ШЕСТЕРЕННАЯ ГИДРОМАШИНА

Полезная модель относится к гидромашинам объемного вытеснения. Она может найти применение в насосах и компрессорах.
В настоящее время широко распространенны поршневые гидромашины, в том числе, насосы и компрессоры [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с (стр.53, рис.11)]. Эти машины содержат корпус с неподвижно закрепленным в нем цилиндром, поршень, совершающий возвратно-поступательное перемещение внутри цилиндра, а также кривошип и шатун.
Недостатком такой конструкции гидромашины является большая сила реакции в низшей кинематической паре скольжения, образованной поршнем и цилиндром, которая вызывает нагрев и ускоряет износ деталей.
Существуют кулисные насосы [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с (стр.108, рис.27)], содержащие: цилиндр, шарнирно закрепленный на корпусе; кривошип; шатун, шарнирно связанный с поршнем. Преимуществом этой конструкции является меньшая величина силы реакции в паре поршень-цилиндр, а недостатки обусловлены наличием качающегося цилиндра: затруднен отвод тепла, а также подвод и отвод среды.
Существуют насосы, в которых нет поступательной пары скольжения. В частности, известен насос объемного вытеснения (Патент СССР 1783147 кл. F04В 19/20, опублик. 23.12.92). Он содержит корпус, в котором между двух торцовых крышек установлен вытеснитель, выполненный в виде двух цилиндрических роликов, связанных со штоком с образованием рабочей камеры. Шток установлен между роликами и взаимодействует с направляющей, выполненной заодно с корпусом. На внутренней поверхности корпуса, наружной поверхности роликов и на половине длины штока выполнены зубья. Ширина штока равна длине ролика.
Достоинство этого насоса состоит в том, что в кинематических парах шток-ролик и ролик-корпус при ограниченном износе сопрягаемых поверхностей, нарушения герметичности не происходит, т.е. износ компенсируется зубчатыми зацеплениями.
Недостатком данной конструкции является наличие нетехнологичных деталей - зубчатых реек, а также то, что работа насоса производится за счет ручной физической силы.
Наиболее близким к предлагаемой шестеренной гидромашине по конструктивным признакам (прототип) является роторный насос (Патент Великобритании №1158638 кл F1F, опублик. 1966), содержащий корпус, ведущий кривошип, эпициклическое центральное колесо с внутренними зубьями, солнечное центральное колесо с внешними зубьями, два плавающих сателлита, оси которых в начальном положении гидромашины расположены на одной прямой с совпадающими осями эпициклического и солнечного колес, торцовые крышки, закрепленные на корпусе, каналы подвода и отвода рабочей среды, снабженные клапанами.
Недостаток приведенной гидромашины заключается в том, что в определенных положениях ротора, сателлит не может «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения. Дополнительные устройства с системой гидравлического управления или второй механизм, работающий в противофазе, обеспечивают, выход из «мертвых» положений, но это делает конструкцию сложной и ненадежной. Другой ее недостаток - это ненадежное уплотнение по торцам, т.к. технологически сложно обеспечить точное сопряжение подвижных звеньев с корпусом по трем поверхностям (двум торцовым и одной цилиндрической) с каждой стороны устройства.
Для устранения указанных недостатков прототипа предлагается конструкция шестеренной гидромашины, которая подобно прототипу содержит корпус, ведущий кривошип, эпициклическое центральное колесо с внутренними зубьями, солнечное центральное колесо с внешними зубьями, два плавающих сателлита, оси которых в начальном положении гидромашины расположены на одной прямой с совпадающими осями эпициклического и солнечного колес, торцовые крышки, закрепленные на корпусе, каналы подвода и отвода рабочей среды, снабженные клапанами. В отличие от прототипа солнечное центральное колесо жестко закреплено на корпусе, а эпициклическое центральное колесо связано с кривошипом шарниром, ось которого расположена вне начальной окружности эпициклического центрального колеса.
В такой конструкции шестеренной гидромашины не возникает проблем по выходу системы из мертвых положений, т.к. данный механизм имеет одну степень свободы. Кроме того, в предлагаемой конструкции может быть обеспечено более точное сопряжение уплотняющих поверхностей, т.к. подвижное звено (эпицикл) сопрягается с корпусом лишь по одной (с каждой стороны) торцовой плоскости.
В наиболее рациональном конструктивном варианте гидромашина имеет каналы подвода и отвода рабочей среды, выполненные в солнечном центральном колесе.
Работа машины улучшается, если она содержит связанный с корпусом картер, в который погружены движущиеся звенья. Картер защищает детали механизма от внешней среды, в нем находится масло для смазки внутренних частей механизма.
Для уменьшения остаточных (паразитных) объемов рабочих полостей гидромашина содержит заполнители остаточного объема, закрепленные на эпициклическом колесе.
Для увеличения производительности, равномерности подачи рабочей среды и лучшего динамического уравновешивания шестеренная гидромашина содержит несколько однотипных секций, имеющих совпадающую ось солнечных центральных колес и ведущие кривошипы, объединенные в общий коленчатый вал.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг.1 поперечный разрез шестеренной гидромашины (по А-А); на фиг.2 ее осевой разрез (по Б-Б); на фиг.3 представлен рабочий цикл гидромашины; на фиг.4 отдельно показана работа клапанов в одном из положений кривошипа; на фиг.5 изображена гидромашина с тремя однотипными секциями (поперечный разрез по В-В); на фиг.6 ее осевой разрез (по Г-Г).
Шестеренная гидромашина, показанная на фиг.1, 2, содержит: корпус 1, ведущий кривошип 2, эпициклическое центральное колесо 3 с внутренними зубьями, солнечное центральное колесо 4 с внешними зубьями, два плавающих сателлита 5 и 6. Солнечное центральное колесо 4 жестко закреплено на корпусе 1. На эпициклическом центральном колесе 3 жестко закреплен рычаг 7, связанный с кривошипом 2 шарниром, ось D которого расположена вне начальной окружности эпициклического центрального колеса. По характеру своего движения звено, несущее эпициклический венец 3 и рычаг 7, является шатуном. Торцовые крышки 8 закреплены на корпусе 1. Две рабочие полости (верхняя V и нижняя N, см. фиг.1) заключены между эпициклическим венцом 3, солнечным колесом 4, сателлитами 5, 6 и торцовыми крышками 8. Корпус 1 выполнен герметичным, а в его картерную полость залито масло 9.
Гидромашина содержит заполнители 10 остаточных объемов рабочих полостей, закрепленные на эпицикличеком центральном колесе 3.
В конструкции, показанной на фиг.1, 2, каналы подвода 11 и отвода 12 рабочей среды выполнены в солнечном центральном колесе 4 гидромашины, разделены перегородкой 13 и снабжены клапанами подвода 14, отвода 15 для верхней полости V, а также клапанами подвода 16, отвода 17 для нижней полости N. В других конструкциях (на фигурах не показано) соответствующие каналы с клапанами могут быть выполнены в торцовых крышках гидромашины.
3
4
3
4
Числа зубьев Z эпициклического 3 и Z, солнечного 4 центральных колес соответствуют условию сборки планетарного механизма: (Z+Z)/2=С, где С - целое число. Сборка механизма осуществляется в исходном положении, когда кривошип 3, несущий ось D шарнира, образуемого им с солнечным колесом 4, повернут относительно своего «мертвого» вертикального положения на угол несколько меньший 90°. В процессе сборки механизма в исходном положении оси F и Н сателлитов 5, 6 расположены на одной прямой с совпадающими (в исходном положении) осями С эпициклического и В солнечного колес.
Работа гидромашины показана на фиг.3.
При вращении ведущего кривошипа 2 (по часовой стрелке) рычаг 7 вместе с эпициклическим колесом 3 совершает сложное движение. Сателлиты 5, 6 обкатываются по внешнему венцу солнечного колеса 4 и по внутреннему венцу эпициклического колеса 3. Это приводит к изменению объемов рабочих полостей V и N.
В верхнем «мертвом» положении механизма при угле поворота кривошипа φ=0° верхняя рабочая полость V имеет минимальный объем, а нижняя полость N - максимальный. Клапаны 14, 15, 16, 17 не работают.
При повороте кривошипа 3 (по ч.с.) на угол φ от 0° до 180° (на фиг.3 см. φ=90°) верхняя рабочая полость V увеличивает свой объем, а нижняя N - уменьшает. Если гидромашина работает в режиме насоса, то в этой фазе движения в полости V происходит всасывание (на фиг.3 заштриховано «-»), а в полости N - нагнетание (на фиг.3 заштриховано «+»). При этом клапаны работают следующим образом (см. фиг.4): клапан подвода для верхней полости 14 открыт и через канал подвода 11 рабочая среда попадает в верхнюю полость V, клапан отвода для нижней полости 17 открыт и из нижней полости N рабочая среда выходит в канал отвода 12.
Нижнее «мертвое» положение механизма будет при φ=180° (см. фиг.3). При этом нижняя рабочая полость N имеет минимальный объем, а верхняя полость V - максимальный. Клапаны 14, 15, 16, 17 не работают.
При дальнейшем повороте кривошипа 3 на угол φ от 180° до 270° нижняя рабочая полость N увеличивает свой объем, а верхняя V - уменьшает. Если гидромашина работает в режиме насоса, то в этой фазе движения в полости N происходит всасывание (на фиг.3 заштриховано «-»), а в полости V - нагнетание (на фиг.3 заштриховано «+»).
Т.к. гидромашина имеет одну степень свободы, неопределенности движения сателлитов в верхней и нижней «мертвых» точках не возникает. Уплотнение рабочих полостей по торцам осуществляется сопряжением торцовых поверхностей эпициклического колеса 3 с торцовыми крышками 8 корпуса. Необходимый зазор в этих сопряжениях легко обеспечить и контролировать.
Гидромашина, представленная на фиг.5, 6, имеет три однотипные секции, повернутые друг относительно друга на угол 120°. Солнечное центральное колесо 4, канал подвода 11 и отвода 12 являются общими для всех секций. Ведущие кривошипы, для этих секций объединены в общий коленчатый вал 18. Секции разделены между собой перегородками 19. Канал подвода 11 выполнен в виде осевого отверстия в солнечной шестерне 4 и имеет разветвления 20 в каждую из рабочих полостей всех секций. Канал отвода 12 выполнен в виде трубки, расположенной внутри отверстия канала подвода 11 и также имеет разветвления 21 в каждую рабочую полость гидромашины. Каналы 11 и 12 заглушены с нерабочих сторон пробками 22 и 23.
При работе гидромашины с несколькими однотипными секциями увеличивается производительность, равномерность подачи рабочей среды и улучшается динамическая уравновешенность.
Предлагаемая шестеренная гидромашина имеет большой полезный объем, что делает эффективным ее использование даже при малых скоростях вращения ротора. Машина способна работать в засоренных средах, т.к. в зубчатых зацеплениях износ сопряженных поверхностей компенсируется, а негерметичность торцовых поверхностей можно устранять их периодической перешлифовкой. Применение этой машины позволит повысить производительность шестеренных насосов, предназначенных для перекачки жидкостей. Машина также с успехом может использоваться на газообразных средах в режиме компрессора и вакуумного насоса.