РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА
ROTARY HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может использоваться в насосах и двигателях.
В настоящее время для нагнетания и напорного перемещения вязких жидкостей, обладающих смазывающими свойствами, широко применяют шестеренные насосы с внутренним или внешним зацеплением круглых зубчатых колес, имеющих неподвижные оси (Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с. - стр.311). Эти насосы просты по конструкции, однако их недостатком является относительно малый полезный объем, который ограничен пространством между впадинами зубьев и корпусом. Подобные шестеренные насосы эффективны только при достаточно больших скоростях вращения ротора и только для жидкостей.
Известны планетарные шестеренные гидромашины с плавающими сателлитами (RU 2116513, МПК F04C 2/08 опубл. 1998, а также RU 2137943, SU 484710, SU 1403993, WO 0166948, US 6230823, DE 3542913 и др.). Такая гидромашина содержит некруглые солнечные колеса для внутреннего и внешнего зацепления, расположенные соосно, сопряженные с ними плавающие сателлиты и торцовые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды. В подобных гидромашинах рабочий объем определяется пространством между сателлитами, который больше объема, заключенного между зубьями. Недостатком таких гидромашин является сложность изготовления некруглых зубчатых колес.
Известны планетарные гидромашины с плавающими сателлитами, одно из солнечных колес которых выполнено круглым. Так, например, гидромашина (SU 861734, МПК F04C 2/08, опубл. 1981, а также DE 288340, DE 19621051) имеет круглое солнечное колесо с наружными зубьями и некруглое солнечное колесо с внутренними зубьями. В гидромашине (WO 02052125, МПК F01C 1/10, опубл. 1981, а также WO 0166948) солнечное колесо с внутренними зубьями выполнено круглым, а солнечное колесо с наружными зубьями - некруглым. Общим недостатком таких гидромашин является наличие некруглых колес, вызывающее технологические сложности.
Известна роторная гидромашина (GB 1158638, МПК F1C 1/12, опубл. 1969 - фиг.1-3), содержащая неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на вращающемся эксцентрике, ось вращения которого смещена относительно оси эпициклического колеса на расстояние, равное эксцентриситету эксцентрика, два плавающих сателлита, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, торцовые крышки и каналы подвода и отвода рабочей среды, выполненные в торцовой крышке и эпициклическом колесе. В проекции на торцовую плоскость центры сателлитов в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес. Достоинство данной гидромашины - большой полезный объем рабочих полостей и высокая технологичность ее основных деталей.
Главный недостаток этой гидромашины заключается в том, что в определенных положениях солнечного колеса, сателлиты не могут «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения. Для устранения указанного недостатка требуется дополнительная внешняя синхронизирующая система, обеспечивающая непрерывное движение солнечного колеса независимо от плавающих сателлитов. Параметрическое соотношение, которое обеспечивает синхронизирующая система, состоит в том, что на один оборот эксцентрика приходится половина оборота осей сателлитов в переносном движении относительно неподвижного эпициклического колеса. Наличие синхронизирующей системы значительно усложняет конструкцию в целом.
Известна роторная гидромашина (SU 699229, МПК F04C 1/06, опубл. 1979), содержащая статор в виде венца с внутренними зубьями, связанный через сателлиты с наружными зубьями ротора, установленного на вращающемся эксцентрике. Ротор изготовлен полым и на его внутренней поверхности выполнены зубья. Устройство дополнительно содержит синхронизирующую систему, включающую шестерню с внешними зубьями, жестко связанную со статором, и паразитную шестерню, шарнирно закрепленную на эксцентрике, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора. Достоинство данной конструкции, по сравнению с предыдущей, состоит в том, что сателлиты беспрепятственно проходят «мертвые» положения.
Недостатками этой гидромашины являются: технологическая сложность эксцентрика, большие потери на трение и неблагоприятные условия передачи движения, обусловленные наличием вращательных кинематических пар скольжения: между ротором и эксцентриком, осью эксцентрика и паразитной шестерней.
Другая роторная гидромашина (RU 2445512, МПК F04C 2/08, опубл. 2012) отличается от предыдущей конструкцией дополнительного синхронизирующего устройства. Это устройство обеспечивает более надежную работу гидромашины, но не менее сложно.
В гидромашине (US 4229152, МПК F01C 1/08, опубл. 1980) синхронизирующее устройство содержит пару зубчатых колес, расположенных по осям эксцентрика, образующих внешнее зацепление, одно из которых неподвижно закреплено относительно корпуса, а другое относительно солнечной шестерни. Недостатками этой гидромашины, помимо конструктивной сложности, обусловленной наличием деталей синхронизирующего устройства, являются консольное расположение солнечного колеса на оси эксцентрика, необходимость герметичного сопряжения эксцентрика с корпусом по цилиндру большого диаметра и большая осевая сила давления на эксцентрик.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой конструции является гидромашина (GB 1158638, МПК F1C 1/12, опубл. 1969, фиг.5), содержащая корпус, неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на вращающемся эксцентрике, ось вращения которого смещена относительно оси эпициклического колеса на расстояние, равное эксцентриситету эксцентрика, два плавающих сателлита, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, торцовые крышки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. В качестве синхронизирующей системы данная конструкция содержит вторую секцию гидромашины, подобную первой. Солнечные колеса обеих секций жестко связаны между собой и свободно насажены на ось общего эксцентрика. Для обеспечения собираемости конструкция содержит плавающую эксцентричную втулку, разделяющую секции гидромашины.
Недостатками такого устройства являются его конструктивная и технологическая сложность. Для обеспечения качественного уплотнения по торцам необходимо обеспечить точное сопряжение подвижных звеньев с корпусом по трем поверхностям (двум торцовым и одной цилиндрической) с каждой стороны устройства. Надежность конструкции снижает наличие плавающей эксцентричной втулки - она работает в условиях неблагоприятных углов давления.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в упрощении конструкции роторной гидромашины и повышении ее надежности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание конструкции роторной гидромашины более простой, чем известные, не содержащей ненадежных и нетехнологичных элементов, обеспечивающей при этом гарантированное преодоление сателлитами «мертвых» точек и качественное уплотнение рабочих полостей.
Предлагаемая роторная гидромашина содержит корпус, неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, два плавающих сателлита, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, эксцентрик, ось вращения которого смещена относительно оси эпициклического колеса на расстояние, равное эксцентриситету эксцентрика, неподвижные торцовые крышки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. Отличия состоят в том, что эпициклическое и солнечное колеса имеют одинаковое число зубьев, а солнечное колесо жестко связано с вращающимся эксцентриком.
Технический результат достигается за счет того, что при одинаковом числе зубьев эпициклического и солнечного колес угловая скорость солнечного колеса равна половине угловой скорости переносного движения сателлитов и, таким образом, совпадает с необходимой угловой скоростью эксцентрика. Это позволяет соединить солнечное колесо с эксцентриком жестко или изготовить их в виде единой детали. В результате необходимость в специальной синхронизирующей системе отпадает. Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает правильное прохождение сателлитами мертвых точек. Вместе с тем она проще, технологичнее и надежнее прототипа и аналогов.
Наиболее простым, с технологической точки зрения, вариантом реализации предлагаемого технического решения, не требующим специальных исследований, является использование эвольвентных зубчатых звеньев. При этом оптимальные параметрические соотношения лежат в следующем диапазоне: угол профиля 15°…30°, число зубьев эпициклического и солнечного колес 60…100, сателлитов - 7…10; коэффициент смещения исходного контура эпициклического колеса +6…+12, солнечного колеса -2…0, сателлитов 0…+0,6.
Для повышения герметичности и снижения чувствительности гидромашины к погрешностям изготовления зубчатых колес, плавающие сателлиты выполнены сборными, состоящими из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами.
Для повышения стабильности выходных характеристик при работе на жидких средах роторная гидромашина содержит дополнительные секции, разделенные плоскими перегородками, каждая из которых, подобно первой секции, содержит неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, два плавающих сателлита, взаимодействующие с эпициклическим и солнечным колесами, причем эксцентрики, на которых закреплены солнечные колеса всех секций, развернуты друг относительно друга и закреплены на общем валу. При этом рациональным является конструктивное решение, при котором рабочие полости первой и дополнительных секций соединены последовательно через перепускные каналы, выполненные в торцовых перегородках.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 показана конструкция роторной гидромашины, на фигуре 2 - ее осевой разрез по A-A.
На фигуре 3 изображена картина зацеплений зубчатых звеньев гидромашины в увеличенном масштабе.
Фигуры 4…7 иллюстрируют работу этой гидромашины. На фигуре 4 показано расположение звеньев при нижнем положении ротора; на фигуре 5 - при роторе, смещенном влево; на фигуре 6 - при роторе, занимающем верхнее положение; па фигуре 7 - при роторе, смещенном вправо.
6
2
3
6
6
2
6
6
2
a
2
3
2
3
4
4
w42
w43
На фигуре 8 показана гидромашина, содержащая дополнительные секции, а на фигуре 9 - схема соединения рабочих полостей ее секций. Роторная гидромашина, показанная на фигурах 1, 2, содержит корпус 1, неподвижное круглое эпициклическое колесо 2 с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо 3 с наружными зубьями два плавающих сателлита 4, взаимодействующие с эпициклическим и солнечным колесами, и неподвижные торцовые крышки 5. Крышки 5 плотно прилегают своими плоскими рабочим поверхностями к торцам сателлитов 4 и солнечного колеса 3. Солнечное колесо 3 с эксцентриситетом «e» жестко закреплено на валу 6, который шарнирно связан с корпусом 1, так что ось O вала 6 смещена относительно оси O эпициклического колеса 2 также на величину «e» (то есть OO=OO=e). Каналы подвода 7 и отвода 8 рабочей среды выполнены в любой из торцовых крышек 5, их диаметры не превышают диаметр впадин зубьев сателлитов, а оси расположены в плоскости, проходящей через ось O и перпендикулярной плоскости, содержащей оси O и O (так, что при крайнем нижнем положении солнечного колеса 3 эти каналы полностью перекрыты сателлитами 4). В конструкции, показанной на фигуре 2, плавающие сателлиты 4 выполнены сборными, т.е. состоящими из нескольких отдельных шестерен - это снижает чувствительность конструкции к погрешностям ее изготовления. Эпициклическое 2 и солнечное 3 колеса обработаны инструментом, имеющим стандартный исходный контур (угол профиля 20°, коэффициент высоты головки зуба h=1). Эти колеса имеют одинаковое число зубьев Z=Z=80, но разные коэффициенты смещения: X=+9,7, X=-1,6. Сателлиты 4 выполнены с числом зубьев Z=8 и коэффициентом смещения X=+0,3. Соответствующая картина зацеплений изображена на фигуре 3, где, помимо профилей зубчатых звеньев, показаны начальные окружности и полюсы P, P зацеплений.
Сборка механизма выполнена таким образом, что центры сателлитов 4 (в проекции на торцовую плоскость) в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического 2 и солнечного 3 колес.
В режиме насоса роторная гидромашина работает следующим образом.
2
3
При вращении вала 6 с эксцентрично посаженным на нем солнечным колесом 3 взаимодействующие с этим колесом плавающие сателлиты 4 обкатываются по внутреннему венцу неподвижного эпициклического колеса 2. В связи с тем, что числа зубьев Z и Z эпициклического 2 и солнечного 3 колес одинаковы, угловая скорость солнечного колеса 3 вдвое больше переносной угловой скорости сателлитов (т.е. скорости мнимого водила). При этом одному обороту эксцентричного солнечного колеса 3 соответствует один цикл изменения конфигурации системы сателлитов 4. В результате движения звеньев объемы рабочих полостей, заключенных между торцовыми крышками и поверхностями всех зубчатых колес, циклически изменяются (см. фигуры 4…7). При нахождении солнечного колеса 3 в крайнем нижнем положении (фигура 4) каналы подвода 7 и отвода 8 перекрыты сателлитами 4. Далее, по мере вращения эксцентричного солнечного колеса 3 (фигуры 5, 6, 7), в левой рабочей полости происходит всасывание, а в правой - нагнетание.
При работе гидромашины в режиме гидро- или пневмодвигателя рабочая среда через канал 7 подается под давлением, а движение снимается с вала 6.
<mrow><msubsup><mi>O</mi><mn>3</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>O</mi><mn>3</mn><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow></msubsup></mrow>
6
На фигурах 8, 9 показана гидромашина, которая содержит дополнительную секцию, подобную первой, т.е. состоит из двух гидромашин-секций, имеющих общий корпус, но разделенных плоской перегородкой 9. Солнечные колеса 3 обеих секций закреплены на общем валу 6 с помощью шпонок 10 в противофазах (их оси
и
повернуты друг относительно друга вокруг оси O на 180º). Внутри перегородки 9 выполнен перепускной канал 11, т.е. рабочие полости секций соединены последовательно. Каналы подвода 7, отвода 8 и перепускной 11 канал имеют форму сечения, удлиненную в окружном направлении, причем длина сечения каждого отверстия превышает диаметр сателлита. При работе этой гидромашины каналы 7, 8, 11 одновременно никогда полностью не перекрыты. При этом секции создают (или воспринимают) давление среды последовательно. В пассивной фазе работы секции среда, через каналы в ограничивающих ее торцовых перегородках, перетекает свободно. Каналы подвода 7, отвода 8 в торцовых крышках могут быть заменены на радиальные каналы (отверстия) 12, выполненные в эпициклических колесах (на фигуре 6 показаны пунктиром). В результате две секции сглаживают колебания расхода и напора при работе гидромашины в режиме насоса и обеспечивают непрерывное вращение ротора в режиме двигателя. Целесообразно также использование гидромашин, содержащих три, четыре и более секции.
Представляется перспективным использование изобретения в насосах для перекачки нефти и мазута, в насосах-дозаторах для различных жидкостей, в насосах и двигателях гидроприводов, в пневмодвигателях, в вакуумных насосах низкого вакуума.