ШИБЕРНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ ПНЕВМО (ГИДРО) ДВИГАТЕЛЬ С РАЗДЕЛЬНЫМ КОРПУСОМ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
VANE ROTARY PNEUMATIC (HYDRAULIC) ENGINE WITH SEPARATE HOUSING AND METHOD OF ITS ASSEMBLY

Область техники.
Изобретение относится к конструкции объемных пневмо(гидро)двигателей, предназначенных для преобразования энергии потока рабочей среды (жидкости, газа) в поворотное движение исполнительного механизма с ограниченным углом поворота посредством качающихся лопастей (шиберов), МПК 2014: F01C 9/00, F15B 15/12, F03C 4/00. Название «шиберный поворотный пневмо(гидродвигатель» рекомендовано к использованию ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения».
Названия «моментный пневмо(гидро)двигатель», «моментный пневмо(гидро)цилиндр» «неполноповоротный пневмо(гидро)двигатель» являются синонимами названия данного устройства.
Предшествующий уровень техники.
В своем общеизвестном виде шиберный поворотный пневмо(гидро)двигатель состоит из корпуса с внутренней цилиндрической полостью, обработанной должным образом, в которой подвижно закреплен ротор с шиберами, по крайней мере, одним, и перегородок, по крайней мере, одной, герметично перегораживающей пространство между корпусом и валом ротора. Цилиндрическая полость с торцов закрывается одной или двумя крышками. В общетехнической литературе подобная конструкция, например, описана в работе Т.М. Башта «Гидропривод и гидропневмоавтоматика». Машиностроение, 1972, стр. 62. Такая конструкция шиберных поворотных двигателей известна на протяжении нескольких десятилетий и имеет ряд недостатков, которые ограничивали ее применение. Однако поиски приемлемой конструкции неполноповоротного исполнительного механизма повышенной мощности для применения его в качестве движителя шагающих машин как двух-, так и четырехопорных, заставляют пересмотреть подходы к конструированию таких двигателей с целью:
- уменьшить удельную массу (отношение массы двигателя к его мощности);
- увеличить выходную мощность за счет увеличения количества шиберов и при этом обеспечить угол поворота более 90 градусов.
Конструирование и изготовление типовых шиберных двигателей ведется в последовательности «от наружного к внутреннему» или «от корпуса к ротору», т.е. когда корпус двигателя является исходной деталью и в его цилиндрическую полость последовательно устанавливаются внутренние перегородки, формируя рабочие камеры, затем - ротор с шиберами; монтируются внутренние уплотнения и корпус с торцов закрывается крышками.
При таком подходе конструктор и изготовитель шиберных двигателей изначально ограничены некоторым замкнутым цилиндрическим объемом, внутри которого необходимо выполнить определенные операции, например, установочные, монтажные, измерительные и пр. Это представляет определенные неудобства для производства таких двигателей и требует в некоторых случаях разработки специализированного инструмента и средств технологического контроля, а также не позволяет применять детали, например шиберы и/или перегородки сложной формы.
Кроме этого, при таком подходе затруднено использование вспомогательных и грузоподъемных механизмов, необходимых для сборки крупногабаритных двигателей, и с увеличением размеров и веса деталей стоимость изготовления шиберных двигателей возрастает многократно.
Это приводит к тому, что производство мощных многошиберных поворотных пневмо(гидро)двигателей с числом шиберов более двух, способных создавать момент более 50 кН/м и с углом поворота более 90° для применения их, в частности, в качестве суставов для шагающих машин, в настоящее время затруднительно.
Задачей данного изобретения является создание шиберного поворотного пневмо(гидро)двигателя, способного развивать значительный вращательный момент и быть технологичным в производстве.
Раскрытие изобретения.
Суть изобретения заключается в том, что корпус двигателя делается составным, а проектирование и сборка шиберных поворотных двигателей осуществляется в последовательности «от внутреннего к внешнему» или «от ротора к корпусу». Это означает, что ротор с шиберами становится исходной деталью, а рабочие камеры формируются для каждого шибера по отдельности и затем объединяются между собой посредством установочных колец, распорок и/или бандажа, образуя корпус двигателя. Рабочая камера образуется крышкой, которая накрывает шибер сверху в радиальном направлении относительно ротора и базируется на подшипниках вала ротора, и двумя боковыми стенками, закрывающими крышку с торцов. Шибер разделяет рабочую камеру на напорную и сливную полости, а подвод и слив рабочего тела осуществляется через отверстия в боковых стенках. Результатом применения такого подхода является то, что все детали двигателя устанавливаются последовательно, одна за другой, облегчается монтаж уплотнений и нет пространственных ограничений, что позволяет применять детали сложной формы, использовать вспомогательное, в том числе и грузоподъемное, оборудование и обеспечить контролируемую сборку, что важно для производства массивных многошиберных двигателей.
Краткое описание чертежей.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами:
Фиг. 1 - трехшиберный поворотный двигатель в сборе;
Фиг. 2 - вал ротора:
Фиг. 3 - шибер;
Фиг. 4 - ротор в сборе;
Фиг. 5 - крышка рабочей камеры;
Фиг. 6 - базирование крышки на валу ротора;
Фиг. 7 - закрепление крышек установочными кольцами;
Фиг. 8 - установка боковых стенок рабочих камер;
Фиг. 9 - установка распорок крышек:
Фиг. 10 - вариант установки двойного уплотнения шибера;
Фиг. 11 - одношиберный поворотный двигатель:
Фиг. 12 - вариант изготовления ступни шагающей машины;
Фиг. 13 - вариант изготовления трехсуставной конечности шагающей машины;
Фиг. 14 - варианты применения шиберного двигателя в качестве привода плавников;
Фиг. 15 - схема работы «плавающего» уплотнения.
Рассмотрим более подробно конструкцию шиберного поворотного пневмо(гидро)двигателя с раздельным корпусом.
Внешний вид трехшиберного поворотного пневмо(гидро)двигателя показан на Фиг. 1, где цифрами обозначены 1 - основание двигателя, 2 - установочные кольца двигателя, 3 - ротор двигателя, 4 - крышка рабочей камеры, 5 - стенки рабочих камер, 6 - распорки крышек, 7 - входной/выходной штуцеры, 8 - бандаж, 9 - подшипник.
Ротор двигателя (3) состоит из вала и шиберов (Фиг. 4), по крайней мере, одного.
Вал ротора (Фиг. 2) представляет собой деталь вращения, на цилиндрической поверхности которой сделаны пазы (10) для установки шиберов. Известным прообразом данной детали из области техники может служить вал ротора парогазовой турбины. Соответственно такая деталь может быть изготовлена способами и методами, общепринятыми в энергетическом машиностроении. Количество пазов, их вид и расположение определяются только конструктивными соображениями (например, на Фиг. 2 показан вал с тремя радиальными Т-образными пазами). Как видно на Фиг. 2, вал имеет ступенчатую форму со значительным утолщением в средней части по отношению к его концевым частям. Такая конструкция вала позволяет применить «плавающее» уплотнение рабочей камеры, схема работы которого показана на Фиг. 15. Для предотвращения скручивания уплотнение имеет плоские выступы (на схеме не показаны).
Внешний вид шибера показан на Фиг. 3. По своей конструкции и функциональному назначению - воспринимать давление рабочего тела и передавать его на вал он похож на лопатку ротора парогазовой турбины, и соответственно такая деталь может быть изготовлена способами и методами, общепринятыми в энергетическом машиностроении.
Используя терминологию, принятую в этой отрасли машиностроения, назовем часть шибера, погруженную в тело ротора хвостовиком (11), а часть шибера, находящуюся в потоке рабочего тела - пером шибера (12). По аналогии с лопаткой ротора парогазовой турбины форма хвостовика шибера и ответных пазов, проточенных на валу ротора, может быть различна (например, Т-образная, V-образная, «елочкой» и др.) и определяется конструктивными соображениями. Хвостовик ротора закрепляется в пазах вала ротора от продольного смещения общеизвестными способами, например с помощью клея, который обеспечит также и герметичность соединения. Форма пера шибера выбирается исходя из конструктивных соображений. На внешней торцевой поверхности пера шибера сделан паз (13), по крайней мере - один, для установки V-образного или иного уплотнения. В случае значительной высоты пера шибера и соответственно его значительной толщины в верхней части возможна установка двойного V-образного уплотнения в пазах, выполненных, как показано на Фиг. 10. Ротор пневмодвигателя в сборе показан на Фиг. 4.
Рабочая камера для каждого шибера ротора формируется посредством крышки рабочей камеры (4), которая по внешнему виду представляет сегмент тела вращения, как показано на Фиг. 5, и двумя торцевыми стенками (5) (Фиг. 8).
Сборка рабочей камеры осуществляется в таком порядке: на шейки вала устанавливаются подшипники (9); устанавливаются уплотнения шиберов; шиберы ротора последовательно накрываются крышками рабочих камер (4), которые базируются на установленных подшипниках вала (Фиг. 6) и закрепляются на них посредством установочных колец (2) (Фиг. 7). Каждая крышка рабочей камеры с торцов закрывается двумя торцевыми стенками (5) (Фиг. 8) с установленными уплотнениями. Эти стенки играют роль внутренних перегородок в общеизвестных конструкциях шиберных двигателей. Форма внутренней поверхности торцевой стенки может повторять форму сопрягаемой поверхности пера шибера, как это видно на Фиг. 8. На внутренней стороне стенок выполнена проточка (14), в которую входит торцевая сторона крышки. Посредством этой проточки повышается жесткость крышки в продольном и радиальном направлениях. На стороне стенки, обращенной к ротору, также выполнена проточка (16) для установки V-образного или иного уплотнителя для обеспечения герметичности рабочей камеры. В торцевых стенках выполнены отверстия для подвода напорного/сливного трубопроводов (15), а также проточки (17) для укладки бандажа. Прижим стенок к крышкам рабочих камер осуществляется посредством резьбовых распорок (6) (которые могут быть также клиновыми или иными), устанавливаемых между соседними стенками (Фиг. 9). Для целей надежной фиксации стенок рабочих камер после установки распорок пространство между соседними стенками можно заполнить эпоксидным или иным полимерным наполнителем.
Для повышения жесткости крышек рабочих камер поверх них можно уложить бандаж, например металлический (8), как показано на Фиг. 1, или иной, например, на основе волокнистых композитов.
Промышленная применимость.
Описываемая в данном изобретении конструкция шиберного поворотного двигателя расширяет область промышленного применения обычных поворотных двигателей в связи с тем, что она более технологична для построения многошиберных двигателей, способных создавать большой вращательный момент, а также при изменении количества рабочих камер (установленных шиберов) и встраивании таких двигателей в различные механизмы. На Фиг. 11 показан вариант одношиберного исполнения двигателя. Помимо уже известного применения их в качестве приводов неполноповоротных общепромышленных исполнительных механизмов их можно использовать в качестве суставов для шагающих машин или в качестве суставов для разнообразных захватных механизмов в робототехнике. На Фиг. 12 показан вариант использования одношиберного поворотного двигателя в качестве привода ступни шагающей машины. Одним из достоинств такого применения является то, что такие двигатели позволяют моделировать мышечный тонус, т.е. сустав будет находиться в активном состоянии при наличии давления в системе, а разность давлений в напорных и сливных полостях рабочих камер будет определять скорость, направление и момент перемещения вала по аналогии с действием мышц - агонистов и антагонистов. Это свойство может обеспечить подготовку к движению, движение, сохранность равновесия и позы не только для четырехопорных шагающих машин, но и для двухопорных - человекоподобных шагающих машин или роботов-андроидов. На Фиг. 13 показан вариант изготовления ноги шагающей машины, где показаны промежуточные ресиверы (18) и пневмораспределители (19).
Возможность создавать большие вращательные моменты позволяет применить такую конструкцию шиберного поворотного двигателя в качестве привода плавников, которые можно использовать как движитель для плавательных средств, причем в качестве рабочего тела в этом случае можно использовать воду. Одним из возможных достоинств такого применения поворотных двигателей может являться повышение скрытности перемещения в водной среде вследствие того, что они генерируют низкочастотные колебания в отличие от широко распространенных винтовых движителей, генерирующих высокочастотные колебания, при условии хорошей шумоизоляции насосной установки. При этом возможно имитирование перемещения крупных морских животных. Плавники можно использовать либо для генерации волнообразных движений, как это схематично показано на Фиг. 14 (а), или, как это показано на Фиг. 14 (б), для генерации реактивного движения при синхронном движении пары и более плавников, где 20 - корпус судна, 21 - шиберные двигатели. Для уменьшения влияния боковой составляющей волнообразного движения на корпус судна ведущее звено плавников может перемещаться в поперечных направляющих (22).
Так как для подвода рабочего тела к шиберному поворотному двигателю можно использовать гибкий трубопровод, то имеется возможность раздельного модульного исполнения движителя и силовой установки (компрессора) и их произвольного пространственного размещения относительно друг друга. Это свойство позволяет создавать необслуживаемые суда, например буксиры, для работы в опасных для человека условиях, например при буксировке неустойчивых грузов, которым не критична деформация корпуса в случае аварий, вызванных, например, опрокидыванием буксируемого груза.