ОППОЗИТНЫЙ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННЫЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к передаточным механизмам, которые преобразуют вращательное движение кривошипа во взаимно противоположные возвратно-поступательные соосные движения двух ползунов, и может быть использована для повышения технического ресурса машинных агрегатов различного назначения, в состав которых входят передаточные механизмы такого рода.
Известен оппозитный кривошипно-ползунный механизм с вильчатым шатуном [1], содержащий стойку с прямолинейной направляющей, установленные в направляющей два идентичных ползуна, кривошип в виде трехколенчатого вала с фиксированной на стойке осью вращения, прямой шатун и вильчатый шатун. Прямой шатун шарнирно связан со средним коленом кривошипа и первым ползуном. Вильчатый шатун двумя боковыми шарнирами связан с крайними коленами кривошипа, а средним шарниром - со вторым ползуном. Продольная ось направляющей ползунов пересекает ось вращения кривошипа под прямым углом в центральной точке кривошипа.
При непрерывном вращении кривошипа идентичные ползуны совершают возвратно-поступательное движение вдоль направляющей во взаимно противоположных направлениях. Силы инерции ползунов равны по модулю и противоположны по направлению, при работе механизма они уравновешивают друг друга и исключаются из динамической нагрузки на фундамент машинного агрегата. Это является достоинством данного механизма.
Кривошипно-ползунный механизм с вильчатым шатуном имеет избыточную связь, ею является один из двух шарниров, соединяющих вильчатый шатун с кривошипом. Наличие избыточной связи приводит к значительному возрастанию сопротивления движению всего механизма, к интенсивному износу контактирующих поверхностей. В шарнирных соединениях увеличиваются зазоры, возникают периодически действующие ударные силы, которые вызывают упругие деформации звеньев. Отрицательное влияние этих факторов на работу механизма усиливается с увеличением времени эксплуатации машинного агрегата. По истечении сравнительно короткого периода эксплуатации фактические законы движения звеньев механизма существенно отличаются от расчетных, нарушается условие уравновешенности
сил инерции ползунов, увеличивается динамическая нагрузка на фундамент машинного агрегата.
Таким образом, недостатком оппозитного кривошипно-ползунного механизма с вильчатым шатуном является его низкий технический ресурс из-за наличия в составе механизма избыточной связи.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является оппозитный кривошипно-ползунный механизм [2], содержащий стойку с прямолинейной направляющей, установленные в направляющей два идентичных ползуна, двуплечий кривошип, шарнирно соединенный со стойкой, два идентичных шатуна, каждый из которых шарнирно соединен с соответствующим ползуном и плечом кривошипа. Центральная точка кривошипа совпадает с точкой пересечения оси вращения кривошипа и продольной оси направляющей ползунов. Кривошип выполнен в виде полого вала. Шарнирное соединение полого вала со стойкой состоит из внешнего и внутреннего цилиндров. С внутренним цилиндром связаны два бурта, один из которых является неотъемлемой частью этого цилиндра, второй выполнен съемным для обеспечения сборки соединения. Внутренний цилиндр закреплен на внешней поверхности полого вала, наружный цилиндр - на стойке. Бурты внутреннего цилиндра исключают смещение одного цилиндра относительно другого в направлении оси вращения полого вала. Шарниры, связывающие концы шатунов с соответствующими плечами кривошипа, выполнены сферическими и установлены на внутренней поверхности полого вала в диаметрально противоположных точках. Продольная ось направляющей ползунов пересекает ось вращения кривошипа под острым углом.
При непрерывном вращении полого вала идентичные ползуны совершают возвратно-поступательное движение вдоль направляющей во взаимно противоположных направлениях. Силы инерции ползунов равны по модулю и противоположны по направлению, они уравновешивают друг друга и исключаются из динамической нагрузки на фундамент машинного агрегата. При передаче движения от полого вала к ползунам в шарнирах соединения шатунов с полым валом возникают равные по величине и противоположные по направлению боковые силы. Эти силы передаются на соединение полого вала со стойкой и воспринимаются поверхностями контакта со стойкой буртов внутреннего цилиндра этого соединения.
Достоинством известного кривошипно-ползунного механизма с полым валом является его более высокий по сравнению с аналогом технический ресурс. Это
обусловлено тем, что в данном механизме кривошип с каждым из шатунов соединен только одним шарниром, что исключает появление в соединениях звеньев дополнительных сил от избыточных связей. Как следствие этого, снижается интенсивность износа контактирующих поверхностей, увеличивается время безотказной работы механизма.
Однако, для долговременной эксплуатации машинного агрегата технический ресурс кривошипно-ползунного механизма с полым валом недостаточен. Это обусловлено тем, что при работе механизма возникает интенсивный износ контактных поверхностей в соединении полого вала со стойкой за счет сил бокового давления на полый вал со стороны шатунов. Эти силы приложены в диаметрально противоположных точках полого вала. Они образуют пару сил, вектор-момент которой периодически меняется по модулю и по направлению. Действие момента пары сил на полый вал создает тенденцию к его перекосу, при котором нарушается перпендикулярность оси вращения и плеч кривошипа. Этому перекосу препятствуют бурты внутреннего цилиндра шарнирного соединения полого вала со стойкой. Но в связи с тем, что один из двух буртов съемный, полностью исключить перекосы полого вала невозможно. Наличие перекоса приводит к тому, что соприкосновение контактных поверхностей буртов и стойки происходит в двух точках, положение которых на поверхностях непрерывно меняется из-за вращения полого вала. В этих точках передается на стойку боковая нагрузка от шатунов. При точечном контакте возникают большие удельные давления, происходит интенсивный износ контактных поверхностей буртов и стойки. Как следствие этого, нарушается перпендикулярность оси вращения и плеч кривошипа, возникают отклонения фактических законов движения звеньев механизма от расчетных, не выполняется условие уравновешенности сил инерции ползунов, увеличивается динамическая нагрузка на фундамент. В результате сокращается время безотказной работы механизма.
Таким образом, недостатком оппозитного кривошипно-ползунного механизма с полым валом является его недостаточный для длительной эксплуатации технический ресурс из-за интенсивного накопления износных повреждений деталей шарнирного соединения кривошипа со стойкой, обусловленного наличием точечных контактов поверхностей буртов и стойки, и возникновением в связи с этим больших значений удельных давлений при передачи боковых сил от кривошипа на стойку.
Задача, решаемая изобретателем, заключается в разработке оппозитного кривошипно-ползунного механизма, у которого при сохранении полного уравновешивания сил инерции ползунов обеспечивается наивысший технический ресурс за счет исключения больших значений удельных контактных давлений при передаче боковых сил от кривошипа на стойку благодаря замене точечного контакта линейным в шарнирном соединении кривошипа со стойкой.
Для решения поставленной задачи в известном оппозитном кривошипно-ползунном механизме, содержащем стойку с прямолинейной направляющей, два идентичных ползуна, установленные в направляющей, двуплечий кривошип, шарнирно соединенный со стойкой и имеющий равные плечи, два идентичных шатуна, каждый из которых шарнирно соединен с соответствующим ползуном и плечом кривошипа, при этом продольная ось направляющей ползунов пересекает ось вращения кривошипа под острым углом в центральной точке кривошипа, а шарниры, соединяющие концы шатунов с соответствующими плечами кривошипа выполнены сферическими, кривошип выполнен Z-образным с антипараллельными плечами, соединенными перемычкой, шарнирное соединение кривошипа со стойкой размещено на перемычке с возможностью соприкосновения цилиндрических поверхностей на концевых участках перемычки.
Новое конструктивное выполнение оппозитно кривошипно-ползунного механизма позволяет уменьшить накопление в процессе эксплуатации износных повреждений звеньев механизма, что обеспечивает увеличение его технического ресурса.
Это обусловлено тем, что выполнение кривошипа Z-образным и размещение шарнирного соединения кривошипа со стойкой на его перемычке с возможностью соприкосновения цилиндрических поверхностей на концевых участках перемычки приводит к передаче боковых сил от кривошипа на стойку через цилиндрические поверхности на концевых участках перемычки. Тем самым контакт поверхностей, передающих боковые силы на стойку, становиться линейным. Наличие линейного контакта приводит к уменьшению удельного контактного давления, что в свою очередь снижает интенсивность накопления износных повреждений цилиндрических поверхностей кривошипа и стойки.
На фиг. изображена схема предлагаемого оппозитного кривошипно-ползунного механизма в декартовой системе координат Oxyz. Оппозитный кривошипно-ползунный механизм состоит из стойки 1 с прямолинейной направляющей 2, кривошипа
3, двух идентичных ползунов 4 и 5, установленных в направляющей 2, двух идентичных шатунов 6 и 7.
Кривошип 3 выполнен Z-образным с равными плечами 8 и 9, соединенными между собой перемычкой 10. Продольная ось перемычки 10 совпадает с осью вращения кривошипа 3. Соприкасание цилиндрических поверхностей шарнирного соединения кривошипа 3 со стойкой 1 происходит на участках 11 и 12, смещенных от центральной точки О кривошипа 3 к концам перемычки 10. Плечи 8 и 9 кривошипа 3 перпендикулярны его оси вращения. Эти плечи могут быть расположены также и под острым углом к оси вращения кривошипа (на фиг. не показано).
Шатун 6 соединен сферическим шарниром 13 с плечом 8 кривошипа 3, а шарниром 14 - с ползуном 4. Шатун 7 соединен сферическими шарнирами 15 и 16 соответственно с ползуном 5 и с плечом 9 кривошипа 3.
Ось вращения кривошипа 3 совпадает с осью Оу. Продольная ось направляющей 2 расположена в плоскости Оху и пересекает ось вращения кривошипа 3 в центральной точке О под острым углом α. Окружности, описываемые шарнирами 13 и 15, расположены в плоскостях, параллельных плоскости Oxz. Центры этих окружностей смещены от точки О по оси Оу на одинаковые расстояния в разные стороны.
Механизм работает следующим образом. При поворачивании кривошипа 3 вокруг своей оси ползуны 4 и 5 передвигаются по направляющей 2. При непрерывном вращении кривошипа 3 ползуны 4 и 5 совершают возвратно-поступательное движение вдоль направляющей 2 во взаимно противоположных направлениях. Ускорения ползунов 4 и 5 равны по модулю и противоположны по направлению, ползуны имеют одинаковые массы. Поэтому силы инерции ползуна 4 и ползуна 5 равны по модулю, направлены по одной прямой в разные стороны, то есть силы инерции поступательно движущихся масс механизма полностью уравновешены.
При передаче движения от кривошипа 3 к ползунам 4 и 5 в шарнирах 13 и 15 возникают равные по величине и противоположные по направлению боковые силы. Они образуют пару сил, вектор - момент которой периодически меняется по модулю и направлению. Действие момента этой пары сил на кривошип 3 полностью уравновешивается моментом пары сил реакций цилиндрических поверхностей на участках 11 и 12 шарнирного соединения кривошипа 3 со стойкой 1. Это значит, действие момента боковых сил передается от кривошипа 3 на стойку 1 через участки 11 и 12 цилиндрических поверхностей, Соприкасание которых происходит вдоль общей образующей. Здесь имеет место линейный контакт соприкасающихся
поверхностей, а передаваемая от кривошипа 3 на стойку 1 силовая нагрузка распределяется по линии контакта.
Наличие линейного контакта поверхностей уменьшает удельное давление и, соответственно, снижает интенсивность накопления износных повреждений этих поверхностей.
Использование заявляемого решения позволит при сохранении полного уравновешивания сил инерции поступательно движущихся масс обеспечить наивысший технический ресурс оппозитного кривошипно-ползунного механизма за счет исключения больших значений удельных контактных давлений при передаче боковых сил от кривошипа на стойку.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Видякин Ю.А., Добросклонский Е.Б., Кондратьева Т.Ф. Оппозитные компрессоры. - Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1979. - с.279.
2. Патент РФ №2085791, кл. F 16 Н 21/16, 1997.