СПИРАЛЬНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД
SPIRAL HYDRAULIC DRIVE

Изобретение относится к области общего машиностроения, а именно к поворотным гидравлическим приводам, обеспечивающим вращение исполнительного механизма за счет трансформации осевого поступательного движения поршня во вращательное движение вала.
Решаемая изобретением техническая задача заключается в следующем Спиральные гидравлические приводы являются частным случаем неполноповоротных гидродвигателей на основе гидроцилиндра со встроенной винтовой парой. Они отличаются от ранее рассмотренных приводов способом преобразования поступательного движения штоко-поршневой группы во вращательное движение выходного вала, который построен на использовании способности гайки, при определенном угле наклона резьбовой пары, преобразовывать поступательное перемещение парного винта во вращательное движение. Преимуществом данного типа приводов является возможность создания больших крутящих моментов на выходном валу, без увеличения габаритных размеров и давления масла, увеличение которого пропорционально отношению длины окружности резьбы к ее шагу. Поскольку поршень находится внутри корпуса, а наружу выведен вращающийся вал, отсутствует вынос рабочей жидкости характерный для возвратно-поступательно двигающихся штоков. Недостатки механизма типичны для всех типов приводов рулевых машин с зубчатыми передачами, так наличие встроенной резьбовой пары в определенной степени снижает его КПД и увеличивает чувствительность механизма к ударным нагрузкам.
Спиральные гидравлические приводы широко применяются в станочной, конвейерной, грузоподъемной, строительно-дорожной и сельскохозяйственной технике с середины XX века. В судостроении они применяются, в основном в качестве гидрошарнира в системах различных закрытий. Удобство применения винтового шарнира заключается в возможности встраивания его непосредственно в ось вращения закрытия или аппарели. Использование для этой цели гидроцилиндров потребовало бы создания дополнительных опор и рычагов которые к тому же «съедают» габарит проема. Существенно и то, что применение схем с гидроцилиндрами конструктивно затруднено при необходимости совершения поворота на угол более 120 градусов. У винтового шарнира максимальный угол поворота пропорционален длине винтовой нарезки, то есть за счет увеличения линейного габарита можно достигнуть большего значения угла поворота.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен спиральный гидравлический привод по заявке WO 198301492, в котором вал и корпус выполнены с возможностью применения в качестве поворотного привода исполнительного механизма, при этом привод оснащен демпфирующей системой состоящей из набора каналов соединяющих рабочие полости, в том числе с установленными в них байпасными шаровыми клапанами.
Недостатком данной конструкции является не способность работать на высоких скоростях перекладки, так как при наличии каналов малого сечения и при высоком требуемом расходе рабочей жидкости и соответственно высокой скорости потока в данных каналах будет возникать высокое сопротивление потоку и избыточный нагрев, который потребует дополнительного охлаждения рабочей жидкости. При этом данный цилиндр требователен к чистоте рабочей жидкости из-за наличия шаровых клапанов установленных в каналах вала. Кроме того в конструкции цилиндра применен особый радиальный подшипник жестко связанный с валом привода. Применение данного подшипника делает привод неремонтопригодным. В аналоге также присутствуют упорные подшипники скольжения, требующие внешнего подвода смазки, а значит и регулярного обслуживания привода, таким образом установка привода в труднодоступные места также не представляется возможной.
Известен спиральный гидравлический привод по заявке US 20120263616, в котором центровка вала осуществляется посредством двух опорно-упорных подшипников качения установленных в резьбовые крышки привода.
Недостатком данной конструкции является то, что выбранная схема установки подшипников требует при сборке выставления гарантированных зазоров, при этом возможность измерения величины зазоров не возможна. При закручивании крышек подшипники могут быть зажаты вызывая перекос подшипника. Перекос подшипников и вала в таком случае будет провоцировать повышенный износ в подшипниках качения. Недостатком данного привода является вал, имеющий два шлицевых хвостовика под исполнительный механизм, каждый из которых может воспринимать только половину расчетной нагрузки. При этом с одной стороны вал имеет проточку под установку закладной подшипникового узла, которая уменьшает рабочее сечение вала, создает концентратор напряжения и делает вал не равнопрочным. Недостатком данной конструкции является то, что выбранная схема установки подшипников требует при сборке выставления гарантированных зазоров, при этом возможность измерения величины зазоров не возможна. При закручивании крышек подшипники могут быть зажаты вызывая перекос подшипника. Перекос подшипников и вала в таком случае будет провоцировать повышенный износ в подшипниках качения. Кроме того, в данном приводе реализована схема состоящая из трех опор двух подшипников и резьбовой втулки между ними, что представляет собой статически неопределимую систему. При этом для обеспечения соосности трех опор и собираемости требуется наличие увеличенных зазоров как в спиральных зацеплениях, так и в уплотнительных узлах поршня, что ухудшает характеристики соединения, уменьшает срок службы уплотнительных элементов и резьбовой пары.
Известен спиральный гидравлический привод по патенту US 4373426, который выбран нами в качестве прототипа.
В данном спиральном приводе вращающийся вал установлен на одной опоре представляющей собой сдвоенный подшипник качения, а поршень перемещается в отдельной камере жестко связанной с корпусом привода. Спиральная втулка приварена к корпусу, а поршень выполнен таким образом, что спиральная часть и скользящая части поршня соединены между собой посредством резьбового соединения.
Недостатком данного технического решения является то, что применение составной конструкции корпуса из раздельных, соединяющихся посредством болтов камер усложняет выполнение механической обработки деталей, центровку и сборку шлицевых зацеплений. При этом такой вид соединения нерационален с точки зрения массогабаритной характеристики привода. При этом корпус выполнен из нескольких частей соединенных при помощи сварки, при этом спиральная втулка корпуса должна быть механически обработана до проведения ее вваривания в корпус, а значит точность ее установки и точность изготовления спирали и ее ресурс будут значительно снижены за счет наличия сварочных перекосов и термического влияния (перекаливания). Кроме того, применение двух раздельных подшипников качения разделенных сепарирующим кольцом и поджатых гайкой с плоской шайбой может привести к смятию шайбы в процессе работы из-за высоких значений знакопеременных нагрузок в соединении, смещению внутреннего кольца наружного подшипника, что в свою очередь может привести к заклиниванию и последующему разрушению подшипника. Поскольку в прототипе подшипниковый узел выполнен таким образом, что внутреннее кольцо внутреннего подшипника качения является ограничителем хода для спиральной части поршня, то эта часть поршня и воспринимает возможные прямые ударные нагрузки, которые могут привести к деформации внутреннего кольца подшипника, что в свою очередь может привести к заклиниванию и последующему разрушению подшипника.
Задачей изобретения является создание спирального гидравлического привода, способного к вращению исполнительного механизма, не имеющего дополнительных внешних опор, способного воспринимать комбинированные нагрузки изгиб-кручение-сдвиг в сочетании с единичными ударными нагрузками, имеющего улучшенные показатели надежности, ремонтопригодности, а также уменьшенные трудозатраты на монтаж, ремонт и обслуживание в процессе эксплуатации.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно изобретению спиральный гидравлический привод, содержащий неподвижно закрепленный корпус, состоящий из цилиндра, втулки со спиральной навивкой, подшипника и крышек, жестко связанных с цилиндром, вал, с выполненной спиральной навивкой, соединенный с поворотной частью исполнительного механизма, поршня, с выполненной спиральной навивкой на его внешней и внутренней стороне, делящий цилиндр на две полости с рабочей жидкостью, характеризуется тем, что поршень состоит из нескольких частей соединенных винтами с уплотняющими элементами, а установленные в поршне направляющие колец, выполнены обеспечивающими восприятие комбинированных нагрузок по типу изгиб-кручение-сдвиг и единичных ударных нагрузок, при этом втулка со спиральной навивкой выполнена съемной, закрепляемой в корпусе на штифтах, а установленный в корпусе двухрядный радиально-упорный роликовый конический подшипник повышенной несущей способности выполнен воспринимающим комбинированные нагрузки, при этом установлена стопорная разрезная гайка, предотвращающая смещение внутренних колец подшипника.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленный спиральный гидравлический привод снабжен поршнем, выполненным в виде двухсторонней скользящей опоры, позволяющей воспринимать комбинированные внешние нагрузки, приходящие на вал привода. В разборном поршне соединение частей поршня производится за счет винтов, установленных с использованием уплотнительных шайб. Центровка части поршня со спиральной навивкой производится за счет установки в канавку, выполненную с высокой точностью. Данное решение позволяет заменять часть поршня со спиральной навивкой в случае ее повреждения без дополнительных манипуляций по центрированию, а применение винтов с уплотнительными шайбами повышает герметичность соединения, а также надежность и ремонтопригодность изделия в целом. Кроме того, поршень обеспечивает функцию скользящей и центрирующей опоры, и позволяет приводу воспринимать комбинированные нагрузки по типу изгиб-кручение-сдвиг, в том числе способный воспринимать единичные ударные нагрузки без потери работоспособности, тем самым позволяя устанавливать исполнительный механизм напрямую на вал привода без дополнительных внешних опор. При этом привод способен воспринимать также нагрузки, возникающие при ускорении или замедлении вращения исполнительного механизма. С учетом этого привод можно применять в качестве опоры исполнительного механизма.
Помимо этого, указанный технический результат является следствием того, что на поршне установлено два направляющих кольца из полимерных материалов, имеющих высокую несущую способность, что придает поршню функцию скользящей центрирующей опоры. При этом сам поршень выполнен разборным, что позволяет применять различные комбинации материалов для изготовления уплотняющей и спиральной части, а также производить быструю замену вышедших из строя элементов. Втулка со спиральной навивкой является съемной, при этом ее стопорение в корпусе производится штифтами. В качестве одной из опор воспринимающих нагрузку применен двухрядный радиально-упорный роликовый конический подшипник повышенной несущей способности, стопорение внутренней части которого производится с помощью разрезной гайки.
В заявленном приводе установлен двухрядный радиально-упорный роликовый конический подшипник повышенной несущей способности, в котором внешнее кольцо является единым для обеих частей подшипника, а нижние кольца выполнены раздельными с промежуточным кольцом. При этом подшипник стопорится на валу с помощью разрезной гайки без использования шайб. Использование такой компоновки позволяет жестко закрепить подшипник на валу и предотвратить возможные перемещения внутренних колец под воздействием нагрузки.
В заявленном приводе втулка со спиральной навивкой выполнена съемной, закрепляемой в корпусе с помощью штифтов. При этом во втулке имеется несколько канавок для установки уплотнительных колец, обеспечивающих отсутствие утечек рабочей жидкости через зазоры в штифтовом соединении. Данное решение позволяет заменять втулку в случае механических повреждений спиральной навивки, что в свою очередь повышает ремонтопригодность привода.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез по заявленному спиральному гидравлическому приводу.
Спиральный гидравлический привод включает в себя корпус, состоящий из цилиндра поз. 1, крышек поз. 2 и поз. 3 вворачивающихся в цилиндр, и втулки со спиральной навивкой поз. 4, устанавливаемой в цилиндр поз. 1 с помощью штифтов поз. 5. Защита от внешних утечек по штифтам поз. 5 втулки поз. 4 обеспечивается уплотнительными элементами поз. 6 установленными во втулке поз. 4. При этом корпус жестко крепится к фундаменту или корпусу исполнительного механизма за счет отверстий поз. 7 в цилиндре поз. 1. Корпус может быть изготовлен с лапами или иными приспособлениями для крепления к фундаменту или корпусу исполнительного механизма. Вал поз. 8 и поршень поз. 9 устанавливаются в корпус, при этом вал поз. 8 с одной стороны жестко соединяется с поворотной частью исполнительного механизма при помощи шлицевой нарезки поз. 10 на валу, а с другой стороны жестко связан с корпусом через подшипник поз. 24. Отверстие поз. 11 в валу поз. 8 служит для стопорения вращающейся части исполнительного механизма при помощи болта или винта. Поршень поз. 9 выполняется из двух частей, соединяемых при помощи винтов поз. 12 и уплотнительных колец поз. 13. Поршень поз. 9 делит цилиндр на две полости поз. 14 и поз. 15 имеющие равную уплотняемую площадь, в которые подается рабочая жидкость. В поршне поз. 9 установлены упругие уплотнительные элементы поз. 16 и поз. 17 обеспечивающие защиту от перетечек рабочей жидкости между полостями поз. 14 и поз. 15. В поршне поз. 9 установлены направляющие кольца поз. 18 и поз. 19, обеспечивающие восприятие радиальной нагрузки и позволяющие поршню поз. 9 выполнять функцию скользящей и центрирующей опоры. Поршень поз. 9 устанавливается таким образом, что внешняя спиральная навивка поз. 20 поршня входит в зацепление со спиральной навивкой поз. 21 втулки поз. 4, а внутренняя спиральная навивка поз. 22 входит в зацепление с навивкой поз. 23 вала. В качестве второй опоры применен двухрядный подшипник качения поз. 24 жестко установленный в цилиндре поз. 1 и поджатый по внутренним кольцам валом поз. 8 и разрезной самостопорящейся гайкой поз. 25, а по внешнему кольцу крышкой поз. 2. Защита от внешних утечек обеспечивается упругими уплотнениями поз. 26 и поз. 27 в крышках, а защита от попадания пыли и инородных частиц в привод обеспечивается грязесъемником поз. 28. Максимальный угол поворота вала поз. 8 и исполнительного механизма зависит от длины и угла спиральной навивки на поршне поз. 9 и валу поз. 8 и теоретически неограничен.
Спиральный гидравлический привод работает следующим образом.
В полости поз. 14 или поз. 15 посредством штуцерных соединений поз. 29 под давлением подается рабочая жидкость, которая за счет разницы давлений в полостях перемещает поршень поз. 9. Поршень поз. 9 при осевом перемещении начинает вращаться за счет движения его внешней спиральной навивки поз. 20 по спиральной навивке поз. 21 втулки поз. 4, передавая это вращение также на вал поз. 8, а также вращать вал за счет перемещения внутренней спиральной навивки поз. 22 по спиральной навивке вала поз23. Таким образом осевое усилие возникающее на поршне поз. 9 создает крутящий момент на валу поз. 8, которые посредством шлицевого соединения поз. 10 передает крутящий момент исполнительному механизму установленному на валу. Подшипник поз. 24, а также поршень поз. 9 за счет установленных в нем направляющих колец поз. 18 и поз. 19 воспринимают возникающие осевые нагрузки от вращения вала поз. 8 и радиальные нагрузки от исполнительного механизма. Герметичность между полостями поз. 14 и поз. 15 обеспечивается уплотнительными элементами поз. 16 и поз. 17.
Перемещения подшипника поз. 24 относительно вала поз. 8 ограничивается с одной стороны буртом, выполненном на валу 8, и разрезной самостопорящейся гайкой поз. 25. При этом внешнее кольцо подшипника зажато между цилиндром поз. 1 и крышкой поз. 2.
Современное как отечественное так и зарубежное машиностроение требует, чтобы гидравлические поворотные приводы были простыми в эксплуатации, требовали меньше времени и трудозатрат на обслуживание и ремонт, а также были максимально устойчивыми к аварийным ситуациям, имели повышенные показатели надежности и ремонтопригодности, обеспечивая при этом высокую эффективность в работе.
Технический результат заявленного спирального гидравлического привода, направленный на выполнение перечисленных выше требований, предъявляемых к гидравлическим поворотным приводам достигается за счет того, что применены следующие технические решения:
- установленные в поршень направляющие кольца поз. 18 и поз. 19 позволяют приводу воспринимать комбинированные нагрузки по типу изгиб-кручение-сдвиг, в том числе воспринимать единичные ударные нагрузки без потери работоспособности; - разборный поршень поз. 9 позволяет заменять часть поршня в случае повреждения без дополнительных манипуляций в кратчайшие сроки, а применение винтов поз. 12 с уплотнительными шайбами поз. 13 повышает герметичность соединения, а также надежность и ремонтопригодность изделия в целом;
- съемная втулка поз. 4 со спиральной навивкой поз. 21 позволяет заменять втулку в случае механических повреждений, что в свою очередь повышает ремонтопригодность привода;
- двухрядный радиально-упорный роликовый конический подшипник поз. 24 позволяет жестко закрепить подшипник на валу и предотвратить возможные перемещения внутренних колец под воздействием нагрузки, что повышает надежность привода.
Заявленный спиральный гидравлический привод выполнен на базе современных технологий, применяемых в гидравлических поворотных приводах последнего поколения, и может быть реализован с использованием известных технических и технологических средств.