ВИНТОВОЙ ГИДРОДВИГАТЕЛЬ
HELICOID HYDRAULIC MOTOR

Изобретение относится к гидромашинам, преобразующим механическую энергию вязкой жидкости, поступающей от насоса, во вращательную энергию рабочего колеса винтового гидродвигателя. Данное изобретение может найти широкое применение в машиностроении, тракторостроении и других областях техники. Данное устройство исключает муфту сцепления. Винтовой гидродвигатель позволяет изменять скорость вращения рабочего колеса за счет изменения подачи рабочей жидкости, реверсировать направление рабочей жидкости, разъединять и соединять гидравлическую цепь при движении машины по инерции и при буксировке, а также производить рабочее и стояночное торможение. Данный гидродвигатель способен выдерживать большие динамические нагрузки и передавать большой вращающий момент в обоих направлениях вращения. Обладает хорошей надежностью и прост в изготовлении и эксплуатации. Его также можно использовать в качестве насоса. Позволяет снимать мощность с вала рабочего колеса с двух сторон.
Аналогом по устройству данного изобретения может служить известный винтовой насос (червячный), опубликованный в Кратком политехническом словаре. Государственное издательство технико-технической литературы, Москва, 1956, с.149. Насос включает в себя корпус с подводящим и отводящим патрубками, в полости корпуса установлены два червячных вала, взаимодействующих между собой своими выступами и впадинами. Один вал является ведущим, а другой - ведомым. Данный насос работает с высоким кпд. Насос способен развивать значительные давления (до 200 атм) и отличается большой производительностью. На данном принципе работает и устроен предлагаемый винтовой гидродвигатель. Все указанные особенности выше и приведенные особенности червячного насоса сохраняются и используются в предлагаемом винтовом гидродвигателе.
Известен также винтовой гидродвигатель (см. GB 696008 A, 19.08.1953, F03C 2/08), который включает в себя корпус с выполненными входным и выходным патрубками и двумя боковыми крышками, в полости которого установлены два винтовых вала, один из которых является ведущим, при этом ведущий вал выполнен диаметром больше ведомого вала.
В указанном прототипе вращательный момент достигается за счет воздействия давления рабочей жидкости на выступы ведущего вала, причем воздействие давления рабочей жидкости направлено параллельно оси вала. Следовательно, вращательный момент будет зависеть от величины выступов и угла наклона витков этих выступов. Использование такого принципа действия рабочей жидкости на указанные рабочие элементы, не может создать высокую мощность крутящему моменту.
Предлагаемый винтовой гидродвигатель отличается от прототипа принципом действия рабочей жидкости на рабочие элементы ведущего вала, а именно рабочая жидкость в предлагаемом гидродвигателе воздействует на рабочие элементы (рабочие площадки) ведущего вала в радиальной плоскости.
Задачей изобретения является достижение более мощного крутящего момента.
Данная задача достигается в винтовом гидродвигателе, включающем в себя корпус с выполненными входным и выходным патрубками и двумя боковыми крышками, в полости которого установлены два винтовых вала, ведущий вал выполнен больше диаметром, согласно изобретению ведущий вал представляет собой рабочее колесо, у которого конечные винтовые впадины (левая и правая) выполнены с углублением в радиальной плоскости, одна из которых (левая) постоянно сообщается с входным патрубком, а правая постоянно сообщается с выходным патрубком, ведомый винтовой вал взаимодействует с рабочим колесом через окно, выполненное в корпусе и закрытое герметично колпаком, входной и выходной патрубки гидродвигателя сообщаются между собой трубопроводом, в сечение которого установлен поворотный запорный вентиль с рычагом поворота, снабженным возвратной пружиной и соединяющимся посредством тяги с ручкой, расположенной на пульте управления, входной патрубок гидродвигателя сообщается посредством двух трубопроводов с правым нагнетательным патрубком и с левым отводящим патрубками дозатора, выходной патрубок гидродвигателя сообщается также посредством двух трубопроводов с правым выходным и левым нагнетательным патрубками дозатора, в корпусе дозатора установлен поворотный вал, на боковой стороне которого выполнены три проточки не сообщающиеся между собой и расположеные вдоль оси поворотного вала, левая подводящая проточка выполнена с двумя радиальными конусными проточками и постоянно сообщается с подводящим окном подводящего патрубка дозатора, правая проточка также выполнена с двумя радиальными конусными проточками и постоянно сообщается с отводящим окном отводящего патрубка дозатора, подводящий и отводящий патрубки дозатора сообщаются между собой трубопроводом, в сечении которого установлен предохранительный клапан, поворотный вал дозатора снабжен поворотным рычагом, который фиксируется в рабочих положениях выступами, выполненными на установочной рейке.
Предлагаемый гидродвигатель содержит гидравлическую схему управления работой гидродвигателя, включающая в себя устройство дозатора с распределительными трубопроводами. В результате использования дозатора исключается муфта сцепления, создается возможность изменять скорость вращения рабочего колеса и позволяет осуществлять реверсирование рабочей жидкости. Позволяет также разъединять и соединять гидравлическую цепь в процессе движения машины по инерции и при буксировке, а также производить рабочее и стояночное торможение.
Для обеспечения эффективного взаимодействия между ведущим колесом и ведомым валом необходимо соблюдать при изготовлении соотношение впадин и выступов на обоих валах. Нормальное взаимодействие впадин и выступов между собой достигается за счет изготовления обоих валов таким образом, чтобы верхние центры овалов (выступов) ведомого вала находились в одной плоскости (а-б) относительно нижних центров овалов (впадин) рабочего колеса. В этом случае будет сохраняться нормальное взаимодействие между впадинами и выступами, при сколь угодно большом увеличении диаметра рабочего колеса и при сохранении прежнего диаметра ведомого вала. При изготовлении рабочего колеса большого диаметра колесо можно выполнить пустотелым.
Основным признаком, в результате которого создается вращающий момент у винтового гидродвигателя, и отличающимся от известного червячного насоса, является то, что конечные витки впадин левого и правого вращения (радиальные площадки) содержат увеличенные площади, выполненные за счет углубления вдоль радиуса. Чем больше будут иметь площадки рабочую площадь, тем эффективнее и большей мощностью будет обладать винтовой гидродвигатель, при неизменном диаметре рабочего колеса. Наиболее эффективный вариант выполнения оконечных площадок является такой, площадь у которого будет находиться на максимальном удалении от оси вала и расположена параллельно его оси. Это объясняется тем, что мощность крутящего момента зависит от величины площади оконечной площадки и величины радиуса ее удаления от оси вала. В предложенном варианте увеличение площади достигается за счет радиального углубления полости. Увеличение оконечных площадок достигается за счет расширения в радиальной и горизонтальной плоскостях. Горизонтальное расширение площадки можно выполнить в теле рабочего колеса ниже уровня межвитковых впадин, например, путем просверливания отверстий ниже уровня межвитковых впадин. Давление подводящей рабочей жидкости подводится через входной патрубок в полости витков. Давление подводящей жидкости поступает, в этом случае, в полости между радиальной площадкой и первыми витками ведомого вала, который, в свою очередь, служит в качестве запорного элемента (запорного вала).
С целью исключения трений между впадинами и выступами у рабочего колеса и винтового вала можно также установить на концах валов зубчатые колеса равного диаметра, находящимся в постоянном зацеплении между собой (на фиг. не показано).
На фиг.1 показан винтовой гидродвигатель с разрезом корпуса по А-А на фиг.3.
На фиг.2 - дозатор с разрезом корпуса в плоскости оси поворотного вала.
На фиг.3 - винтовой гидродвигатель со снятой правой стенкой на фиг.1.
На фиг.4 - дозатор.
На фиг.3 - поворотный вентиль.
Винтового гидродвигатель включает в себя цилиндрический корпус 1, с двумя стенками 2 и 3 (фиг.1 и 2), в полости которого установлено рабочее колесо 4. Рабочее колесо закреплено на валу 5, который свободно вращается в скользящих подшипниках, установленных в стенках 2 и 3 корпуса. Для отбора мощности вал снабжен двумя выходящими хвостовиками 6 и 7. В корпусе выполнено подводящее окно 8 и отводящее окно 9 с патрубками 10 и 11. Подводящее окно 8 сообщается с двумя межвитковыми полостями 12, а отводящее окно 9 сообщается с двумя межвитковыми полостями 13 и 14. На поверхности рабочего колеса выполнено четыре неполных витка с впадинами овальной формы (см. 12, 13 и 14), разделенных между собой выступами 15. Центры овальных межвитковых полостей 16 расположены на уровне внутренней поверхности корпуса. Выступы 15 соприкасаются с внутренней поверхностью корпуса с минимальным зазором. Увеличение площади у рабочих площадок 17 и 18 достигается путем углубления овальных полостей 19 и 20 в радиальной плоскости до уровня проходящей оси 21 и 22 ведущего вала. Форма радиального углубления выполнена в виде треугольника (можно выполнить в виде квадрата). С целью дополнительного увеличения рабочей площади площадки 17 можно произвести углубление полости 19 с уклоном в правую сторону, ниже уровня овальных впадин 12. Чтобы увеличить площадь рабочей площадки 18, также необходимо произвести углубление полости 20 с уклоном в левую сторону, ниже уровня овальных впадин 13 и 14. Угол расширения площадок не должен превышать 30 градусов. С увеличением угла расширения, превышающего 30 градусов, эффект увеличения крутящего момента происходить не будет. Ведомый вал 23 выполнен диаметром меньше рабочего колеса и служит в виде запорного элемента. Витки выступов ведомого вала не позволяют рабочей жидкости свободно перетекать из полостей 12 в полости 13 и 14. Выступы 24, 25, 26 и впадины 27 выполнены в обратной конфигурации выступам и впадинам рабочего колеса. Центры 28 выступов выполнены на уровне впадин 27 и на уровне внутренней поверхности корпуса. Для того чтобы правильно взаимодействовали выступы и впадины ведомого вала с выступами и впадинами рабочего колеса, необходимо учитывать при изготовлении винтовой пары следующее требование. Во всех случаях при изготовлении винтовых (червячных) пар необходимо добиваться такого результата, чтобы верхние центры выступов 28 ведомого вала находились в одной плоскости (а-б) с нижними центрами впадин рабочего колеса (фиг.1). Ведомый червячный вал взаимодействует с рабочим колесом через окно, выполненное в корпусе гидродвигателя и закрывающееся колпаком 29. Внутренняя поверхность, которого находится в соприкосновении с поверхностью выступов ведомого (червячного) вала с минимальным зазором. Выступы и впадины ведомого червячного вала находятся постоянно в зацеплении с выступами и впадинами рабочего колеса. Червячный вал свободно вращается (без нагрузки давления жидкости) в подшипниках 30, установленных в гнездах, выполненных в стенках колпака.
Дозатор (фиг.2 и 4) включает в себя цилиндрический корпус 31 с крышкой 32. Корпус снабжен с одной боковой стороны подводящим 33 и отводящим 34 патрубками, которые расположены в одной продольной плоскости, относительно продольной оси патрубков и на равных расстояниях от нее. На боковых поверхностях корпуса выполнены два нагнетательных окна с нагнетательными патрубками 35 и 36, и два обратных окна с обратными патрубками 37 и 38. Нагнетательные и обратные окна выполнены с двух боковых сторон корпуса и расположены относительно друг друга на одном уровне и в одной радиальной плоскости. На фиг.2 они показаны в разных плоскостях. На фиг.4 расположение этих же патрубков показано в одной плоскости. Правый нагнетательный патрубок 36 сообщается посредством трубопроводов 39 непосредственно с входным патрубком 10 винтового гидродвигателя и одновременно трубопроводом 40 с левым обратным патрубком 37 дозатора. Левый нагнетательный патрубок 35 сообщается посредством трубопроводов 41 непосредственно с отводящим патрубком 11 винтового гидродвигателя и одновременно трубопроводом 42 с правым обратным патрубком 38. В полости корпуса 31 дозатора установлен поворотный вал 43 с выполненным хвостовиком 44, на котором закреплен рычаг управления 45. На боковой стороне поворотного вала выполнены три проточки 46, 47, 48, не сообщающиеся между собой и расположенные в одной продольной плоскости. Подводящая проточка 46 постоянно сообщается с подводящим окном 49, выполненным на стенке корпуса дозатора, и с подводящим патрубком 33. Отводящая проточка 48 постоянно сообщается с отводящим окном 50, выполненным в стенке корпуса дозатора, и с отводящим патрубком 34. Подводящее окно 49 имеет возможность сообщаться через проточку 47 с отводящим окном 50. Подводящая проточка 46 имеет дополнительные проточки 51 и 52, которые расположены с левой и правой сторон поворотного вала, которые выполнены конусной формы. Вершины проточек обращены к нагнетательным окнам патрубков 35 и 36. Отводящая проточка 48 имеет также дополнительные проточки 53 и 54, которые расположены с левой и правой сторон поворотного вала, которые также выполнены конусной формы. Вершины проточек обращены к отводящим окнам патрубков 37 и 38. Подводящий патрубок 33 сообщается посредством трубопровода 55 с отводящим патрубком 34. В полости данного трубопровода установлен предохранительный клапан 56 с пружиной, сила сжатия которой регулируется колпаком 57. Предохранительный клапан предназначен для устранения в трубопроводах возрастания давления выше установленного предела. Рычаг управления 45 взаимодействует с установочной рейкой 58, с выполненными гнездами 59. 60, для фиксации рычага управления.
Входной патрубок 10 сообщается с выходным патрубком 11 трубопроводом 61 (фиг.5). Трубопровод содержит запорный поворотный вентиль 62, снабженный рычагом управления 63, закрепленным на выходящем конце запорного вала 64. Рычаг соединен тягой 65 с ручкой управления, установленной на пульте управления. Рычаг 63 содержит пружину 66 натяжения обратного действием.
Работает винтовой гидродвигатель следующим образом.
Управление работой винтового гидродвигателя осуществляется посредством рычага управления 45 дозатора 31 (фиг.2 и 4). Посредством рычага управления, связанного с поворотным валом дозатора, осуществляется следующий ряд поставленных действий и задач.
1. Для того чтобы произвести стояночное или рабочее торможение, необходимо рычаг управления поставить в среднее положение на рейке 58, как показано на фиг.2 и 4. В этом случае рабочая жидкость, поступающая под давлением от насоса через подводящий патрубок 33, будет поступать через подводящее окно 49, проточку 47, отводящее окно 50 и далее поступит через отводящий патрубок 34 обратно к насосу. Остаточная рабочая жидкость, находящаяся в полостях 12 и 13 между витков рабочего колеса и в патрубках 35, 36, 37, 38, окажется запертой поворотным валом 43. В этом случае рабочее колесо окажется неподвижным.
Для того чтобы произвести плавное торможение, для этого необходимо уменьшить подачу рабочей жидкости до минимальных значений. Для этого поворотный вал устанавливается таким образом, чтобы вершины конических выступов 52 и 53 начали сообщаться с окнами нагнетательных патрубков 36 и 38. Рабочая жидкость частично будет проходить через патрубок 36, трубопровод 39, патрубок 10, окно 8 и далее поступит в рабочую полость 19. Рабочее колесо 6 будет вращаться замедленно и произведет торможение. Рабочая жидкость, которая будет находиться в межвитковых полостях 13, будет выталкиваться через окно 9, патрубок 11, трубопровод 42, патрубок 38, коническую проточку 53 и 48, окно 50, патрубок 34 и далее поступит к насосу. Проточка 47 закроется. Избыточная рабочая жидкость от насоса будет поступать через трубопровод 55, открытый клапан 56 и далее поступит обратно к насосу.
2. При повороте рычага в левую сторону, в положение 59, рабочая жидкость от насоса будет поступать с максимальной подачей через патрубок 33, окно 49, проточку 46, коническую проточку 52, которая в этом положении поворотного вала будет сообщаться с окном патрубка 36 самым широким местом. Далее жидкость будет поступать через трубопровод 39 в патрубок 10, в рабочую полость 12 рабочего колеса и будет воздействовать на стенку 17 (см. фиг.1), отталкиваясь от запорного выступа 24 ведомого вала 23. Рабочее колесо будет вращаться в правую сторону. В этом случае с вала рабочего колеса будет сниматься максимальная мощность. Выходить жидкость будет через межвитковые впадины, окно 9, патрубок 11 трубопровод 42, патрубок 38, коническую проточку 53, проточку 48.окно 50, патрубок 34 и далее поступит к насосу.
3. Для того чтобы изменить вращательное движение у рабочего колеса в обратном направлении (в левую сторону), необходимо рычаг управления 45 перевести из положения 59 в положении 60. В этом случае повернется поворотный вал 43 таким образом, что конические проточки 51 и 54 будут сообщаться с окнами патрубков 35 и 37 широкими местами. Рабочая жидкость будет поступать от насоса через патрубок 33, окно 49, проточку 46, коническую проточку 51, окно патрубка 35, трубопровод 41, патрубок 11, рабочие полости 13 и 14. Давление создастся в полости 14 и будет воздействовать на стенку 18 рабочей площадки. Рабочая жидкость будет отталкиваться от запорного выступа 26 и будет воздействовать на стенку рабочей площадки 18 (см. фиг.3, показано стрелками). В этом случае рабочее колесо будет вращаться в левую сторону с максимальной мощностью. Отработанная жидкость будет уходить через межвитковые впадины к выходному окну 8. Далее будет уходить через патрубок 10, трубопровод 40, патрубок 37, коническую проточку 54, проточку 48, окно 50, патрубок 34 и далее жидкость поступит к насосу.
4. Для того чтобы произвести разобщение гидравлической цепи во время движения машины по инерции или при буксировке, необходимо открыть запорный вентиль 62 (фиг.5). В этом случае жидкость будет поступать от входного патрубка 10 через сообщающийся патрубок 61 к выходному патрубку 11. При этом рабочее колесо 4 и червячный вал 23 будут вращаться свободно без нагрузки.