Устройство для подачи рабочей среды в гидравлический двигатель и изменения его рабочего объема
DEVICE FOR FEEDING WORKING MEDIUM TO HYDRAULIC MOTOR AND CHANGING ITS DISPLACEMENT

Данное изобретение относится к устройству для подачи рабочей среды в рабочий объем цилиндра гидравлического двигателя и изменения указанного объема.
В настоящее время существуют разные типы гидравлических двигателей с переменным рабочим объемом, а именно двигатели роторного или поршневого типа. Благодаря возможности изменения их рабочего объема обеспечена возможность изменять частоту их вращения при сохранении постоянного расхода подаваемого потока.
При увеличении рабочего объема двигателя увеличивается вырабатываемый им крутящий момент, при этом уменьшается частота вращения. И, наоборот, при уменьшении рабочего объема повышается частота вращения и уменьшается вырабатываемый крутящий момент.
Примером использования гидравлического двигателя с переменным рабочим объемом является приведение в действие лебедки для подъема или вытягивания груза. При работе без нагрузки или с небольшими грузами рабочий объем двигателя может быть уменьшен, и при этом увеличена частота вращения, таким образом, обеспечивая увеличение частоты вращения лебедки. При увеличении нагрузки обеспечивается возможность увеличить рабочий объем для получения большего крутящего момента.
Применяемые в настоящее время двигатели с переменным рабочим объемом выполнены с возможностью приведения в действие и управления с помощью устройств, которые содержат первый канал для подачи и выпуска рабочей текучей среды к одной стороне гидравлического двигателя, и второй канал для подачи и выпуска рабочей текучей среды к противоположной стороне двигателя. При подаче среды в первый или второй канал двигатель приводится во вращение в одном направлении или в противоположном направлении.
Для обеспечения возможности изменения рабочего объема двигателя имеется исполнительный элемент. Такой исполнительный элемент, как правило, относится к масляному устройству динамического типа и представляет собой, например, поршень. Канал, предназначенный для увеличения рабочего объема двигателя, соединен с исполнительным элементом для подачи рабочей текучей среды к той стороне исполнительного элемента, которая выполнена с возможностью обеспечения увеличения рабочего объема двигателя. Канал, предназначенный для уменьшения рабочего объема двигателя, соединен с исполнительным элементом для обеспечения подачи рабочей текучей среды к противоположной стороне исполнительного элемента, которая выполнена с возможностью обеспечения уменьшение рабочего объема двигателя.
Таким образом, возможность управления изменением рабочего объема двигателя обеспечена путем подачи рабочей текучей среды в канал для увеличения или в канал для уменьшения.
В существующих устройствах сигнал для увеличения или уменьшения рабочего объема передает оператор в ручном режиме. Как правило, оператор на основании собственного опыта регулирует рабочий объем двигателя в зависимости от перемещаемого груза. Это означает, что двигатель зачастую работает не в оптимальном режиме, поскольку оценка величины груза, производимая оператором, не может быть абсолютно точной, за исключением некоторого ограниченного числа ситуаций, например, при перемещении без груза, при котором для обеспечения максимальной частоты вращения используют минимальный рабочий объем, или при перемещении максимального груза, при котором используют максимальный рабочий объем.
В патенте США №6371447 В1, 16.04.2002 описано устройство, которое является ближайшим аналогом заявленного устройства. Известное устройство предназначено для подачи рабочей среды и изменения рабочего объема гидравлического двигателя.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в устранении недостатков существующих устройств.
Согласно предпочтительному варианту выполнения заявленного изобретения предложено устройство для подачи рабочей среды в рабочий объем цилиндра гидравлического двигателя и изменения указанного объема. Заявленное устройство содержит первый канал для подачи и выпуска рабочей текучей среды к первой стороне гидравлического двигателя, второй канал для подачи и выпуска рабочей текучей среды ко второй стороне гидравлического двигателя, исполнительный элемент, выполненный с возможностью изменения рабочего объема двигателя, канал, предназначенный для увеличения рабочего объема двигателя и соединенный с исполнительным элементом для подачи рабочей текучей среды к стороне исполнительного элемента, которая выполнена с обеспечением возможности увеличения рабочего объема двигателя, и канал, предназначенный для уменьшения рабочего объема двигателя и соединенный с исполнительным элементом для подачи рабочей текучей среды к стороне исполнительного элемента, которая выполнена с обеспечением возможности уменьшения рабочего объема двигателя.
Заявленное устройство отличается от вышеуказанного ближайшего аналога тем, что оно содержит первый управляющий канал, бистабильный клапан, соединенный на впуске с указанными первым и вторым каналами, а на выпуске - с указанным первым управляющим каналом, третий канал, соединенный на впуске с указанным первым каналом, а на выпуске - с соединительным элементом, четвертый канал, соединенный на впуске с указанным вторым каналом, а на выпуске - с указанным соединительным элементом. Соединительный элемент соединен с каналом, предназначенным для увеличения рабочего объема двигателя. Заявленное устройство также содержит первый клапан и второй клапан, соединенные друг с другом. Указанный первый клапан выполнен с возможностью перехода в первое рабочее положение, в котором он обеспечивает сообщение соединительного элемента с указанным вторым клапаном, и во второе рабочее положение, в котором указанный клапан перекрывает соединительный элемент. Указанный первый управляющий канал соединен с указанным первым клапаном с обеспечением возможности его перемещения из указанного второго положения в указанное первое положение. Указанный второй клапан выполнен с возможностью перехода в первое рабочее положение, в котором он перекрывает соединительный элемент, и во второе рабочее положение, в котором указанный клапан обеспечивает сообщение соединительного элемента с каналом, предназначенным для уменьшения рабочего объема двигателя. С соединительным элементом и указанным вторым клапаном соединен второй управляющий канал с обеспечением возможности перемещения указанного второго клапана из указанного второго рабочего положения в указанное первое рабочее положение.
Технический результат, достигаемый благодаря заявленному устройству, заключается в обеспечении возможности автоматического регулирования рабочего объема двигателя, т.е. без участия оператора, на основании величины нагрузки, которая действует на двигатель.
Другие признаки и преимущества данного изобретения станут более понятны из приведенного далее подробного описания варианта его выполнения, проиллюстрированного на прилагаемых чертежах в качестве неограничительного примера.
На чертежах:
- Фиг. 1 схематично изображает указанное устройство в первом рабочем состоянии, в котором рабочий объем увеличен;
- Фиг. 2 схематично изображает указанное устройство во втором рабочем состоянии, в котором рабочий объем уменьшен;
- Фиг. 3 схематично изображает устройство в состоянии покоя или при отсутствии какого-либо сигнала.
В представленном варианте выполнения устройство согласно данному изобретению применяют для подачи рабочей среды в рабочий объем гидравлического двигателя (М) роторного или поршневого типа, имеющего переменный рабочий объем, и изменения указанного объема. Однако указанное устройство может использоваться для двигателей другого типа.
Двигатель (М), приведенный в качестве примера, в свою очередь может использоваться для управления грузоподъемной лебедкой (W). Как известно, лебедка (W) содержит по меньшей мере один намоточный барабан, на который наматывается канат. Барабан выполнен с возможностью вращения в двух направлениях для наматывания и разматывания каната между состоянием, когда канат полностью намотан, и состоянием, когда канат полностью размотан.
Предложенное устройство содержит первый канал (1) для подачи и выпуска рабочей текучей среды к первой стороне двигателя (М) и второй канал (2) для подачи и выпуска рабочей текучей среды ко второй стороне гидравлического двигателя (М).
В показанном примере при подаче рабочей текучей среды к первой стороне двигателя (М) по первому каналу (1) обеспечивается вращение двигателя (М) в одном направлении, которое, к примеру, вызывает наматывание каната и вытягивание соединенного с ним груза. При подаче рабочей текучей среды к первой стороне двигателя (М) происходит ее выпуск через вторую сторону двигателя (М) ко второму каналу (2). И наоборот, при подаче рабочей текучей среды ко второй стороне двигателя (М) по второму каналу (2) обеспечивается вращение двигателя (М) в противоположном направлении, например, вращение, при котором обеспечивается разматывание каната и отпускание соединенного с ним груза.
С первым (1) и вторым (2) каналами соединено распределительное устройство, предназначенное для регулирования по сигналу подачи и выпуска рабочей текучей среды, поступающей из одного насоса в один или другой из указанных каналов (1, 2), известным в данной области техники образом. Распределительное устройство известно в данной области техники и поэтому его более подробное описание не приведено.
Предложенное устройство содержит исполнительный элемент (3), обеспечивающий возможность изменения рабочего объема двигателя (М). Как правило, исполнительный элемент (3) механически соединен с подвижной частью двигателя (М), при перемещении которой изменяется рабочий объем двигателя (М). Специалистам в данной области техники известны различные типы исполнительных элементов (3) и двигателей (М) с переменным рабочим объемом, поэтому их более подробное описание не приведено, поскольку использование предложенного устройства возможно с любым из них.
С исполнительным элементом (3) соединен канал (31) для увеличения рабочего объема двигателя (М). Такой канал (31) предназначен для подачи рабочей текучей среды к той стороне исполнительного элемента (3), которая выполнена с возможностью обеспечения увеличения рабочего объема двигателя (М). В представленном примере исполнительный элемент (3) выполнен в виде цилиндра, а канал (31) соединен с исполнительным элементом (3) на стороне его вала. С исполнительным элементом (3) также соединен канал 32, предназначенный для уменьшения рабочего объема двигателя (М). Данный канал предназначен для подачи рабочей текучей среды к противоположной стороне исполнительного элемента (3), которая выполнена с возможностью обеспечения уменьшения рабочего объема двигателя (М). В представленном примере канал (32) соединен с нижней стороной исполнительного элемента (3).
В отличие от известных устройств, предложенное устройство содержит первый управляющий канал (41), соединенный с бистабильным клапаном (5), который присоединен на впуске к первому каналу (1) и второму каналу (2). Первый управляющий канал (41) соединен с выпуском бистабильного клапана (5).
Как известно в данной области техники, бистабильный клапан (5) снабжен плавающим элементом, выполненным с возможностью перемещения между выпускными отверстиями первого канала (1) и второго канала (2) под действием напора рабочей текучей среды. В том случае, если подача рабочей текучей среды происходит по первому каналу (1), происходит выталкивание плавающего элемента к выпуску второго канала (2), что приводит к его закрытию. И наоборот, если подача рабочей текучей среды происходит по второму каналу (2), происходит выталкивание плавающего элемента к выпуску первого канала (1), что приводит к его закрытию. В обоих случаях рабочая текучая среда поступает в управляющий канал (41).
На выпуске первый управляющий канал (41) соединен с первым клапаном (6), чьи свойства и принцип работы описаны далее.
Предложенное устройство содержит третий канал (11), соединенный на впуске с первым каналом (1), а на выпуске - с соединительным элементом (12). Третий канал (11) предпочтительно снабжен невозвратным клапаном, который обеспечивает прохождение потока в одном направлении - из первого канала (1) к соединительному элементу (12).
Кроме того, четвертый канал (21) соединен на впуске со вторым каналом (2), а на выпуске - с соединительным элементом (12). Четвертый канал (21) предпочтительно также снабжен невозвратным клапаном, который обеспечивает прохождение потока в одном направлении - из второго канала (2) к соединительному элементу (12).
В свою очередь соединительный элемент (12) соединен с каналом (31) для того, чтобы при определенных условиях обеспечить увеличение рабочего объема двигателя (М). Как правило, при определенных условиях рабочая текучая среда, поступающая из первого канала (1) или второго канала (2), проходит через соединительный элемент (12) в канал (31) и вызывает перемещение исполнительного элемента (3), что вызывает увеличение рабочего объема двигателя (М).
Для этого предложенное устройство содержит первый клапан (6) и второй клапан (7), соединенные друг с другом каналом (С).
Первый клапан (6) выполнен с возможностью перехода в первое рабочее положение, в котором он обеспечивает сообщение соединительного элемента (12) со вторым клапаном (7) (Фиг. 1 и 2), и во второе рабочее положение, в котором он перекрывает соединительный элемент (12) (Фиг. 3). С первым клапаном (6) соединен первый управляющий канал (41) для обеспечения перемещения клапана (6) из второго положения в первое положение. Как правило, первый клапан (6) снабжен подвижной заслонкой, выполненной с возможностью работы в трех направлениях и двух положениях, при этом перемещение клапана из второго положения в первое положение обеспечивают под действием давления, оказываемого рабочей текучей средой, находящейся в первом управляющем канале (41). Упругое средство, такое как пружина, толкает первый клапан (6) из первого во второе положение. Упругое средство или пружина могут быть откалиброваны, т.е. обеспечена возможность регулирования оказываемого усилия до заданного калибровочного значения. Благодаря соединению с первым управляющим каналом (41) при подаче рабочей текучей среды в первый канал (1) или второй канал (2) после сигнала для наматывания или разматывания каната лебедки (W) обеспечивается перемещение первого клапана (6) к первому рабочему положению, которое изображено на Фиг. 1 и 2.
В свою очередь, второй клапан (7) выполнен с возможностью перехода в первое рабочее положение, в котором он перекрывает соединительный элемент (12) (Фиг. 1) или перекрывает канал С, и во второе рабочее положение (Фиг. 2), в котором клапан (7) обеспечивает сообщение соединительного элемента (12) с каналом (32). Во втором рабочем положении второго клапана (7) рабочая текучая среда, выходящая из соединительного элемента (12), поступает в канал (32), проходя через первый клапан (6), канал (С) и второй клапан (7).
С соединительным элементом (12) и вторым клапаном (7) соединен второй управляющий канал (42) для обеспечения перемещения второго клапана из второго рабочего положения в первое. Как правило, второй клапан (7) снабжен подвижной заслонкой, выполненной с возможностью работы в трех направлениях и двух положениях, при этом перемещение клапана из второго положения в первое положение обеспечивается под действием давления, оказываемого рабочей текучей средой, находящейся во втором управляющем канале (42). Упругое средство, такое как пружина, толкает второй клапан (7) из первого положения во второе. В данном случае упругое средство или пружина также могут быть откалиброваны, т.е. обеспечена возможность регулирования оказываемого усилия до заданного калибровочного значения. В частности, калибровочное значение для второго клапана (7) больше, чем калибровочное значение для первого клапана (6), поскольку перемещение второго клапана (7) к его первому рабочему положению обеспечивается под действием давления, величина которого превышает величину давления, под действием которого приводится в действие первый клапан (6).
Указанное устройство работает следующим образом.
Исходным состоянием данного устройства можно считать состояние, показанное на Фиг. 3. Данный чертеж иллюстрирует устройство при отсутствии какого-либо сигнала.
Когда поступает сигнал для наматывания каната лебедки (W), находящаяся под давлением текучая среда поступает в первый канал (1). Посредством бистабильного клапана (5) обеспечивается сообщение первого канала (1) с первым управляющим каналом (41), который в свою очередь принимает находящуюся под давлением текучую среду. Под действием давления в первом управляющем канале (41) происходит перемещение первого клапана (6) в его первое рабочее положение (Фиг. 1). Рабочая текучая среда, протекающая по третьему каналу (11), также поступает в соединительный элемент (12) и во второй управляющий канал (42). В случае очень высокой нагрузки на лебедку давление в первом канале (1) также будет высоким, как и давление во втором управляющем канале (42), независимо от какого-либо регулирования или уменьшения давления. Если напор, обеспечиваемый давлением во втором управляющем канале (42), превышает калибровочное значение для второго клапана (7), данный клапан переводится в первое рабочее положение (Фиг. 1), перекрывая при этом канал (С) и соединительный элемент (12). Таким образом, рабочая текучая среда, находящаяся в третьем канале (11), поступает в канал (31) исполнительного элемента (3), что приводит к увеличению рабочего объема двигателя (М). При этом текучая среда, находящаяся в исполнительном элементе (3) на стороне для уменьшения рабочего объема, выходит по каналу (32). Для этого второй клапан (7) в первом положении обеспечивает соединение канала (32) с выпускным каналом.
При уменьшении давления в первом канале (1), вызванном уменьшением нагрузки на лебедку (W), давление во втором управляющем канале (42) также уменьшается. Если давление во втором управляющем канале (42) падает ниже калибровочного значения для второго клапана (7), клапан (7) перемещается во второе рабочее положение, показанное на Фиг. 2, при котором обеспечивается сообщение соединительного элемента (12) с каналом (32) через первый клапан (6) и канал (С). Таким образом, рабочая текучая среда поступает к стороне исполнительного элемента (3) для уменьшения рабочего объема, таким образом, уменьшая рабочий объем двигателя (М).
При поступлении сигнала для разматывания каната лебедки (W) работа устройства будет такой же, как описано выше, с той лишь разницей, что рабочая текучая среда поступает в первый управляющий канал (41) через бистабильный клапан (5) из второго канала (2), при этом поступление рабочей текучей среды к соединительному элементу (12) происходит по четвертому каналу (21).
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют, соответственно, состояние при максимальной нагрузке и максимальном рабочем объеме двигателя (М) и его состояние при минимальной нагрузке и минимальном рабочем объеме двигателя (М). Первый и второй клапаны (6, 7) содержат пропорциональные задвижки, т.е. задвижки, которые пропускают поток масла пропорционально перемещению, обеспечиваемому из закрытого положения. В результате обеспечено непрерывное регулирование рабочего объема для всех промежуточных величин нагрузки. Более того, такое регулирование рабочего объема является плавным, что позволяет предотвратить какие-либо толчки для груза даже в при резком увеличении давления.
Также следует отметить, что в исходном состоянии, проиллюстрированном на Фиг. 3, рабочий объем предпочтительно является максимальным, в частности по причинам безопасности. В действительности, если обеспечен максимальный рабочий объем двигателя (М), и при этом лебедку (W) начинают нагружать подвешенным грузом, очевидно, что лебедка выдержит такой груз. С другой стороны, если лебедку приводят в действие при наличии подвешенного груза, создающего максимальную нагрузку, и обеспечении минимального рабочего объема двигателя, спуск груза может представлять опасность при переходе к максимальному рабочему объему двигателя.
В представленном варианте выполнения бистабильный клапан (5) соединен с первым управляющим каналом (41) с помощью канала (51), который преимущественно выполнен с возможностью подачи текучей среды под давлением к предохранительному тормозу (В), который выполнен с возможностью воздействия на лебедку (W). Известным образом тормоз (В) приводят в действие с помощью исполнительного элемента (L), который с помощью упругого средства удерживает тормоз в перекрытом и запертом положении относительно лебедки. Исполнительный элемент (L) выполнен с возможностью приведения тормоза (В) в открытое положение с помощью рабочей текучей среды, поступающей из первого канала (1) или из второго канала (2) через бистабильный клапан (5). Предпочтительно канал (51), соединяющий бистабильный клапан (5) с первым управляющим каналом (41), снабжен редукционным клапаном (52) для обеспечения возможности регулирования давления до требуемого значения.
Первый канал (1) может быть снабжен клапаном (15) для равномерного распределения и поддерживания нагрузки. Известным образом распределительный клапан (15) обеспечивает возможность свободного прохождения текучей среды по однонаправленному каналу к двигателю (М), в частности к первой стороне двигателя (М) или к стороне наматывания, таким образом, обеспечивая наматывание каната лебедки (W). При отсутствии какого-либо сигнала распределительный клапан (15) остается закрытым, помогая предотвратить разматывание каната лебедки (W) под действием нагрузки. При поступлении сигнала для разматывания каната лебедки с помощью рабочей текучей среды, поступающей во второй канал (2), обеспечивается переход распределительного клапана (15) в открытое положение.
Предложенное устройство также может быть снабжено двумя ограничительными переключателями (91, 92). Оба переключателя содержат двухходовой двухпозиционный клапан, удерживаемый в открытом положении при помощи упругого средства. Данный клапан также соединен с механическим элементом, который выполнен с возможностью приведения в действие, когда лебедка (W) приближается к крайнему состоянию. Первый переключатель (91) расположен вдоль первого канала (1) и выполнен с возможностью закрывания, когда лебедка (W) приближается к состоянию, когда канат полностью намотан. Второй переключатель (92) расположен вдоль второго канала (2) и выполнен с возможностью закрывания, когда лебедка (W) приближается к состоянию, когда канат полностью размотан. В частности, первая линия (2а) соединяет второй переключатель (92) со вторым каналом (2). Вторая линия (2b) соединяет второй переключатель с бистабильным клапаном (5). Таким образом, когда рабочая текучая среда поступает во второй канал (2), и состояние лебедки еще не приближено к крайнему состоянию, регистрируемому вторым переключателем (92), переключатель (92) находится в открытом положении, и рабочая текучая среда поступает по второй линии (2b) к бистабильному клапану (5) и по каналу (51) проходит в первый управляющий канал и поступает к исполнительному элементу (L) тормоза (В). Когда лебедка достигает крайнего состояния, регистрируемого вторым переключателем (92), переключатель (92) переходит в закрытое положение, и рабочая текучая среда больше не поступает к бистабильному клапану (5). При таких условиях распределительный клапан (15), который выполнен с возможностью перехода в открытое положение под действием давления, имеющегося во второй линии (2b) и передаваемого через соединение (1с), закрывается, предотвращая тем самым выпуск рабочей текучей среды из двигателя (М), таким образом, блокируя работу двигателя. Более того, текучая среда из бистабильного клапана (5) больше не поступает к исполнительному элементу (L) тормоза (В), в результате чего тормоз приводится в рабочее положение и блокирует работу лебедки (W).