Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина

Полезная модель относится к регулируемым аксиально-поршневым 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 корпус, блок цилиндров, соединенный с приводным валом шлицами с одной стороны, плунжеры, размещенные в цилиндрах блока, опирающиеся на наклонный диск через гидростатические опоры со сферическими шарнирами и распределительную шайбу с серповидными окнами и перемычками между ними, прилегающую к блоку цилиндров с другой его стороны.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются корпус, блок цилиндров, приводной вал, соединенный шлицами с блоком, плунжеры, размещенные в его цилиндрах, гидростатические опоры, соединенные сферическими шарнирами с плунжерами и распределительная шайба с серповидными окнами и перемычками между ними, прилегающую к торцу блока цилиндров.
Недостаток рассмотренного аналога состоит в том, что распределительная шайба с серповидными окнами и перемычками является частью корпуса насоса и не может поворачиваться относительно блока цилиндров, поэтому фазовое управление расходом рабочей жидкости, проходящей через насос, невозможно.
Известен так же аксиально-поршневой гидромотор с наклонной шайбой [Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник / М: Машиностроение, 1988. – 512 с, С. 60–62, рис. 3.6-а], содержащий корпус, ротор с поршнями, размещенными в цилиндрах ротора, барабан с толкателями, радиально-упорный подшипник, приводной вал, отверстия для подвода и отвода рабочей жидкости, сообщенные с полукольцевыми пазами, выполненными в опорно-распределительном диске, на торце ротора, взаимодействующим с опорно-распределительным диском, выполнены отверстия, выходящие в каждую из рабочих камер, образованных поршнями в цилиндрах ротора. При вращении ротора, указанные отверстия соединяются с одним из указанных пазов. Так через один паз происходит подвод рабочей жидкости, а через другой – ее отвод на слив.
Ротор прижат к опорно-распределительному диску пружиной.
Общими признаками второго аналога с заявляемой полезной моделью являются корпус, ротор с поршнями, размещенными в цилиндрах ротора, подшипник, приводной вал, отверстия для подвода и отвода рабочей жидкости, сообщенные с полукольцевыми пазами, выполненными в опорно-распределительном диске, отверстия, выходящие в рабочие камеры, выполненные на торце ротора и пружина, прижимающая ротор к опорно-распределительному диску.
Недостатком рассмотренного аналога является то, что опорно-распределительный диск с полукольцевыми пазами не имеет возможности поворачиваться относительно ротора, поэтому фазовое управление расходом рабочей жидкости, проходящей через насос, и скоростью вращения его вала невозможно.
В качестве прототипа принята аксиально-поршневая гидромашина [Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Объемные гидро- и пневмомашины и передачи: Учебное пособие для вузов / А.Ф. Андреев, Л.В. Барташевич, Н.В. Богдан и др.; Под. ред. В.В. Гуськова. – Мн.: Выш. шк., 1987. – 310 с. С. 103–104, рис. 5.3] содержащая корпус, ротор, расположенные в его цилиндрах поршни, пружины, прижимающие ротор к опорно-распределительному диску, имеющему два полукольцевых паза с перемычками между ними, сообщенные с окнами в корпусе для подвода и отвода рабочей жидкости. Поршни снабжены башмаками, завальцованными на их сферических головках, прижимающимися к поверхности диска, установленного на наклонной шайбе. Ротор через шлицевое соединение связан с приводным валом, установленным в подшипниках, опирается на радиальный подшипник, позволяющий ротору самоустанавливаться относительно поверхности опорно-распределительного диска. При вращении ротора поршни то вытесняют рабочую жидкость через один полукольцевой паз, то всасывают ее через другой полукольцевой паз. При изменении угла наклонной шайбы ход поршней меняется, что приводит к изменению расхода рабочей жидкости, проходящей через гидромашину.
Общими признаками прототипа с заявляемой полезной моделью являются корпус, окна для подвода и отвода рабочей жидкости, ротор, расположенные в его цилиндрах поршни, пружину, прижимающие ротор к опорно-распределительному диску с двумя полукольцевыми пазами и перемычками между ними. Поршни снабжены башмаками, завальцованными на их сферических головках и прижимающимися к поверхности диска, установленного на наклонной шайбе. Ротор через шлицевое соединение соединен с приводным валом, установленным в подшипниках. При вращении ротора поршни то вытесняют рабочую жидкость через один полукольцевой паз, то всасывают ее через другой полукольцевой паз.
Недостаток прототипа тот же: опорно-распределительный диск с полукольцевыми пазами и перемычками является частью корпуса гидромашины и не может поворачиваться относительно ротора, поэтому фазовое управление расходом рабочей жидкости, проходящей через гидромашину, в прототипе невозможно.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается обеспечении возможности фазового управления расходом рабочей жидкости, проходящей через гидромашину.
Указанный технический результат достигается тем, что регулируемая аксиально-поршневая гидромашина, содержащая корпус, окна для подвода и отвода рабочей жидкости, ротор с расположенными в его цилиндрах поршнями, пружину, прижимающую ротор к опорно-распределительному диску с полукольцевыми пазами и перемычками между ними, поршни, снабженные башмаками, завальцованными на их сферических головках, прижимающимися к поверхности диска, установленного на наклонной шайбе, ротор, соединенный через шлицевое соединение с приводным валом, установленным в подшипниках, согласно полезной модели, окна для подвода и отвода рабочей жидкости выполнены в опорно-распределительном диске, имеющим вал и установленном в подшипниках с возможностью поворота относительно ротора на угол от 0 до 90°, в перемычках между полукольцевыми пазами выполнены каналы с установленными в них обратными клапанами так, что, одни клапаны соединяют свои каналы через трубку со штуцерами для подвода рабочей жидкости, а другие клапаны соединяют свои каналы через другую трубку со штуцерами для отвода рабочей жидкости.
Приводной вал за счет шлицевого соединения с ротором обеспечивает передачу вращения на ротор. При вращении ротора поршни, благодаря наклону диска, установленного на шайбе, то вытесняют рабочую жидкость из своих цилиндров через полукольцевые пазы опорно-распределительного диска, сообщенные с окном для отвода рабочей жидкости через штуцер, то всасывают ее в свои цилиндры через другие полукольцевые пазы, сообщенные с окном для подвода рабочей жидкости через другой штуцер.
Опорно-распределительный диск, имеющий свой вал и установленный в подшипниках, имеет возможность поворачиваться относительно ротора на угол φ от 0° до 90°. В исходном состоянии при φ = 0, поршни, движущиеся от нижней мертвой точки (н.м.т) к верхней мертвой точке (в.м.т), вытесняют рабочую жидкость из своих цилиндров через первые полукольцевые пазы, сообщенные с окном для отвода рабочей жидкости. Когда поршни, движущиеся в своих цилиндрах, проходят через перемычку, их мгновенная скорость равна нулю, так они находятся в в.м.т. Пройдя перемычку, они движутся в своих цилиндрах от в.м.т к н.м.т, всасывая рабочую жидкость в свои цилиндры через вторые полукольцевые пазы, сообщенные с окном для подвода рабочей жидкости. В моменты прохождения поршней через перемычки при φ = 0, обратные клапаны, установленные в перемычках между полукольцевыми пазами, не открываются.
При повороте вала опорно-распределительного диска на угол φ, равный, например 35°, происходит процесс фазового управления расходом рабочей жидкости, проходящей через гидромашину.
Часть цилиндров, поршни которых движутся от н.м.т к в.м.т, которые еще сообщены с первыми полукольцевыми пазами, вытесняют в них рабочую жидкость, как и в исходном состоянии, и далее в окно для отвода рабочей жидкости и подачи ее в гидросистему. Другая часть цилиндров, поршни которых движутся от н.м.т к в.м.т и которые при таком положении опорно-распределительного диска сообщены со вторыми полукольцевыми пазами, вытесняют рабочую жидкость в них и в окно для подвода рабочей жидкости. Поэтому только часть подачи гидромашины от максимально возможной, когда угол φ = 0, поступает в гидросистему. А при повороте вала опорно-распределительного диска на угол φ, равный 90°, расход рабочей жидкости, проходящей через гидромашину, становится равным нулю. При этом все указанные поршни, находящиеся в состоянии вытеснения жидкости, когда они проходят через ту же самую перемычку, но повернутую вместе с опорно-распределительным диском на 35°, имеют мгновенную скорость не равную нулю. Поэтому, пусть на очень короткое мгновение, в цилиндре поршня, проходящего через перемычку, образуется не большой замкнутый объем под поршнем, который сбрасывается через открывающийся обратный клапан, связанный своим каналом с трубкой, соединенной со штуцером для отвода рабочей жидкости. Компрессии рабочей жидкости не происходит.
При том же положении вала опорно-распределительного диска (φ = 35°) та часть цилиндров, поршни которых движутся от в.м.т к н.м.т, которые еще сообщены со вторыми полукольцевыми пазами, всасывают в них рабочую жидкость, как и в исходном состоянии, через окно для подвода рабочей жидкости к гидромашине. Другая часть цилиндров, поршни которых движутся от в.м.т к н.м.т и которые при таком положении опорно-распределительного диска сообщены с первыми полукольцевыми пазами, всасывают рабочую жидкость из них и окна для отвода рабочей жидкости.
При повороте вала опорно-распределительного диска на угол φ, равный 90°, расход рабочей жидкости, всасываемый в гидромашину, станет равным нулю, поэтому ни всасывания, ни нагнетания не будет.
При этом все указанные поршни, находящиеся в состоянии всасывания рабочей жидкости, когда они проходят через другую перемычку, тоже имеют мгновенную скорость не равную нулю. Поэтому, на столь же короткое мгновение, в цилиндре поршня, проходящего через перемычку, начинает возникать разряжение, поэтому обратный клапан этой перемычки, связанный своим каналом с трубкой, соединенной со штуцером для подвода рабочей жидкости, открывается и разряжения (и кавитации) не происходит.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются окна для подвода и отвода рабочей жидкости, выполненные в опорно-распределительном диске, распределительный диск, выполненный заодно со своим валом, установленный в подшипниках с возможностью поворота относительно ротора на угол от 0 до 90°, в перемычках между полукольцевыми пазами выполнены каналы с установленными в них обратными клапанами так, что, одни клапаны соединяют свои каналы через трубку со штуцерами для подвода рабочей жидкости, а другие клапаны соединяют свои каналы через другую трубку со штуцерами для отвода рабочей жидкости.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 показана регулируемая аксиально-поршневая гидромашина в продольном разрезе и вид А.
На фиг. 2 показан вид на торец ротора регулируемой аксиально-поршневой гидромашины со стороны наклонной шайбы.
На фиг. 3 показан опорно-распределительный диск со стороны ротора и его сечение I-I с обратными клапанами.
На фиг. 4 показано условное наложение контуров полукольцевых пазов опорно- распределительного диска на отверстия каналов в роторе, ведущие к цилиндрам.
На фиг. 5 показаны графики, иллюстрирующие регулирование скорости вращения вала гидромашины, работающей в режиме гидромотора, при объемном и фазовом управлении.
Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина, фиг. 1, содержит корпус 1, приводной вал 2, установленный в подшипниках 3 и соединенный шлицевым соединением 4 с ротором 5, который своим сферическим торцом прижат к сферической поверхности опорно-распределительного диска 6 пружиной 7 через упорное кольцо, установленное в роторе. Опорно-распределителный диск 6, выполненный заодно со своим валом 8, способен поворачиваться на угол φ в одну или другую сторону от 0 до 90° в упорном 9 и игольчатом 3 подшипниках. Уплотнение 10 обеспечивает герметичность сопряжения опорно-распределителного диска 6 и корпуса 1 гидромашины, а штуцеры 11 – подвод и отвод рабочей жидкости к гидромашине. Подшипник 9 в торцевой стенке 12, притянутой к корпусу 1 болтами 13, воспринимает осевое усилие прижатия ротора 5 к опорно-распределительному диску 6.
В роторе 5, фиг. 2, в два ряда выполнены цилиндры 14 и 15 (14 – внутренний ряд, 15 – наружный ряд) с каналами, ведущими к противоположному торцу ротора 5, фиг. 1, через которые эти цилиндры сообщаются с полукольцевыми пазами, изображенными на фиг. 3.  Конструкция ротора 5 с двухрядным расположением цилиндров, как это будет показано ниже, снижает ступенчатость изменения расхода, проходящего через гидромашину, при фазовом управлении. В цилиндры ротора 5, фиг. 1, помещены поршни 16 и 17 с башмаками 18 и 19, наличие которых, позволяет уменьшить давление поршней 16 и 17, распределив их по поверхности контакта башмаков 18 и 19 с диском 20 наклонной шайбы 21.
В опорно-распределительном диске 6, фиг. 3 и 1, выполнены клапанные каналы 22 и 23 с обратными клапанами 24 и 25, сообщенные каналами 26 и 27 через штуцеры 28 и 29 и через трубки 30 и 31 со штуцерами 11 подвода и отвода рабочей жидкости, фиг. 1.
На фиг. 3 слева так же показан вид на опорно-распределительный диск 6 со стороны ротора 5. В нем прорезаны полукольцевые пазы 32 и 33, соответствующие цилиндрам внутреннего ряда ротора 5, и полукольцевые пазы 34 и 35, соответствующие цилиндрам наружного ряда ротора 5, фиг. 1. Полукольцевые пазы 32 и 34, фиг. 3, служат для подвода рабочей жидкости к гидромашине и сообщены с отверстием 36 подводящего штуцера 11, фиг. 1. Полукольцевые пазы 33 и 35, фиг. 3, служат для отвода рабочей жидкости из гидромашины и сообщены с отверстием 37 сливного штуцера 11, фиг. 1. Между собой полукольцевые пазы соединены прорезями 38 с одной и другой стороны, фиг. 3. Полукольцевые пазы 32 и 33, разделены перемычками 39, а полукольцевые пазы 34 и 35 – перемычками 40, в которых выполнены отверстия 41, ведущие к клапанным каналам 22 и 23 опорно-распределительного диска 6, которые показаны на фиг. 3 справа. Клапанные каналы 22 верхних перемычек 39 и 40 содержат обратные клапаны 24, пропускающие рабочую жидкость в сторону цилиндров внутреннего и наружного ряда ротора 5, фиг. 1. Они соединены в общий канал 26, который ведет по трубке 30 к подводящему штуцеру 11, фиг. 1. Клапанные каналы 23 нижних перемычек 39 и 40 содержат обратные клапаны 25, пропускающие рабочую жидкость от цилиндров внутреннего и наружного  ряда ротора 5, фиг. 1, по общему каналу 27 и по трубке 31 к отводящему штуцеру 11, фиг. 1.
На фиг. 4 показано наложение контуров полукольцевых пазов 32, 33, 34 и 35 опорно-распределительного диска 6 на отверстия каналов в роторе 5, ведущие к его внутренним 14 и наружным 15 цилиндрам, фиг. 1 и 2.
Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. Приводной вал 2 за счет шлицевого соединения 4 с ротором 5 обеспечивает передачу вращения на ротор 5. Пружина 7, плотно прижимающая ротор 5 к опорно-распределительному диску 6, обеспечивает высокую герметичность сопряжения поверхностей ротора 5 и опорно-распределительного диска 6. При вращении ротора 5 поршни 16 цилиндров 14 внутреннего ряда и поршни 17 цилиндров 15 наружного ряда благодаря наклону диска 20 с шайбой 21, совершают возвратно-поступательные движения, то вытесняя рабочую жидкость через полукольцевые пазы 33 и 35, окно 37 и отводящий штуцер 11 опорно-распределительного диска 6, то всасывают ее через полукольцевые пазы 32 и 34, окно 36 и подводящий штуцер 11 опорно-распределительного диска 6. Опорно-распределительный диск 6, имеющий свой вал 8 и установленный в одном из подшипников 3 и упорном подшипнике 9 имеет возможность поворачиваться в одну или другую сторону (вручную или с помощью какого-либо регулирующего устройства) относительно ротора 5 на угол φ от 0 до 90°.
При этом в исходном состоянии при φ = 0, опорно-распределительный диск 6 располагается так, что все его перемычки 39 и 40 с отверстиями 41 устанавливаются по вертикальной оси, как это показано на фиг. 3.
Те из поршней 16 и 17, которые движутся от нижней мертвой точки (н.м.т) к верхней мертвой точке (в.м.т), вытесняют рабочую жидкость из своих цилиндров 14 и 15 через полукольцевые пазы 33 и 35 и отверстие 37. Когда эти поршни проходят через верхние перемычки 39 и 40 их мгновенная скорость равна нулю, так как их движение реверсируется. Далее эти поршни, пройдя верхние перемычки 39 и 40, движутся в своих цилиндрах от в.м.т к н.м.т, всасывая рабочую жидкость в свои цилиндры через полукольцевые пазы 32 и 34 и отверстие 36. В момент прохождения поршней через перемычки при φ = 0, обратные клапаны 24, установленные в верхних перемычках 39 и 40, так же как и обратные клапаны 25, установленные в нижних перемычках, не открываются.
При повороте вала 8 опорно-распределительного диска 6 на угол φ, равный, например 35° в одну из сторон, осуществляется процесс фазового управления расходом рабочей жидкости, проходящей через гидромашину.
Процесс фазового регулирования поясняется схемой, фиг. 4, условного наложения контуров полукольцевых пазов 33, 35 и 32, 34 и окон 36 и 37, опорно- распределительного диска 6 на отверстия каналов в роторе 5, ведущих к его цилиндрам, которые пронумерованы 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52 и 53, а также обозначены буквами a, b, c и d.
При работе гидромашины в режиме насоса, часть цилиндров 14 и 15 ротора 5, поршни 16 и 17 которых движутся от н.м.т к в.м.т и которые сообщены каналами 42, 43, 44, 45, 46 и 47 с полукольцевыми пазами 33 и 35 и отводящим окном 37, вытесняют рабочую жидкость, как и в исходном состоянии при φ = 0, из гидромашины в гидросистему. Другая часть цилиндров 14 и 15, поршни 16 и 17 которых движутся от н.м.т к в.м.т и которые при таком положении опорно-распределительного диска 6 сообщены каналами c и d с полукольцевыми пазами 32 и 34, вытесняют рабочую жидкость в эти полукольцевые пазы. Поэтому только часть подачи гидромашины от максимально возможной, когда угол φ = 0, поступает через окно 37 в гидросистему. А при повороте вала 8 опорно-распределительного диска 6 на угол φ, равный 90°, расход рабочей жидкости, проходящей через гидромашину, будет равен нулю и подача в гидросистему прекратится.
При этом все указанные поршни, находящиеся в состоянии вытеснения рабочей жидкости через каналы, 42, 43, 44, 45, 46, 47, c и d, когда они проходят через те же самые перемычки 39 и 40 (слева внизу), но повернутые вместе с опорно-распределительным диском 6 на 35° по часовой стрелке, фиг. 3, имеют мгновенную скорость не равную нулю. Поэтому, пусть на очень короткое мгновение, в цилиндре каждого поршня, проходящего через указанные перемычки 39 и 40, образуется не большой замкнутый объем в цилиндре под поршнем, который сбрасывается через открывающиеся отводящие обратные клапаны 25, фиг. 2, связанные своими каналами 23 с трубкой 31, соединенной со штуцером 11, фиг. 1, для отвода рабочей жидкости в гидросистему. Поэтому компрессии рабочей жидкости не происходит.
При том же положении вала 8 опорно-распределительного диска 6 (φ = 35°) та часть цилиндров 14 и 15, поршни 16 и 17 которых движутся от в.м.т к н.м.т и которые сообщены каналами 48, 49, 50, 51, 52 и 53 с полукольцевыми пазами 32 и 34 и подводящим окном 36, всасывают рабочую жидкость, как и в исходном состоянии при φ = 0, из гидросистемы в гидромашину. Другая часть цилиндров 14 и 15, поршни 16 и 17 которых движутся от в.м.т к н.м.т и которые при таком положении опорно-распределительного диска 6 сообщены каналами a и b с полукольцевыми пазами 33 и 35, всасывают рабочую жидкость из этих полукольцевых пазов.
При этом все указанные эти поршни, находящиеся в состоянии всасывания рабочей жидкости через каналы 48, 49, 50, 51, 52, 53, a и b, когда они проходят через другие перемычки 39 и 40 (справа вверху), но повернутые вместе с опорно-распределительным диском 6 на 35° по часовой стрелке, тоже имеют мгновенную скорость не равную нулю. Поэтому, на столь же короткое мгновение, в цилиндре каждого поршня, проходящего через указанные перемычки 39 и 40, начинает возникать разряжение, поэтому обратные клапаны 24 этих перемычек, фиг. 2, открываются и через каналы 22 и трубку 30, соединенную со штуцером 11, фиг. 1, для подвода рабочей жидкости, жидкость всасывается и разряжения (и кавитации) не происходит.
Увеличивая угол φ поворота опорно-распределительного диска 6 от 0 до 90°, мы уменьшаем расход рабочей жидкости через гидромашину. Если она работает в режиме насоса, то подача снижается до нуля при φ = 90°. А если она работает в режиме гидромотора, то скорость вращения его вала при φ = 90° становится равной нулю.
Что бы обеспечить возможность поворота опорно-распределительного диска 6, его штуцеры 11 соединяются с гидросистемой гибкими рукавами высокого давления (на фигурах не показаны).
Фазовое управление гидромашиной особенно целесообразно в том случае, когда гидромашина работает в режиме гидромотора, что бы получить линейную регулировочную (теоретическую) характеристику, показанную на фиг. 5, график 4.
Известно [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. 388–389, рис. 3.97], что объемное регулирование аксиально-поршневых гидромоторов производится изменением угла наклона шайбы γ, фиг. 1. При этом угловая скорость n его вала без учета утечек определяется по формуле:
0
n = Q/V,
0
где Q – расход рабочей жидкости, проходящей через гидромотор, V – его рабочий объем.
0
При постоянном перепаде давления ΔР = const при уменьшении рабочего объема Vот условной единицы до нуля, фиг. 5, частота вращения его вала n будет возрастать по гиперболическому закону, графики 1 и 2. При скорости n, соответствующей т. а, внутренний момент сил трения становится равным крутящему моменту, гидромотор начинает работать не устойчиво, график 3, а затем останавливается, т. b. Из-за этого диапазон регулирования D, характеризующий изменение скорости вращения вала ограничен: D < 5 [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. 388–389, рис. 3.97].
При фазовом управлении с поворотом опорно-распределительного диска 6, фиг. 1, график скорости вращения вала гидромотора становится прямой линией 4, фиг. 5.
Однако, при повороте опорно-распределительного диска 6, фиг. 4, изменение расхода рабочей жидкости, проходящей через гидромашину и изменение скорости вращения вала 2, фиг. 1, в режиме гидромотора, будут происходить не плавно (как на графике 4, фиг. 5), а ступенчато, так как к тем и другим полукольцевым пазам сначала подсоединяется одно отверстие канала, ведущего к цилиндру, затем второе, затем третье и т.д. Поэтому гидромашины с фазовым управлением, что бы снизить ступенчатость изменения расхода и повысить плавность управления, целесообразно применять роторы с большим количеством цилиндров, в том числе с роторами, при двухрядном расположении цилиндров фиг. 2.
Так достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности фазового управления расходом рабочей жидкости, проходящей через гидромашину.