ПОРШНЕВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к поршневым машинам.
Цель полезной модели - повышение надежности и эффективности работы поршневой машины.
Известны многоцилиндровые оппозитные поршневые машины, в том числе бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, в которых передача энергии воздействия на поршни расширяющихся газов осуществляется посредством барабана, установленного на валу и имеющего на наружной поверхности криволинейный замкнутый синусоидальный паз, в котором расположены беговые ролики, оси которых закреплены на штоках, связывающих поршни. На другом конце упомянутых осей установлены ролики, взаимодействующие с прямолинейными пазообразными направляющими корпуса. При этом беговые ролики при каждой смене направления движения поршней, выбирая зазор, ударяются в противоположную стенку криволинейного паза и меняют направление своего вращения, что на высоких скоростях работы приводит к прижогам и задирам поверхностей контакта. Это приводит к их быстрому износу, усилению стуков и выходу механизма из строя.
Близким к патентуемому по технической сущности является поршневая машина (см. патент РФ №2072425, МПК F01B 9/04, F01B 3/04, опубл. 27.01.1997). Указанный патент содержит корпус с блоками оппозитных цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах и попарно связанные штоками, приводной вал и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот, выполненный в виде барабана, установленного на валу и имеющего на наружной поверхности направляющий криволинейный паз и шарикоподшипников, установленных с возможностью взаимодействия своими шариками с пазами барабана и имеющих направляющие для них, размещенные в корпусе. В направляющих выполнены канавки, расположенные параллельно оси вала и обращенные к шарикоподшипникам, шарики которых размещены в канавках. Такая поршневая машина может быть использована только при малых нагрузках, например, в авиамоделизме, так как силы, действующие на поршень, воспринимаются одним шариком, который, расклинившись между радиусными поверхностями дорожек качения барабана и направляющей корпуса, передает тангенциальную составляющую осевой силы на барабан, но при этом создает весьма высокие контактные нагрузки на поверхности качения, которые и ограничивают применяемость механизма. Кроме того, наличие шариков не избавило механизм от больших сил трения боковой поверхности шарика о шток и поршней о стенки цилиндра, так как именно ими воспринимается реактивная составляющая тангенциальных сил.
Наиболее близким по технической сущности является выбранный за прототип (патент РФ №2296871 МПК F02B 75/26, 75/32, F01B 3/04, опубл. 10.04.2007.) «Многоцилиндровый бесшатунный оппозитный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания», в котором содержатся два закрепленных оппозитно на общем картере, как минимум, восьмицилиндровых блока с цилиндрами, расположенными симметрично и параллельно оси вала двигателя. В цилиндрах размещены поршни, попарно оппозитно закрепленные на штоках. Над каждым блоком цилиндров расположен газораспределительный узел. Картер выполнен в форме полого цилиндра с фланцами с обеих сторон, а во фланцах выполнены окна для поршневых штоков. В корпусе картера параллельно его оси выполнены, как минимум, четыре паза, а между фланцами над пазами в корпусе картера и параллельно им установлены планки с пазами. Вал двигателя имеет увеличенный в диаметре, по сравнению с двумя полуосями, центральный узел, расположенный в полости картера. На цилиндрической поверхности центрального узла вала выполнена замкнутая синусоидальная профильная канавка. Две полуоси вала с установленными на них подшипниками качения проходят через центральные отверстия в блоках цилиндров. Каждые четыре поршня с использованием двух штоков и жесткой перемычки между штоками попарно оппозитно соединены в Н-образные штоко-поршневые узлы. При этом на межштоковой перемычке перпендикулярно осям штоков и валу двигателя установлена ось с тремя роликами. Один из роликов входит в синусоидальную канавку, выполненную на боковой поверхности центральной части вала и передает полезную работу на вал двигателя, а два других ролика входят соответственно в паз картера и в паз направляющей планки, воспринимают тангенциальные нагрузки и обеспечивают перемещение штокопоршневого узла параллельно оси двигателя.
Недостатком данной конструкции является удар беговых роликов о стенку криволинейного паза барабана при смене направления движения поршней. Удар обусловлен наличием зазора между беговым роликом и стенкой паза, который необходим для нормальной работы механизма. Еще более опасным является то, что при ударе беговой ролик мгновенно меняет направление вращения. Поскольку массу вращающегося ролика невозможно мгновенно остановить, то на высоких скоростях работы происходят прижоги и задиры поверхностей контакта, приводящие к разрушению деталей и узла в целом. Клапанную систему газораспределения так же нельзя назвать простой и компактной, так как требуется установка направляющих втулок и пружин клапанов, что вкупе с кулачковыми дисками существенно увеличивает габариты, вес и сложность конструкции.
Полезная модель решает задачу повышения надежности работы поршневой машины. Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемой поршневой машине, содержащей два закрепленных оппозитно блока цилиндров, расположенных симметрично и параллельно оси вала, несущего в средней части барабан с выполненной по внешнему контуру замкнутой синусоидальной канавкой, контактирующей с беговыми роликами, размещенными на осях, закрепленных в средней части перемычки между поршнями, попарно оппозитно установленными в цилиндрах и два газораспределительных узла, на упомянутых осях размещено по два беговых ролика. Вторые ролики размещены на эксцентричной концевой части осей, а газораспределительные узлы выполнены в виде установленных на валу золотников, содержащих на притертой поверхности участки углублений, отходящих от впускных каналов в направлении к каналам выпуска рабочего тела, которое подается к золотникам по полому валу, заглушенному с противоположного конца. На золотниках между зонами подачи и отвода рабочего тела выполнены ступенчатые отверстия под пружины, а на перемычках между поршнями закреплены поводки, скользящие по стержням, связывающим блоки цилиндров.
Устройство и принцип работы поршневой машины поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг.1 - продольный разрез поршневой машины.
Фиг.2 - поперечный разрез поршневой машины по А-А на фиг.1.
Фиг.3 - разрез золотника поршневой машины по Б-Б на фиг.1.
Фиг.4 - разрез золотника по В-В на фиг.3.
Поршневая машина содержит блоки цилиндров 1, поршни 2, на перемычках 3 которых установлены оси 4 беговых роликов 5 и 6, причем, ролик 6 расположен на эксцентричной концевой части 7 оси 4. Другим концом оси 4 фиксируют поводки 8, скользящие по стержням 9, связывающим блоки цилиндров 1. При сборке, поворотом оси 4 до ее закрепления, беговые ролики 5 и 6 разводятся эксцентричным концом 7 оси 4 до прижима каждого к своей стенке замкнутой синусоидальной канавки 10 барабана 11 и катятся беззазорно каждый по своей ее стороне не меняя направления вращения, чем устраняется главная причина низкой работоспособности прототипа. Барабан 11 жестко закреплен на полом валу 12, заглушенном с одной стороны заглушкой 13. Рабочее тело, например, сжатый воздух, подается в полый вал 12 через крышку 14, а затем через отверстия 15 в золотниках 16 в цилиндры 17 блоков 1.
На золотниках 16 есть выемки 18 для выпуска отработавшего рабочего тела в полость между блоками цилиндров 1, откуда оно отводится через штуцер 19. Кроме того, золотники 16 содержат ступенчатые отверстия 20 с помещенными в них пружинами 21, которые упираются в шайбу 22, закрепленную на валу 12. На притертой конусной поверхности золотников выполнены углубления 23 для подачи дополнительной порции рабочего тела к впускным окнам 24 и из них в цилиндры 17.
Поршневая машина работает следующим образом: В полый вал 12 через крышку 14 под давлением подается рабочее тело, например, сжатый воздух, откуда он через отверстия 15 в золотниках 16 и окна 24 в блоках цилиндров 1 подается порционно в цилиндры 17, где начинает расширяться, перемещая поршни 2. При этом поршни 2 через перемычку 3, ось 4 и беговые ролики 5, 6 воздействуют на стенки замкнутой синусоидальной канавки 10 барабана 11, поворачивают вал 12, создавая полезный крутящий момент. Тангенциальные силы, возникающие от воздействия роликов 5, 6 на стенки синусоидальной канавки 10 барабана 11 воспринимаются поводком 8, скользящим по стержню 9, связывающему блоки 1. Вместе с валом 12 вращаются закрепленные на нем золотники 16, распределяя рабочее тело по цилиндрам 17.
При этом начало подачи рабочего тела совпадает с моментом прохождения поршнем верхней мертвой точки и интенсивно продолжается пока отверстие 15 золотника 16 и окно 24 впуска рабочего тела в цилиндр 17 не перестанут совпадать, после чего идет расширение порции рабочего тела, поданной в цилиндр.
Однако этой, поданной в цилиндр 17 отмеренной порции рабочего тела может оказаться недостаточно для создания на валу 12 необходимого, например, резко возросшего крутящего момента. Тогда вращение вала 12 будет замедляться, а в цилиндр 17 будет подана дополнительная порция рабочего тела через небольшое углубление 23, продолжающее соединять впускное отверстие 15 в золотнике 16 с окном 24 впуска рабочего тела в цилиндр 17. Подача дополнительной порции рабочего тела в цилиндр 17 будет продолжаться до тех пор, пока концевая часть углубления 23 не перестанет контактировать с впускным окном 24. И, чем медленнее будет вращаться вал 12, тем больше рабочего тела поступит в цилиндр 17, увеличивая тем самым крутящий момент на валу 12. И наоборот, с ростом оборотов вала 12, все меньшая порция рабочего тела успевает поступить в цилиндры 17 через отверстие 15 и углубление 23 в золотнике 16, снижая создаваемый на валу 12 крутящий момент.
После того, как поршень 2 придет в нижнюю мертвую точку, к окну 24 подойдет выемка 18 золотника 16, через которую ходом поршня 2 до верхней мертвой точки отработавшее рабочее тело будет вытеснено в пространство между блоками цилиндров 1, откуда оно удаляется через штуцер 19.
Золотник 16 поджат к притертой конусной газораспределительной поверхности пружинами 21, которые упираются в закрепленную на валу 12 шайбу 22.
Синусоидальной канавкой 10 барабана 11, содержащей два периода синусоиды с амплитудой, равной ходу поршня, обеспечивается парное встречное движение поршневых блоков, что обеспечивает полную сбалансированную уравновешенность движущихся масс поршневой машины, причем, когда две пары поршней находятся в мертвых точках, другие две пары, двигаясь навстречу друг другу, осуществляют вращение барабана 11 и вала 12, поворачивая их на 90° каждым ходом поршневого блока от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки.
Поскольку рабочее тело циркулирует по замкнутому циклу - поршневая машина - компрессор - поршневая машина, то для смазки всех движущихся частей, достаточно имеющихся в рабочем теле взвешенных масляных частиц.
В результате изложенных принципов устройства и работы поршневой машины при подаче на нее от узла управления рабочего тела с параметрами давления от долей атмосферы до нескольких атмосфер, поршневая машина позволяет работать в широком диапазоне оборотов и величин крутящих моментов при высокой надежности работы всех ее узлов.