РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА

Полезная модель относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами, находящихся во взаимном зацеплении, и может использоваться в насосах и двигателях.
В настоящее время для нагнетания и напорного перемещения вязких жидкостей, обладающих смазывающими свойствами, широко применяют шестеренные насосы с внутренним или внешним зацеплением круглых зубчатых колес, имеющих неподвижные оси (Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с. - стр.311). Эти насосы просты по конструкции, однако, их недостатком является относительно малый полезный объем, который ограничен пространством между впадинами зубьев и корпусом.
Известна роторная гидромашина (GB 1158638 МПК F1C 1/12, опубл. 1969 - fig.1-3), содержащая неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на вращающемся эксцентрике, ось вращения которого относительно корпуса смещена относительно оси эпициклического колеса на расстояние, равное эксцентриситету эксцентрика, два плавающих сателлита, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, торцовые крышки и каналы подвода и отвода рабочей среды, выполненные в торцовой крышке и эпициклическом колесе. В проекции на торцовую плоскость центры сателлитов в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес. Главный недостаток этой гидромашины заключается в том, что в определенных положениях солнечного колеса, сателлиты не могут «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения.
Известна роторная гидромашина (SU 699229 МПК F04C 1/06, опубл. 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, гидромашина дополнительно содержит синхронизирующее устройство, обеспечивающее согласованное вращение ротора и эксцентрика. Эта система включает 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 гидромашины, по сравнению с предыдущей, состоит в том, что сателлиты беспрепятственно проходят «мертвые» положения. Недостатками этой гидромашины являются: технологическая сложность эксцентрика, большие потери на трение и неблагоприятные условия передачи движения, обусловленные наличием вращательных кинематических пар скольжения: между ротором и эксцентриком, осью эксцентрика и паразитной шестерней.
Другая роторная гидромашина (RU 2445512, МПК F04C 2/08, опубл. 2012) отличается от предыдущей конструкцией дополнительного синхронизирующего устройства. Это устройство обеспечивает более надежную работу гидромашины, но не менее сложно.
В гидромашине (US 4229152, МПК F01C 1/08, опубл. 1980) синхронизирующее устройство содержит пару зубчатых колес, расположенных по осям эксцентрика, образующих внешнее зацепление, одно из которых неподвижно закреплено относительно корпуса, а другое относительно солнечной шестерни. Недостатками этой гидромашины являются консольное расположение солнечного колеса на оси эксцентрика, необходимость герметичного сопряжения эксцентрика с корпусом по цилиндру большого диаметра и большая осевая сила давления на эксцентрик.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой конструции является гидромашина (GB 1158638 МПК F1C 1/12, опубл. 1969 - fig.5), содержащая корпус, неподвижное круглое эпициклическое колесо с внутренними зубьями, круглое солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на вращающемся эксцентрике, ось вращения которого относительно корпуса смещена относительно оси эпициклического колеса на расстояние, равное эксцентриситету эксцентрика, два плавающих сателлита, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами. В качестве синхронизирующей системы данная конструкция содержит вторую секцию гидромашины, подобную первой. Солнечные колеса обеих секций жестко связаны между собой и свободно насажены на ось общего эксцентрика. Рабочие полости этой гидромашины ограничены с торцов и разделены между собой перегородками, жестко связанными с корпусом, а также дисками, относящимися к кривошипу. При этом крайние диски жестко закреплены на кривошипе, а центральный диск является эксцентриком, плавающим в зазоре, образуемом центральной перегородкой корпуса и шейкой солнечного колеса. Впускные и выпускные окна рабочих полостей выполнены в боковых перегородках корпуса.
Недостатками такого устройства являются его конструктивная и технологическая сложность. Для обеспечения качественного уплотнения по торцам необходимо обеспечить точное сопряжение подвижных звеньев с корпусом по трем поверхностям (двум торцовым и одной цилиндрической) с каждой стороны устройства. Надежность конструкции снижает наличие плавающего эксцентричного диска - он работает в условиях неблагоприятных углов давления.
Задача предлагаемого изобретения - создание конструкции роторной гидромашины более простой, чем известные, не содержащей ненадежных и нетехнологичных элементов, обеспечивающей гарантированное преодоление сателлитами «мертвых» точек и качественное уплотнение рабочих полостей.
Предлагаемая роторная гидромашина, подобно прототипу, содержит корпус, два неподвижных эпициклических колеса с внутренними зубьями, оси которых смещены относительно центральной оси корпуса в противоположных направлениях, солнечную шестерню с двумя венцами, имеющими внешние зубья, две пары плавающих сателлитов, взаимодействующих с солнечной шестерней и эпициклическими колесами, торцовые перегородки, жестко связанные с корпусом, в которых выполнены впускные и выпускные окна. В отличие от прототипа, торцовые перегородки, ограничивающие рабочие полости гидромашины, взаимодействуют с торцами сателлитов и венцов солнечной шестерни, а вращающий момент к солнечной шестерне, совершающей планетарное движение, прикладывается с помощью внешнего устройства, например карданного вала.
В такой конструкции обеспечено повышение герметичности рабочих полостей. Уплотнение происходит только по плоской торцовой поверхности перегородок, а не по трем плоским и цилиндрическим поверхностям как в прототипе. При этом легче обеспечить необходимую точность прилегания деталей. В предлагаемой конструкции отсутствует ненадежный элемент - плавающий эксцентрик.
Для удобства сборки роторной гидромашины солнечная шестерня выполнена составной. Она содержит вал, с которым зубчатые венцы связаны соединением, обеспечивающим передачу вращающего момента, например, шпоночным или шлицевым.
Во избежание гидравлических ударов при работе на несжимаемых средах (жидкостях), полости (секции) гидромашины соединены окнами последовательно, т.е. одна из крайних торцовых перегородок содержит впускное окно, другая - выпускное окно, а центральная торцовая перегородка - перепускное окно, причем длина каждого окна в окружном направлении превышает диаметр сателлита.
Оптимальными, с точки зрения обеспечения герметичности и производительности роторной гидромашины, являются параметрические соотношения, при которых начальные диаметры плавающих сателлитов составляют 0,1-0,25 от начального диаметра эпициклического колеса.
Примеры реализации конструкции гидромашины показаны на чертежах, где на фиг.1 изображен разрез роторной гидромашины плоскостью В-В, перпендикулярной главной оси; на фиг.2 - ее осевой разрез по Б-Б; на фиг.3 - разрез по плоскости А-А; на фиг.4 изображена гидромашина, содержащая четыре рабочие секции (разрез по А-А).
2
3
Роторная гидромашина, изображенная на фиг.1, 2, 3 содержит корпус 1, два неподвижных эпициклических колеса 2, 3 с внутренними зубьями, оси A, А которых смещены относительно центральной оси О корпуса на 180°. Солнечная шестерня с двумя венцами 4, 5, имеющими внешние зубья, выполнена сборной. Она содержит вал 6, на котором венцы 4, 5 закреплены с помощью шпонок 7. С каждым эпициклическим колесом 2, 3 и венцом 4, 5 солнечной шестерни взаимодействуют по два плавающих сателлита. Пара сателлитов 8, взаимодействует с солнечной шестерней 4 и эпициклическим колесом 2, а пара сателлитов 9 - с солнечной шестерней 5 и эпициклом 3. Сборка зубчатых колес проведена таким образом, что оси сателлитов в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении осями эпициклического и солнечного колес. Торцовые перегородки 10, 11, 12 жестко связаны с корпусом 1. При этом в крайней торцовой перегородке 10 выполнено впускное окно 13, в центральной перегородке 11 - перепускное окно 14, в крайней перегородке 12 - выпускное окно 15. Окна имеют форму, удлиненную в окружном направлении, причем длина каждого окна превышает диаметр сателлита. Вращающий момент подается на вал 6 солнечной шестерни с помощью карданного вала 16.
Роторная гидромашина работает следующим образом.
С карданного вала 16 вращение передается валу 6 солнечной шестерни. Солнечная шестерня с венцами 4, 5 совершает сложное движение относительно эпициклических колес 2, 3. Сателлиты 8, 9 обкатываются по внутренним венцам колес 2, 3 и по венцам 4, 5 солнечной шестерни. Это приводит к циклическому изменению объемов рабочих полостей гидромашины. В той фазе движения механизма, которая показана на фиг.1, в секции гидромашины, образуемой звеньями 3, 5, 9, верхняя рабочая полость имеет минимальный объем, а нижняя максимальный. При этом обе полости сообщаются между собой через перепускное окно 14 и с выходом через окно 15. В тот же момент в секции, образуемой звеньями 4, 2, 8, левая и правая рабочие полости имеют одинаковый объем, но при этом объем правой полости уменьшается, а левой - увеличивается. В левой полости происходит всасывание через окно 13, а из правой полости рабочая среда вытесняется через перепускное окно 14 в секцию, образуемую звеньями 3, 5, 9. В следующей фазе движения работает секция, образуемая звеньями 3, 5, 9, а секция 4, 2, 8 перепускает среду. Таким образом, секции работают по очереди.
Роторная гидромашина, изображенная на фиг.4, отличается от предыдущей тем, что помимо двух основных, содержит две дополнительные секции, аналогичные основным. При этом все венцы 4 солнечного колеса, насажены на общий вал 6. Увеличение количества секций свыше двух устраняет перекосы вращающихся звеньев, возникающих в результате давления среды, и увеличивает производительность гидромашины. Гидравлически рабочие полости всех секций совмещены последовательно, либо каждая пара секций имеет свой выход на внешнюю цилиндрическую поверхность корпуса 1 (на фигурах не показано). Работа четырехсекционной машины происходит аналогично двухсекционной.
Представляется перспективным использование предлагаемой гидромашины в насосах для перекачки нефти и мазута, в насосах-дозаторах для различных жидкостей, в насосах и двигателях гидроприводов, в пневмодвигателях, в вакуумных насосах низкого вакуума. Технический эффект: повышение износостойкости оборудования и ресурса его работы за счет автоматической компенсации износа взаимодействующих поверхностей, увеличение производительности и удельной мощности шестеренных гидромашин за счет увеличения полезного объема.