Поршневая машина
PISTON MACHINE

Машина относится к области машиностроения, а именно к поршневым моторам, насосам, компрессорам, и может быть использовано в различных отраслях техники для придания вращательного движения исполнительным механизмам, перекачки жидкостей или нагнетания газов.
Известна поршневая машина, патент RU RU №2336419 С1, содержащая корпус, разделенный на две части, которые жестко связаны между собой центральной осью, в корпусе размещен полый приводной вал, цилиндрические полости частей корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены, как минимум, два поршня, надетых на центральную ось таким образом, что они могут совершать относительно оси вращательное и возвратно-поступательное движения, цилиндрическая полость поршнями и перегородкой разделена на рабочие цилиндры, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, части поводков, выступающие за пределы винтовых канавок, зафиксированы в частях корпуса, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, шлицевое соединение второго поршня с приводным валом выполнено с угловым смещением относительно шлицевого соединения первого поршня по направлению вращения приводного вала, в корпусе, приводном валу, перегородке и центральной оси выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающие подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.
Недостатком аналога является то, что у него отсутствует принятый в данных машинах приводной вал, а это усложняет его использование взамен применяемых поршневых машин. Кроме этого, золотниковая система прототипа конструктивно и технологически сложна, имеет протяженные каналы малого сечения, что значительно увеличивает динамические потери в ней, тем самым, снижается производительность и КПД поршневой машины.
Наиболее близкой к заявляемой машине является поршневая машина патент RU №2625606 С1. Поршневая машина, содержит корпус, в котором размещен полый приводной вал и, как минимум, два поршня, надетых на центральную ось с возможностью совершать относительно оси и корпуса вращательное и возвратно-поступательное движения, внутренняя цилиндрическая полость машины поршнями и перегородками разделена на рабочие цилиндры, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок части поводков зафиксированы относительно корпуса, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, шлицевое соединение второго поршня с приводным валом выполнено с угловым смещением относительно шлицевого соединения первого поршня по направлению вращения приводного вала, в корпусе и центральной оси выполнены каналы, заполненные рабочим телом, при этом в корпусе размещены цилиндры, которые совместно с полостью приводного вала образуют внутреннюю цилиндрическую полость машины, первый цилиндр зафиксирован в корпусе, а второй цилиндр зафиксирован относительно первого цилиндра через центральную ось, на внутренней поверхности осевого отверстия поршней выполнены продольные каналы, обеспечивающие при провороте поршней до их совмещения с соответствующими каналами, выполненными в центральной оси, подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу, при этом расположение продольных каналов, их длина, ширина и глубина увязаны с формой, положением, количеством винтовых канавок, изготовленных на цилиндрической поверхности поршня, и объемными характеристиками поршневой машины, кроме этого, приводной вал поршневой машины кинематически, через промежуточный вал, связан с выходным валом, закрепленным на центральной оси с возможностью вращения относительно корпуса.
Недостатком прототипа является то, что используемая в прототипе осевая компоновка цилиндров затрудняет увеличение количества рабочих цилиндров поршневой машины, что ограничивает ее силовые характеристики в режиме мотора и производительность при работе в режиме насоса-компрессора. Кроме этого, прототип наиболее эффективен как гидравлический мотор-насос, у которого в качестве рабочего тела используются масла. Использование газов в качестве рабочего тела при отсутствии смазки может привести к его заклиниванию или к резкому сокращению его ресурса.
Задачей заявляемого изобретения является создание компактной поршневой машины, обладающей высокими мощностными характеристиками и производительностью, которая может эффективно использоваться как гидравлический мотор-насос, так и как пневматический мотор-компрессор.
Технический результат - повышение мощности, крутящего момента, КПД, а также производительности поршневой машины при ее работе в режиме насоса-компрессора, кроме этого, обеспечение возможности получения компактной не материалоемкой машины с необходимым количеством цилиндров, обеспечивающим требуемые от нее технические характеристики.
Технический результат достигается тем, что заявляемая поршневая машина содержит корпус, в котором размещены приводной вал, цилиндры и поршни с центральными отверстиями, через которые проходит ось с каналами, заполненными рабочим телом, поршни имеют возможность совершать относительно цилиндров вращательное и возвратно-поступательное движения, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок части поводков зафиксированы, передача крутящего момента на поршни и от него осуществляется через шлицевое соединение, обеспечивающее свободное перемещение поршней вдоль оси цилиндра, на внутренней поверхности осевого отверстия поршней выполнены продольные каналы, обеспечивающие при провороте поршней до их совмещения с соответствующими каналами, выполненными в оси поршня, подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу, при этом расположение продольных каналов, их длина, ширина и глубина увязаны с формой, положением, количеством винтовых канавок, изготовленных на цилиндрической поверхности поршня, и объемными характеристиками поршневой машины, в корпусе выполнены каналы, заполненные рабочим телом. При этом каждый из поршней одет на свою ось, в осях поршней выполнены каналы, заполненные рабочим телом, цилиндры, поршни и оси поршней размещены в корпусе аксиально относительно оси приводного вала, приводной вал зафиксирован в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси, на приводном валу зафиксировано зубчатое колесо, кинематически связанное с шестернями, надетыми на поршни, в свою очередь, эти шестерни кинематически связаны с поршнями через шлицевые соединения, обеспечивающие передачу на поршни или снятие с них крутящего момента, в корпусе дополнительно выполнен масляный картер, количество цилиндров определяется характеристиками машины, может изменяться от одного до двенадцати, при наличии от двух до двенадцати цилиндров зубчатое колесо приводного вала вводится в зацепление с шестернями поршней таким образом, при котором обеспечиваются минимальные колебания крутящего момента, либо пульсация рабочего тела.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемой поршневой машине аксиальное расположение цилиндров с поршнями позволяет при сохранении компактности поршневой машины увеличить количество одновременно работающих цилиндров от одного до двенадцати (и более), что обеспечит значительное повышение мощности, крутящего момента, производительности при минимальной их пульсации и росте ее габаритов, а при необходимости минимизации габаритов и массы поршневой машины - сокращение количество цилиндров до одного. Кроме этого, наличием зубчатых передач - зубчатое колесо приводного вала - шестерни поршней, связывающих приводной вал с поршнями, изменением их передаточного числа можно повышать величину крутящего момента на приводном валу, производительность процесса нагнетания (перекачки) рабочего тела и снижение их пульсации за счет сдвига рабочих фаз в цилиндрах. Кроме этого, наличие в заявляемой поршневой машине герметичного картера со смазкой обеспечивает снижение в ней потерь на трение, повышение ее рабочего ресурса, а также создает возможность перекачки или при преобразовании давления рабочего тела во вращательное движение использование рабочего тела, не загрязненного смазкой.
На фиг. 1 схематично представлен вариант выполнения заявляемой поршневой машины, на фиг. 2…5 - сечения, в которых показаны каналы золотникового устройства.
Заявляемая поршневая машина состоит из корпуса 1, в котором расположен с возможностью вращения приводной вал 2, и размещены цилиндры 3, 4. В цилиндрах 3 и 4 без возможности перемещения зафиксированы центральные оси, соответственно, 5 и 6. В цилиндрах 3 и 4, на центральных осях 5, 6 с возможностью совершать возвратно-поступательное и вращательное движения, соответственно, расположены поршни 7 и 8, делящие полости цилиндров 3, 4 на рабочие камеры I, II, III, IV, соответственно. На поверхности поршней 7 и 8 выполнены продольные замкнутые винтовые канавки 9, 10, в которых размещены поводки 11, 12. Выступающие за пределы винтовых канавок 9, 10 части поводков 11 и 12 зафиксированы в цилиндрах 3, 4. Кроме этого, на поршнях 7 и 8 выполнены продольные пазы 13, 14 и на них надеты шестерни 15 и 16, во внутренней полости которых выполнены продольные пазы 17, 18. При этом продольные пазы 17 и 18 шестерен 15, 16 с пазами 13 и 14, выполненными на поршнях 7, 8, посредством шаровых элементов 19 и 20 образуют шлицевые соединения, обеспечивающие кинематические связи между поршнями 7, 8 и шестернями 15, 16, соответственно. Шестерни 15 и 16, в свою очередь, находятся в зацеплении с зубчатым колесом 21, зафиксированном на приводном валу 2. В торцевой крышке 22 корпуса 1 выполнены каналы 23, 24, 25, обеспечивающие подачу и вытеснение рабочего тела в и из поршневой машины. Канал 23 соединен с выполненным в центральной оси 5 продольным каналом 26 и радиальными каналами 27, 28. Канал 24 соединен радиальным каналом 29, через него с продольными каналами 30 и радиальными каналами 31, 32. При этом радиальные каналы 27 и 31 в соответствии с циклом работы поршневой машины при провороте поршня 7 вокруг оси 5 совмещаются с каналом 33, выполненным на внутренней осевой поверхности поршня 7. В свою очередь канал 33 соединен с рабочей камерой I цилиндра 3. При этом радиальные каналы 28 и 32 также в соответствии с циклом работы поршневой машины при провороте поршня 7 вокруг оси 5 совмещаются с каналом 34, выполненным на противоположной стороне внутренней осевой поверхности поршня 7, который, в свою очередь, соединен с рабочей камерой II цилиндра 3.
Канал 25 соединен с выполненным в центральной оси 6 продольным каналом 35 и через него с радиальными каналами 36 и 37. Канал 24 соединен радиальным каналом 38, и через него - продольными каналами 39 и радиальными каналами 40, 41. При этом радиальные каналы 36 и 40 в соответствии с циклом работы поршневой машины при провороте поршня 8 вокруг оси 6 совмещаются с каналом 42, выполненным на внутренней осевой поверхности поршня 8. В свою очередь канал 42 соединен с рабочий камерой III цилиндра 4. При этом радиальные каналы 37 и 41, также в соответствии с циклом работы поршневой машины при провороте поршня 8 вокруг оси 6 совмещаются с каналом 43, выполненным на противоположной стороне внутренней осевой поверхности поршня 8, который, в свою очередь, соединен с рабочей камерой IV цилиндра 4.
Расположение осей 5, 6, продольных каналов 26, 30, 35, 39 и радиальных каналов 27, 31, 28, 32, 36, 40, 37, 41, а также каналов 33, 34, 42, 43 их длина, ширина и глубина увязаны с положением винтовых канавок 9, 10, изготовленных на цилиндрических поверхностях поршней 7, 8, и объемными характеристиками поршневой машины. В совокупности эти каналы, заполненные рабочим телом, образуют золотниковое устройство, которые управляют подачей рабочего тела в рабочие цилиндры I, II, III, IV и вытеснением его из них по заданному циклу.
Кроме этого для обеспечения снижения потерь на трение, а также повышения рабочего ресурса во внутренней полости корпуса 1 изготовлен масляный картер 44.
В режиме мотора заявляемая поршневая машина работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением, например, воздуха, через каналы золотникового устройства 23, 26, 27, 33 (фиг. 1, 2) оно поступает в рабочую камеру I цилиндра 3. За счет давления воздуха в рабочей камере I поршень 7 начинает поступательное движение из левой мертвой точки к правой мертвой точке, при этом зафиксированные в цилиндре 3 поводки 11, воздействуя на берега продольной замкнутой винтовой канавки 9 поршня 7, дополнительно вызывают вращение поршня 7. Таким образом поршень 7 совершает поступательное и вращательное движения. Далее вращательное движение поршня 7, через шаровые элементы 19, расположенные в продольных пазах 13 поршня 7 и продольных пазах 17 шестерни 15, вызывает вращение шестерни 15. При этом шестерня 15, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 21, зафиксированным на приводном валу 2, передает вращение (крутящий момент) приводному валу 2. Одновременно (фиг. 1, 3) через каналы 34, 32, 30, 29, 24 воздух вытесняется из рабочей камеры II цилиндра 3.
Одновременно с первым рабочим циклом в рабочей камере I цилиндра 3 воздух под давлением подается в рабочую камеру IV цилиндра 4. При этом воздух через каналы золотникового устройства 25, 35, 37, 43 (фиг. 1, 5) поступает в рабочую камеру IV цилиндра 4. За счет давления воздуха в рабочей камере IV поршень 8 начинает поступательное движение от правой мертвой точки к левой, при этом зафиксированные в цилиндре 4 поводки 12, воздействуя на берега продольной замкнутой винтовой канавки 10 поршня 8, дополнительно вызывают вращение поршня 8. Таким образом поршень 8 совершает поступательное и вращательное движения. Далее вращательное движение поршня 8, через шаровые элементы 20, расположенные в продольных пазах 14 поршня 8 и продольных пазах 18 шестерни 16, вызывает вращение шестерни 16. При этом шестерня 16, находящаяся в зацеплении с зубчатым: колесом 21, зафиксированным: на приводном валу 2, передает вращение (крутящий момент) приводному валу 2. Одновременно (фиг. 1, 4) через каналы 42, 40, 39, 38, 24 воздух вытесняется из рабочей камеры III цилиндра 4.
После достижения поршнем 7, в цилиндре 3 в рабочих камерах I и II правой мертвой точки воздух под давлением через каналы золотникового устройства 23, 26, 28, 34 поступает в рабочую камеру II, при этом поршень 7 начинает перемещаться из правой мертвой точки к левой совершая поступательное и вращательное движения. Вращательное движение поршня 7 вызывает переход поводков 11 в реверсивную часть продольной замкнутой винтовой канавки 9 за счет чего вращательное движение поршня 7 продолжается в том же направлении. Также как и при первом рабочем цикле в рабочей камере I вращение через шлицевое соединены между поршнем 7 и шестерней 15 передается на шестерню 15 с нее на зубчатое колесо 21 и приводной вал 2. Вращение приводного вала 2 продолжается в том же направлении. При этом перемещение поршня 7 из правой мертвой точки к левой обеспечивает вытеснение воздуха из рабочей камеры I через золотниковые устройство по каналам 33, 31, 30, 29, 24.
Аналогичное преобразование давления воздуха (рабочего тела) во вращательное движение приводного вала происходит в цилиндре 4.
В заявляемой поршневой машине поршень 7 цилиндра 3 через шестерню 15, зубчатое колесо 21, шестерню 16 кинематически связан с поршнем 8 цилиндра 4, поршни 7 и 8 работают в паре. При этом кинематически они связаны таким образом, что, когда один из поршней находится в мертвой точке, другой обеспечивает вращение приводного вала с максимальным крутящим моментом. Кроме этого, движение поршней 7, 8 в цилиндрах 3, 4 является разнонаправленным, что снижает динамические вибрации при работе заявляемой поршневой машины. Для обеспечения такого движения, когда поршень 7 цилиндра 3 находится в левой мертвой точке, поршень 8 цилиндра 4 занимает среднее положение (фиг. 1)
Для обеспечения реверса поршневой машины изменяются каналы подачи рабочего тела и его вытеснение. Подача рабочего тела производится через канал 24, а его вытеснение - через каналы 23, 25.
В случае приложения вращательного движения к приводному валу 2 вращательное движение через шестерни 21, 15, 16, шаровые элементы 19, 20 шлицевых соединений передается на поршни 7, 8, которые начинают совершать принудительные вращательное и возвратно-поступательное движения, что обеспечивает перекачку рабочего тела и его нагнетание, т.е. поршневая машина переходит в режим гидронасоса или компрессора. При этом устройство работает как четырехцилиндровая машина с поршнями двухстороннего действия, что обеспечивает отсутствие холостых ходов - максимальный КПД, минимальную пульсацию рабочего тела и возможность создания высоких давлений рабочего тела.
Количество рабочих цилиндров в заявляемой поршневой машине может изменяться от одного до двенадцати. Требуемое количество цилиндров, их размеры определяются ее назначением, мощностью, крутящим моментом, производительностью, габаритами и др. эксплуатационными требованиями.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.