ОБЪЕМНАЯ ГИДРОМАШИНА
DISPLACEMENT HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к нерегулируемым объемным гидравлическим машинам: гидронасосам и гидромоторам объемного вытеснения.
Известны машины объемного вытеснения, например, по UA 75431, RU 2379552 и др.
Недостаток их в слишком неравномерной подаче при использовании в качестве насоса для жидкости. Использование таких машин в качестве гидромотора практически невозможно, так как ее механизм имеет четыре мертвые точки на каждом обороте ведущего вала, в которых пуск мотора невозможен даже при нулевом моменте сопротивления на его валу.
Известна объемная гидромашина, содержащая качающий модуль, включающий кольцевую камеру постоянного сечения с окнами входных-выходных каналов и в ней две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с ведущим валом посредством универсальных шарниров и конических шестерен так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров взаимно расположены под углом, близким к 90 градусам включительно, причем каждый универсальный шарнир одной вилкой присоединен к полувалу с поршнями, а другой вилкой присоединен к валу с конической шестерней, например насос по RU 2379552, принятый за прототип.
Недостаток заключается в слишком неравномерной подаче при использовании в качестве насоса для жидкости и в нулевом вращающем моменте в четырех позициях на каждом обороте вала при использовании в качестве мотора.
Задачей и техническим результатом изобретения является изыскание обратимой поршневой гидравлической машины - гидронасоса с равномерной подачей при равномерном вращении вала, а также гидромотора с постоянным вращающим моментом на равномерно вращающемся валу при постоянном моменте сопротивления вращению вала гидромотора и равномерном расходе жидкости, причем с минимальным количеством универсальных шарниров.
Сущность изобретения - объемная гидромашина, содержащая первый и второй качающие модули, каждый из которых включает кольцевую камеру с входными-выходными окнами и в ней две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с ведущим валом посредством универсальных шарниров и конических шестерен так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров взаимно расположены под углом, близким к 90 градусам включительно, причем каждый универсальный шарнир одной вилкой присоединен к полувалу с поршнями, а другой вилкой присоединен к валу с конической шестерней, отличающийся тем, что конические шестерни на валах с вилками шарниров первого и второго качающих модулей находятся в зацеплении с конической шестерней ведущего вала так, что плоскости вилок универсальных шарниров второго качающего модуля наклонены к плоскостям вилок универсальных шарниров первого качающего модуля под углом, близким к 45 градусам включительно и при этом расположены так, что угол излома каждого универсального шарнира близок к 64,0 градусам включительно, причем входные окна сообщены с общим входным каналом, а выходные окна сообщены с общим выходным каналом.
Благодаря таким признакам подача жидкости объемной гидромашиной, используемой в качестве гидронасоса, равномерная при равномерном вращении его вала, а при постоянном расходе жидкости частота вращения вала объемной гидромашины, используемой в качестве гидромотора, также постоянная, причем вращающий момент на валу гидромотора при этом равен моменту сопротивления вращению его вала.
Устроена объемная гидромашина (далее машина), например, следующим образом.
На фиг.1 изображена машина, вид сбоку, разрез по плоскости симметрии, перпендикулярной полувалам с поршнями.
На фиг.2 изображена машина, вид в плане, разрез по диаметральной плоскости кольцевых камер качающих модулей.
На фиг.3 изображены эпюры мгновенной подачи (расхода) жидкости первым (пунктирная линия) и вторым (сплошная линия) качающим модулем, а также суммарной (-ого) мгновенной подачи (расхода) жидкости в зависимости от текущего угла поворота ведущего вала при угле излома универсальных шарниров 64,0 градуса.
На фиг.4 изображены схемы позиций поршней через каждые 45 градусов поворота ведущего вала машины на протяжении одного полного оборота ведущего вала.
Условные обозначения на фиг.1. 2, 3, 4 и в тексте:
1 - первый качающий модуль машины (далее модуль),
2 - второй качающий модуль машины (далее модуль),
3 - кольцевая камера прямоугольного сечения модуля 1 (далее камера),
4 - кольцевая камера модуля 2, размеры которой одинаковы с камерой 3 (далее камера),
5 - входное окно в стенке камеры 3,4 с угловым размером, например, 30,0 градусов (далее окно),
6 - выходное окно в стенке камеры 3,4 с угловым размером, например, 30,0 градусов (далее окно),
7 - пара нечетных поршней, установленных в камере 3,4 с зазором по посадке, допустимой при принятой рабочей жидкости, и выполненных в виде части кольца на дуге 30,0 градусов, что на 17,3 градуса меньше угла предельного сближения поршней по их серединам при угле излома универсального шарнира в 64,0 градуса (далее поршень),
8 - пара четных поршней, установленных в камере 3,4 с зазором по посадке, допустимой при принятой рабочей жидкости, и выполненных в виде части кольца на дуге 30,0 градусов, что на 17,3 градуса меньше угла предельного сближения поршней по их серединам при угле излома универсального шарнира в 64,0 градуса, (далее поршень),
9 - полувал, с которым жестко соединены поршни 7 (далее полувал),
10 - полувал, с которым жестко соединены поршни 8 (далее полувал),
11 - модуля 1 универсальный шарнир по RU 2387890, установленный с углом излома в 64,0 градуса, (далее шарнир),
12 - модуля 2 универсальный шарнир по RU 2387890, установленный с углом излома в 64,0 градуса, (далее шарнир),
13 - модуля 1 вал с вилкой шарнира 11 (далее вал),
14 - модуля 2 вал с вилкой шарнира 12 (далее вал),
15 - коническая шестерня на валу 13 (далее шестерня),
16 - коническая шестерня на валу 14 с таким же числом зубьев, как у шестерни 15 (далее шестерня),
17 - ведущий вал машины (далее вал),
18 - коническая шестерня на валу 17 с таким же числом зубьев, как у шестерни 15, причем шестерни 15,16 соединены с шестерней на валу 17 так, что плоскости вилок шарниров 12 наклонены к плоскостям вилок шарниров 11 под углом 45 градусов, причем плоскости соосных вилок шарниров 11 в модуле 1 и плоскости соосных вилок 12 в модуле 2 расположены под углом, близким к 90 градусам включительно (далее шестерня),
19 - эпюра подачи (расхода) жидкости через модуль 1 (далее эпюра),
20 - эпюра подачи (расхода) жидкости через модуль 2 (далее эпюра),
21 - эпюра суммарной подачи (расхода) жидкости через модули 1 и 2 (далее эпюра),
f - символ функциональной зависимости,
0
0
ω - угловая скорость вала 17 (далее скорость ω),
ω - мгновенная угловая скорость поршня 7, 8 (далее скорость ω),
1
1
'
'
ω  - мгновенная угловая скорость поршня 7 в модуле 1 (далее скорость ω ),
1
1
”
”
ω  - мгновенная угловая скорость поршня 8 в модуле 1 (далее скорость ω ),
2
2
'
'
ω  - мгновенная угловая скорость поршня 7 в модуле 2 (далее скорость ω ),
2
2
”
”
ω  - мгновенная угловая скорость поршня 8 в модуле 2 (далее скорость ω )
1
1
Δω - мгновенная угловая скорость сближения-расхождения поршней 7, 8 в модуле 1 (далее скорость Δω),
2
2
Δω - мгновенная угловая скорость сближения-расхождения поршней 7, 8 в модуле 2 (далее скорость Δω),
∑ω - мгновенная сумма скоростей сближения-расхождения поршней 7, 8 в модулях 1, 2, которой соответствует со знаком ±суммарное приращение объема между поршнями 7, 8 в модулях 1, 2 (далее приращение ∑ω),
φ - текущий угол поворота вала 17 (далее угол φ),
γ - угол излома каждого шарнира 11, 12, равный 64,0 градусов (далее угол γ),
β - угол предельного сближения поршней 7, 8 (далее угол β),
ψ - угловой размер поршня между передней и задней его стенками по ходу движения, ψ<β (далее угол ψ),
V - объем пустой (то есть без поршней) кольцевой камеры одного модуля 1, 2 (далее объем V),
q - мгновенная подача-расход жидкости, равная суммарной подаче-расходу модулями 1, 2 (далее подача-расход q),
m - доля объема кольцевой камеры одного модуля, прокачиваемая за один оборот вала 17 (далее доля m),
δ - степень неравномерности подачи-расхода жидкости машиной - отношение мгновенной максимальной подачи-расхода жидкости к средней подаче-расходу (далее неравномерность δ).
Корпус модулей 1 и 2 выполнен сборным, например как схематично изображено на фиг.2, из нескольких собранных на штифтах и соединенных болтами деталей. В стенке каждой камеры 3, 4 имеются по два окна 5 для входа жидкости и по два окна 6 для выхода жидкости. Одноименные входные-выходные окна расположены так, что расстояние между серединами одноименных окон каждой камеры равно 180 градусам, причем одноименные окна обоих модулей сообщены с общим для них и одноименным с ними входным-выходным каналом. Поршни 7, 8 соединены соответственно с полувалами 9, 10 так, что расстояния по дуге между их средними точками равны 180 градусам, причем поршни каждой пары расположены между поршнями другой пары. Валы 13, 14 посредством шестерен 15, 16 и 18 связаны кинематически с валом 17 так, что плоскости вилок шарниров 12 модуля 2 наклонены к плоскостям вилок шарниров 11 модуля 1 под углом, близким к 45 градусам. Шарниры 11, 12 расположены так, что угол γ=64,0 градуса. Шарниры 11, 12 связывают полувалы и поршни соответственно с валами 13, 14 редуктора, причем вилки шарниров 11, 12 соединены с полувалами 9, 10 и валами 13, 14 так, что в каждом модуле соосные вилки взаимно перпендикулярны. При таких параметрах за один оборот вала 17 машиной прокачивают объем жидкости, равный 1,9 суммарного объема пустых (то есть без поршней) камер 3, 4.
Работа. Пусть машина по изобретению встроена в гидравлическую систему, например, экскаватора в качестве насоса и вал 17 вращают с некоторой постоянной частотой. В таком случае поршни 7, 8 вращают циклически неравномерно в противоположных фазах с двумя максимумами и минимумами скорости ω на каждом полном обороте вала 17, что схематично изображено на фиг.4. Этим объем между поршнями 7, 8 в камерах 3, 4 циклически меняют от минимума до максимума через каждые 90 градусов поворота вала 17, всасывают рабочую жидкость (далее масло) через окна 5 и вытесняют через окна 6. Подача масла каждым модулем 1,2 на каждом полном обороте вала 17 пульсирует от нуля до некоторого максимума, что отражено на эпюрах 19, 20 соответственно. При этом мгновенная суммарная подача масла модулями 1, 2 при указанных в описании устройства машины параметрах и равномерном вращении вала 17 постоянна, то есть δ=1,00 (вычисления), что показано на фиг.3 эпюрой 21. При конструктивном уменьшении угла γ неравномерность δ возрастает. Поэтому для равномерной подачи масла гидронасосом угол γ выполняют достаточно близким к 64,0 градусам включительно. Благодаря полной статической и динамической уравновешенности, а также потому, что поршни не давят на стенки камер, ресурс машины увеличивают. Кроме того, машина по изобретению обладает достоинствами поршневого насоса, содержащего кривошипно-шатунный механизм, (довольно высокий КПД, независимость напора от подачи, хорошая всасывающая способность) и равномерностью подачи на уровне винтового насоса, быстроходностью аксиально-поршневого, радиально-поршневого и роторно-пластинчатого насоса и мотора. Для реверсирования подачи масла вал насоса вращают в реверсном направлении.
Пусть машину по изобретению используют в качестве нерегулируемого гидромотора, например высокомоментного. В таком случае при равномерном расходе масла вал 17 вращают также равномерно. Для вращения вала гидромотора в реверсном направлении потоку масла меняют направление также на реверсное.
max
Для вычисления угла γ учитывают, что q=const, если ω=0,5 ω при φ=22,5 градусов.
Затем вычисляют γ, δ, β, m. В результате: γ=64 градуса, δ=1,00, β=47,3 градуса, m=1,9.
Формулы для вычисления указанных параметров приведены ниже.
Итак, подача жидкости машиной, используемой в качестве гидронасоса, равномерная при равномерном вращении его вала. При постоянном расходе жидкости частота вращения вала машины, используемой в качестве гидромотора, тоже постоянная, причем вращающий момент на валу гидромотора равен моменту сопротивления вращению его вала. Ресурс машины увеличивают по сравнению с известными гидравлическими машинами объемного вытеснения. Машина достаточно проста, так как содержит всего четыре универсальных шарнира.