РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА
ROTARY HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может найти применение в насосах, компрессорах и двигателях.
В настоящее время для нагнетания и напорного перемещения вязких жидкостей, обладающих смазывающими свойствами, широко применяют шестеренные насосы с внутренним или внешним зацеплением, например [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с. (С.311)]. Эти насосы просты по конструкции, неприхотливы в эксплуатации, однако их серьезным недостатком является относительно малый полезный объем, который ограничен пространством между впадинами зубьев и корпусом. Подобные шестеренные насосы эффективны только при достаточно больших скоростях вращения ротора.
Известна роторная гидромашина (Патент Великобритания №1158638, кл. F1F, опублик. 1966), содержащая статор в виде зубчатого венца с внутренними зубьями, ротор, выполненный в виде шестерни, имеющей наружные зубья, установленный на вращающемся эксцентрике, и сателлиты, взаимодействующие с ротором и статором. Шестерни являются вытесняющими элементами данной машины.
Достоинство данной гидромашины - это большой полезный объем рабочей полости и высокая технологичность ее основных деталей.
Главный недостаток этой гидромашины заключается в том, что в определенных положениях ротора сателлит не может «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения. Для устранения указанного недостатка требуется дополнительное устройство с системой гидравлического управления или второй механизм, работающий в противофазе, что в целом делает конструкцию сложной и ненадежной.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по конструкции (прототип) является роторная гидромашина (Патент СССР №699229, кл. F04 С1, опублик. 1979), содержащая статор в виде венца с внутренними зубьями, связанный через сателлиты с наружными зубьями ротора, установленного на вращающемся эксцентрике. Ротор изготовлен полым и на его внутренней поверхности выполнены зубья. Устройство дополнительно содержит неподвижную шестерню с внешними зубьями, жестко связанную со статором, и паразитную шестерню, шарнирно закрепленную на эксцентрике, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора.
Достоинство данной конструкции по сравнению с предыдущей состоит в том, что при прохождении «мертвых» положений ротора не требуется дополнительный статор.
Недостатками этой гидромашины являются: технологическая сложность эксцентрика, большие потери на трение и неблагоприятные условия передачи движения, обусловленные наличием вращательных кинематических пар (между ротором и эксцентриком, осью эксцентрика и паразитной шестерней), которые по условиям компоновки устройства не могут быть снабжены подшипниками качения.
Задача изобретения - создание объемной гидромашины, имеющей большой полезный объем и высокую производительность, при этом не содержащей технологически сложных деталей (в частности, эксцентрика) и кинематических пар с неблагоприятными условиями трения.
Достигаемый технический результат - повышение производительности, надежности и технологичности изготовления гидромашины.
Предлагается конструкция роторной гидромашины, которая подобно прототипу содержит: статор, выполненный в виде зубчатого венца с внутренними зубьями; ротор, выполненный в виде втулки, имеющей наружные и внутренние зубья, совершающий планетарное движение относительно статора; два сателлита, взаимодействующие с наружными зубьями ротора и статором, оси которых в начальном положении гидромашины расположены на одной прямой с осями статора и ротора; ведущий вал, ось которого смещена относительно оси статора; неподвижную шестерню с внешними зубьями, соосную ведущему валу и жестко связанную со статором; паразитную шестерню, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора. В отличие от прототипа предлагаемая конструкция не содержит эксцентрика, но содержит вторую паразитную шестерню, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора, а также шестерню, закрепленную на ведущем валу, взаимодействующую с внутренними зубьями ротора.
Поскольку эксцентрик являлся наиболее сложной в изготовлении деталью гидромашины, его устранение делает конструкцию более технологичной.
В предлагаемой конструкции отсутствуют вращательные пары скольжения, поэтому снижаются потери на трение, улучшаются условия передачи движения и повышается надежность работы машины.
Роторная гидромашина может быть выполнена в двух конструктивных вариантах: «симметричном» и «ассиметричном».
Предпочтителен «симметричный» вариант, в котором неподвижная шестерня состоит из двух отдельных зубчатых венцов, закрепленных на торцовых крышках статора, ведущий вал проходит внутри полой неподвижной шестерни, а ведущая шестерня, насаженная на ведущий вал, расположена между венцами неподвижной шестерни и имеет диаметр вершин, меньший диаметра впадин неподвижной шестерни.
Помимо двух необходимых паразитных шестерен для повышения нагрузочной способности гидромашина может содержать третью дополнительную или даже несколько дополнительных паразитных шестерен.
Если гидромашина содержит две паразитных шестерни, то для удешевления изготовления они имеют одинаковые числа зубьев.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг.1 - поперечный разрез «симметричного» варианта роторной гидромашины (по А-А); на фиг.2 - ее осевой разрез (по Б-Б); на фиг 3 поперечный разрез «ассиметричного» варианта гидромашины (по А-А); на фиг 4 - ее осевой разрез (по Б-Б).
7
8
3
4
11
3
11
4
11
Роторная гидромашина, показанная на фиг.1, 2, содержит: статор 1, состоящий из торцовых крышек 2 и венца 3 с внутренними зубьями; ротор 4, совершающий планетарное движение относительно статора, выполненный в виде втулки, имеющей наружные 5 и внутренние зубья 6; два сателлита 7, 8 взаимодействующие с наружными зубьями ротора 5 и венцом статора 3. Подбор чисел зубьев и сборка гидромашины осуществлены таким образом, что оси О и O соответствующих сателлитов 7 и 8 в начальном положении гидромашины расположены на одной прямой с осями О статора 1 и О ротора 4. Рабочие камеры всасывания В и нагнетания Н гидромашины заключены между венцом 3 статора, внешним венцом 5 ротора, сателлитами 7, 8 и торцовыми крышками 2 статора. В торцовых крышках 2 статора выполнены отверстия каналов подвода 9 и отвода 10 рабочей среды. Открытие и закрытие каналов подвода 9 и отвода 10 производится торцевыми поверхностями сателлитов 7, 8. Ось О ведущего вала-шестерни 11 смещена относительно оси О венца 3 статора на величину эксцентриситета е. Венец вала-шестерни 11 находится в зацеплении с внутренним венцом 6 ротора. Две одинаковые неподвижные шестерни 12 с внешними зубьями расположены соосно ведущему валу-шестерне 11, но жестко связаны с торцовыми крышками 2 статора 1. При этом число зубьев вала-шестерни 11 (z) меньше числа зубьев (212) неподвижных шестерен 12 по условию собираемости узла. Паразитные шестерни 13, 14 имеют длину, равную расстоянию между торцовыми крышками 2 статора. Они взаимодействуют с неподвижными шестернями 12 и внутренними зубьями 6 ротора 4. Кинематические пары, в которые входят эти шестерни, являются центроидными, они не только передают вращение, но и удерживают оси соответствующих колес на постоянном расстоянии. Размеры паразитных шестерен 13, 14 подобраны таким образом, что смещение оси О ротора 4 относительно оси О ведущего вала-шестерни 11 равно эксцентриситету е. Благодаря наличию паразитных шестерен 13, 14 ротор 4 удерживается в постоянном зацеплении с валом-шестерней 11.
Для обеспечения работоспособности роторной гидромашины необходимо выполнение следующего соотношения между числами зубьев зубчатых колес:
,
5
где z - количество зубьев внешнего венца ротора
3
z - количество зубьев внутреннего венца статора
6
z - количество зубьев внутреннего венца ротора
12
z - количество зубьев неподвижной шестерни.
В режиме насоса гидромашина работает следующим образом.
При вращении ведущего вала-шестерни 11 ротор 4 совершает планетарное движение относительно статора 1. Сателлиты 7, 8 обкатываются по внутреннему венцу 3 статора и по внешнему венцу 5 ротора, что приводит к изменению объема рабочих камер В и Н. В рабочей камере всасывания В сателлит 8 открывает канал подвода 9 и происходит разрежение, вследствие чего туда поступает рабочая среда. В рабочей камере нагнетания Н сателлит 7 открывает канал отвода 10 и рабочая среда вытесняется сателлитом 8. Вращаясь, сателлиты, поочередно открывают и закрывают каналы подвода 9 и отвода 10 рабочей среды, что делает процесс циклическим.
При работе роторной машины в режиме гидродвигателя рабочая среда под давлением поступает в полость В через открытый канал подвода 9. Одновременно происходит вытеснение рабочей среды из полости Н через канал отвода 10. Силы, действующие на ротор 4 от двух сателлитов 7, 8, создают момент, приводящий во вращение ротор 4. Изменение направления вращения ротора 4 осуществляется путем переключения каналов.
11
12
При небольшой ширине зубчатых колес возможно использование «ассиметричного» варианта гидромашины (см. фиг.3, 4). Данный механизм отличается от предыдущего тем, что неподвижная шестерня 12 только одна, а ведущая шестерня 11 непосредственно соприкасается с одной из торцовых крышек 2 корпуса. При этом число зубьев z ведущей шестерни 11 больше числа зубьев z неподвижной шестерни 12. Число паразитных шестерен в гидромашине может быть больше двух. На фиг.3, 4 их три: 13, 14, 15.
Работа гидромашины, изображенной на фиг.3, 4, аналогична работе гидромашины «симметричного» исполнения (фиг.1, 2), однако при «ассиметричном» исполнении возникает перекашивающий момент, действующий на паразитные шестерни 13, 14, 15 и ротор 4. При небольших осевых габаритах гидромашины влияние указанного воздействия на ее работоспособность незначительно.
Предлагаемая гидромашина имеет большой полезный объем, что делает эффективным ее применение даже при малых скоростях вращения ротора. Использование этой машины позволит повысить производительность шестеренных насосов, предназначенных для перекачки вязких жидкостей, в частности битумных насосов. При этом предлагаемая машина более проста и надежна, чем машина, взятая за прототип.