ОСЕВАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
AXIAL PISTON MACHINE

Заявляемая осевая поршневая машина относится к области машиностроения, более конкретно - к поршневым насосам, компрессорам, и может быть использована для перекачки жидкостей или нагнетания газов.
Аналогом заявляемого изобретения является поршневая машина, патент RU №2267012 C1, содержащая полый приводной вал, являющийся одновременно корпусом. В цилиндрической полости приводного вала-корпуса размещены поршни, на наружной поверхности которых выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие поршни с приводным валом-корпусом. Приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга. Поршни надеты на неподвижную центральную ось, при этом проворот поршней относительно оси ограничен шлицевым соединением. Цилиндрическая полость вала корпуса разделена перегородкой и поршнями, которых, как минимум, два на четыре цилиндра. В оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.
Поршневая машина-аналог работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением в цилиндры поршни начинают перемещаться вдоль оси. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок, нарезанных на наружной поверхности поршней, на поводки, что вызывает вследствие невозможности проворота поршней (за счет наличия шлицевого соединения их с неподвижной осью) вращательное движение корпуса. Так как поводки поршней зафиксированы в валу-корпусе со смещением, один из поршней достигает крайнего правого положения раньше, останавливается, а за счет того, что второй поршень продолжает поступательное движение, вращательное движение вала-корпуса продолжается, поводок первого поршня переходит в реверсивную ветвь его винтовой канавки, и он начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство рабочее тело под давлением начинает поступать в цилиндр, в котором поршень совершает реверсивное движение, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. При достижении вторым поршнем крайнего положения происходит его остановка, и за счет продолжения рабочего цикла первым поршнем уже поводки второго поршня переходят на реверсивную ветвь канавки, и второй поршень начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство начинается подача под давлением рабочего тела в цилиндр за вторым поршнем, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение вала-корпуса, которое может быть использовано для привода исполнительного механизма.
Аналог может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное, и наоборот.
Недостатком аналога является то, что в нем поршни динамически не уравновешены, вследствие чего в нем возникают вибрации, а также то, что для управления процессом перекачки и нагнетания рабочего тела используется сложная золотниковая система с каналами малого сечения - высоким сопротивлением движению рабочего тела.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является осевая поршневая машина, которая содержит корпус, полый приводной вал, цилиндрические полости корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены два поршня, которые делят цилиндрическую полость на три цилиндра, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок части поводков зафиксированы в корпусе, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, состоящим из толкателей, помещенных в пазах, выполненных в каждом поршне и приводном вале, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, на поршнях винтовые канавки и шлицевое соединение выполнены таким образом, что при вращении приводного вала поршни движутся поступательно в противоположные стороны, в корпусе размещены всасывающий и нагнетательный клапаны, в поршнях имеются каналы и клапаны, обеспечивающие перекачку и нагнетание рабочего тела (RU2336420, 20.10.2008).
Недостатком прототипа является наличие сложного движения поршней, состоящего из вращательного и возвратно-поступательного движений, что конструктивно усложняет уплотнения между цилиндрами и поршнями, а также снижает их надежность и долговечность. Организация уплотнений поршней в среднем цилиндре требует увеличения их длины, а следовательно, веса и габаритов машины. Кроме этого, в парах трения приводной вал - поводки, поршни - поводки возникает трение скольжения, которое увеличивает энергетические потери в этих кинематических парах, что снижает КПД привода.
Технической задачей заявляемого устройства является исключение из сложного движения поршней (возвратно-поступательного и вращательного) вращательного движения, снижение потерь на трение в кинематических парах, а также его веса и габаритов.
Технический результат - повышение КПД, надежности, долговечности и герметичности между цилиндрами и поршнями, а также снижение материалоемкости и габаритов поршневой машины.
Поставленная задача решается тем, что в осевой поршневой машине, содержащей корпус, в котором размещен полый приводной вал, по оси в корпусе выполнены цилиндрические полости, в которых размещены два соосных поршня, на наружной поверхности поршней выполнены продольные пазы и замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок, в корпусе выполнены каналы, в которых размещены всасывающий и нагнетательный клапаны, а в поршнях имеются каналы и клапаны, обеспечивающие перекачку и нагнетание рабочего тела, отличие от прототипа: приводной вал установлен в корпусе на подшипниках качения, и в нем зафиксированы с возможностью вращения выступающие части поводков, при этом боковые поверхности выступающих частей поводков свободны и опираются на подшипники качения, на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнены продольные пазы, соответствующие пазам, изготовленным на поршнях, в этих пазах размещены шарики, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение, исключающее вращение поршней, при этом на одном из поршней с торцевой поверхности выполнена открытая цилиндрическая полость, в которую вставлен соответствующий этой полости цилиндрический выступ, выполненный на торце второго поршня, при этом цилиндрическая полость выполняет функцию промежуточного рабочего цилиндра, а выступ - поршня.
Благодаря новой совокупности признаков заявляемого изобретения поршни осевой поршневой машины совершают только лишь возвратно-поступательное движение, что конструктивно упрощает уплотнения между цилиндрами и поршнями, способствует их большей герметичности, надежности и долговечности вследствие значительного сокращения протяженности и скорости перемещений уплотнений относительно неподвижных стенок цилиндров. Кроме этого, применение подшипников качения в качестве опор приводного вала и поводков, а также шариков в подвижном шлицевом соединении значительно снижает потери на трение в этих кинематических парах, энергетические потери в них, а следовательно, обеспечивает повышение КПД заявляемой машины. Помимо этого размещение среднего цилиндра в первом поршне и использование соответствующего этому цилиндру цилиндрического выступа, выполненного на торце второго поршня для организации средней цилиндропоршневой группы, обеспечивает снижение веса и габаритов заявляемой машины.
На фигурах 1 и 2 схематично представлена заявляемая осевая поршневая машина при различных положениях поршней.
Заявляемая осевая поршневая машина состоит из корпуса 1, в котором выполнены цилиндрические полости 2, 3. В корпусе размещены полый приводной вал 4, установленный на подшипниках качения 5, и поршни 6, 7. На поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки 8, 9 и продольные пазы 10, 11. В замкнутых винтовых канавках 8 и 9 размещены поводки 12 и 13, выступающие за пределы винтовых канавок. Выступающие части поводков 12 и 13 зафиксированы в приводном валу 4 таким образом, что они могут вращаться в нем, при этом боковые поверхности поводков свободны и опираются на подшипники качения 14, 15, 16. На цилиндрической поверхности полости 2 выполнены продольные пазы 17, а полости 3 - продольные пазы 18, соответствующие пазам, изготовленным на поршнях 6 и 7, в этих пазах размещены шарики 19, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение, исключающее вращение поршней. На торцевой поверхности поршня 6 выполнена цилиндрическая полость 20, в которую вставлен соответствующий этой полости цилиндрический выступ 21, выполненный на торце поршня 7, при этом цилиндрическая полость выполняет функцию промежуточного рабочего цилиндра II, а цилиндрический выступ 21 - поршня. В корпусе 1 изготовлены всасывающий канал 22 и нагнетательный канал 23, в которых размещены соответственно всасывающий 24 и нагнетательный 25 клапаны, а в поршнях 6 и 7 изготовлены соответственно каналы 26 и 27. В канале 26 установлен всасывающий клапан 28, а в канале 27 - нагнетательный клапан 29.
Внутренние полости корпуса 1 и поршня 6 образуют единую цилиндрическую полость, которая поршнями 6, 21, 7 и клапанами 28, 29 разделяется на рабочие цилиндры I, II, III.
Заявляемая осевая поршневая машина работает следующим образом. При приложении крутящего момента к приводному валу 4, вызывающего его вращение, приводной вал 4 через поводки 12 и 13 воздействует на берега замкнутых винтовых канавок 8, 9, поршней 6, 7, и поводки 12 и 13 начинают перемещаться в них, при этом вследствие фиксации поршней от проворота шариками 19, находящимися в продольных пазах 10, 11 поршней 6, 7 и продольных пазах 17, 18 корпуса 1, вращательное движение приводного вала 4 преобразуется в поступательное движение поршней 6 и 7. Винтовые канавки 8, 9 выполнены таким образом, что поршни двигаются поступательно в разные стороны, в иллюстрируемом случае (фиг. 1) поршни 6, 7 расходятся. За счет вытеснения поршнем 6 рабочего тела из цилиндра I происходит его перетекание из цилиндра I через всасывающий клапан 28 и канал 26 в рабочий цилиндр II. Помимо этого, так как объем рабочего цилиндра II больше объема рабочего цилиндра I вследствие того, что объем рабочего цилиндра II определяется перемещением двух поршней - поршня 6 и поршня 7, в рабочем цилиндре II будет возникать разряжение, вызывающее засасывание рабочего тела через всасывающие клапаны 24 и 28 в него. Одновременно поршнем 7 происходит вытеснение рабочего тела из рабочего цилиндра III через нагнетательный клапан 25, т.е. из поршневой машины в нагнетательную систему, например в трубопровод.
При достижении поршнями 6, 7 крайних положений (фиг. 2) происходит переход поводков 12, 13 в реверсивные ветви винтовых канавок 8, 9, и поршни 6, 7 меняют направление поступательного движения и начинают двигаться навстречу друг другу. При движении поршней 6, 7 навстречу друг другу происходит вытеснение рабочего тела из рабочего цилиндра II через канал 27 и нагнетательный клапан 29 в рабочий цилиндр III. Так как объем рабочего тела, вытесняемого из рабочего цилиндра II, больше объема рабочего цилиндра III, то часть рабочего тела будет вытесняться через нагнетательный клапан 25 из поршневой машины. Одновременно в рабочем цилиндре I происходит всасывание рабочего тела через всасывающий клапан 24. После достижения поршнями 6, 7 крайнего положения происходит переход поводков 12, 13 в ветви винтовых канавок прямого хода, и цикл повторяется.
Таким образом, происходит перекачка и нагнетание рабочего тела в заявляемой осевой поршневой машине, т.е. она может работать в режимах насоса или компрессора и отвечает поставленной технической задаче.