Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение
DEVICE FOR CONVERTING RECTILINEAR RECIPROCATING MOTION INTO ALTERNATE

Изобретение относится к устройствам преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и может быть использовано во многих отраслях машиностроения, в том числе для дистанционного управления запорной арматурой.
В настоящее время управление регулирующими органами зачастую осуществляется вручную. В ряде производств ручное управление органами регулирования не допускается. Поэтому возникла необходимость создания устройства преобразования движения, обеспечивающего дистанционное управление запорной арматурой, например, запорным клапаном.
5
Известен механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот [авторское свидетельство СССР №1753112, МПК F16H 25/08, приор. 13.11.1989 г., опубл. 07.08.1992 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого установлен цилиндрический ползун (поршень), кинематически связанный с валом.
Ползун оснащен замкнутой канавкой на цилиндрической поверхности. На корпусе установлены седла со сферической рабочей поверхностью, в которых размещены шарики для взаимодействия с канавкой, имеющей дугообразный профиль, соответствующий образующей шарика. При вращении вала, оснащенного шлицами, ползун также вращается и совершает возвратно-поступательные движения благодаря его возможности осевого перемещения по шлицам вала и возможности качания кулачковой канавки по шарикам.
К недостаткам механизма можно отнести ограниченный угол поворота вала (в пределах одного оборота), не позволяющий использовать его для дистанционного управления запорной арматурой, что существенно ограничивает область применения.
6
Известен механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и вращательного движения в возвратно-поступательное (варианты) [патент РФ №2115851, МПК F16H 25/12, приор. 23.05.1995 г., опубл. 20.07.1998 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого размещен толкатель (поршень), кинематически связанный с цилиндрическим кулачком (выходной вал), оснащенный на внешней поверхности пазами.
Пазы выполнены криволинейными заданной конфигурации. Кинематическая связь толкателя и кулачка выполнена в виде конических или иной формы роликов, соответствующих форме пазов и принадлежащие расположенному соосно с кулачком толкателю, имеющему возможность возвратно-поступательного движения относительно корпуса при перемещении роликов по пазам кулачка.
К недостаткам известного механизма можно отнести ограниченный угол поворота кулачка (в пределах одного оборота) и отсутствие возможности фиксированной остановки толкателя в конечных точках движения на заданный период времени, что ограничивает область его применения.
Известно устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот [а.с. СССР №1618950, МПК5 F16H 25/08, приор. 30.03.1988 г., опубл. 07.01.1991 г.], содержащее цилиндр (корпус), во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами.
На внутренней цилиндрической поверхности поршня выполнены расположенные диаметрально противоположно два продольных паза. На внутренней поверхности корпуса и внешней цилиндрической поверхности поршня выполнены замкнутые синусоидальные пазы. Кинематическая связь корпуса с поршнем выполнена в виде установленного между корпусом и поршнем кольца с двумя расположенными диаметрально противоположно радиальными отверстиями и двух шариков, установленных в соответствующих отверстиях кольца и в соответствующих синусоидальных пазах корпуса и поршня. Кинематическая связь вала с поршнем выполнена в виде стакана с двумя продольными пазами, расположенными на его внешней цилиндрической поверхности соответственно продольным пазам поршня, установленного соосно с валом и жестко соединенного с ним, и шариков, установленных в соответствующих пазах стакана и поршня.
Достоинством данного устройства является возможность обеспечения различного характера движения вала в зависимости от формы пазов.
Недостатком известного устройства является ограниченный угол поворота вала (в пределах одного оборота) и отсутствие возможности фиксированной остановки вала в конечных точках движения на заданный период времени, что существенно ограничивает область применения.
Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемое изобретение, заключается в увеличении угла поворота выходного вала устройства без увеличения длины прямолинейного хода поршня.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение содержит корпус, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами, согласно изобретению во внутренней полости корпуса установлены неподвижная втулка, оснащенная на внутренней поверхности винтовыми пазами, а на внешней поверхности выступом, и охватывающая выходной вал, и пружина сжатия, упирающаяся одним концом в поршень, а другим в выступ неподвижной втулки, кинематическая связь поршня и выходного вала выполнена в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с пазами выходного вала, причем пазы выходного вала имеют винтовую форму, кроме того толкатель кинематически связан с неподвижной втулкой посредством роликов и винтовых пазов втулки, а в стенке корпуса выполнено сквозное отверстие в области полости, образованной основанием корпуса и поршнем.
Кроме того, с целью обеспечения дополнительного поворота выходного вала, винтовые пазы неподвижной втулки и выходного вала выполнены с разными углами наклона и в противоположные стороны.
Кроме того, с целью снижения ударных воздействий на поршень в крайних положениях движения, поршень и выходной вал оснащены демпферами, расположенными по оси устройства между основанием корпуса и поршнем и между валом и толкателем соответственно.
Таким образом, выполнение кинематической связи поршня с выходным валом в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с винтовыми пазами выходного вала и неподвижной втулки, позволяет увеличить угол поворота выходного вала устройства на величину более 360° без увеличения длины прямолинейного хода поршня, за счет чего расширяется область его применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства преобразования движения в исходном положении;
на фиг. 2 - продольный разрез устройства преобразования движения в сработанном состоянии;
на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 4 - развертка по винтовым пазам на неподвижной втулке;
на фиг. 5 - развертка по винтовым пазам на выходном валу.
Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого расположены поршень 2, толкатель 3, неподвижная втулка 4, выходной вал 5 и пружина сжатия 6. В стенке корпуса 1 выполнены сквозное отверстие 7 у основания корпуса 1 и сквозные отверстия 8 в центре корпуса.
Поршень 2, оснащенный манжетой, образует с основанием и стенкой корпуса 1 полость 9, сообщенную через отверстие 7 в стенке корпуса 1 с системой высокого давления воздуха (не показано). Поршень 2 со стороны полости 9 оснащен демпфером 10, а с другой стороны в поршне 2 выполнено центральное глухое отверстие 11, внутри которого в стенке поршня 2 равномерно распределены и зафиксированы три оси с роликами 12.
Толкатель 3, выполненный в виде полого цилиндра, в основании которого выполнено радиальный паз 13, установлен в отверстии поршня 2 с возможностью вращения на роликах 12, расположенных в пазу 13 толкателя 3. В стенке у свободного края толкателя 3 выполнены сквозные отверстия для установки двух осей с парой роликов 14 на каждой. За счет роликов 14 толкатель 3 кинематически связан с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5.
2
Неподвижная втулка 4 установлена в корпусе 1 со стороны свободного края и оснащена выступом, плотно прилегающим к его стенке. На внутренней поверхности втулки 4 выполнены два сквозных диаметрально противоположных винтовых паза (фиг. 4). Пазы втулки 4 выполнены прямоугольной формы с углом наклона α=33,5°. Во внутренней полости неподвижной втулки 4 установлены подшипники 15.
1
Выходной вал 5 установлен во внутренней полости неподвижной втулки 4 с возможностью вращения на подшипниках 15. Один конец вала 5 выходит за пределы корпуса 1, а на другом конце зафиксирован демпфер 16. На цилиндрической поверхности вала 5 выполнены два глухих диаметрально противоположных винтовых паза (фиг. 5). Пазы вала 5 выполнены прямоугольной формы с углом наклона α=44,5° в противоположную сторону относительно пазов втулки 4.
Кинематическая связь толкателя 3 с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5 осуществляется за счет взаимодействия роликов 14 толкателя 3 с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5 в области винтовых пазов (фиг. 3).
Пружина 6 охватывает неподвижную втулку 4 и упирается одним концом в выступ втулки 4, а вторым в торец поршня 2.
Работает устройство следующим образом
2
2
1
1
2
2
Устройство фиксируют с помощью вала 5 на объекте управления (не показано), к отверстию 7 корпуса 1 подключают систему высокого давления воздуха (не показано), что приводит к герметизации полости 9. Через отверстие 7 в стенке корпуса 1 в него подают сжатый воздух, наполняющий герметичную полость 9, за счет чего поршень 2 поступательно перемещается до упора в демпфер 16. При движении поршня 2 воздух из внутренней полости корпуса 1 под поршнем 2 выходит через отверстия 8 в стенке корпуса 1. Одновременно толкатель 3, перемещаясь поступательно вместе с поршнем 2, поворачивается на роликах 12 за счет перемещения роликов 14 по пазам неподвижной втулки 4 на угол α (фиг. 4). Поворачиваясь, толкатель 3 роликами 14 передает поворот на угол α выходному валу 5, и одновременно, за счет взаимодействия роликов 14 с пазами выходного вала 5, дополнительно поворачивает выходной вал 5 на угол α (фиг. 5). Таким образом, полный поворот выходного вала 5, при полной длине прямолинейного хода поршня 2, составляет угол α=α+α. Вращаясь, выходной вал 5 поворачивает объект управления. По завершению работы через отверстие 7 в стенке корпуса 1 перестают подавать сжатый воздух, при этом давление воздуха в полости 9 снижается до атмосферного. Поршень 2 за счет пружины 6 перемещается в верхнее положение до упора демпфера 10 в основание корпуса 1. Толкатель 3, перемещаясь за поршнем 2, поворачивается на угол α в обратную сторону за счет взаимодействия роликов 14 с винтовыми пазами неподвижной втулки 4. Поворачиваясь, толкатель 3 одновременно поворачивает выходной вал 5 на угол а в обратную сторону. Поворот выходного вал 5 возвращает объект управления в исходное положение.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
• средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для устройств преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и может быть использовано во многих отраслях машиностроения, в том числе для дистанционного управления запорной арматурой;
• для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
• средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить увеличение угла поворота выходного вала устройства без увеличения длины прямолинейного хода поршня.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «Промышленная применимость».