ПРИВОД С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДЛИНОЙ ХОДА ПОЛЗУНА ПРИ РАБОТАЮЩЕМ И ОСТАНОВЛЕННОМ МЕХАНИЗМЕ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, насосостроении, дозирующей технике для жидких и сыпучих продуктов и др. в качестве приводов возвратно-поступательного движения с регулированием длины хода ползуна при работающем и остановленном механизме.
Известен кривошипно-ползунный механизм, у которого изменение длины хода ползуна осуществляется при помощи кривошипного вала с косым шипом и посаженной на шип втулкой, соединенной с кривошипной головкой шатуна (Промышленный каталог, дозировочные насосы, системы измерения и регулирования фирмы HAUKE, Австрия, 1989).
Основным недостатком этого механизма является низкая надежность в работе.
Ближайшим аналогом-прототипом предлагаемой полезной модели является изобретение по патенту РФ №2098700, 6 F 16 H 21/00, представляющее собой кривошипно-ползунный механизм с изменяемой длиной хода ползуна при работающем и останавливающем основном приводе, содержащим корпус с соосными неподвижной и подвижной в осевом направлении опорами, размещенные в корпусе основной привод, состоящий из ведущего вала шестерни и установленного в неподвижной опоре ведомого колеса, привод подвижной опоры, ползун, связанный с одним концом шатуна, на другом конце которого выполнена кривошипная головка с отверстием, втулку, размещенную в последнем, и установленный в подвижной опоре с возможностью вращения и осевого перемещения кривошипный вал, шип кривошипного вала размещен в отверстии втулки и ведомого колеса, ось вращения последнего совпадает с осью кривошипного вала и параллельна оси щипа, а втулка и шип кривошипного вала представляют собой винтовую пару.
Указанный механизм имеет существенные недостатки.
Во-первых, не определен оптимальный угол подъема винтовой нарезки шипа кривошипного вала и винтовой нарезки в отверстии втулки, что не позволяет сделать устройство надежным в работе.
С одной стороны, для уменьшения усилия на винте, с помощью которого регулируется длина хода ползуна, необходимо угол подъема винтового сочленения уменьшать, что потребует увеличение габаритов механизма и его металлоемкости.
С другой стороны, увеличение угла подъема винтового сочленения увеличивает усилие для регулирования длины хода ползуна, а в некоторых случаях делает механизм неработоспособным из-за заклинивания винтового сочленения.
В описании патента №2098700 указано, что угловое вращение кривошипного вала относительно колеса обеспечивается из-за наличия эксцентриситета в системе колесо-кривошипный вал. Но как показала практика, указанная теоретическая предпосылка не всегда выполняется. При работе механизма наблюдается некоторое проворачивание кривошипного вала относительно отверстия колеса, что увеличивает люфт в кривошипно-шатунном механизме, появляется стук в кривошипном сочленении, понижается точность работы механизма.
В патенте №2098700 для передачи усилия на ползун предусмотрено винтовое соединение с втулкой только одного шипа кривошипного вала, что ограничивает передаваемое усилие на ползун.
Указанные выше недостатки привода по патенту №2098700 снижают надежность его работы.
Цель предлагаемой полезной модели - повышение надежности работы привода.
Указанная цель достигается тем, что привод с регулируемой длиной хода ползуна при работающем и остановленном механизме, содержит электродвигатель, корпус с передней и задней крышками, соосные подвижную в осевом направлении и неподвижную опоры, червяк,
установленный с одной стороны, на коническом роликовом подшипнике, а с другой - на двух шариковых или одном коническом роликовом подшипниках и связанный зацеплением с червячным колесом, установленным в задней крышке или корпусе привода на коническом роликовом или шариковом радиально-упорном подшипниках, в ступице червячного колеса выполнено эксцентрично расположенное отверстие, в котором помещен эксцентриковый вал (далее - вал), на эксцентричном участке которого выполнены винтовые шлицы, опирающиеся на стенку отверстия в червячном колесе, а гладкой шейкой - на размещенную в передней крышке подвижную опору, выполненную в виде втулки и ограничивающую осевое перемещение вала, при этом на винтовых шлицах его помещен эксцентрик, внутреннее шлицевое отверстие которого выполнено эксцентрично относительно наружного посадочного диаметра цилиндра под шатун, в передней крышке размещено отсчетное устройство привода, обеспечивающее осевое перемещение подвижной опоры с валом для установки требуемой длины хода ползуна, а в ступице червячного колеса выполнен шпоночный паз под шпонку, соединяющую ступицу с валом для передачи вращения от червячного колеса к валу, оптимальное количество шлицов 3...6, для валов с наружным диаметром шлицевого участка d=20 мм...36 мм угол подъема винтовой линии шлицов составляет β=33°...35°, а для валов с наружным диаметром шлицевого участка d=36 мм...52 мм - β=35°...38°15'.
На фиг.1 изображен разрез привода, на фиг.2 - эксцентриковый вал.
Привод содержит корпус 1, на котором крепятся передняя крышка 13, задняя крышка 3 и кронштейн 10. На горловине корпуса 1 имеется электродвигатель (на фиг.1 не показан), связанный с червяком 2, опирающимся с одной стороны на конический роликовый подшипник, а с другой стороны на два шариковых или один конический роликовый подшипник (на фиг.1 не показаны). Находящееся в зацеплении с червяком 2 червячное колесо 4 установлено в корпусе 1 или в задней крышке 3 на коническом роликовом или радиально-упорном шариковом подшипнике 7. Подшипник 7 служит неподвижной опорой червячного колеса 4 и вала 6, содержащего шлицевой
участок с винтовыми шлицами 21 и гладкую шейку 20, расположенную с эксцентриситетом «е» относительно шлицевого участка вала 6. В ступице червячного колеса 4 выполнено эксцентрично расположенное отверстие со шпоночным пазом 19 под шпонку 5, соединяющую ступицу с валом 6. Вращение от червячного колеса 4 передается шпонкой 5 валу 6, который опирается шлицевым участком на отверстие в червячном колесе 4, а гладкой шейкой 20 - на размещенную в передней крышке 13 подвижную опору, выполненную в виде втулки 17. Подвижная опора 17 является для вала 6 фиксирующей, т.е. она ограничивает его перемещение. Шлицевой участок вала 6 эксцентрично вращается вокруг общей оси вращения червячного колеса 4 и вала 6, проходящего через подвижную 17 и неподвижную (подшипник 7) опоры. На шлицах вала 6 помещен эксцентрик 8 с надетым на него шатуном 12. Внутреннее шлицевое отверстие эксцентрика 8 выполнено эксцентрично относительно наружного посадочного диаметра цилиндра 22 под шатун 12. Таким образом, вал 6 и эксцентрик 8 образуют систему «эксцентрик в эксцентрике», суммарный эксцентриситет которой может изменяться от ноля до максимума, равного сумме эксцентриситетов вала 6 относительно оси вращения и эксцентрика 8 относительно оси шлицевого участка вала 6. Изменение суммарного эксцентриситета происходит при вращении эксцентрика 8 вокруг оси шлицевого участка вала 6 винтовыми шлицами 21 вала 6, когда подвижная опора 17 с закрепленным в ней валом 6 перемещается в передней крышке 13 в осевом направлении. От осевых перемещений эксцентрик 8 ограничивают с одной стороны червячное колесо 4, а с другой стороны - шайба 18, установленная в передней крышке 13. В передней крышке 13 размещается винт 14 со штурвалом 16 и фиксатором 15 для возможности регулирования величины хода ползуна 11. Ползун 11, шарнирно связанный с шатуном 12 посредством пальца 9, движется в направляющем отверстии кронштейна 10. Для определения величины хода ползуна 11 в приводе имеется отсчетное устройство (на фиг.1 не показано).
Привод работает следующим образом.
Вращательное движение от электродвигателя сообщается червяку 2, который приводит во вращение червячное колесо 4, при этом происходит понижение числа оборотов и повышение крутящего момента. Червячное колесо 4 посредством шпонки 5 вращает вал 6, на шлицах 21 которого установлен эксцентрик 8. Эксцентрик 8 сообщает движение шатуну 12, который преобразует вращательное движение эксцентрика 8 в возвратно-поступательное движение ползуна 11.
Изменение длины хода ползуна 11 осуществляется вращением винта 14 с помощью штурвала 16. Так как шлицы 21 вала 6, на которых расположен эксцентрик 8, выполнены по винтовой линии, то при осевом перемещении вала 6 относительно эксцентрика 8 происходит поворот эксцентрика 8 вокруг вала 6. При этом изменяется суммарный эксцентриситет системы «эксцентриковый вал-эксцентрик» относительно общей оси вращения, что приводит к изменению амплитуды возвратно-поступательного движения ползуна 11. Фиксация установленного значения длины хода ползуна 11 осуществляется фиксатором 15. Величина перемещения подвижной опоры 17 вместе с валом 6, характеризующая величину хода ползуна 11, определяется с помощью отсчетного устройства (на фиг.1 не показано). Винт 14, штурвал 16 и фиксатор 15 являются элементами отсчетного устройства.
Для возможности проведения экспериментальных работ предлагаемая полезная модель разрабатывалась в качестве привода, заменяющего привод в дозирующих насосах НД, которые в настоящее время выпускают многие заводы в России, в том числе ЗАО «Дозировочные насосы и системы»(«ДНС») г.Тула.
Основным недостатоком привода насоса НД (основными элементами его являются эксцентриковый вал с помещенным на нем эксцентриком) является невозможность регулирования длины хода плунжера (подачи насоса) при работающем механизме. Насосы НД охватывают подачи от 25 л/час до 6300 л/час и имеют приводные механизмы мощностью до 1,1; 2,2; 3,0; 4,0; 5,5 квт.
С целью возможности замены всего ряда приводных механизмов насосов НД во всем диапазоне мощностей на предлагаемый привод по силовым характеристикам для мощностей 1,1; 2,2; 3,0 квт был определен первый ряд эксцентриковых валов 6 с d=20 мм ... d=36 мм, для мощностей 3,0; 4,0; 5,5 квт второй ряд эксцентриковых валов 6 с d=36 мм ... d=52 мм.
Все экспериментальные испытания опытных образцов предлагаемого привода осуществлялись с использованием гидравлической части насосов НД, при соединении ползуна 11 с помощью штока с плунжером насоса НД. На фиг.1 не показано. Испытания проводились на гидравлическом стенде ЗАО «ДНС» г.Тула.
Специфика работы предлагаемого привода состоит в том, что передача усилия на ползун 11 от вала 6 осуществляется в основном за счет эксцентриситета вал 6 - эксцентрик 8, которые работают в это время как одно целое. По этой причине теоретически определить усилие смятия на шлицах вала 6 затруднено. Работоспособность предлагаемого привода проверялась на проливочном стенде.
Габариты предлагаемого привода вдоль оси вала 6 определяются в основном величиной перемещения вала 6 при ручном регулировании подачи. Конструктивно удалось «вписать» основные элементы предлагаемого привода в корпус привода насоса НД, При увеличении угла β габариты привода уменьшаются, но с другой стороны увеличивается усилие для регулирования длины хода ползуна 11 и при этом появляется возможность заклинивания механизма. Многочисленные расчеты и экспериментальные проверки показали, что критичным является угол β=39°-40°.
Для проведения всесторонних испытаний после многих доработок в окончательном варианте привод был скомпонован с гидравлической частью насоса НД (мощность 5,5 квт, плунжер диаметром 125 мм, ход плунжера 50 мм). Общий вид насоса, испытанного на проливочном стенде, показан на рис.3 (23 - электродвигатель, 24 - привод, 25 - гидроцилиндр). Привод имел диаметр вала 6 d=50 мм, β=38° 15.
Испытания привода проводились при различных режимах работы насоса, в том числе и на пиковых нагрузках за счет увеличения давления на нагнетательном трубопроводе, прикрывая запорную арматуру.
Осуществлялась регулировка подачи (величины хода ползуна 11) с помощью ручного привода, при этом заклинивания винтового соединения и других неисправностей не наблюдалось. После испытаний привод был разобран и проанализировано состояние винтового соединения - вал 6 - эксцентрик 8. Вмятин и других повреждений не было обнаружено.
На рис.4. показана часть рабочего чертежа эксцентрика привода, который проходил испытание на стенде. Из конструктивных и технологических соображений был применен вал 6 с шестью шлицами. Дальнейшее увеличение количества шлицов признано нецелесообразным. Вал 6 имел d=50 мм, β=38° 15. Размер К1 выполнен менее 0,5 полного размера К эксцентрика. Была подсчитана суммарная площадь боковых стенок пазов П, на которые воздействуют знакопеременные нагрузки и усилие при осевом перемещении вала 6 во время ручной регулировки величины хода ползуна 11 (плунжера насоса). Зная среднюю мощность электродвигателя при заданных параметрах насоса был определен «условный коэффициент работоспособности» У. У=Р/S, где Р - приводная мощность привода, S - суммарная площадь боковых стенок пазов эксцентрика. В данном случае «У» является Ноу-хау, поэтому не подлежит разглашению.
Использую форму эксцентрика по рис.4 и величину «У» были спроектированы, изготовлены и испытаны с положительным результатом предложенные приводы, состыкованные с соответствующими гидравлическими узлами насосов НД при d=23 мм с углом β=33°; d=32 мм с углом β=35°, d=45 мм с углом β=35° 15'; d=50 мм с углом β=38° 15'.
Положительный опыт использования «У» позволяет сделать заключение, что, например, эксцентрик по рис.4 может быть выполнен с тремя пазами, для сохранения площади S эксцентрика с шестью пазами необходимо увеличить рабочую длину эксцентрика К1 в два раза (6/3=2), при четырех пазах К1 увеличиваем в 1,5 раза (6/4=1,5), при пяти пазах К1 увеличиваем в 1,2 раза (6/5=1,2). Указанное выше показывает, что работоспособность предлагаемого привода может быть обеспечена при 3...6 шлицах вала 6 при соответствующих площадях боковых поверхностей пазов эксцентриков.
Предложенный привод имеет нелинейную зависимость между осевым перемещением вала 6 и величиной хода ползуна 11 (плунжера насоса). H=(t/π)·arcsin {L/4e}
t=d π/tg β, где
H - осевое перемещение вала 6 в мм,
L - ход плунжера в мм,
е - эксцентриситет в мм,
d - диаметр вала 6 в мм,
t - шаг винтовой линии в мм,
β - угол подъема витка винтового соединения в градусах.
макс
макс
маес
Габариты привода вдоль оси вала 6 определяются в основном осевым перемещением его при ручном регулировании величины хода ползуна 11. По конструктивным и технологическим соображениям для приводов с ходом ползуна 16 мм Н=40 мм, с ходом 30 мм Н=65 мм, с ходом 60 мм Н=85 мм. В прилагаемых расчетных таблицах №1 и №2 показано, что при выборных углах β указанные требования выполняются. В таблицах №1 и №2 приведены некоторые расчетные параметры валов 6 при использовании угла β в целых градусах.
Таблица №1
d
e
L
β
t
H
Hmax
20
4,5
16
33
96,75
33,72
40
21
4,5
16
33
101,59
35,41
40
22
4,5
16
33
106,43
37,09
40
30
8
30
33
145,13
56,15
65
32
8
30
35
143,57
55,54
65
36
8
30
35
161,52
62,49
65
Таблица №2
d
е
L
t
β
H
Hmax
36
8
30
35
161,52
62,49
65
38
8
30
36
164,31
63,57
65
45
16
60
36
194,58
75,28
85
48
16
60
37
200,11
77,42
85
50
16
60
38
201,05
77,78
85
52
16
60
38
209,09
80,89
85
На странице 10 показан пример расчета и перерасчета параметра вала 6 по шагу витка, выраженному, например, в целых значениях мм. При перерасчете параметров валов 6 необходимо обеспечить β=33°...35° или β=35°...38° 15 при соответствующих диаметрах валов 6 (d=23 мм ... 36 мм, d=36 мм ... 52 мм).
Определение параметров эксцентрикового вала
Пример расчета
Исходные данные:
d=45 мм - диаметр вала эксцентрика
е=16 мм - эксцентриситет
L=60 мм - максимальный ход плунжера
H=80 мм - максимальное осевое перемещение вала
1. Назначаем угол подъема витка из диапазона β=35°...38° 15'
β=36° - угол подъема витка
2. Вычисляем шаг:
3. Вычисляем величину осевого перемещения вала:
4. Проверка величины осевого перемещения
h<H
77.28<80
5. Принимаем шаг: t=200 мм
6. Пересчитываем величину перемещения
;
4. Проверка величины осевого перемещения
h<H
77.37<80
7. Пересчитываем угол подъема витка с учетом нового значения шага:
В результате длительных испытаний различных вариантов приводов в комплекте с гидравлической частью насосов НД на проливочном стенде ЗАО «Дозировочные насосы и системы» г.Тула и теоретических расчетов было найдено конструктивное решение привода, в котором нет недостатков механизма по патенту №2098700.