АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ ГИДРОМАШИНА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к аксиально-поршневым гидромашинам с наклонным блоком цилиндров.
Широко известен тип машин с наклонным блоком цилиндров и подвижным распределителем, опирающимся на крышку регулятора. Основными производителями таких машин являются:
1. Rexroth, Германия: например, серия - A6V; A7V.
2. ПСМ-гидравлик, Россия: например, серия - 303.
Коэффициент регулирования данных машин определяется возможностью распределителя перекрывать подводящие каналы, размещенные в крышке регулятора. При этом должно выполняться условие гидравлической опоры с гарантированной избыточной нагрузкой для обеспечения герметичности стыка.
У основных производителей гидромашин данного типа устойчиво наблюдается тенденция обеспечить максимально возможный коэффициент регулирования рабочего объема, при котором:
max
min
где α, α - угол наклона блока цилиндров.
При этом условии гидромашина имеет возможность максимально удовлетворить потребителя в изменении подачи рабочей жидкости в случае использования ее как насоса или получить максимальное изменение частоты вращения выходного вала при использовании гидромашины как мотора. Данный подход определяет ряд конструктивных недостатков, в частности:
- ослабленный подвижный распределитель;
- высокое гидравлическое сопротивление;
- большие удельные весовые характеристики при высокой материалоемкости (нецелесообразность создания гидромашин данного типа больших типоразмеров).
Указанные недостатки можно объяснить следующим.
Ослабленный подвижный распределитель является следствием конструктивных условий соблюдения высокого коэффициента регулирования, вследствие чего продольная прорезь распределителя выполняется максимально возможной. Это обусловлено тем, что при перемещении в крайние положения распределитель должен полностью перекрывать канал в корпусе регулятора.
По условию гидростатической опоры, оба отверстия формируются в вытянутые прорези максимально возможных размеров. При этом длинные стенки прорези, пересекая все тело распределителя, определяют слабое сечение, по которому происходит разрушение распределителя.
Указанный недостаток является серьезным препятствием при увеличении диапазона давлений в гидросистемах.
Высокое гидравлическое сопротивление обусловлено конструктивными условиями выполнения максимального коэффициента изменения объема.
Размер длинной стороны канала в корпусе регулятора ограничен конструктивными условиями распределителя, а его ширина не должна превышать ширину прорези подвижного распределителя.
Исходя из этих условий, сечение отверстия в корпусе регулятора становится лимитирующим по условиям прохождения потока рабочей жидкости.
Принимая во внимание соблюдение условия гидростатической опоры для пары подвижный распределитель - корпус регулятора, становится очевидным, что сечение отверстия не может быть увеличено без учета условий герметичности стыка.
Высокие удельные весовые характеристики и материалоемкость данного типа гидромашин тоже напрямую связаны с их конструкцией.
Естественное стремление производителей повысить удельные показатели энергообеспечения определяют максимально большие углы наклона блока цилиндров к оси вращения вала. При этом сегмент корпуса регулятора, заключенный между минимальным и максимальным углами наклона блока цилиндров, определяет путь перемещения распределителя.
Вес и габариты исполнительного механизма регулятора, находящегося на внешней стороне конструкции, напрямую зависят от угла наклона цилиндра.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является аксиально-поршневая гидромашина с регулируемым рабочим объемом, содержащая корпус, вал с фланцем, установленный на подшипниках, вращающийся поворотный блок цилиндров с поршнями, которые шарнирно соединены с фланцем и контактируют с распределителем, установленным в крышке корпуса с возможностью перемещения по поверхности вращения. В распределителе со стороны крышки корпуса выполнены прорези, соединенные с каналами всасывания и нагнетания, выполненными на крышке корпуса. Распределитель шарнирно соединен с пальцем поршня гидроцилиндра механизма управления. Прорезь распределителя, соединенная с каналом нагнетания, сужается в сторону уменьшения угла наклона блока цилиндров, а ее минимальная ширина меньше ширины канала нагнетания (см. авторское свидетельство СССР №1536029). Исполнение прорези распределителя суженной в сторону уменьшения угла наклона блока цилиндров позволило несколько уменьшить сопротивление для больших потоков на максимальных углах наклона.
Конструкция данной аксиально-поршневой гидромашины выбрана в качестве прототипа.
Прототип и заявляемая полезная модель имеют общие признаки:
- основной корпус;
- качающий узел;
- качающий узел размещен в основном корпусе;
- качающий узел включает вал и блок цилиндров;
- блок цилиндров установлен с возможностью изменения угла наклона относительно оси вала;
- корпус регулятора (в прототипе это крышка корпуса);
- каналы, выполненные в корпусе регулятора;
- подвижный распределитель;
- подвижный распределитель размещен в корпусе регулятора;
- прорези выполнены в подвижном распределителе;
- прорези выполнены со стороны корпуса регулятора;
- распределитель шарнирно соединен с пальцем поршня.
Однако, исходя из условий гидростатической опоры, площадь прорези и ее длина являются величинами, зависящими от типоразмера гидромашины, а, значит, прорезь подвижного распределителя, выполненная с переменным сечением, вносит несимметричный гидростатический отжим подвижного распределителя и, как следствие, повышение утечки с возможностью разгерметизации, а также непропорциональный износ.
В данном исполнении, как и раньше, подвижный распределитель ослаблен большой длиной продольных прорезей, а развитие гидромашин в сторону увеличения типоразмеров конструктивно нецелесообразно.
Конструктивный недостаток, который является следствием условия увеличения радиуса при увеличении типоразмеров, становится настолько существенным, что делает гидромашины больших типоразмеров невостребованными, а их производство нецелесообразным.
max
min
В основу полезной модели поставлена задача создать усовершенствованную конструкцию аксиально-поршневой гидромашины, в которой путем изменения соотношения,  где α - максимальный угол наклона блока цилиндров к оси вала, α - минимальный угол наклона блока цилиндров к оси вала, обеспечить расширение ассортимента гидромашин и их функциональных возможностей, а также снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности.
Поставленная задача решена в аксиально-поршневой гидромашине, содержащей основной корпус с размещенным в нем качающим узлом, включающим в себя вал и блок цилиндров, установленный с возможностью изменения угла наклона относительно оси вала, корпус регулятора, в котором выполнены каналы, подвижный распределитель, размещенный в корпусе регулятора, при этом в подвижном распределителе, шарнирно соединеннм с пальцем поршня, выполнены прорези со стороны корпуса регулятора, тем, что отношение максимального угла наклона блока цилиндров к оси вала к минимальному углу наклона блока цилиндров к оси вала составляет 1,2-2,1.
max
min
Новым в заявляемой полезной модели является отношение,  где α - максимальный угол наклона блока цилиндров к оси вала, α - минимальный угол наклона блока цилиндров к оси вала, а также отношение L/, где L - длина прорезей в подвижном распределителе,  - длина каналов в корпусе регулятора.
Заявляемая аксиально-поршневая гидромашина изображена на чертеже, где:
фиг.1 - общий вид машины в разрезе;
фиг.2 - вид корпуса регулятора с каналами;
фиг.3 - вид подвижного распределителя;
фиг.4 - вид подвижного распределителя с прорезями.
min
max
Аксиально-поршневая гидромашина содержит основной корпус 1, внутри которого расположен качающий узел 2, включающий вал 3 и блок цилиндров 4 с размещенной в нем поршневой группой (на чертеже поршневая группа не показана). Вал 3 и блок цилиндров 4 являются элементами качающего узла 2, от расположения которых зависит объем гидромашины. Угол наклона α определяет минимальный, a α -максимальный объем гидромашины. Между блоком цилиндров 4 качающего узла 2 и корпусом регулятора 5 расположен подвижный распределитель 6. Перемещение подвижного распределителя 6 обеспечивает палец 7, размещенный в поршне 8. В подвижном распределителе 6 выполнены прорези 9 и 10, которые расположены со стороны корпуса регулятора 5 и имеют выход на противоположную сторону для взаимодействия с каналами 11 блока цилиндров 4. Прорези 9 и 10 накрывают каналы 12, 13, выполненные в корпусе регулятора 5.
max
min
Блок цилиндров 4 установлен с возможностью изменения угла наклона относительно оси вала 3. При этом отношение максимального угла наклона блока цилиндров 4 к оси вала 3(α) к минимальному углу наклона блока цилиндров 4 к оси вала 3(α) составляет  =1,2-2,1.
Отношение длины прорезей 9 и 10 в подвижном распределителе 6 (L) к длине каналов 12, 13 в корпусе регулятора 5 составляет L/=0,47-2,1.
При этом ширина прорезей 9, 10 в подвижном распределителе 6 (В) и каналов 12, 13 в корпусе регулятора 5 (в) удовлетворяет требованиям гидростатической опоры.
min
При соблюдении приведенного условия появляется возможность изменить в сторону увеличения сечение канала 12. Увеличение сечения, соответственно, приводит к снижению гидравлического сопротивления, что происходит вследствие изменения минимального угла наклона (α) блока цилиндров 4 и при этом появляется возможность увеличить длину  канала 12. Одновременно уменьшается длина L прорезей 10 и 9 в подвижном распределителе 6. Придерживаясь условия гидростатической опоры в паре подвижный распределитель 6 - корпус регулятора 5, появляется возможность увеличения ширины (В) прорезей 10 и 9, соответственно, ширины (в) в каналах 12 и 13.
Увеличение сечения каналов 12 и 13 (их длины и ширины) приводит к снижению гидравлического сопротивления. Изменение длины прорезей 9 и 10 изменяет нагрузку на их боковые (длинные) стороны и дает возможность использования гидромашин на большем диапазоне давлений. В результате изменения значений углов наклона блока цилиндров 4 в сторону уменьшения их разницы уменьшилась величина перемещения подвижного распределителя 6 от минимального до максимального крайнего положения. При этом конструкция гидромашины, ее габариты, а также удельная масса уменьшаются. Изменение габаритов и массы конструкции расширяет диапазон конкурентоспособного использования данного типа гидромашин в сторону его увеличения. Гидромашины данного типа, улучшая свои технические и удельные характеристики, получают возможность дальнейшего развития типоразмеров в сторону их увеличения.
Работа аксиально-поршневой гидромашины:
Заявляемая аксиально-поршневая гидромашина может быть обратимой и работать как в насосном, так и в моторном режиме. В случае направленного использования:
- для насосного исполнения одна из прорезей 9 или 10 может быть выполнена без учета условия гидростатической опоры, находясь в линии всасывания;
- для моторного исполнения обе прорези 9 и 10 выполняются с учетом необходимости обеспечения условий гидростатической опоры, так как гидромоторы являются реверсивными.
Рабочая жидкость подается, например, в канал 12, расположенный в корпусе регулятора 5 со стороны прорези 9. Пройдя его, рабочая жидкость попадает в канал 11 блока цилиндров 4, где происходит преобразование энергии потока во вращающее движение качающего узла 2 по общеизвестному принципу. Вследствие этого на валу 3 качающего узла реализуется энергия момента вращения. Рабочая жидкость из блока цилиндров 4 сливается в расположенную на противоположной стороне прорезь 10. Далее рабочая жидкость проходит симметрично расположенный канал 13 в корпусе регулятора 5 и сливается в сливную магистраль. Так как гидромотор является реверсивным, направление потока может быть изменено, вследствие чего момент, реализованный на валу 3, приобретает вращение противоположного направления.
В случае невыполнения условий =1,2-2,1; L/=0,47-2,1 конструкция рассмотренного типа гидромашин с подвижным распределителем 6 возвращается к недостаткам, описанным выше.
При соотношении
конструкция гидромашины пребывает в зоне неэффективного преимущества, и эта зона соотношения нецелесообразна для применения данного решения.