цилиндры поршни начинают перемещаться вдоль оси. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок, нарезанных на наружной поверхности поршней, на поводки, что вызывает, вследствие невозможности проворота поршней (за счет наличия шлицевого соединения их с неподвижной осью), вращательное движение корпуса. Так как поводки поршней зафиксированы в валу-корпусе со смещением, один из поршней достигает крайнего правого положения раньше, останавливается, а за счет того, что второй поршень продолжает поступательное движение, вращательное движение вала-корпуса продолжается, поводок первого поршня переходит в реверсивную ветвь его винтовой канавки, и он начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство рабочее тело под давлением начинает поступать в цилиндр, в котором поршень совершает реверсивное движение, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. При достижении вторым поршнем крайнего положения происходит его остановка, а за счет продолжения рабочего цикла первым поршнем уже поводки второго поршня переходят на реверсивную ветвь канавки, и второй поршень начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство начинается подача под давлением рабочего тела в цилиндр за вторым поршнем, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение вала-корпуса, которое может быть использовано для привода исполнительного механизма.
Аналог может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное и наоборот.
Недостатком аналога является то, что в шлицевом соединении поршней с неподвижной осью возникают большие усилия, вызывающие в элементах этого соединения высокие контактные напряжения, а это ограничивает величину допускаемых прикладываемых или развиваемых в рабочих цилиндрах давлений, что уменьшает диапазон возможного применения данной поршневой машины, а также ее надежность и долговечность.
Наиболее близкой к заявляемой машине является поршневая машина патент RU №2336419 С1, содержащая корпус, разделенный на две части, которые жестко связаны между собой центральной осью, в корпусе размещен полый приводной вал, цилиндрические полости частей корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены как минимум два поршня, надетых на центральную ось таким образом, что они могут совершать относительно оси вращательное и возвратно-поступательное движения, цилиндрическая полость поршнями и перегородкой разделена на рабочие цилиндры, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, части поводов, выступающие за пределы винтовых канавок, зафиксированны в частях корпуса, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, шлицевое соединение второго поршня с приводным валом выполнено с угловым смещением относительно шлицевого соединения первого поршня по направлению вращения приводного вала, в корпусе, приводном валу, перегородке и центральной оси выполнены отверстия и полости, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.
Недостатком прототипа является то, что у прототипа отсутствует принятый в данных машинах приводной вал, а это усложняет его использование взамен применяемых поршневых машин. Кроме этого, золотниковая система прототипа конструктивно и технологически сложна, имеет протяженные каналы малого сечения, что значительно увеличивает динамические потери в ней, тем самым снижается производительность и КПД поршневой машины
Технической задачей заявляемого устройства является создание поршневой машины, имеющей широкий диапазон применения, обладающей возможностью при работе в режиме мотора создавать на выходном валу большие крутящие моменты, а при работе в режиме насоса - большое давление, производительность, высокий КПД при сохранении ею компактности, малой материалоемкости и других достоинств прототипа.
Технический результат - повышение КПД и производительности поршневой машины, уменьшение трудоемкости при ее изготовлении, а также обеспечение возможности установки заявляемой поршневой машины на новых механизмах и взамен устаревших поршневых машин на действующих механизмах.
Технический результат достигается тем, что заявляемая поршневая машина содержит корпус, в котором размещен полый приводной вал, и как минимум два поршня, надетых на центральную ось с возможностью совершать относительно оси и корпуса вращательное и возвратно-поступательное движения, внутренняя цилиндрическая полость машины поршнями и перегородками разделена на рабочие цилиндры, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок части поводков, зафиксированы, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, шлицевое соединение второго поршня с приводным валом выполнено с угловым смещением относительно шлицевого соединения первого поршня по направлению вращения приводного вала, в корпусе и центральной оси выполнены каналы, заполненные рабочим телом. Кроме того, в корпусе размещены цилиндры, которые совместно с полостью приводного вала образуют внутреннюю цилиндрическую полость машины, при этом первый цилиндр зафиксирован в корпусе, а второй цилиндр зафиксирован относительно первого цилиндра через центральную ось, на внутренней поверхности осевого отверстия поршней выполнены продольные каналы, обеспечивающие при провороте поршней до их совмещения с соответствующими каналами, выполненными в центральной оси, подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу, при этом расположение продольных каналов, их длина, ширина и глубина увязаны с формой, положением количеством винтовых канавок, изготовленных на цилиндрической поверхности поршня, и объемными характеристиками поршневой машины, кроме этого приводной вал поршневой машины кинематически, через промежуточный вал, связан с выходным валом, закрепленным на центральной оси с возможностью вращения относительно корпуса.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемой поршневой машине поршни выполняют не только свои непосредственные функции нагнетания рабочего тела или преобразования давления рабочего тела в механическое движение, но и золотника, обеспечивающего подачу рабочего тела в цилиндры или вытеснение его из них по заданному циклу. Такое конструктивное решение обеспечивает значительное упрощение золотниковой системы, уменьшение ее протяженности, а также динамических потерь, связанных с изменением направления движения рабочего тела, что обеспечивает при снижении конструктивной и технологической сложности повышение производительности и КПД заявляемой поршневой машины. Кроме этого, благодаря введению в кинематическую схему поршневой машины выходного вала, закрепленного на ее центральной оси, связанного через промежуточный вал с приводным валом, значительно упрощается компоновка заявляемой поршневой машины с другими механизмами, в частности с двигателями, исполнительными органами, что, в конечном итоге, позволяет устанавливать заявляемую поршневую машину как в новых механизмах, так и взамен устаревших аналогичных машин, без существенной переделки стыковочных систем.
На фиг. 1 схематично представлен вариант выполнения заявляемой поршневой машины, на фиг. 2…6 - сечения, в которых показаны места расположения поводков и толкателей.
Заявляемая поршневая машина состоит из корпуса 1, в котором расположен с возможностью вращения приводной вал 2, и размещены цилиндры 3, 4. Цилиндр 3 зафиксирован в корпусе 1, при этом с ним через центральную ось 5 жестко связан цилиндр 4. В цилиндрах 3 и 4, соответственно, помещены первый поршень 6 и второй поршень 7, надетые на центральную ось 5, с возможностью вращательного и возвратно-поступательного движений. Фиксация цилиндров 3 и 4 на центральной оси 5 осуществляется с помощью крепежа 8, 9 и торцевой крышки 10 корпуса 1. На поверхности поршней 6 и 7 выполнены продольные замкнутые винтовые канавки 11, 12 и продольные пазы 13, 14. Приводной вал 2 представляет собой полый цилиндр. Во внутренней полости приводного вала 2 выполнены продольные пазы 15, 16, и она разделена на две части выступом (перегородкой) 17, выполненным на оси 5, в котором размещено уплотнительное устройство 18. При этом пазы 15 и 16 изготовлены с угловым смещением относительно друг друга. В цилиндрах 3 и 4 закреплены поводки 19, 20, которые частично погружены в замкнутые винтовые канавки 11, 12 поршней 6, 7. Поршни 6, 7 через толкатели 21, 22, находящиеся в продольных пазах 13, 15 и 14, 16, кинематически связаны с приводным валом 2. Внутренние полости цилиндров 3, 4 и приводного вала 2 образуют единый цилиндр, который поршнями 6, 7 и выступом (перегородкой) 17 с уплотнением 18 разделяется на четыре рабочих цилиндра I, II, III, IV.
В корпусе 1, торцевой крышке 10 корпуса 1, в центральной оси 5 выполнены продольный подающий канал 23 и радиально-продольные сливные каналы 24. Кроме этого, в центральной оси 5 выполнены радиальные каналы 26, 28, 31, 35, связанные с подающим каналом 23, а также радиальные каналы 25, 29, 32, 34, связанные со сливными каналами 24. На внутренней поверхности осевого отверстия поршня 6 выполнены продольные каналы 27, 30, а поршня 7 - каналы 33 и 36, обеспечивающие при привороте поршней до их совмещения с соответствующими радиальными каналами 26, 28, 31, 35 и 25, 29, 32, 34, выполненными в центральной оси 5, подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу, при этом расположение продольных каналов, их длина, ширина и глубина увязаны с положением винтовых канавок, изготовленных на цилиндрических поверхностях поршней 6, 7, и объемными характеристиками поршневой машины. В совокупности эти каналы образуют золотники, которые управляют подачей рабочего тела в рабочие цилиндры I, II, III, IV и вытеснением его из них по заданному циклу.
Передача крутящего момента с приводного вала 2 или на него осуществляется через полый промежуточный вал 37, кинематически связанный с выходным валом 38, зафиксированным на оси 5 с возможностью вращения относительно корпуса 1.
В режиме мотора заявляемая поршневая машина работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением, например, гидравлического масла, через каналы золотникового устройства 23, 28, 30 (фиг. 1, 4) оно поступает в рабочий цилиндр II и через каналы 23, 31, 33 (фиг. 1, 5) в рабочий цилиндр III и давит на поршни 6 и 7, что вызывает их поступательное движение вдоль оси цилиндров 3, 4 и слив масла из рабочих цилиндров I по каналам 27, 25, 24 (фиг. 1, 2) и IV - по каналам 36, 34, 24 (фиг. 1, 6). При поступательном перемещении поршней 6, 7 происходит воздействие боковой поверхности продольных винтовых канавок 11, 12, нарезанных на наружной поверхности поршней 6, 7, на поводки 19, 20, что вызывает проворот поршней 6, 7 относительно оси цилиндров 3, 4. За счет того, что поршни 6, 7 через толкатели 21, 22 связаны с приводным валом 2, приводной вал 2 начинает вращательное движение. Вследствие наличия смещения в положении поршней 6, 7 относительно друг друга за счет углового смещения продольных пазов 15 и 16, выполненных в приводном валу 2, поршень 7 достигает крайнего правого положения раньше поршня 6, останавливается, а за счет того, что поршень 6 продолжает поступательное движение и вызывает вращательное движение приводного вала 2, поводки 20 перемещаются в реверсивную ветвь продольной винтовой канавки 12 поршня 7, и он начинает движение в обратную сторону. Одновременно через каналы 23, 35, 36 масло под давлением начинает поступать в рабочий цилиндр IV, и поршень 6 включается в рабочий цикл вращения приводного вала 2. При достижении поршнем 6 крайнего левого положения также происходит его остановка, и за счет продолжения рабочего цикла в рабочем цилиндре IV уже поводки 19 переходят на реверсивную ветвь продольной винтовой канавки 11 поршня 6, и поршень 6 начинает движение в обратную сторону. Одновременно масло через каналы 23, 26, 27 под давлением подается в рабочий цилиндр I (рабочий цикл) и вытесняется из рабочего цилиндра II по каналам 30, 29, 24. При достижении поршнем 7 крайнего левого положения за счет продолжающегося рабочего цикла в рабочем цилиндре I, а следовательно, продолжающегося вращательного движения приводного вала 2 происходит переход поводков 20 на ветвь продольной винтовой канавки 12, имеющей начальное направление, поршень 7 изменяет направление движения, в рабочий цилиндр III по каналам 23, 31, 33 под давлением подается масло, и начинается рабочий цикл и слив масла из рабочего цилиндра IV по каналам 36, 34, 24. При достижении поршнем 6 крайнего правого положения за счет перехода поводков 19 на ветвь продольной винтовой канавки 11, имеющей начальное направление, поршень 3 изменяет направление движения, и цикл повторяется. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение приводного вала 2 и через промежуточный вал 37 передается на выходной вал 38, который непосредственно передает вращательное движение какому-либо исполнительному механизму, выполняющему полезную работу.
В случае приложения вращательного движения к выходному валу 38 вращательное движение через промежуточный вал 37 передается приводному валу 2, вследствие этого поршни 6, 7 начинают совершать принудительные вращательное и возвратно-поступательное движения, что обеспечивает перекачку рабочего тела и его нагнетание, т.е. поршневая машина переходит в режим гидронасоса или компрессора. При этом устройство работает как четырехцилиндровая машина с поршнями двухстороннего действия, что обеспечивает отсутствие холостых ходов - максимальный КПД, минимальную пульсацию рабочего тела и возможность создания высоких давлений рабочего тела.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.