Аксиально-поршневая гидромашина

Полезная модель относится к роторным гидромашинам объемного действия, предназначенным для использования в гидроприводах машин и оборудования.
Известна аксиально-поршневая гидромашина (RU № 190213, МПК F04B 1/20, опубликовано 24.06.2019), содержащая наклонную шайбу, блок цилиндров, соединенный с приводным валом шлицами, поршни, размещенные в цилиндрах блока, опирающиеся на наклонную шайбу башмаками, завальцованными на сферических головках поршней, и распределительный диск с основными серповидными окнами и перемычками между ними, прилегающий к блоку цилиндров с другой его стороны, при этом в блоке цилиндров в межцилиндровых зонах выполнены соосно оси блока дополнительные цилиндры меньшего диаметра, в них размещены дополнительные поршни, опирающиеся на наклонную шайбу своими башмаками, в распределительном диске прорезаны дополнительные серповидные окна с перемычками между ними, сообщенные прорезями с основными серповидными окнами.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются блок цилиндров, вал, плунжеры, размещенные в цилиндрах блока, сферические шарниры, распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к торцу блока цилиндров.
Недостатками рассмотренной аксиально-поршневой гидромашины являются
из-за больших контактных нагрузок между башмаками и наклонным диском угол наклона последнего относительно оси блока не превышает (15–18)°, поэтому рабочий объем у рассмотренной гидромашины (и подобных ей) значительно меньше, чем у гидромашин с наклонным блоком, в которых угол наклона оси блока относительно оси приводного вала может достигать значения (25–30)° и даже более – до 40° [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М: Машиностроение, 1982. – 423 с, стр. 323];
Недостатком является и то, что в рассмотренной гидромашине  всего один качающий узел с двумя радами цилиндров и поршнями в них – основными и дополнительными. При наличии двух зеркально расположенных в общем корпусе качающих узлов рабочий объем может быть увеличен вдвое, при этом габариты гидромашины увеличиваются незначительно.
Известна также аксиально-поршневая гидромашина (RU № 194266, МПК F04B 1/22, опубликовано 04.12.2019), содержащая наклонную шайбу, блок цилиндров, соединенный с валом шлицами с одной стороны, основные поршни, размещенные в цилиндрах блока, и дополнительные поршни меньшего диаметра, размещенные в дополнительных цилиндрах блока, выполненных в межцилиндровых зонах его основных цилиндров, при этом все поршни опираются на наклонную шайбу башмаками, завальцованными на сферических головках поршней, а распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к торцу блока цилиндров с другой его стороны, имеет дополнительные серповидные окна с перемычками между ними, кроме того гидромашина содержит второй блок цилиндров с таким же комплектом поршней и наклонной шайбой, блоки цилиндров расположены симметрично относительно общего распределительного диска и плотно прилегают к нему с противоположных сторон, оба блока цилиндров размещены в едином корпусе и соединены с общим валом шлицами, общий распределительный диск выполнен со сквозными основными и дополнительными серповидными окнами, а наклонные шайбы блоков соединены механической связью, включающей регулятор их наклона, выполненный в виде одностороннего гидроцилиндра с возвратной пружиной.
Общими признаками второго аналога с заявляемой полезной моделью являются блоки цилиндров, вал, основные поршни, размещенные в цилиндрах блоков, и дополнительные поршни меньшего диаметра, размещенные в дополнительных цилиндрах блоков, выполненных в межцилиндровых зонах их основных цилиндров, сферические головки, распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, и дополнительными серповидными окнами с перемычками между ними, блоки цилиндров расположены в едином корпусе.
Недостаток второго аналога состоит в том, что у данной аксиально-поршневой гидромашины из-за высоких контактных нагрузок между башмаками и наклонными шайбами угол их наклона относительно осей блоков цилиндров не превышает (15–18)° [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М: Машиностроение, 1982. – 423 с, стр. 323], поэтому рабочий объем у данной аксиально-поршневой гидромашины с наклонной шайбой (как и у всех других гидромашин такого типа) существенно меньше, чем у гидромашин с наклонным блоком, в которых угол наклона оси блока относительно оси приводного вала может достигать значения 25 – 30° и более. И не смотря на то, что блоков цилиндров два рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины незначительный и существенно меньший, чем у гидромашин с наклонным блоком, а следовательно ее крутящий момент и мощность так же значительно меньше при примерно равных массе и габаритах.
ц
ц
п
ц
В качестве прототипа принята аксиально-поршневая гидромашина (RU № 201028, МПК F04B 1/24, опубликовано 24.11.2020), содержащая блок цилиндров с осью, выполненных по окружности диаметром D, расположенный в корпусе под углом к оси приводного вала, в ведущем диске которого заделаны в сферические шарниры головки шатунов, противоположные концы которых заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в упомянутых цилиндрах блока, при этом шатуны для прилегания к юбкам поршней имеют конусные шейки, ось блока заделана головкой в сферический шарнир в центре ведущего диска и своим противоположным концом вставлена в центральное отверстие неподвижного распределительного диска, к сферической поверхности которого прилегает сферическая поверхность торцевой части блока, в которой выполнены каналы, соединяющие цилиндры блока с серповидными окнами, разделенными перемычками; в межцилиндровых зонах основных цилиндров, расположенных по диаметру D, выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные поршни, дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительного диска, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости, в сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены малые головки их дополнительных шатунов, а большие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущем диске в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска, при этом дополнительные поршни имеют юбки, не позволяющие шатунам прилегать к ним изнутри.
ц
ц
ц
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются блок цилиндров с осью, расположенный под углом к оси вала, в ведущем диске которого заделаны в сферические шарниры головки шатунов, другие концы которых заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в цилиндрах блока, при этом шатуны для прилегания к юбкам поршней имеют конусные шейки, ось блока заделана головкой в сферический шарнир в центре ведущего диска и своим противоположным концом вставлена в центральное отверстие неподвижного распределительного диска, к сферической поверхности которого прилегает сферическая поверхность торца блока, в которой выполнены каналы, соединяющие цилиндры блока с серповидными окнами, разделенными перемычками, в межцилиндровых зонах основных цилиндров, расположенных по диаметру D, выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные поршни, дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительного диска, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости, в сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены малые головки их дополнительных шатунов, а большие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущем диске в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска.
Недостатком прототипа является то, что гидромашина содержит один комплект блока с основными и дополнительными поршнями, с валом с ведущим диском и распределительным диском, что ограничивает ее рабочий объем и развиваемый крутящий момент. Тогда как при наличии двух зеркально расположенных в общем корпусе упомянутых комплектов рабочий объем может быть увеличен вдвое без значительного увеличения габаритов гидромашины.
Заявляемая полезная модель направлена на двухкратное увеличение рабочего объема и крутящего момента аксиально-поршневой гидромашины без значительного увеличения габаритов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в двухкратном увеличении рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.
ц
Указанный технический результат достигается тем, что аксиально-поршневая гидромашина содержит два комплекта блоков с осями и цилиндрами, выполненными по окружностям диаметрами D. Блоки расположены в корпусе гидромашины под углом к осям своих валов, в ведущих дисках которых заделаны в сферические шарниры головки шатунов, при этом другие концы шатунов заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в цилиндрах блоков. Шатуны поршней для прилегания к их юбкам имеют конусные шейки, оси блоков заделаны головками в сферические шарниры в центрах ведущих дисков и своим противоположными концами вставлены в центральное отверстие каждого из неподвижного распределительного диска, к сферической поверхности которых прилегают сферические поверхности торцевых частей блоков. В распределительных дисках выполнены каналы, соединяющие цилиндры блоков с серповидными окнами, разделенными перемычками и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости.
При подводе рабочей жидкости под давлением к упомянутым отверстиям, поршни совершают возвратно-поступательные движения, воздействуют своими юбками на конусные шатуны, которые заставляют вращаться ведущие диски каждого из блоков. За один оборот каждого блока цилиндров, через гидромашину проходит теоретический объем жидкости, равный рабочему объему, который при двух цилиндрах равен
0
ц
v= 2 SD tg β·z,
ц
где 2 – количество блоков цилиндров в гидромашине, S – площадь одного цилиндра, D – диаметр по осям цилиндров в каждом блоке, β – угол между осями блоков и осями валов, z – число цилиндров в одном блоке.
ц
ц
ц
В блоках цилиндров в межцилиндровых зонах цилиндров, расположенных по диаметру D (основных), выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные поршни. Дополнительные цилиндры в каждом блоке сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительных дисков, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. В сферических шарнирах дополнительных поршней в каждом блоке закреплены малые головки их дополнительных шатунов, а большие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущих дисках в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков.
Дополнительные поршни, как и основные, имеют юбки, к внутренним поверхностям которых плотно прилегают конусные шейки дополнительных шатунов для передачи через них крутящего момента на диск вала каждого комплекта.
При подводе рабочей жидкости под давлением к упомянутым отверстиям, дополнительные поршни совершают возвратно-поступательные движения и воздействуют своими юбками на конусные дополнительные шатуны, которые заставляют вращаться ведущие диски каждого из блоков. За один оборот каждого блока цилиндров, через гидромашину, за счет дополнительных поршней обоих цилиндров, проходит теоретический объем жидкости, равный дополнительному рабочему объему, который при двух цилиндрах равен
01
1
п
v= 2 SD tg β·z,
1
п
где 2 – количество блоков цилиндров в гидромашине, S – площадь одного дополнительного цилиндра, D – диаметр по осям дополнительных цилиндров в каждом блоке, β – угол между осями блоков и осями валов, z – число дополнительных цилиндров в одном блоке (их количество всегда равно числу основных цилиндров).
Суммарный рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины определяется суммой указанных рабочих объемов
0
ц
1
п
V= 2 SD tg β·z + 2 SD tg β·z,    (1)
ц
п
0
3
При диаметре основных поршней, например, 25 мм, диаметре дополнительных – 12,5 мм, при диаметре D равном 88,5 мм и диаметре D равном 116,8 мм, z= 9 и при удвоенном количестве блоков цилиндров рабочий объем заявляемой гидромашины Vбудет равен 600 см. Тогда как рабочий объем гидромашины-прототипа с одним блоком цилиндров при тех же значениях параметров, будет в два раза меньше.
Это увеличение происходит из-за того, что валы каждого комплекта блоков соединены с общей ведущей шестерней, размещенной напротив прорези в корпусе гидромашины.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели от прототипа являются
второй комплект, состоящий из блока с основными и дополнительными цилиндрами и поршнями, размещенными в них, дополнительного вала с диском и дополнительный распределительный диск с прорезями; второй комплект расположен в общем корпусе зеркально относительно первого комплекта, при этом валы каждого комплекта соединены с ведущей шестерней, размещенной напротив прорези в корпусе, а дополнительные поршни в каждом комплекте имеют юбки, к внутренним поверхностям которых плотно прилегают конусные шейки дополнительных шатунов для передачи через них крутящего момента на диск вала каждого комплекта.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана аксиально-поршневая гидромашина с двумя комплектами блоков, валов с дисками и распределительных дисков.
На фиг. 2 показан блок цилиндров со стороны ведущего диска.
На фиг. 3 показан вид на блок цилиндров гидромашины со стороны распределительного диска.
На фиг. 4 показан разрез А-А (по фиг. 1) распределительного диска гидромашины с серповидными окнами и отверстиями для всасывания и нагнетания рабочей жидкости.
Аксиально-поршневая гидромашина содержит корпус 1 с прорезью 2 для соединения ведущей шестерни 3, фиг. 1, с ведомой шестерней (на фигурах не показана). Основной 4 и дополнительный 5 валы, установленные в подшипниках со своими ведущими дисками 6 и 7 соответственно, соединены с ведущей шестерней 3.
Блоки цилиндров основной 8 и дополнительный 9 наклонены к осям своих валов 4 и 5 на угол β и посажены на оси основную 10 и дополнительную 11 с зазором, обеспечивающим возможность блокам само устанавливаться своими сферическими торцевыми поверхностями на сферических поверхностях распределительных дисков 12 и 13 соответственно, закрепленных на задних стенках корпуса 1 гидромашины.
ц
п
В блоках цилиндров 8 и 9 по окружностям диаметрами D, фиг. 2, выполнены девять основных цилиндров 14, а по окружности диаметром D в межцилиндровых зонах основных цилиндров выполнены дополнительные девять цилиндров 15. В основные цилиндры 14 вставлены основные поршни 16, а в дополнительные цилиндры 15 вставлены дополнительные поршни 17, фиг. 1.
В торцевых сферических частях блоков 8 и 9, фиг. 1 и фиг. 3, прорезаны основные соединительные каналы 18 и дополнительные соединительные каналы 19. Каналы 18 попеременно сообщаются с основными серповидными окнами 20 распределительных дисков, фиг. 4, а каналы 19 попеременно сообщаются с дополнительными серповидными окнами 21. Серповидные окна 20 и 21 с левой стороны распределительного диска соединены прорезью 22, которая сообщена с отверстием 23 для всасывания жидкости. Серповидные окна 20 и 21 с правой стороны распределительного диска соединены прорезью 24, которая сообщена с отверстием 25 для нагнетания жидкости.
Оси 10 и 11 имеют сферические головки, заделанные в сферические шарниры, в центрах ведущих дисков 6 и 7 и другими своими концами вставлены в отверстия распределительных дисков 12 и 13. В ведущих дисках 6 и 7 в сферические шарниры заделаны головки основных шатунов 26, которые своими противоположными концами заделаны в сферические шарниры основных поршней 16. Кроме того, в ведущих дисках 6 и 7 в сферические шарниры, выполненные в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков, заделаны головки дополнительных шатунов 27, которые своими другими концами заделаны в сферические шарниры дополнительных поршней 17.
Аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. При вращении шестерни 3 совместно с валами 4 и 5, их ведущими дисками 6 и 7 и блоками цилиндров 8 и 9, вращающимися вокруг своих осей 10 и 11, поршни основные 16 и дополнительные 17 в своих цилиндрах 14 и 15 совершают возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через каналы 18 и 19 в торцевых сферических частях блоков 8 и 9, которые плотно прилегают к сферическим поверхностям распределительных дисков 12 и 13.
По мере поворота блоков цилиндров на 360° каждый поршень, как основной 16, так и дополнительный 17 сначала всасывает рабочую жидкость через свои серповидные окна 20 и 21 (при повороте на 180°), прорезь 22 и отверстие 23 в соответствующий цилиндр. Затем каждый из упомянутых поршней, пройдя через соответствующие перемычки, разделяющие серповидные окна 20 и 21 с левой и правой сторон распределительных дисков 12 и 13, при повороте блоков цилиндров на следующие 180° через другие серповидные окна 20 и 21 (с правой стороны распределительного диска, фиг. 4), вытесняет жидкость под давлением через прорези 22 и отверстие 23 для нагнетания жидкости.
Одновременная работа девяти основных 16 и девяти дополнительных 17 поршней в каждом из блоков цилиндров 8 и 9 увеличивает подачу аксиально-поршневой гидромашины за счет большего рабочего объема, который определяется по формуле (1).
В режиме гидромотора аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. При подаче рабочей жидкости из гидросистемы в отверстия 23 и по каналам 22 каждого из распределительных дисков 8 и 9, она (рабочая жидкость) проходит через серповидные окна 20 и 21 и поступает в подпоршневые пространства тех поршней 16 и 17, которые через каналы 18 и 19 сообщены с окнами 20 и 21. Поршни 16 и 17 в каждом блоке под действием давления выдвигаются из своих цилиндров и давят на ведущие диски 6 и 7 и заставляют их поворачиваться, создавая крутящий момент, пропорциональный увеличенному рабочему объему гидромашины.
Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно двухкратное увеличение рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.