МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ПНЕВМОПРИВОД

Полезная модель относится к области малоразмерных пневмоприводов, применяемых, в частности, в ручных пневматических шлифовальных машинах.
В пневматических шлифовальных машинах регуляторы частоты вращения приводного вала, называемые далее регуляторами, предназначены для обеспечения эффективной работы малоразмерных пневмоприводов путем стабилизации частоты вращения приводного вала под изменяющейся нагрузкой. Регуляторы должны обладать высоким быстродействием, быть аэродинамически эффективными, технологичными, компактными и надежными.
Регуляторы реализуют принцип отрицательной обратной связи между мощностью пневмодвигателя и частотой вращения приводного вала. Для малоразмерных пневмоприводов наибольшим быстродействием обладают регуляторы, оказывающие воздействие на мощность пневмодвигателя путем изменения положения или конфигурации органа регулирования под воздействием центробежных сил. В большинстве известных конструкций механизм действия регулятора основан на изменении площади проходного сечения проточной части в зависимости от частоты вращения приводного вала. Предпочтительным является размещение регуляторов в пределах корпуса малоразмерного пневмопривода.
Известен турбинный пневмодвигатель (см. Авт. св. №1809129, F01D 21/02. Турбинный пневмодвигатель / Котляр И.В. и др. Опубл. 15.04.1993), который включает в себя регулятор, в состав которого входят регулировочная камера цилиндрической формы, датчик и подпружиненный исполнительный элемент, выполненный в виде золотника. Рассматриваемая конструкция громоздка и нетехнологична, а наличие в ней нескольких взаимно перемещающихся механических пар делает ее недостаточно надежной.
Наиболее близка к заявляемой полезной модели конструкция (см. Патент РФ на полезную модель №109217, F01D 21/00. Малоразмерный пневмопривод / Кузнецов Ю.П. и др. Опубл. 10.10.2011), которая выбрана за прототип. Малоразмерный пневмопривод содержит корпус с проточной частью, пневмодвигатель с приводным валом и регулятор частоты вращения, включающий в себя регулировочную камеру со сквозными окнами, расположенную в пределах проточной части и закрепленную на приводном валу, и орган регулирования, причем регулировочная камера содержит цилиндрическую стенку, соосную приводному валу, и две боковые стенки, выполненные в виде дисков, образующих пространство регулировочной камеры, а орган регулирования выполнен в виде упругого кольца, размещенного в пределах указанного пространства.
Диаметр цилиндрической стенки регулировочной камеры в прототипе соответствует периферийному диаметру дисков. Сквозные окна, обеспечивающие проход воздуха через проточную часть, выполнены в цилиндрической стенке регулировочной камеры и в диске, обращенном к пневмодвигателю. Орган регулирования выполнен в виде упругого кольца и установлен с прилеганием к внутренней поверхности цилиндрической стенки регулировочной камеры напротив выполненных в ней сквозных окон. Упругое кольцо занимает в регулировочной камере положение напротив сквозных окон, осуществляя их частичное перекрытие.
Механизм действия регулятора основан на возможности изменения площади проходного сечения проточной части упругим кольцом в зависимости от частоты вращения приводного вала. При работе малоразмерного пневмопривода регулировочная камера вращается совместно с приводным валом. Взаимодействие внутренней поверхности цилиндрической стенки регулировочной камеры с поверхностью упругого кольца передает вращение последнему, а центробежные силы прижимают упругое кольцо к внутренней поверхности цилиндрической стенки регулировочной камеры. Это вызывает поперечную деформацию упругого кольца, которая влияет на площадь проходного сечения проточной части, тем больше, чем больше частота вращения приводного вала. Таким образом, упругое кольцо, находящееся под воздействием центробежных сил, совмещает в себе датчик частоты вращения и исполнительный элемент.
На номинальных режимах работы увеличение ширины упругого кольца минимально, соответственно, величина площади поперечного сечения сквозных окон, перекрытой упругим кольцом, незначительна. При увеличении частоты вращения приводного вала центробежные силы, действующие на упругое кольцо, возрастают и увеличивают поперечную деформацию последнего. Соответственно, ширина упругого кольца увеличивается, величина перекрытой площади поперечного сечения сквозных окон возрастает, а площадь проходного сечения проточной части снижается. При достижении приводным валом предельно допустимой частоты вращения перекрытие сквозных окон упругим кольцом достигает величины, существенно снижающей площадь проходного сечения проточной части. Вследствие этого, перепад давлений на пневмодвигателе, а вместе с ним и мощность последнего начинает резко падать. В результате частота вращения приводного вала возвращается к предельно допустимому значению.
Недостатком конструкции является малая абсолютная величина поперечной деформации упругого кольца под воздействием сил инерции, не позволяющая оказывать эффективное воздействие на площадь проходного сечения проточной части при относительно низких частотах вращения приводного вала. Это является причиной невозможности применения описанной конструкции малоразмерного пневмопривода в тихоходных пневматических машинах с частотой вращения менее 25000 об/мин и диаметром проточной части менее 60 мм.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - расширение диапазона технических параметров малоразмерного пневмопривода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эффективности работы тихоходных малоразмерных пневмоприводов под изменяющейся нагрузкой.
Указанный результат достигается тем, что в малоразмерном пневмоприводе, содержащем корпус с проточной частью, пневмодвигатель с приводным валом и регулятор частоты вращения приводного вала, включающий в себя регулировочную камеру со сквозными окнами, расположенную в пределах проточной части и закрепленную на приводном валу, и орган регулирования, причем регулировочная камера содержит цилиндрическую стенку, соосную приводному валу, и две боковые стенки, выполненные в виде дисков, образующих пространство регулировочной камеры, а орган регулирования выполнен в виде упругого кольца, размещенного в пределах указанного пространства, упругое кольцо установлено с прилеганием к наружной поверхности вышеупомянутой цилиндрической стенки, вышеупомянутые сквозные окна выполнены по меньшей мере в одном из дисков, а обращенные друг к другу боковые поверхности дисков на участке, простирающемся в диаметральном направлении от сечения наружной поверхности цилиндрической стенки до периферийного цилиндрического сечения регулировочной камеры, имеют геометрическую форму профиля, при которой величина зазора между указанными боковыми поверхностями дисков в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентна ширине упругого кольца, растянутого до указанного диаметра эквидистантно наружной поверхности цилиндрической стенки.
На фиг.1 приведено продольное сечение малоразмерного пневмопривода. На фиг.2 приведено местное сечение «А» на фиг.1, изображающее положение конструктивных элементов регулятора в момент запуска малоразмерного пневмопривода. На фиг.3 приведено местное сечение «А» на фиг.1, изображающее положение конструктивных элементов регулятора в момент достижения малоразмерным пневмоприводом предельно допустимой частоты вращения.
Малоразмерный пневмопривод содержит корпус 1 с проточной частью 2 пневмодвигатель с приводным валом 3 и регулятор. В рассматриваемом варианте конструкции роль пневмодвигателя играет турбина, содержащая сопловой аппарат и закрепленное на приводном валу 3 рабочее колесо 4. Регулятор включает в себя регулировочную камеру со сквозными окнами 5, расположенную в пределах проточной части 2 и закрепленную на приводном валу 3, и орган регулирования. Регулировочная камера содержит цилиндрическую стенку 6, соосную приводному валу, и две боковые стенки, выполненные в виде дисков 7 и 8, образующих пространство регулировочной камеры. Орган регулирования выполнен в виде упругого кольца 9, размещенного в пределах указанного пространства. В момент запуска малоразмерного пневмопривода упругое кольцо 9 прилегает к наружной поверхности вышеупомянутой цилиндрической стенки 6. Данная позиция упругого кольца 9 может считаться его штатным положением.
Очевидно, что работа регулятора под изменяющейся нагрузкой возможна только при выполнении условия, согласно которому обращенные друг к другу боковые поверхности дисков 7 и 8 обеспечивают контакт с поверхностью упругого кольца 9 во всем диапазоне частот вращения приводного вала 3. Этот контакт необходим для передачи вращения от приводного вала 3 упругому кольцу 9.
1
2
При растяжении упругого кольца 9 под воздействием внешних сил его ширина уменьшается. С целью обеспечения контакта с упругим кольцом 9 указанные боковые поверхности дисков 7 и 8 на участке, простирающемся в диаметральном направлении от сечения D наружной поверхности цилиндрической стенки 6 до периферийного цилиндрического сечения регулировочной камеры D, имеют геометрическую форму профиля, при которой величина зазора между указанными боковыми поверхностями дисков 7 и 8 в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентна ширине упругого кольца 9, растянутого до указанного диаметра эквидистантно наружной поверхности цилиндрической стенки 6.
Сквозные окна 5, предназначенные для прохода потока воздуха через регулировочную камеру, могут быть выполнены как в одном, так и в обоих дисках. В рассматриваемом варианте конструкции сквозные окна 5 выполнены в диске 7, обращенном к пневмодвигателю. В стенке корпуса 1 напротив зазора между обращенными друг к другу боковыми поверхностями дисков 7 и 8 выполнены сквозные отверстия 10, предназначенные для выхода потока воздуха из малоразмерного пневмопривода. В принципе, возможны и другие конструктивные исполнения малоразмерного пневмопривода. В частности, сквозные окна 5 могут быть выполнены в обоих дисках, а сквозные отверстия 10 отсутствуют.
Малоразмерный пневмопривод работает следующим образом. Проходя через турбину, поток воздуха передает свою энергию закрепленному на приводном валу 3 рабочему колесу 4. Двигаясь далее по проточной части 2, поток через сквозные окна 5, выполненные в диске 7, входит в регулировочную камеру, вращающуюся совместно с приводным валом 3 (изображено на фиг.1 тонкой стрелкой). В пространстве регулировочной камеры поток разворачивается и выходит из малоразмерного пневмопривода через сквозные отверстия 10.
Прилегание упругого кольца 9 к наружной поверхности цилиндрической стенки 6 в штатном положении обеспечивается его предварительным натягом. Благодаря предварительному натягу в момент запуска малоразмерного пневмопривода осуществляется передача вращения от приводного вала 3 упругому кольцу 9 (течение потока воздуха в регуляторе в момент запуска малоразмерного пневмопривода изображено на фиг.2 черными стрелками). При работе малоразмерного пневмопривода упругое кольцо 9 занимает положение напротив сквозных окон 5, осуществляя их частичное перекрытие.
При увеличении частоты вращения приводного вала 3 возрастает величина центробежных сил, действующих на упругое кольцо 9. Механизм действия регулятора основан на возможности изменения площади проходного сечения проточной части 2 в зависимости от частоты вращения приводного вала 3. Во время работы малоразмерного пневмопривода центробежные силы растягивают упругое кольцо 9 эквидистантно наружной поверхности цилиндрической стенки 6. В результате указанное кольцо отходит от наружной поверхности последней.
1
2
Благодаря описанной выше геометрической форме профиля обращенные друг к другу боковые поверхности дисков 7 и 8 на участке, простирающемся в диаметральном направлении от сечения D до сечения D сохраняют контакт с поверхностью упругого кольца 9 в цилиндрическом сечении любого диаметра. Благодаря этому они осуществляют передачу вращения от приводного вала 3 указанному кольцу при работе регулятора под изменяющейся нагрузкой.
Упругое кольцо 9, находящееся в состоянии продольной деформации под воздействием центробежных сил, совмещает в себе датчик частоты вращения и исполнительный элемент. На номинальных режимах величина площади поперечного сечения сквозных окон 5, перекрытой упругим кольцом 9, незначительна. При увеличении частоты вращения приводного вала 3 центробежные силы, действующие на упругое кольцо 9, возрастают, увеличивая продольную деформацию последнего. Соответственно, растяжение упругого кольца 9 увеличивается, величина перекрытой площади поперечного сечения сквозных окон 5 возрастает, соответственно, площадь проходного сечения проточной части 2 снижается.
При достижении приводным валом 3 предельно допустимой частоты вращения перекрытие сквозных окон 5 упругим кольцом 9 достигает величины, существенно снижающей площадь проходного сечения проточной части 2 (течение потока воздуха в момент достижения малоразмерным пневмоприводом предельно допустимой частоты вращения изображено на фиг.3 белыми стрелками). Вследствие этого перепад давлений на пневмодвигателе, а вместе с ним и мощность последнего начинает резко падать. В результате частота вращения приводного вала 3 возвращается к предельно допустимому значению.
В заявляемой конструкции поперечная деформация упругого кольца, реализованная в прототипе, была заменена на продольную. Очевидно, что в любом упругом кольце длина окружности во много раз больше его ширины. Соответственно, при одной и той же величине центробежных сил, действующих на упругое кольцо, величина абсолютного удлинения окружности последнего (как в заявляемой конструкции) во много раз больше, чем абсолютное увеличение его ширины (как в прототипе). Очевидно, что при относительно низких частотах вращения приводного вала величина абсолютного увеличения ширины упругого кольца невелика. Это не позволяет регуляторам, реализующим поперечную деформацию упругого кольца, оказывать эффективное воздействие на площадь проходного сечения проточной части тихоходных пневматических машин. Реализованная в заявляемой конструкции продольная деформация упругого кольца позволяет обеспечить эффективное воздействие последнего на площадь проходного сечения проточной части при малых частотах вращения приводного вала. Диапазон технических параметров малоразмерного пневмопривода, таким образом, существенно расширяется.
Как было отмечено выше, прототип может быть реализован в пневматических машинах с частотой вращения не менее 25000 об/мин и диаметром проточной части не менее 60 мм. Заявляемая конструкция может быть реализована в пневматических машинах с частотой вращения от 5000 об/мин и выше, работающих, в частности, с высокопроизводительными абразивными кругами большого диаметра. Стабилизация частоты вращения, достигаемая благодаря использованию описанного регулятора, обеспечивает эффективности работы тихоходных малоразмерных пневмоприводов под изменяющейся нагрузкой и высокое качество обрабатываемых поверхностей.
Малоразмерный пневмопривод имеет высокую аэродинамическую эффективность благодаря малым дополнительным гидравлическим потерям энергии на номинальных режимах работы. Надежность регулятора обеспечена отсутствие взаимно перемещающихся механических пар. Конструкция компактна и технологична, она легко может быть изготовлена на универсальном оборудовании без серьезных затрат на подготовку производства.