УСТРОЙСТВО ИЗМЕНЕНИЯ РАДИУСА КРИВОШИПА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
DEVICE FOR VARYING CRANK RADIUS OF CRANK MECHANISM

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, в частности к поршневым машинам: ДВС (двигатели внутреннего сгорания), компрессоры, насосы, в том числе многоцилиндровые; а также СК (станки-качалки) с применением КШМ (кривошипно-шатунный механизм).
Известно устройство - ДВС, основу которого представляет собой КШМ, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / В.П. Алексеев и др.; Под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.).
КШМ находит применение как база некоторых СК (2. Патент на изобретение RU №2450161. Бюл. №13 от 10.05.2012. Авторы: В.И. Некрасов, В.В. Новоселов - Приложение). В настоящее время выполняются ОКР (опытно-конструкторские работы) по этому изобретению.
Известно, что КШМ состоит из кривошипов, образованных коренными и шатунными шейками коленчатого вала, соединенных щеками, а также шатунов, установленных на шатунных шейках. На шатунах расположены поршни, а в некоторых случаях (например, буровые насосы) применяют крейцкопфы (ползуны в направляющих), исключающие передачу высоких боковых нагрузок на поршни и цилиндры.
Однако КШМ имеет существенные недостатки: боковые нагрузки, снижающие КПД поршневой машины, фиксированный ход поршня, что ограничивает эксплуатационные возможности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении возможностей поршневой машины и СК.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что кривошипно-шатунный механизм содержит коленчатый вал, состоящий из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками кривошипов, при этом щеки кривошипов имеют направляющие пазы, в которых установлены опорные втулки шатунных шеек, около щек кривошипов на шатунных шейках расположены кольца, контактирующие с дополнительными кольцами, два кольца установлены внутри основного кольца, которое расположено внутри направляющего кольца, между основным и направляющим кольцами установлено вспомогательное кольцо, направляющее кольцо устройства расположено в направляющих пазах корпуса и опирается на узел перемещения и фиксации этого кольца.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности поршневой машины. Изменение радиуса кривошипа от ноля до максимальной величины обеспечивает возможность вывода СК на рабочий режим с невысоким пусковым крутящим моментом. Отключение части поршней от коленчатого вала, при одновременном отключении подачи топлива в цилиндры этих поршней, позволяет эксплуатировать поршневую машину на экономичном режиме в различных условиях эксплуатации; облегчаются условия запуска двигателя в зимний период.
На фиг. 1 показан упрощенный поперечный разрез поршневой машины в состоянии, когда поршень находится в крайнем верхнем положении: в ВМТ (верхней мертвой точке) - поршень на максимальном расстоянии от оси коленчатого вала. НМТ (нижняя мертвая точка) - поршень на минимальном расстоянии от оси коленчатого вала. Не показаны поршневые кольца, опоры вращения шеек коленчатого вала и др. Обозначения: Ок - ось вращения коленчатого вала (ось коренных шеек), Ош - ось шатунной шейки, Оос - ось основного кольца, Он - ось направляющего кольца, Од - ось дополнительного кольца, Ов - ось вспомогательного кольца. Пунктирной линией обозначен путь перемещения шатунной шейки при вращении коленчатого вала. Цифрами 1-4 показаны положения шатунной шейки в крайних состояниях.
max
max
На фиг. 2 приведен упрощенный продольный разрез поршневой машины. Показаны три кривошипа с разными радиусами: слева R=0, оси коренной и шатунной шеек совпадают; в центре R=0,5 R; справа R=R, соответствует фиг. 1. Щеки кривошипов развернуты на 180°, средний - вниз; крайние - вверх.
max
На фиг. 3 показано расположение колец устройства изменения радиуса кривошипа при R=0,5 R, что соответствует среднему кривошипу фиг. 2.
На фиг. 4 показано расположение колец устройства изменения радиуса кривошипа при R=0, что соответствует левому кривошипу фиг. 2.
В корпусе 1 поршневой машины (фиг. 1 и 2) зафиксированы мокрые гильзы цилиндров 2 (уплотнения не показаны). Возможно применение моноблока - гильзы изготовлены вместе с корпусом 1. Внутри цилиндров 2 установлены поршни 3, которые поршневыми пальцами 4 соединяют поршни 3 с верхними головками шатунов 5. Нижние головки шатунов 5 с шатунными крышками 6 подвижно расположены на шатунных шейках 7. На торцах шатунных шеек 7 изготовлены опорные втулки 8. Шатунные кольца 9 установлены с торцов нижней головки шатуна 5, они могут быть изготовлены аналогично опорным втулкам 8 непосредственно на шатунной шейке 7. Коренные шейки 10 подвижно установлены в опорах вращения, образованных корпусом 1 и крышками 11. Вкладыши - опоры вращения коренных 10 и шатунных 7 шеек не показаны. Щека 12 кривошипа зафиксирована на коренной шейке 10, в щеках 12 выполнены направляющие пазы 13, в которых располагаются опорные втулки 8 шатунных шеек 7. Шатунное кольцо 9 контактирует с дополнительным кольцом 14, оба кольца расположены внутри основного кольца 15. Основное кольцо 15 расположено внутри направляющего кольца 16, между основным 15 и направляющим 16 кольцами установлено вспомогательное кольцо 17. Направляющие кольца 16 с размещенными в них кольцами 9, 14, 15, 17 установлены в направляющих пазах 18 корпуса 1. Направление пазов 18 может быть любым относительно оси коленчатого вала. Направляющее кольцо 16 опирается на узел перемещения и фиксации 19.
Предлагаемое устройство изменения радиуса кривошипа кривошипно-шатунного механизма работает следующим образом.
max
Для вывода СК на рабочий режим требуется высокий пусковой крутящий момент - нагрузка для работы ШГН (штанговый глубинный насос) может достигать нескольких тонн. Помимо массы колонны штанг значительное влияние имеет гидравлическая нагрузка. Крутящий момент, необходимый для этого, зависит от произведения давления жидкости на рабочий объем насоса. Рабочий объем насоса зависит от радиуса кривошипа. При R=0 гидравлическая нагрузка исключена. При R=R эта нагрузка будет максимальной.
Для вывода СК на рабочий режим целесообразно использовать состояние R=0 (фиг. 2 слева и фиг. 4). Узел перемещения и фиксации 19 фиксирует кольца устройства изменения радиуса кривошипа кривошипно-шатунного механизма на максимальном расстоянии от оси коленчатого вала. Ось коренной шейки Ок совпадает с осью шатунной шейки Ош. Обеспечивается холостой ход - усилие на колонну штанг привода ШГН не передается. Это состояние КШМ можно использовать для отключения цилиндров ДВС из работы.
max
max
Для ступенчатого постепенного вывода СК на рабочий режим узел перемещения и фиксации 19 смещает систему колец и фиксирует их в промежуточном положении R=0,5 R (фиг. 2 в центре и фиг. 3). Ось коренной шейки Ок совпадает с осью основного кольца Оос. Ось шатунной шейки Ош расположена выше оси коренной шейки Ок и обозначена цифрой 1. Пунктирной линией обозначен путь перемещения шатунной шейки при вращении коленчатого вала. Цифрами 1-4 показаны положения шатунной шейки в крайних состояниях. Шатунное 9 и дополнительное 14 кольца вращаются внутри основного кольца 15. Крутящий момент, например, от левой коренной шейки 10 щекой кривошипа 12, направляющим пазом 13 на радиусе R=0,5 R передает усилие на опорную втулку 8 левого торца шатунной шейки 7, далее по шатунной шейке на другой, правый торец шатунной шейки, по направляющему пазу соседней щеки правой коренной шейки.
max
max
Максимальное нагружение возникает при R=R, для этого узел перемещения и фиксации 19 смещает систему колец и фиксирует их в крайнем верхнем положении R=R (фиг. 1 и фиг. 2 справа). Ось коренной шейки Ок совпадает с осью направляющего кольца Он. Ось шатунной шейки Ош расположена на максимальном расстоянии от оси коренной шейки Ок и обозначена цифрой 1. Пунктирной линией обозначен путь перемещения шатунной шейки при вращении коленчатого вала. Цифрами 1-4 показаны положения шатунной шейки в крайних состояниях. Шатунное 9 и дополнительное 14 кольца вместе с основным кольцом 15 и вспомогательным кольцом 17 вращаются внутри направляющего кольца 16. Увеличенный крутящий момент передается аналогично предыдущему случаю, при этом опорные втулки 8 шатунной шейки 7 имеют большую площадь контакта с направляющими пазами 13 щек кривошипа 12.
Обозначения:
1 - корпус поршневой машины;
2 - мокрая гильза цилиндра;
3 - поршень;
4 - поршневой палец;
5 - шатун;
6 - крышка нижней головки шатуна 5;
7 - шатунная шейка;
8 - опорные втулки шатунной шейки 7;
9 - шатунные кольца;
10 - коренная шейка;
11 - крышка опоры вращения коренной шейки 10;
12 - щека кривошипа;
13 - направляющий паз щеки кривошипа 12;
14 - дополнительное кольцо;
15 - основное кольцо;
16 - направляющее кольцо;
17 - вспомогательное кольцо
18 - направляющие пазы корпуса 1;
19 - узел перемещения и фиксации направляющего кольца 16.