Прямозубый насос
STRAIGHT-TOOTHED PUMP

Изобретение относится к области гидравлических машин и может быть использовано при создании высокопроизводительных компактных роторных насосов низкого и среднего давления.
Известна прямозубая машина объемного действия, содержащая ротор с зубом, размещенные в цилиндре, причем зуб выступает над ротором, и радиус этого выступа равен радиусу цилиндра (см., например, патент РФ патент РФ на полезную модель №111211, МПК F04C 18/56, опубликован 10.12.2011).
Известна также прямозубая машина объемного действия, содержащая ротор с зубом, жестко соединенные с приводным валом, и размещенные в цилиндре, перекрытом торцовыми крышками, причем зуб выступает над ротором, и радиус этого выступа равен радиусу цилиндра, который снабжен всасывающим окном и нагнетательным клапаном, и имеющая устройство для прохода зуба в зоне этого окна и клапана (см., например, патент РФ на изобретение №2520774, МПК F04C 3/02, опубликован 27.06.2014).
Недостатком известных конструкций является их большие материалоемкость и габариты, а также технологическая сложность изготовления, т.к. как в этих конструкциях устройство для прохода зуба в зоне всасывающего окна и нагнетательного клапана выполнено в виде дополнительного диска со впадиной, диаметр которого несколько больше диаметра цилиндра, этот диск приводится во вращение через коническую передачу, имеет свой вал с подшипниками, должен быть накрыт герметизирующей крышкой, и ось его вращения должна быть строго перпендикулярна оси вращение ротора.
Технической задачей изобретения является кардинальное снижение материалоемкости и габаритов, уменьшение технологической сложности и стоимости изготовления насоса.
Указанная задача решается тем, что в прямозубом насосе, содержащем ротор с зубом, жестко соединенные с приводным валом, и размещенные в цилиндре, перекрытом торцовыми крышками, причем зуб выступает над ротором, и радиус этого выступа равен радиусу цилиндра, который снабжен всасывающим окном и нагнетательным клапаном, в зоне которых расположено устройство для прохода зуба, согласно изобретению, устройство выполнено в виде запорного штыря, расположенного тангенциально к окружности цилиндра и поджатого пружиной в направлении, противоположном движению зуба по окружности, причем это движение ограничено упором, а при вращении ротора боковая поверхность зуба имеет возможность контактировать с торцовой поверхностью штыря. Упор выполнен в виде ступеньки на окружности цилиндра. Контакт боковой поверхности зуба и торцовой поверхности штыря выполнен в виде эвольвентного зацепления типа зуб-рейка.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан фронтальный вид насоса со снятой крышкой.
На фиг.2 – ВИД I на фиг.1
На фиг. 3 – разрез В-В на фиг.1
На фиг. 4 – разрез Г-Г на фиг.1
На фиг 5-10 показана последовательность работы насоса, в том числе:
- на фиг. 5 изображен момент, в котором зуб начинает контактировать с запорным штырем и отжимать его после окончания процесса нагнетания,
- на фиг. 6 - зуб оканчивает отжимать запорный штырь и начинает перекрывать всасывающее окно,
- на фиг. 7 - зуб перестает действовать на запорный штырь, и штырь под действием пружины начинает движение в сторону нагнетательного клапана, а зуб отсекает полностью всасывающее окно, и в полости насоса, расположенной перед зубом, начинается процесс нагнетания жидкости,
- на фиг. 8 запорный штырь полностью разделяет полость насоса на две части, за зубом открывается всасывающее окно и начинается процесс всасывания, процесс нагнетания в полости перед зубом продолжается,
- на фиг. 9 показано положение, при котором зуб заканчивает перекрывать нагнетательный клапан,
- на фиг. 10 показано окончание процессов всасывания и нагнетания в тот момент, когда зуб перестает разделять цилиндр на две чести и начинает сжимать перед собой жидкость, давление которой отжимает запорный штырь.
R
Насос состоит (фиг. 1-4) из ротора 1 с зубом 2, жестко соединенных с приводным валом 3, и размещенных в цилиндре 4, перекрытом торцовыми крышками 5 и 6. Зуб 2 выступает над ротором 1, и радиус  этого выступа равен радиусу окружности 7 цилиндра 4. Цилиндр 4 снабжен всасывающим окном 8 и нагнетательным клапаном 9 и имеет устройство для прохода зуба в зоне этого окна и клапана, которое выполнено в виде запорного штыря 10, расположенного тангенциально к окружности 7 цилиндра 4 и поджатого пружиной 11 в направлении, противоположном движению зуба по окружности (показано стрелкой). Это движение ограничено упором 12, который выполнен в виде ступеньки на окружности 7 цилиндра 4. Контакт боковой поверхности зуба и торцовой поверхности штыря 10 выполнен в виде эвольвентного зацепления типа зуб-рейка (фиг. 2). Для регулировки усилия пружины 11 служит нажимной болт 13, положение которого фиксируется контргайкой 14. Пружина 11 в положении казанном на фиг. 1, отрегулирована на давление, несколько (на 0,2-0,3 бар) выше давления нагнетания. Вращение ротору 1 передается через шпонку 15 от приводного вала 3. Крышки 5, 6 и цилиндр 4 стянуты по плоскости болтовыми соединениями 16. Между цилиндрической поверхностью ротора 1 и окружностью 7 цилиндра 4 при сборке насоса образована рабочая полость 17. Вал 3 вращается в подшипнике 18, уплотнение 19 предотвращает утечки рабочей жидкости.
Насос работает следующим образом (фиг. 1, 2, 5-10).
В положении, указанном на фиг. 1, нагнетательный клапан 9 соединен через полость 17 со всасывающим окном 8, находится под перепадом давления нагнетания и всасывания, и поэтому закрыт. Зуб 2 вместе с ротором 1, получающий вращение от вала 3 (направление вращения показано стрелкой) своей боковой частью давит на запорный штырь 10 и передвигает его вправо по чертежу, сжимая длинную пружину 11. При этом жидкость не всасывается и не нагнетается.
Далее (фиг. 5) зуб 2 продолжает отодвигать запорный штырь 10, при этом объем полости 17 практически не изменяется, и жидкость в ней остается неподвижной.
Затем (фиг. 6) зуб 2 отодвигает запорный штырь 10 на максимальную величину и начинает перекрывать всасывающее окно 8. Но оно все еще соединено через полость 17 с нагнетательным клапаном 9, и этот клапан продолжает оставаться закрытым под действием перепада давления.
При дальнейшем повороте ротора 1 зуб 2 отсекает правую часть полости 17 от окна 8, однако оно продолжает оставаться соединенным с нагнетательным клапаном 9, который продолжает оставаться закрытым. В это время запорный штырь 10 освобождается от зуба 2 и начинает под действием пружины 11 двигаться влево по чертежу, несколько сокращая общий объем полости 17, в связи с чем небольшая часть жидкости вытекает назад к источнику через окно 8.
Далее (фиг. 8) запорный штырь 10 доходит до упора 12, отсекая окно 8 от нагнетательного клапана 9, а зуб 2 проходит окно 8, в результате чего полость 17 оказывается разделенной на две части. Одна часть находится перед зубом 2 и соединена с нагнетательным клапаном 9, а другая - позади зуба 2 и соединена с окном всасывания 8.
С этого момента (фиг. 9) начинается увеличение объема полости 17, находящегося позади зуба 2 (запорный штырь 10 неподвижен), и в ней происходит процесс всасывания. В то же время происходит уменьшение объема полости 17, находящейся перед зубом, в ней жидкость сжимается до давления нагнетания, и она через нагнетательный клапан 9 поступает потребителю до тех пор, пока зуб 2 не перекроет нагнетательный клапан (фиг. 10), и далее откроет его в направлении полости 17, находящейся позади зуба. Это приводит снова к соединению нагнетательного клапана 9 с окном 8 и его закрытию под действием перепада давления.
В то же время между зубом 2 и запорным штырем 10 образуется небольшое замкнутое пространство, в котором при движении зуба 2 давление поднимается выше давления нагнетания, и жидкость, находящаяся в этом объеме, уже начинает перемещать запорный штырь 10 вправо. В связи с этим зуб 2 «догоняет» запорный штырь 10 с небольшой скоростью, и при их соприкосновении удара не происходит.
Выполнение упора в виде ступеньки позволяет точно и однозначно определить крайнее положение запорного штыря 10, а изготовление контактирующих поверхностей зуба 2  и запорного штыря 10 в виде эвольвентного зацепления исключает активное трение зуба о запорный штырь и увеличивает ресурс работы насоса.
Предложенное техническое решение позволяет снизить массу и габариты прямозубого насоса практически вдвое, кардинально упростить конструкцию и технологию ее изготовления, а также кратно снизить стоимость готового изделия.
В связи с этим следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.