ГИДРОДВИГАТЕЛЬ
HYDRAULIC MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам гидроавтоматики, работающим за счет энергии потока воды, и может применяться в гидросистемах в виде образователя возвратного поступательного движения штока и, в частности, в сельском хозяйстве для механизации орошения с/х культур с помощью поливных агрегатов, рабочий орган которых перемещается по полю посредством привода намоточного устройства, осуществляя полив.
Известен гидродвигатель, включающий гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком, кинематически связанный с распределителем, гидравлически связанным с надпоршневой и подпоршневой полостями гидроцилиндра и напорным трубопроводом, при этом гидродвигатель снабжен задвижкой с гидроприводом, установленной на напорном трубопроводе, а ее гидропривод гидравлически связан через распределитель с надпоршневой и подпоршневой полостями гидроцилиндра, соответственно соединенными с напорным трубопроводом до задвижки и после нее [1].
Недостатком этого гидродвигателя является невозможность регулирования частоты циклов возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра и большие колебания давления в напорном трубопроводе после задвижки с гидроприводом, необходимое для надежного обеспечения возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра (задвижка закрыта или открыта), что приводит к увеличению энергозатрат и ухудшению качества полива через дождеобразующее устройство в поливных агрегатах.
min
max
Давление воды после задвижки с гидроприводом зависит от размеров поршня и штока гидроцилиндра и изменяется в пределах от Рдо P по зависимости:
max
где: P - давление после задвижки при полном ее открытом состоянии.
min
P - давление после задвижки, необходимое для обеспечения холостого хода штока гидроцилиндра.
1
S - площадь поршня гидроцилиндра со стороны штока.
2
S- полная площадь поршня гидроцилиндра.
При малых частотах циклов штока, что имеет место, например, в поливных агрегатах при выдаче больших поливных норм, при поверхностном поливе, продолжительность одного цикла возвратно-поступательного движения штока может достигнуть 600 с. Из-за отсутствия регулировки продолжительности рабочего хода (движение штока с правого положения в левое) относительно холостого хода (движение штока с левого положения в правое) штока гидроцилиндра, время нахождения задвижки в закрытом состоянии может составить значительную часть общего времени работы агрегата, что приводит к большим энергозатратам, так как напорообразующий узел (электронасос) работает на закрытую задвижку, употребляя электроэнергию и совершая минимальную полезную работу (перемещает шток гидроцилиндра с левого положения на правое - холостой ход штока).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является гидродвигатель включающий гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком, задвижку с гидроприводом, установленную на напорном трубопроводе, и распределитель, кинематически связанный со штоком гидроцилиндра и гидравлически - с напорным трубопроводом, подпоршневой полостью гидроцилиндра и рабочей полостью гидропривода задвижки, при этом задвижка выполнена регулируемой и снабжена обводным гидравлическим каналом с эжектором, посредством распределителя подпоршневая полость имеет возможность поочередного соединения с напорным трубопроводом до задвижки и эжектором, а рабочая полость гидропривода соединена с напорным трубопроводом до задвижки через регулируемый дроссель и имеет возможность сообщения с эжектором, канал связи, сообщающий распределитель с подпоршневой полостью гидроцилиндра, снабжен параллельно установленными обратном клапаном и регулируемым дросселем [2].
увеличения расхода которой
уменьшение расхода дросселя 48
Недостатком этого гидродвигателя является невысокое быстродействие задвижки 11 из-за наличие в гидравлической схеме дросселя 48,  приводит к ускорению прикрытия задвижки 11 для холостого хода штока 4 гидроцилиндра 1 и замедлению открытия задвижки 11 для обеспечения рабочего хода штока 4, а приводит, наоборот, к замедлению прикрытия задвижки 11 для холостого хода штока 4 гидроцилиндра 1 и ускорению открытия задвижки 11 для обеспечения рабочего хода штока 4. Задвижка 11 имеет возможность только регулировки степени ее прикрытия и не имеет возможности регулировки степени ее открытия, что исключает возможность при необходимости увеличивать тягу гидродвигателя, создавая небольшого перепада давления воды в задвижке 11. Надпоршневая полость 3 гидроцилиндра 1 находится под постоянным высоким давлением воды в напорном трубопроводе до задвижки 11, что снижает эффективность работы гидродвигателя. Распределитель 10 имеет невысокую надежность из-за большого хода штока 22 и прямого взаимодействия поршней-клапанов 23 и 24 с радиальными гидравлическими каналами в корпусе 16. Способ обеспечения поочередного открытия и закрытия радиальных гидравлических каналов в корпусе 16 путем скольжения поршней-клапанов 23 и 24 в поливной воде с твердыми частицами приводит к быстрому износу частей распределителя и снижению его работоспособности.
Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности гидродвигателя путем повышения быстродействия задвижки с гидроприводом, повышения надежности распределителя и увеличения усилия штока гидроцилиндра при рабочем ходе.
Поставленная цель достигается тем, что в гидродвигателе, включающем гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком, задвижку с гидроприводом и обводным гидравлическим каналом с эжектором, установленную на напорном трубопроводе, и распределитель, кинематический связанный со штоком гидроцилиндра через переключатель и гидравлически - с напорным трубопроводом, подпоршневой полостью гидроцилиндра и рабочей полостью гидропривода задвижки, задвижка снабжена регулирующим болтом, а ее рабочая полость соединена с распределителем и надпоршневой полостью гидроцилиндра, при этом посредством распределителя подпоршневая и надпоршневая полости гидроцилиндра имеют возможность поочередного соединения с эжектором и напорным трубопроводом до задвижки, кроме этого распределитель выполнен в виде полого корпуса с радиальными каналами и осевым отверстием в центре, полого штока с двумя одинаковыми клапанами и отверстиями, установленным в корпусе и ограниченным в ходе посредством торцевых крышек с осевыми отверстиями малого и большого диаметра, при этом отверстия на штоке выполнены с наружных сторон клапанов, а диаметр осевого отверстия корпуса выполнен меньше диаметра клапанов и больше диаметра большого отверстия торцевых крышек
Сущность предполагаемого изобретения приведена на рисунках, где на Фиг.1 - принципиальная гидравлическая схема гидродвигателя, на Фиг.2 - конструктивная схема распределителя в правом положении штока, Фиг.3 - конструктивная схема распределителя в левом положении штока, на Фиг.4 - конструктивная схема штока распределителя, на Фиг.5 - конструктивная схема задвижки с гидроприводом при открытом состоянии и на Фиг.6 - конструктивная схема задвижки с гидроприводом при прикрытом состоянии.
Гидродвигатель состоит из гидроцилиндра 1 с подпоршневой 2 и надпоршневой 3 полостями, штока 4 с упорами 5,6,7, переключателя 8 с пружиной 9, обеспечивающей два устойчивых положения переключателя 8, распределителя 10 и задвижки 11 с гидроприводом 12, установленной на напорном трубопроводе 13 и снабженной обводящим гидравлическим каналом 14 с эжектором 15(фиг.1).
Распределитель 10(фиг.2 и Фиг.3) включает полый корпус 16 с радиальными входным 17, выходными 18, входным-выходным 19,20 каналами и осевым отверстием в центре 21, полый шток 22 (фиг.4) с клапанами 23,24, отверстиями 25,26 уплотнителем 27 и пятой 28, установленного в корпусе 16 и ограниченного в ходе посредством торцевых крышек 29,30 с осевыми отверстиями, соответственно, 31,32 и 33,34. Корпус 16 имеет крепежные болты 35,36 и образует со штоком 22 и торцевыми крышками 29,30 полости 37, 38 и 39. Полость 39 сообщена с полостью отверстия 34 через отверстия 40.
Задвижка 11 с гидроприводом 12 содержит корпус 41 с седлом 42, клапан 43 со штоком 44, входной канал 45, мембрану 46 с жестким центром, закрепленную на штоке 44, надмембранную полость (рабочую) 47 и подмембранную полость 48, сообщенную с напорным трубопроводом 13 через канал связи 49. Шток 44 выведен в атмосферу и снабжён регулировочной гайкой 50 и болтом 51(фиг.5 и Фиг.6).
Гидроцилиндр 1 шарнирно закреплен к неподвижной опоре 52 и имеет неподвижный кронштейн 53, на котором посредством крепежных болтов 35,36 жестко закреплены распределитель 10 и переключатель 8.
Распределитель 10 посредством пяты 28 и переключателя 8 кинематически связан со штоком 4 гидроцилиндра 1. Напорный трубопровод 13 до задвижки 11 соединен с входным каналом 17 через канал связи 54, фильтр 55 и канал связи 56. Входной-выходной канал 19 сообщен с подпоршневой полостью 2 через каналы связи 57,58 и параллельно установленные обратный клапан 59 и дроссель 60. Выходной канал 18 сообщен с эжектором 15 через канал связи 61, а входной-выходной канал 20 каналами связи 62,63 и 64 соединен с надмембранной полостью 47 и надпоршневой полостью 3. Входной-выходной каналы 19 и 20 имеют возможность поочередного соединения с напорным трубопроводом до задвижки 11 и с эжектором 15.
Регулировочной гайкой 50 устанавливается степень приближения клапана 43 к седлу 42, что создает необходимый перепад на задвижке 11 для работы эжектора 15, действующего по принципу сопла Вентури. Перепад напора при этом на задвижке 11 не зависит от размеров поршня и штока гидроцилиндра и может составить лишь 10-20% от давления в напорном трубопроводе 13, что является достаточным для обеспечения холостого хода штока 4 за непродолжительный промежуток времени.
Регулировочным болтом 51 устанавливается степень открытия задвижки 11. При необходимости снижается степень открытия задвижки 11, создается необходимый перепад давления на задвижке и резко увеличивается тяга гидродвигателя, путем снижения давления в надпоршневой полости 3 при рабочем ходе штока 4.
Гидродвигатель работает следующим образом.
Вода из напорного трубопровода 13 до задвижки 11 с гидроприводом 12, проходя, в основном, через нее и частично через обводной канал 14 с эжектором 15 поступает в напорный трубопровод после задвижки 11 и далее к потребителю. При этом небольшая часть воды из трубопровода 13 через фильтр 55 поступает к распределителю 10, далее гидроцилиндру 1 и гидроприводу 12 и через канал связи 61, эжектор 15, поступая в напорный трубопровод 13 после задвижки 11, подаётся к потребителю, приводя шток 4 к возвратно-поступательному движению с определённый частотой цикла.
Происходит это следующим образом.
(
начало цикла возвратно-поступательного движения штока 4
В положении, когда шток 4 занимает крайне левое положение  (Фиг.1), пружина 9 переключателя 8 посредством пяты 28 приводит шток 22 распределителя 10 в крайне правое устойчивое положение, до одновременного прикосновения клапанов 23 и 24, соответственно, к торцевой крышке 29 и корпусу 16 (Фиг.2). Благодаря тому, что диаметр осевого отверстия в центре 21 корпуса 16 выполнен меньше диаметра клапанов 23,24 и больше диаметра большого отверстия 32,34 торцевых крышек 29,30 шток 22 имеет два устойчивых положения (крайне левое и крайне правое положение).
При этом напорный трубопровод 13 до задвижки 11 соединяется подпоршневой полостью 2 гидроцилиндра 1, закрепленного шарнирно на неподвижном опоре 52, а эжектор 15 соединяется с надпоршневой полостью 3 и надмембранной полостью 47 гидропривода 12. С одной стороны вода под давлением из напорного трубопровода 13 до задвижки 11 через гидравлический канал связи 54, фильтр 55, канал связи 56, входной канал 17, полость 39, сверление 40, полость 38, входной-выходной канал 19, канал связи 57, регулируемый дроссель 60 и канал связи 58 поступает в подпоршневую полость 2 и оказывает давление на общую площадь поршня, а с другой стороны эжектор 15 через канал связи 61, выходной канал 18, осевое отверстие в центре 21, полость 37, входной-выходной канал 20, канал связи 62 отсасывает воду из надпоршневой полости 3 и надмембранной полости 47, соответственно, через канал связи 64 и канал связи 63, входной канал 45 и создает в них пониженное давление воды по сравнению с давлением воды в напорном трубопроводе 13. При этом эластичная мембрана 46 с жестким центром под действием давления воды в полости 48, поступающей из корпуса 41 через отверстия 49, поднимается вверх до прикосновения штока 44 к регулировочному болту 51, отводит клапан 43 от седла 42 на требуемое расстояние и обеспечивает свободное прохождение воды через задвижку 11(фиг.5).
начало рабочего хода штока 4
конец рабочего хода штока 4
После требуемого открытия задвижки 11(), благодаря разнице площадей поршня гидроцилиндра 1 со стороны подпоршневой 2 и надпоршневой 3 полостей и разнице давления воды в них, шток 4 начинает движение с крайне левого положения в крайне правое положение со скоростью, определяемой посредством дросселя 60 и выжимает воду из надпоршневой полости 3 через канал связи 64,62 , входной-выходной канал 20, рабочую полость 37, осевое отверстие в центре 21, выходной канал 18, канал связи 61, эжектор 15 в напорный трубопровод 13 после задвижки 11 и далее к потребителю. В конце хода шток 4, упором 6 взаимодействуя с переключателем 8, жестко закрепленного посредством крепежных болтов 35,36 на неподвижном кронштейне 53, переводит шток 22 (Фиг.4) с уплотнителями 27, предотвращающими истечение воды из полостей распределителя 10 в атмосферу, в крайне левое положение (Фиг. 3), до прикосновения клапанов 23,24 соответственно с осевым отверстием в центре 21 и отверстием с большим диаметром 34 ().
Подпоршневая полость 2 сообщается с эжектором 15, а надпоршневая полость 3 и надмембранная полость 47 - с напорным трубопроводом 13 до задвижки 11. Вода из напорного трубопровода 13 до задвижки 11 через канал связи 54, фильтр 55, канал связи 56 входной канал 17, отверития 40, сверление с большим диаметром 34, отверстие 25, полый шток 22, отверстие 26, полость 37, входной-выходной канал 20, канал связи 62 поступает надмембранную полость 47 и надпоршневую полость 3, соответственно, через канал связи 63,45 и канал связи 64. Давление воды в полостях 3 и 47 повышается до давления в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11. Благодаря незначительному превосходству давления в полости 47 по сравнению давления в полости 48(естественные потери напора воды в корпусе 41) эластичная мембрана 46 с жестким центром, выжимая воду через отверстия 49 из полости 48 в напорный трубопровод 13 после задвижки 11, опускает клапан 43 со штоком 44 к седлу 42 до расстояния, определяемой регулировочной гайкой 53. При этом создаётся определённый перепад давлений между входом и выходом задвижки 11, достаточный для работы эжектора 15 и обеспечения минимальной продолжительности холостого хода штока 4 (Фиг.6).
начало холостого хода штока 4
конец холостого хода штока 4
(
конец цикла возвратно-поступательного движения штока 4
)
После создания перепада давления на задвижке 11 (), благодаря работе эжектора 15, снижающего давления в подпоршневой полости 2, обратного клапана 59 и давление воды на поршень гидроцилиндра 1 со стороны надпоршневой полости 3 , шток 4 за непродолжительное время перемещается с крайне правого положения в крайне левое положение, вытесняя воду из подпоршневой полости 2 через канал связи 58, дроссель 60, обратный клапан 59, канал связи 57 входной-выходной канал 19, полость 38, осевое сверление в центре 21, выходной канал 18, канал связи 61 и эжектор 15 в напорный трубопровод 13 после задвижки 11 и далее к потребителю () В конце холостого хода штока 4 , упор 7, взаимодействуя с переключателем 8, переводит шток 22 в крайне правое положение, до одновременного прикосновения клапанов 23 и 24, соответственно, к торцевой крышке 29 и корпусу 16 (Фиг.2). Далее циклы повторяются, шток 4 совершает возвратно-поступательное движение и, взаимодействуя упором 5 на любые известные преобразующие механизмы может совершить полезную работу, в частности, в поливных агрегатах может наматывать гибкий трубопровод с рабочим органом на конце на барабан и осуществить полив в движении.
Продолжительность рабочего хода штока 4, степень прикрытия и открытия задвижки 11 , с целью получения необходимого перепада давления для работы эжектора 15 регулируются, соответственно, регулируемым дросселем 60, регулировочной гайкой 50 и регулировочным болтом 51.
Таким образом, благодаря выполнению задвижки 11 с гидроприводом 12, регулируемой посредством регулировочной гайки 50 и болта 51 и сообщению ее надмембранной полости 47 с распределителем 10 и надпоршневой полостью 3 гидроцилиндра 1, выполнению распределителя в виде полого корпуса с радиальными каналами и осевым отверстием в центре, полого штока с двумя одинаковыми клапанами и отверстиями, установленным в корпусе и ограниченным в ходе посредством торцевых крышек с осевыми отверстиями малого и большого диаметра, выполнения диаметра осевого отверстия в центре 21 меньше диаметра клапанов 23,24 и больше диаметра большого отверстия торцевых крышек 29,30 и обеспечению посредством распределителя 10 поочередного соединения подпоршневй 2 и надпоршневой 3 + рабочей 47 полостей с эжектором 15 и напорным трубопроводом 13 до задвижки 11 достигнуто повышение эффективности гидродвигателя путем повышения быстродействия задвижки 11 с гидроприводом, повышения надежности распределителя 10 (значительно сокращен ход штока 22 и исключено трение между клапанами 23,24 с корпусом 16 в поливной воде с твердыми частицами) и увеличения усилия штока 4 гидроцилиндра 1 при рабочем ходе (надпоршневая полость 3 сообщается с эжектором 15, а не с напорным трубопроводом 13 до задвижки 11).
Экспериментальный образец предполагаемого изобретения изготовлен в производственных условиях мастерских ФГБНУ ВНИИ «Радуга» в 2017г. со следующими параметрами:
- диаметр поршня гидроцилиндра 1 - 120мм
- диаметр штока 4 гидроцилиндра 1 - 90мм
- ход штока 4 - 170мм
1
4
- напорный трубопровод 13 - 1/ʺ
1
4
- задвижка 11 - 1/ʺ
- эжектор 15 - 1ʺ
- регулируемый дроссель 60 (кран шаровой) - 1/2ʺ
- обратный клапан 59 - 1/2ʺ
- каналы гидравлической связи (сантехнический
армированный шланг с диаметром проходного
сечения 6мм) - 1/2ʺ
и проведены стендовые испытания в лабораторных условиях.
Стендовые испытание показали работоспособность гидродвигателя при изменении давления в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11 в диапазоне 0,2-0,9 МПа и изменения расхода воды через задвижку 11 в пределах 1-4 л/с, устойчивую работу распределителя 10, значительное повышение быстродействия задвижки 11 и удобство регулировки ее степени открытия и закрытия, увеличение усилия штока 4 при рабочем ходе и возможность ее наращивания при необходимости путем создания на задвижке 11 перепада давления, ограничивая ход штока 44 посредством болта 51. Минимальные продолжительности рабочего и холостого хода штока 4 без нагрузки составили соответственно 6 и 20 секунд, а максимальные продолжительности рабочего и холостого хода штока 4 без нагрузки составили соответственно 400 и 26 секунд.
Применение предполагаемого изобретения в разных отраслях народном хозяйстве значительно повысит надежность и эффективность гидроуправляемых систем.