Поршневое устройство насоса
PISTON DEVICE OF PUMP

Изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения; насосам для жидкостей или сжимаемых текучих сред, а именно к гидравлические машинам объемного вытеснения с вращающимися или качающимися рабочими органами.
Известен поршневой дозировочный насос (SU 530958, опубл. 29.03.1977), содержащий привод и корпус, поршень со средствами уплотнения, в корпусе установлен дополнительный поршневой насос с приводом. В корпусе насоса размещен поршень со средствами уплотнения и привод, обеспечивающий возвратно-поступательно движение поршня, например, эксцентрик. С приводом основного насоса жестко связан привод дополнительного насоса, выполненный в виде кулачка, профиль которого обеспечивает движение поршня дополнительного насоса с опережением по фазе нагнетания относительно поршня основного насоса и синхронное начало такта всасывания.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, требующей применения нескольких приводов, наличие больших сил трения скольжения, возникающих в результате движения кулачка относительно поршня, что в свою очередь приводит к быстрому износу элементов механизма. Также в насосе отсутствует возможность регулирования хода поршня.
Известен преобразователь вращательного движения в поступательное (RU 2475665, опубл. 20.02.2013), который состоит из корпуса и закрепленного в нем неподвижного центрального зубчатого колеса, находящегося в зубчатом зацеплении с малой шестерней двойного сателлита. Малая шестерня двойного сателлита жестко связана с большой шестерней двойного сателлита. Большая шестерня двойного сателлита находится в зубчатом зацеплении с выходным сателлитом. Двойной сателлит и выходной сателлит установлены с помощью вращательных кинематических пар в асимметричном водиле, при этом оси их вращения параллельны оси вращения асимметричного водила, которая совпадает с осью неподвижного центрального зубчатого колеса.
Недостатком данного устройства является сложность и многозвенность зубчатого механизма, обеспечивающего возвратно-поступательное движение пальца, перемещающегося в пазу корпуса, что значительно усложняет регулировку подачи жидкости.
Известен зубчатый преобразователь вращательного движения в возвратно-вращательное (RU 2528493), состоящий из корпуса, в котором соосно установлены входной и выходной валы центрального неподвижного зубчатого колеса, жестко закрепленного на корпусе соосно входному валу, эллиптического зубчатого колеса, эксцентрично установленного на выходном валу, сателлита, состоящего из цилиндрической шестерни и эллиптической шестерни, соединенных валом, водила, установленного на входном валу соединенное другим концом через вращательную кинематическую пару с валом сателлита. Центральное неподвижное зубчатое колесо состоит в зубчатом зацеплении с цилиндрической шестерней сателлита, а эллиптическая шестерня сателлита состоит в зацеплении с эллиптическим зубчатым колесом. Центральное неподвижное зубчатое колесо состоит в зубчатом зацеплении с цилиндрической шестерней сателлита одного с ней размера, эллиптическая шестерня сателлита состоит в зубчатом зацеплении с эллиптическим зубчатым колесом одного с ней размера, причем эллиптическая шестерня сателлита и эллиптическое зубчатое колесо установлены на своих валах таким образом, что ось вращения вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса эллиптического зубчатого колеса или эллиптической шестерни сателлита, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии от центра делительного эллипса.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и сложность изготовления некруглых зубчатых колес, многозвенность кинематической схемы, включающей в себя две зубчатые передачи с различным числом зубьев, а также невозможность изменения длины хода выходного звена.
.
Известно поршневое устройство с возвратно-поступательным движением (патент RU 2623136), принятое за прототип, которое содержит корпус -картер, соединительный стержень, имеющий большой конец и малый конец, кривошипный элемент с подшипниковым блоком, причем кривошипный элемент содержит зубчатое колесо, которое является наружным зубчатым колесом и находится в зацеплении с зубчатым колесом, которое также является наружным зубчатым колесом, приводное приспособление для поворота зубчатого колеса относительно картера вокруг оси вала с блокировочным блоком для фиксации в различных угловых положениях, управляющим кольцом и исполнительным механизмом с червячным винтом, находящимся в зацеплении с червячным зубчатым колесом
Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, наличие большого количества зубчатых колес разных диаметров и различных зацеплений. При этом, в парах зубчатых колес, не имеющих фиксированного межосевого расстояния практически невозможно обеспечить требуемый боковой и радиальный зазоры, что ведет к повышенному износу зубчатых колес, интерференции и заклиниванию и снижению надежности функционирования всего поршневого устройства.
В основу настоящего изобретения положена задача упростить конструкцию поршневого устройства с линейным возвратно - поступательным движением поршня, путем уменьшения количества зубчатых колес, и, как следствие, обеспечить компактность поршневого устройства при возможности изменения хода поршня и передачи значительных усилий на поршень, и, кроме того, повысить долговечность и надежность работы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в поршневом устройстве, содержащем корпус, коленчатый вал, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси вращения и имеющий, по крайней мере, одну шатунную шейку, первое наружное зубчатое колесо, соединенное с коленчатым валом с возможностью вращения вместе с указанным валом, второе наружное зубчатое колесо, установленное с возможностью зацепления с первым наружным зубчатым колесом, кривошипный элемент, поршень, выполненный с возможностью возвратно- поступательного движения, средство соединения кривошипного элемента с поршнем, согласно предлагаемому изобретению, первое наружное зубчатое колесо соединено с коленчатым валом через эксцентрик, насаженный на шейку коленчатого вала, средство соединения содержит первую часть в виде стержня, соединенную с поршнем и вторую часть, выполненную раздвоенной в виде вилки, при этом ветви вилки установлены в выполненных в корпусе продольных направляющих с возможностью возвратно-поступательного движения, второе наружное зубчатое колесо расположено между ветвями вилки средства соединения, кривошипный элемент установлен эксцентрично относительно оси симметрии второго зубчатого колеса и с возможностью поворот второго зубчатого колеса вокруг продольной оси кривошипного элемента, при этом противоположные концы кривошипного элемента установлены в ветвях вилки средства соединения.
Для преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное линейное движение поршня в предлагаемом устройстве используется только два зубчатых колеса, что позволяет упростить конструкцию поршневого устройства, обеспечить его компактность при возможности передачи значительных усилий на поршень, и, кроме того, повысить долговечность и надежность работы устройства.
Установка первого и второго зубчатых колес с эксцентриситетом относительно их центров симметрии, а именно, оси вращения коленчатого вала с первым зубчатым колесом и продольной оси кривошипного элемента со вторым зубчатым колесом обеспечивает сложное вращательно-поступательное движение центров зубчатых колес в плоскости их зацепления.
Возможность поворота второго зубчатого колеса вокруг продольной оси кривошипного элемента обеспечивает возвратно-поступательное перемещение продольной оси кривошипного элемента и линейный ход поршня, соединительного с кривошипным элементом ветвями вилки средства соединения в направляющих корпуса.
Целесообразно, чтобы эксцентрик был насажен на шейку коленчатого вала с возможностью поворота вокруг оси шейки коленчатого вала и фиксации в различных угловых положениях относительно указанной оси.
Возможность поворота эксцентрика и его фиксации в различных угловых положениях относительно шейки коленчатого вала, позволяет формировать нужный суммарный эксцентриситет первого зубчатого колеса относительно оси вращения коленчатого вала и тем самым задавать требуемый ход поршня.
Целесообразно кривошипный элемент выполнять в виде стержня или пальца.
Такое выполнение кривошипного элемента является конструктивно более простым для обеспечения соединения кривошипного элемента со вторым зубчатым колесам и ветвями вилки средства соединения.
Целесообразно, первое и второе наружные зубчатые колеса каждое устанавливать на цилиндрическом катке, у которого внешний диаметр равен начальному диаметру надетого на него зубчатого колеса.
Катки первого и второго зубчатых колес обеспечивают гарантированный радиальный зазор в зацеплении последних. Благодаря, тому, что диаметры катков равны начальным диаметрам зубчатых колес, указанные катки обкатываются друг по другу без скольжения, обеспечивая постоянство межосевого расстояния в зацеплении зубчатых колес при сложном вращательно-поступательном движении их центров в плоскости зацепления.
Целесообразно, чтобы первое и второе зубчатые колеса имели одинаковое количество зубьев.
Равное число зубьев обеспечивает одинаковый ход поршня за один оборот приводного вала и, как следствие, стабильную подачу насоса.
Целесообразно, чтобы кривошипный элемент был неподвижно закреплен на катке второго зубчатого колеса, при этом концы кривошипного элемента закреплены в ветвях вилки через подшипниковый механизм с возможностью поворота концов кривошипного элемента относительно ветвей вилки.
Крепление концов кривошипного элемента в ветвях вилки через подшипниковый механизм позволяет снизить сопротивление движению кривошипного элемента вокруг своей оси в ветвях вилки и повысить КПД поршневого устройства насоса в целом, снижению интенсивности изнашивания кривошипного элемента и ветвей вилки в их сопряжении и как следствие повышению долговечности и надежности поршневого устройства.
Согласно другому варианту, аналогичный эффект может быть достигнут путем подвижного крепления кривошипного элемента на катке второго зубчатого колеса через подшипниковый механизм, при этом концы кривошипного элемента неподвижно закреплены в ветвях вилки средства соединения.
Целесообразно, чтобы ветви вилки средства соединения были установлены в направляющих корпуса через подшипниковый механизм.
Подшипниковые соединения между ветвями вилки и направляющими корпуса позволяют уменьшить сопротивления движению ветвей вилки в направляющих, сто обеспечивает повышение КПД поршневого устройства насоса в целом, снижение интенсивности изнашивания направляющих и ветвей вилки и, как следствие, повышение долговечности и надежности поршневого устройства.
Целесообразно, чтобы поршневое устройство содержало средство поджатия второго зубчатого колеса к первому, выполненное в виде пружины, установленной на первой стержневой части средства соединения, при этом один конец пружины закреплен на корпусе, а другой опирается на основание второй раздвоенной части соединительного элемента.
Указанное средство обеспечивает постоянное поджатие первого и второго зубчатых колес между собой.
Целесообразно, чтобы устройство было снабжено средством регулирования хода поршня, включающим механизм поворота эксцентрика относительно шейки коленчатого вала.
Наличие такого средства обеспечивает поворот эксцентрика на заданный угол для создания требуемого хода поршня, равного векторной сумме эксцентриситетов шейки коленчатого вала, эксцентрика первого зубчатого колеса и эксцентриситета второго зубчатого колеса относительно оси кривошипного элемента.
В дальнейшем предполагаемое изобретение будет более подробно раскрыта на конкретных примерах ее выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображены;
Фиг. 1 - общий вид плунжерного насоса, продольный разрез;
Фиг. 2 - сечение А-А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - сечение В-В на Фиг. 2;
Поршневое устройство, показанное на приведенных фигурах, содержит корпус 1 (Фиг. 1), коленчатый вал 2, установленный в корпусе 1 с возможностью вращения вокруг своей оси вращения, поршень 3.
На коленчатом валу 2 через эксцентрик 4 установлено, с возможностью вращения вместе с указанным валом 2, первое наружное зубчатое колесо 5.
Эксцентрик 4 установлен на шатунной шейке 21 коленчатого вала 2 с возможностью поворота вокруг оси шейки коленчатого вала и фиксации в различных угловых положениях относительно указанной оси.
Устройство содержит второе наружное зубчатое колесо 6, находящееся в зацепления с первым наружном зубчатым колесом 5 в рабочем положении устройства. Далее по тексту, для простоты изложения, первое и второе наружные зубчатые колеса 5 и 6 будут обозначены, как первое и второе зубчатые колеса 5 и 6, соответственно.
В предпочтительном варианте первое и второе зубчатые колеса 5 и 6, соответственно, каждое установлено соосно на цилиндрическом катке 51 и 61, при этом внешний диаметр каждого катка 51 и 61 равен начальному диаметру надетого на него зубчатого колеса 5 и 6.
Возможно выполнение устройства без указанных катков, а также с иным приспособлением для обеспечения требуемого бокового и радиального зазоров между зубчатыми колесами.
Также в предпочтительном варианте первое и второе зубчатые колеса 5 и 6, соответственно, имеют одинаковое количество зубьев. Однако, возможно выполнение насосного устройства с разным количеством зубьев в зубчатых колесах. В этом случае ход поршня будет изменяться циклически при повороте первого зубчатого колеса, при этом величина этого цикла будет определяться передаточным числом пары зубчатых колес.
На катке 61 второго зубчатого колеса 6 эксцентрично относительно оси симметрии катка 61 установлен кривошипный элемент 7.
Кривошипный элемент 7 выполнен двухсторонним в виде стержня или пальца, продольная ось 71 (Фиг. 2) которого параллельна оси симметрии второго зубчатого колеса 6 и является осью вращения второго зубчатого колеса 6.
Возможно, крепление кривошипного элемента 7 непосредственно на зубчатом колесе 6.
Кривошипный элемент 7 соединен с поршнем 3 средством 8 соединения, выполненным с возможностью возвратно - поступательного движения поршня 3 от кривошипного элемента 7.
Средство 8 соединения содержит первую часть 81 в виде стержня, соединенную с поршнем 3 и вторую часть 82, выполненную раздвоенной в виде вилки с двумя ветвями 83. Ветви 83 вилки 82 установлены в продольных направляющих 84 с возможностью возвратно поступательного движения. Направляющие 84 выполнены на боковых стенках корпус 1 поршневого устройства.
В дальнейшем для простоты изложения, для "первой части соединительного элемента" и "стержня" будет использована одна и та же позиция 81, для "второй части соединительного элемента" и "вилки" будет использована одна и та же позиция 82.
Противоположные концы 71 кривошипного элемента 7 установлены в ветвях 83 вилки 82.
Согласно одному варианту выполнения поршневого устройства кривошипный элемент 7 неподвижно закреплен на катке 61 второго зубчатого колеса 6 (или на самом зубчатом колесе 6), например, запрессован в нем. Концы 72 кривошипного элемента 7 закреплены в ветвях 83 вилки 82 через подшипниковый механизм 85, как показано на Фиг. 2. В качестве подшипникового механизма могут быть использованы подшипники скольжения или подшипники качения - шариковые, роликовые, игольчатые и пр.
Согласно другому варианту выполнения поршневого устройства кривошипный элемент 7 установлен на катке 61 второго зубчатого колеса 6 (или на самом зубчатом колесе 6) через подшипниковый механизм 86, при этом концы кривошипного элемента 72 неподвижно закреплены в ветвях 83 вилки 82 соединительного элемента 8, например, запрессованы в них. (Фиг. 3.). В данном случае, в качестве подшипникового механизма могут быть использованы шариковые или роликовые подшипники качения.
В обоих вариантах подшипниковые механизмы 85 и 86 обеспечивают поворот второго зубчатого колеса 6, находящегося в зацеплении с первым зубчатым колесом 5, вокруг продольной оси 71 кривошипного элемента 7 и линейный ход поршня 3 вместе с кривошипным элементом 7, соединенным с ним ветвями 83 вилки 82 в направляющих 84 корпуса 1.
Ветви 83 вилки 82 средства соединения 8 установлены в направляющих 84 корпуса 1 через подшипниковый механизм 87, например, линейные подшипники скольжения или подшипники качения, роликовые или игольчатые, а также их элементы - тела качения, например ролики.
Подшипниковые механизмы 87 и 85, 86 снижают механические сопротивления по пути возвратно-поступательного движения ветвей 83 вилки 82 в направляющих 84 и вращательного движения кривошипного элемента 7 вокруг своей оси в ветвях 83 вилки или/и в катке 61 и тем самым позволяют уменьшить интенсивность изнашивания элементов поршневого устройства, а также позволяют повысить долговечность, надежность и КПД поршневого устройства.
Поршневое устройство содержит средство 9 поджатия второго зубчатого колеса 6 к первому 5, выполненное в виде пружины сжатия, установленной на первой стержневой части 81 средства 8 соединения. Один конец пружины средства 9 поджатия (далее именуемое пружина 9) закреплен на корпусе 1, а другой опирается на основание второй раздвоенной части 82 средства 8 соединения.
При этом в нормальном своем состоянии пружина сжатия имеет предварительное поджатие.
Возможно иное выполнение указанного средства поджатия, например, указанное средство может содержать магниты, ролики или другие устройства. Кроме того, в отдельных конструкциях, когда на поршень действует постоянное давление от перекачиваемой среды, возможно выполнение поршневого устройства без указанного средства поджатия.
В предпочтительном варианте выполнения поршневое устройство содержит средство 10 регулирования хода поршня, включающее механизм 101 поворота эксцентрика 4 относительно шейки 21 коленчатого вала 2. Возможные различные варианты выполнения указанного механизма 101 поворота, например, он может быть выполнен в виде геликоидальной гайки, закрепленной на эксцентрике и геликоидального стержня с силовым осевым приводом.
Поршневое устройство работает следующим образом.
Для задания требуемого хода поршня 3 поршневого устройства механизмом 101 поворота эксцентрика, поворачивают эксцентрик 4 в требуемое угловое положение, формируя тем самым нужный суммарный эксцентриситет первого зубчатого колеса 5 относительно оси вращения коленчатого вала 2. Совершая вращательное движение вместе с коленчатым валом 2, который является приводным, первое зубчатое колесо 5, благодаря зубчатому зацеплению со вторым зубчатым колесом 6, приводит последнее во вращение вокруг продольной оси 72 кривошипного элемента 7.
Пружина 9 на первой, стержневой части 81 средства 8 соединения прижимает зубчатые колеса 5 и 6 друг к другу. Поскольку пружина 9 в нормальном своем состоянии имеет предварительное поджатие, поджатие зубчатых колес 5 и 6 осуществляется и при прямом и при обратном ходах поршня 3, при этом, в конце прямого хода сила поджатия будет больше, чем в конце обратного хода поршня 3.
Катки 51 и 61 зубчатых колес 5 и 6 обеспечивают гарантированный радиальный и боковой зазор в зацеплении зубьев зубчатых колес 5 и 6 предотвращая интерференции зубьев. Кроме того, благодаря, тому, что диаметры катков 51 и 61 равны начальным диаметрам зубчатых колес 5 и 6, катки 51 и 61 обкатываются друг по другу без скольжения, обеспечивая постоянство межосевого расстояния в зацеплении.
При этом центры зубчатых колес 5 и 6 в плоскости зацепления осуществляют сложное вращательно-поступательное движение. Такое движение центров зубчатых колес 5 и 6 обусловлено эксцентриситетом установки этих зубчатых колес относительно их центров вращения, а именно, оси вращения коленчатого вала 2 с первым зубчатым колесом 5 и продольной оси кривошипного элемента 7 со вторым зубчатым колесом 6 соответственно.
Центр второго зубчатого колеса 6 движется по дуге вверх-вниз, одновременно поворачиваясь вокруг продольной оси кривошипного элемента 7. Эксцентриситет кривошипного элемента 7 определяет амплитуду движение центра симметрии второго зубчатого колеса 6. При этом продольная ось кривошипного элемента 7 совершает возвратно-поступательное движение.
В варианте, показанном на Фиг. 2, кривошипный элемент 7 вместе с зубчатым колесом 6 вращается вокруг продольной оси 71 кривошипного элемента относительно ветвей 83 вилки 82.
В варианте, показанном на Фиг. 3, второе зубчатое колесо 6 вращается вокруг продольной оси кривошипного элемента 7 и относительно вилки 82 с жестко установленным в ней кривошипным элементом 7.
Подвижное соединение кривошипного элемента 7 через подшипниковые механизмы 85 или 86 с одной стороны, и подвижное соединение ветвей 83 вилки 82 с продольными пазами 84 корпуса 1 обеспечивают линейное возвратно-поступательное движение первой, стержневой, части 81 средства 8 соединения и соединенного с ней поршня 3. Величина хода поршня 3 равна двойной векторной сумме расстояний от геометрических центров зубчатых колес 5 и 6 до фактических точек их вращения, определяемых с ответствующими эксцентриситетами.
При необходимости изменения величины хода поршня 3 при работе поршневого устройства, независимо от вращения коленчатого вала 2, посредством механизма 101 поворота эксцентрика, поворачивают эксцентрик 4 вокруг шейки 21 коленчатого вала 2 в требуемое угловое положение, формируя тем самым нужный суммарный эксцентриситет первого зубчатого колеса 5 относительно оси вращения коленчатого вала 2.
Приведенные выше примеры предпочтительного осуществления изобретения, содержащие указания на отдельные варианты выполнения, не исчерпывают возможных изменений и дополнений, очевидных специалисту в данной области техники, которые не затрагивают существа технического решения охарактеризованного формулой изобретения.