Аксиально-поршневая гидромашина

Полезная модель относится к роторным гидромашинам объемного действия, предназначенным для использования в гидроприводах машин и оборудования.
Известен аксиально-поршневой насос с наклонным диском [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М: Машиностроение, 1982. – 423 с, С. 319–320, рис. 3.31], содержащий блок цилиндров, соединенный с валом шлицами с одной стороны, плунжеры, размещенные в цилиндрах блока, опирающиеся на наклонный диск через гидростатические опоры со сферическими шарнирами и распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к блоку цилиндров с другой его стороны.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются блок цилиндров, вал, плунжеры, размещенные в цилиндрах блока, сферические шарниры и распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к торцу блока цилиндров.
Недостатками рассмотренного аксиально-поршневого насоса с наклонным диском являются:
во-первых то, что из-за увеличения контактных нагрузок между башмаками и наклонным диском угол его наклона относительно оси блока как правило не превышает 15 – 18°, поэтому рабочий объем у рассмотренного насоса (и подобных ему гидромашин) 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];
во-вторых недостатком является то, что в блоке цилиндров выполнен по окружности только один ряд цилиндров, совместно с плунжерами, размещенными в них и распределительным диском, образующими в совокупности один качающий узел; в блоке цилиндров отсутствуют меньшие по диаметрам цилиндрические полости в межцилиндровых зонах и поршни в них, которые могли бы образовать второй качающий узел, что могло бы позволить существенно увеличить рабочий объем насоса, его подачу и мощность при почти неизменных габаритах блока цилиндров и насоса в целом.
Известна также 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 торцу блока цилиндров с другой его стороны; 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 второго аналога с заявляемой полезной моделью являются вал, блок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах блока, дополнительные поршни меньшего диаметра, размещенные в своих цилиндрах, выполненных соосно оси блока в межцилиндровых зонах основных цилиндров и распределительный диск, прилегающий к торцу блока цилиндров, с основными серповидными окнами и перемычками между ними и дополнительными серповидными окнами с перемычками между ними, сообщенные прорезями с основными серповидными окнами.
Недостаток второго рассмотренного аналога состоит в том, что у данной аксиально-поршневой гидромашины с наклонной шайбой из-за высоких контактных нагрузок между башмаками и наклонной шайбой угол ее наклона относительно оси блока как правило 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.
ц
3
В качестве прототипа принята аксиально-поршневая гидромашина с наклонным блоком [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М: Машиностроение, 1982, рис. 3.290-а, стр. 316 – 325] содержащая блок цилиндров, выполненных по одной окружности диаметром D, ось которого наклонена к оси вращения приводного вала, в ведущий диск приводного вала заделаны в сферические шарниры головки шатунов, которые своими противоположными концами заделаны в сферические шарниры поршней. Вращение блока цилиндров осуществляется шатунами, которые прилегают к юбкам поршней изнутри и давят на них своими конусными шейками. [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М: Машиностроение, 1982, рис. 3.32, стр. 321]. Рабочий объем гидромашины определяется по формуле, м:
0
ц
V = SD tg β·z,                                                  (1)
2
ц
где S – площадь поршня, м, D – диаметр по осям цилиндров блока, м, β – угол
ц
наклона оси блока к оси приводного вала, z – число цилиндров в блоке (или количество поршней, которое обычно равно 7 или 9), а произведение D tg β равно полному ходу поршня.
При вращении блока вокруг своей оси и вращении приводного вала вместе со свои ведущим диском, поршни в цилиндрах совершают возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через каналы в противоположной торцевой части блока, которая имеет сферическую поверхность, прилегающую к сферической поверхности неподвижного распределительного диска, в центральное отверстие которого вставлен противоположный конец оси блока цилиндров. Распределительный диск имеет серповидные окна и перемычки между ними, отделяющие полость всасывания от напорной полости. При повороте блока на 360° каждый поршень сначала всасывает рабочую жидкость через серповидное окно (при повороте на 180°), связанное со всасывающим окном в распределительном диске, а затем, пройдя через соответствующую перемычку, через другое серповидное окно, связанное с нагнетательным окном в распределительном диске, вытесняет через него рабочую жидкость в гидросистему (при повороте на другие 180°).
Общими признаками прототипа с заявляемой полезной моделью являются шатуны, имеющие конусные шейки, блок цилиндров, ось блока, приводной вал с ведущим диском, ось которого наклонена к оси блока на угол β , сферическая головка оси блока, заделанная в сферический шарнир в центре ведущего диска, сферические головки шатунов, заделанные в сферические шарниры ведущего диска, противоположными концами, закрепленные в сферических шарнирах поршней с удлиненными юбками, размещенных в цилиндрах блока, торцевая часть блока, имеющая сферическую поверхность и прилегающая к сферической поверхности распределительного диска с серповидными окнами и перемычками между ними, в центральное отверстие которого вставлен противоположный конец оси блока, в торцевой части блока, выполнены каналы, соединяющие цилиндры блока с серповидными окнами.
ц
Недостатком прототипа является то, что в блоке цилиндров выполнен по окружности только один ряд цилиндров по диаметру D, совместно с поршнями, размещенными в них и распределительным диском, образующими вместе один качающий узел и не используются межцилиндровые зоны, где могли бы быть выполнены дополнительные цилиндры с поршнями меньшего диаметра, которые могли бы образовать второй качающий узел и существенно увеличить рабочий объем гидромашины.
Заявляемая полезная модель направлена на значительное увеличение рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.
ц
Указанный технический результат достигается тем, что аксиально-поршневая гидромашина содержит блок цилиндров, выполненных по одной окружности диаметром D, ось которого наклонена к оси приводного вала под углом β (например 30°), в ведущий диск приводного вала заделаны в сферические шарниры головки шатунов, которые своими противоположными концами заделаны в сферические шарниры поршней. Вращение блоку цилиндров задается шатунами, которые прилегают к юбкам поршней изнутри и давят на них своими конусными шейками. При вращении блока поршни совершают в цилиндрах возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через каналы в торцевой части блока, которая имеет сферическую поверхность, прилегающую к сферической поверхности распределительного диска, в центральное отверстие которого вставлен противоположный конец оси блока цилиндров, а сам распределительный диск имеет серповидные окна и перемычки между ними, отделяющие полость всасывания от напорной полости. При повороте блока на 360° каждый поршень сначала всасывает рабочую жидкость через серповидное окно при повороте на 180°, связанное со всасывающим окном в распределительном диске, а затем, пройдя через перемычку между серповидными окнами, через другое серповидное окно, связанное с нагнетательным окном в распределительном диске, вытесняет через него рабочую жидкость в гидросистему при повороте на другие 180°.
ц
При увеличенном в заявляемой полезной модели на 10% диаметре блока в его межцилиндровых зонах основных цилиндров, расположенных по диаметру Dвыполнены соосно оси блока дополнительные цилиндры меньшего диаметра, где размещены дополнительные поршни на половину меньшего диаметра основных поршней, при этом в сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены малые головки дополнительных шатунов, а большие их головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущем диске, выполненные в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска, а в распределительном диске прорезаны дополнительные серповидные окна с перемычками между ними, при этом серповидные окна распределительного диска сообщены прорезями с дополнительными серповидными окнами и отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. При вращении блока дополнительные поршни также совершают в своих дополнительных цилиндрах возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через свои каналы в торцевой части блока и дополнительные серповидные окна так же как и основные поршни: при повороте блока на 180° каждый дополнительный поршень всасывает рабочую жидкость через дополнительное серповидное окно, связанное со всасывающим окном в распределительном диске, а затем после прохождения перемычки, через другое серповидное окно, связанное с нагнетательным окном в распределительном диске, вытесняет через него рабочую жидкость в гидросистему при повороте на другие 180°. При этом дополнительные поршни изготовлены с короткими юбками так, что их дополнительные шатуны не прилегают к юбкам изнутри и не давят на них для передачи вращения блоку цилиндров, а шатуны основных поршней выполнены утолщенными для передачи через удлиненные юбки повышенного крутящего момента, увеличившегося рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.
При увеличении наружного диаметра блока цилиндров на 10 % диаметры дополнительных цилиндров могут быть в два раза меньше диаметров основных, тогда их площади будут меньше в четыре раза. При этом ход дополнительных поршней, определяется по формуле, м:
д
д
h = D tg β,
д
ц
где D – диаметр по осям дополнительных цилиндров, м, и он больше диаметра по осям основных цилиндров D.
Рабочий объем рассматриваемой аксиально-поршневой гидромашины будет определяться суммой:
0
ц
д
V= SD tg β·z+ 0,25 SD tg β·z                             (2)
ц
д
3
3
При диаметре основных поршней, например, 25 мм, диаметре D равном 88,5 мм, диаметре D равном 116,8 мм и z= 9 рабочий объем исходной гидромашины (прототипа), определенный по формуле (1) равен 225,48 см, а рабочий объем новой гидромашины по заявляемой полезной модели, рассчитанной по формуле (2) будет равен 300 см, т. е. увеличится на 33 %, а это существенное увеличение рабочего объема.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели от прототипа являются дополнительные шатуны, малые головки которых закреплены в сферических шарнирах дополнительных поршней, их 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 изготовлены с короткими юбками, дополнительные шатуны не прилегают к ним, а шатуны основных поршней выполнены утолщенными из-за увеличенного рабочего объема и повышенного крутящего момента.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана аксиально-поршневая гидромашина с наклонным блоком с дополнительными поршнями в продольном разрезе.
На фиг. 2 показан ее блок цилиндров со стороны ведущего диска.
На фиг. 3 показан вид на торец ведущего диска со стороны блока цилиндров.
На фиг. 4 показан вид на блок цилиндров гидромашины со стороны распределительного диска.
На фиг. 5 показан разрез А-А распределительного диска гидромашины с серповидными окнами и отверстиями для всасывания и нагнетания рабочей жидкости.
ц
п
Аксиально-поршневая гидромашина содержит приводной вал, фиг. 1, выполненный как одно целое с ведущим диском 1. Приводной вал установлен в подшипниках 2, размещенных в корпусе 3. Блок цилиндров 4 наклонен к оси приводного вала на угол β и посажен на ось 5 с зазором, обеспечивающим возможность блоку 4 само устанавливаться своей сферической торцевой поверхностью на сферической поверхности распределительного диска 6, закрепленного на задней стенке 7 гидромашины, закрепленной на ее корпусе 3 болтами 8. В блоке цилиндров 4 по окружности диаметром D выполнены девять основных цилиндров 9, а по окружности диаметром D в межцилиндровых зонах основных цилиндров (см. так же фиг. 2) выполнены дополнительные девять цилиндров 10. В основные цилиндры 9 вставлены основные поршни 11 с удлиненными юбками, а в дополнительные цилиндры 10 вставлены короткие дополнительные поршни 12.
Ось 5 имеет сферическую головку, заделанную в сферический шарнир в центре ведущего диска 1 и другим своим концом вставлена в центральное отверстие распределительного диска 6 (см. фиг. 3). В ведущем диске 1 в сферические шарниры заделаны головки основных утолщенных (по сравнению с прототипом) шатунов 13, которые своими противоположными концами заделаны в сферические шарниры основных поршней 11. Кроме того, в ведущем диске 1 в сферические шарниры, выполненные в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска 1, заделаны головки дополнительных шатунов 14, которые своими другими концами заделаны в сферические шарниры дополнительных поршней 12.
В торцевой сферической части блока 4, фиг. 1 и фиг. 4, прорезаны соединительные каналы 15 основных цилиндров 9 и дополнительные соединительные каналы 16 дополнительных цилиндров 10. Каналы 15 сообщаются с основными серповидными окнами 17 распределительного диска 6, фиг. 5, а каналы 16 сообщаются с дополнительными серповидными окнами 18. Серповидные окна 17 и 18 с левой стороны распределительного диска 6 соединены прорезью 19, которая сообщена с отверстием 20 для всасывания жидкости. Серповидные окна 17 и 18 с правой стороны распределительного диска 6 соединены прорезью 21, которая сообщена с отверстием 22 для нагнетания жидкости.
Аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. При вращении приводного вала вместе со своим ведущим диском 1 и блока цилиндров 4 вокруг своей оси 5, поршни основные 11 и дополнительные 12 в своих цилиндрах 9 и 10 совершают возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через каналы 15 и 16 в торцевой сферической части блока, которая плотно прилегает к сферической поверхности распределительного диска 6 в процессе работы аксиально-поршневой машины. По мере поворота блока на 360° каждый поршень, как основной 11 так и дополнительный 12 сначала всасывает рабочую жидкость через свои серповидные окна 17 и 18 (при повороте на 180°), прорезь 19 и отверстие 20 в соответствующий цилиндр. Затем каждый из упомянутых поршней, пройдя через соответствующие перемычки, разделяющие серповидные окна 17 и 18 с левой и правой сторон распределительного диска 6, при повороте блока 4 на следующие 180° через другие серповидные окна (с правой стороны распределительного диска, фиг. 5), вытесняет жидкость под давлением через прорезь 21 и отверстие 22 для нагнетания жидкости.
Одновременная работа девяти основных и девяти дополнительных поршней увеличивает подачу насоса за счет большего рабочего объема, который определяется по формуле (2):
0
ц
д
V= SD tg β·z+ 0,25 SD tg β·z.
ц
д
3
При диаметре основных поршней, например, 25 мм, диаметре D равном 88,5 мм, диаметре D равном 116,8 мм и z= 9 (см. фиг. 1 и 2) рабочий объем исходной гидромашины (по прототипу, но только с девятью основными поршнями) равен (формула 1), см:
0
ц
3
V = SD tg β·z = 225,48 см,
3
а рабочий объем двухрядной гидромашины по заявляемой полезной модели, определенный по формуле (2) будет равен 300 см, т. е. увеличится на 33 %, а это существенное увеличение рабочего объема.
3
3
Но если сравнить разные типы аксиально-поршневых гидромашин, то у аксиально-поршневой гидромашины с наклонным блоком рабочий объем при угле β = 30° составит 300 см, а у аксиально-поршневой гидромашины с наклонным диском при β = 18° и тех же параметрах блока, рабочий объем будет равен 166,5 см. Отношение рабочих объемов 300/166,5 равно 1,8, то есть эффективность применения двухрядных блоков цилиндров в аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным блоком больше на 80%.
Таким образом достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно увеличение рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.