МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ ЗОЛОТНИКОВЫЙ ПУЛЬСАТОР
MULTIPLICATIVE SPOOL PULSATOR

Изобретение относится к пульсационным устройствам машиностроения и может быть использовано как элемент аппаратов попеременного доения в агропромышленности и сельском хозяйстве, а также в медицинской, фармацевтической, авиационно-космической, судостроительной, автомобильной, обрабатывающей, строительной, и многих других отраслях промышленности.
Золотниковый пульсатор - устройство, преобразующее постоянное избыточное давление газа в переменное путем смещения окон подвижной части относительно окон в поверхности неподвижной части, по которой она скользит. Избыточное давление - разность абсолютного давления и давления окружающей среды, - величина алгебраическая, при отрицательных значениях характеризующая разрежение газа, вплоть до вакуума. Золотниковые пульсаторы попеременного (асинхронного) доения гораздо более функциональны, а также надежны по конструкции, чем широко применяемые ранее мембранно-клапанные, входящие в устройства одновременного (синхронного) доения /Королев В.Ф. Доильные машины: Теория, конструкция и расчет. Изд-во «Машиностроение». М., 1969. - 279 с./. Наиболее популярны в настоящее время золотниковые пульсаторы попарного доения, например, итальянской фирмы Интерпульс и их аналоги. В них используются высокоскоростные возвратно-поступательные золотники, подверженные сильному износу и уходу технических характеристик пульсатора. Специальные патенты посвящены износостойким покрытиям и уплотнениям в таких высокоскоростных возвратно-поступательных золотниках, например, /Николини Г., Сикури Р. Пневматический пульсатор для доильных установок. Патент на изобретение РФ №2289239/. Кроме того, эти высокочастотные пульсаторы являются тяжело нагруженными механизмами из-за возвратно-поступательных колебательных движений, сопровождающихся инерционными нагрузками, амплитуды которых пропорциональны квадрату частоты. Постоянные ударные нагрузки приводят к усталостным разрушениям, а также являются одним из основных источников шума доильной установки.
Предлагается вместо возвратно-поступательных золотников использовать вращающиеся. До сих пор применение вращающихся золотниковых пульсаторов сдерживалось следующим обстоятельством. С ростом частоты вращения золотника увеличивается окружная скорость на его наружной поверхности трения, и механизм скольжения сопрягающихся поверхностей (ротора и статора) осложняется значительным тепловыделением, трудностями смазки, износом сопрягающихся поверхностей и нарушениями плотности их взаимного прилегания. Следовательно, многократное снижение частоты вращения золотниковых пульсаторов, на порядок и более, при сохранении функциональности, весьма принципиально, ибо открывает возможности их широкого внедрения.
Вращающийся золотниковый пульсатор включает в себя неподвижный статор и вращающийся ротор, расположенный внутри статора по его оси симметрии. Функция статора - равномерное размещение по окружности n окон, воспринимающих и передающих далее по каналам на исполнительные устройства толчки давления газа, а ротора - последовательная раздача постоянного избыточного давления из его внутренней полости по окнам статора для получения на них переменного во времени пульсирующего давления. Окна статора и ротора выполнены в виде щелевых отверстий. При использовании на роторе только одного окна большая часть времени вращения ротора-золотника расходуется не на выполнение его главной функции - создание пульсирующего давления на окнах статора, а на совершенно непроизводительный холостой поворот своего единственного окна к очередному окну статора. Это влечет высокие обороты ротора и малое время совмещения окон ротора и статора для выполнения основной функции. Недопустимо резко снижается функциональность и надежность устройства из-за значительного механического тепловыделения, трудностей смазки, износа сопрягающихся поверхностей и нарушений плотности их взаимного прилегания.
Выполненные с единственным роторным окном вращающиеся золотники требуют высоких оборотов, а высокая частота вращения золотников является главным сдерживающим фактором их применения.
Техническая проблема обусловлена тем, что возрастание мощности сил трения в золотниковой паре при высоких скоростях вращения ротора вызывает интенсивные тепловыделения, что нарушает функциональность и надежность устройства.
Для решения этой проблемы применяетсямногократное снижение частоты вращения ротора вращающегося золотникового пульсатора за счет того, что полный цикл пульсаций давления или вакуума на окнах статора осуществляется за время не полного оборота ротора, а только за время весьма малого его поворота.
r
s
r
s
Предлагается мультипликативный золотниковый пульсатор, включающий неподвижный статор, снабженный n равномерно распределенными по окружности окнами, и скользящий по нему ротор, содержащий газообразную среду под избыточным давлением, снабженный mn+1 или mn-1 равномерно распределенными по окружности окнами для прямой или обратной пульсации соответственно, где m - любое натуральное число: m = 1, 2, 3, …, при этом газ находится под сжатием или разрежением, вплоть до вакуума, а суммарная угловая величина окон ротора и статора γ=γ+γ, где γ, γ - угловые величины окон ротора и статора соответственно, должна удовлетворять условию γ ≤ nδ, где δ - универсальная характеристика устройства: δ=2π/n/(mn+1) - для прямой пульсации, δ=2π/n/(mn-1) - для обратной, соответственно, тогда последовательная пульсация давления на окнах статора будет при:
δ < γ < nδ - перекрывающаяся,
γ = δ - непрерывная,
γ = nδ - полная,
γ < δ - дискретная.
При этом полный цикл последовательных пульсаций давления по окнам статора осуществляется за время не полного оборота ротора-золотника, а только за время его поворота на малый угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1) в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора (прямая пульсация) или противоположном (обратная пульсация), соответственно.
Следовательно, требуемая частота вращения мультипликативного ротора-золотника снижается в mn+1 или mn-1 раз соответственно по сравнению с однооконным ротором-золотником. Время замкнутого состояния, равное времени перекрытия окон статора и ротора, в течение которого проходящий газ создает импульс давления, увеличивается в это же число раз.
Иначе говоря, медленное вращение ротора по сравнению с требуемой частотой вращения пульсаций, снимаемых со статора, дополненное эффектом мультипликации, обеспечивает решение технической проблемы.
Сопутствующим эффектом является достижение максимально возможного времени перекрытия окон ротора и статора, в течение которого происходит пульсация газа на окне статора, а также повышение надежности и живучести устройства вследствие использования многих окон ротора-золотника вместо одного.
r
s
Принцип мультипликации был применен в системе непрерывного распределения топливоподачи по цилиндрам ДВС, принятой за прототип /Свияженинов Е.Д. Вращающийся золотниковый распределитель. Патент на изобретение РФ № 2651702. Приоритет 27.10.2016/. Для обеспечения раздельного питания каждого тракта распределителя по времени, чтобы временные циклы поступления топливопродукта в соседние окна статора не перекрывали друг друга, суммарная угловая величина окон ротора и статора γ = γ + γ по прототипу подвергается весьма сильному ограничению: γ ≤ δ. Между тем для генерирования последовательных пульсаций на окнах статора эти ограничивающие условия абсолютно не требуются. Наоборот, наиболее функционален и типичен режим перекрытия, или нахлестки (частичного совмещения), импульсов давления на соседних окнах статора, так называемый оверлэпный режим (от англ. “overlap” - перекрытие).
Ниже будет доказано, что для задач последовательной пульсации, целью которых и служит настоящее изобретение, угол γ должен удовлетворять гораздо более слабому ограничениям, а именно, он может быть ровно в n раз больше, где n - число окон статора.
Соответственно и класс явлений по критерию взаимной локализации генерируемых импульсов значительно богаче, чем в прототипе.
Это может быть оверлэпное, непрерывное и дискретное расположение импульсов. В целях корректного выбора конструктивных параметров особо рассмотрен также предельный оверлэпный режим полной пульсации.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема мультипликативного золотникового пульсатора для m = 2.
На фиг. 2-4, фиг. 5-7 представлены последовательности и схемы работы пульсатора для прямой и обратной перекрывающейся, или оверлэпной, пульсации соответственно. Прямая пульсация показана на фиг. 2-4, тогда как обратная - на фиг. 5-7. В качестве примера приведена схема прямой пульсации для 4-оконного устройства, n = 4, и обратной пульсации - для 6-оконного, n = 6. В обоих случаях используется ротор с последовательными значениями m = 1, 2, 3.
Фиг. 2 отвечает случаю m = 1, n = 4, фиг. 3 - m = 2, n = 4, фиг. 4 - m = 3, n = 4, фиг. 5 - m = 1, n = 6, фиг. 6 - m = 2, n = 6, фиг. 7 - m = 3, n = 6.
На фиг. 8 представлены временные развертки импульсов давления газа на каждом из n окон, n = 4, для перекрывающейся, или оверлэпной, прямой пульсации.
На фиг. 9-11, фиг. 12-14 представлены последовательности и схемы работы пульсатора для прямой и обратной непрерывной пульсации соответственно. Прямая пульсация показана на фиг. 9-11, тогда как обратная - на фиг. 12-14. В качестве примера приведена схема прямой пульсации для 4-оконного устройства, n = 4, и обратной пульсации - для 6-оконного, n = 6. В обоих случаях используется ротор с последовательными значениями m = 1, 2, 3.
Фиг. 9 отвечает случаю m = 1, n = 4, фиг. 10 - m = 2, n = 4, фиг. 11 - m = 3, n = 4, фиг. 12 - m = 1, n = 6, фиг. 13 - m = 2, n = 6, фиг. 14 - m = 3, n = 6.
На фиг. 15 представлены временные развертки импульсов давления газа на каждом из n окон, n = 4, для непрерывной прямой пульсации.
На фиг. 16-18, фиг. 19-21 представлены последовательности и схемы работы пульсатора для прямой и обратной предельной полной пульсации соответственно. Прямая пульсация показана на фиг. 9-11, тогда как обратная - на фиг. 12-14. В качестве примера приведена схема прямой пульсации для 4-оконного устройства, n = 4, и обратной пульсации - для 6-оконного, n = 6. В обоих случаях используется ротор с последовательными значениями m = 1, 2, 3.
Фиг. 16 отвечает случаю m = 1, n = 4, фиг. 17 - m = 2, n = 4, фиг. 18 - m = 3, n = 4, фиг. 19 - m = 1, n = 6, фиг. 20 - m = 2, n = 6, фиг. 21 - m = 3, n = 6.
На фиг. 22 представлены временные развертки импульсов давления газа на каждом из n окон, n = 4, для предельной полной прямой пульсации.
На фиг. 23 представлены временные развертки импульсов давления газа на каждом из n окон, n = 4, для дискретной прямой пульсации.
Схема мультипликативного золотникового пульсатора.
r
s
Мультипликативный золотниковый пульсатор (фиг. 1) состоит из вращающегося ротора-золотника 1 с равномерно распределенными по окружности окнами 2 угловой величины γ, отделяющего равномерно установленные по окружности статора 3 n окон 4 угловой величины γ от газообразной среды под избыточным давлением, положительным (сжатие) или отрицательным (разрежение или вакуум), находящейся во внутренней полости ротора. Золотник 1 содержит mn+1 или mn-1 окон 2, где m - любое натуральное число: m = 1, 2, 3, …. Обозначим через γ полный (суммарный) угол окон ротора и статора:
r
s
γ = γ + γ.
При этом вариант исполнения mn+1 окон 2 золотника 1 служит для реализации прямой пульсации, тогда как mn-1 окон 2 - для обратной.
Угол γ должен удовлетворять следующим условиям:
γ  nδ =  (для прямой пульсации),
(1)
γ  nδ =  (для обратной),
где n - число окон 4 статора 3.
Важно отметить, что если угол γ - частная характеристика конкретной технической реализации мультипликативного золотникового пульсатора, определяющийся его геометрическими размерами, то угол δ, определяющийся соотношениями:
δ =  (для прямой пульсации),
δ =  (для обратной), -
принципиальная универсальная (зависящая только от чисел m, n) характеристика устройства,- угол, начиная с которого реализуется его наиболее эффективный режим функционирования, полностью исключающий непроизводительное (холостое) вращение золотника всего лишь для поворота очередного окна ротора к следующему окну статора (непрерывная и оверлэпная пульсация), что будет показано ниже.
Принцип работы мультипликативного золотникового пульсатора. Анализ прямой и обратной пульсации различных видов.
Для пояснения принципа работы мультипликативного золотникового пульсатора, а также анализа перекрывающихся, или оверлэпных, последовательных прямой и обратной пульсаций, служат фиг. 2-7 соответственно. На фиг. 2-4 изображена схема прямой пульсации для 4-оконного статора, а на фиг. 5-7 - схема обратной пульсации для 6-оконного статора посредством многооконного ротора-золотника с последовательными значениями m = 1, 2, 3, с указанием опорных углов.
Направление вращения ротора-золотника 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f. Далее f будет обозначать также частоту вращения ротора 1. Угловая частота вращения ротора 1 обозначена через ω и составляет ω = 2πf.
i
j
Передние края окон 2 ротора-золотника 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися лучами r (сплошные линии), а передние края окон 4 статора 3 - неподвижными лучами s (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам окон 2 ротора 1 и окон 4 статора 3.
Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из этих рисунков, состоит в том, что:
i
i
1. Последовательные углы между лучами r, s, i = 2, 3, 4, … составляют (i-1)δ, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.
2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.
Именно эти два обстоятельства эффективно обеспечивают полный цикл равновременной последовательной пульсации давления на окнах статора не за полный период вращения ротора-золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть.
r
s
Работает устройство следующим образом. Пусть в начальный момент времени передний край одного из mn+1 (фиг. 2-4) или mn-1 (фиг. 5-7) окон 2 ротора 1 совпадает с передним краем одного из n окон 4 статора 3 (фиг. 1). Окно ротора начинает перекрывать окно статора и одновременно начинается подача в него газа до тех пор, пока задний край окна 2 ротора 1 не достигает заднего края окна 4 статора 3, и перекрытие окон заканчивается. Это происходит при повороте ротора на угол γ = γ + γ. Но независимо от этого при повороте ротора на угол δ сразу начинается вышеописанный процесс на соседнем окне статора. Действительно, при повороте золотника 1 на угол δ =  (при прямой пульсации) или на угол δ =  (при обратной) открывается поток газа на соседнее окно статора 3 по направлению или против вращения ротора 1.
Поэтому в целом временной характер пульсаций на устройстве зависит от соотношения конструктивного угла γ и универсального (зависящего лишь от чисел m, n) постоянного угла δ.
Возможны следующие случаи конструктивного исполнения пульсатора, удовлетворяющие необходимым условиям (1), при которых пульсация будет:
δ < γ < nδ - перекрывающаяся (оверлэпная),
γ = δ - непрерывная,
γ = nδ - полная,
γ < δ - дискретная.
На фиг. 8 представлены временные развертки импульсов давления газа на каждом из n окон, n = 4, для оверлэпной прямой пульсации.
Отметим, что наибольшую практическую ценность представляют именно оверлэпные пульсаторы.
На фиг. 9-23 изображены аналогичные схемы работы вращающегося мультипликативного золотникового пульсатора и временные развертки импульсов газа для непрерывной, предельной полной и дискретной пульсации.
Очевидно, что полный цикл пульсаций по всем окнам статора происходит не за полный период вращения золотника 1, а только за mn+1 или mn-1 его часть, в силу осевой симметрии устройства mn+1 или mn-1 порядка, когда при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой. Поэтому при повороте ротора-золотника 1 на угол 2π/(mn+1) = nδ или на угол 2π/(mn-1) = nδ произойдет последовательная равномерная по времени пульсация на всех окнах статора в прямом или обратном направлении.
Таким образом, частота вращения импульсов давления на окнах статора соответственно в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в пульсаторе с однооконным ротором-золотником при той же частоте его вращения. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1 или mn-1-оконного золотника 1 будет соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения однооконного ротора-золотника, дающего ту же частоту вращения импульсов давления по окнам статора. Поэтому золотник по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты вращения импульсов в mn+1 или в mn-1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена. Но при сниженной частоте вращения золотника во столько же раз увеличивается время замкнутого состояния - время работы окна статора, пока мимо него проходит окно ротора. Следовательно, эффект мультипликации приводит к тому же результату, но при существенно сниженной скорости вращения золотника.
Частота пульсации на каждом окне статора ν связана с частотой вращения ротора f следующими соотношениями:
ν = f (mn+1) - для прямой пульсации,
ν = f (mn-1) - для обратной.
Время замкнутого состояния τ (время перекрытия окон ротора и статора) в самом общем случае, включающем как оверлэпную, непрерывную, полную, так и дискретную пульсацию, составляет:
τ = (γ/δ)/(nν).
Отсюда следует, что для частных случаев полной γ = nδ и непрерывной γ = δ пульсации соответственно имеем:
τ = 1/ν,
τ = 1/(nν).
Временные развертки импульсов давления газа для перекрывающейся, непрерывной, дискретной и предельной полной пульсации представлены на фиг. 8, 15, 22, 23 соответственно. Здесь для определенности нагрузка внутренней полости ротора-золотника полагается положительным избыточным давлением (сжатие). В случае отрицательных избыточных давлений (разрежение или вакуум) все значения импульсов давлений меняются на противоположные, т.е. временные развертки на фиг. 8, 15, 22, 23 зеркально отражаются относительно горизонтальной оси времени.
Пример расчета частоты вращения ротора мультипликативного золотникового пульсатора.
В качестве примера рассчитаем схему прямой пульсации для 4-оконного статора, n = 4, посредством mn+1-оконного золотника ротора, для значений параметра системы m = 1, 2, 3. Пусть требуемая частота пульсаций на каждом из окон статора составляет ν = 1 Гц. Тогда период вращения T и частота вращения f ротора мультипликативного золотникового пульсатора составят: T = (mn+1)/ν, f = ν/(mn+1).
m
1
2
3
Т, с
5
9
13
f, об/с
.2
.11
.07
Учитывая, что для однооконного ротора-золотника период вращения составляет 1 с, видим, что для мультипликативного пульсатора период вращения ротора T увеличивается на порядок и более.
Наглядно виден эффект мультипликации частоты пульсации, проявляющийся в mn+1 или mn-1-кратном снижении требуемых частот вращения ротора многооконного золотникового пульсатора.
Это обусловлено тем, что все время вращения многооконного ротора эффективно расходуется на совершение главной его функции - последовательной генерации пульсаций на окнах статора, а непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота его единственного окна к окнам статора полностью исключено.
Выводы. Технический результат.
1. Использование mn+1 или mn-1-оконных роторов вращающихся мультипликативных золотниковых пульсаторов внутри n-оконных статоров в mn+1 или mn-1 раз соответственно снижает скорость вращения ротора и линейную скорость скольжения золотниковых пар трения, делая возможным использование медленных постоянно вращающихся золотников с достижением тех же частот пульсаций. В первом случае последовательность пульсаций идет в прямом, а во втором - в обратном направлении относительно направления вращения ротора. Многократное снижение частоты вращения ротора-золотника пульсатора абсолютно необходимо для его функционирования, поскольку только малая линейная окружная скорость ротора предотвращает износ сопрягающихся поверхностей и нарушения плотности их взаимного прилегания, тепловыделения, трудности смазки, а также механические вибрации и динамические нагрузки.
2. В мультипликативных золотниках для задач последовательной пульсации предельный суммарный угол окон ротора и статора γ может быть ровно в n раз больше, чем в распределителях, работающих по непрерывному режиму.
3. Увеличение натурального числа - параметра системы m = 1, 2, 3, … позволяет практически неограниченно снижать частоты вращений ротора-золотника для достижения тех же частот пульсаций и их длительностей.
4. Малая частота вращения ротора в mn+1 или в mn-1 раз соответственно увеличивает время замкнутого состояния и, следовательно, повышает функциональность отработки импульсов газа по окнам устройства.
5. Возможность оверлэпной пульсации, вплоть до полной, при которой все время вращения ротора-золотника полностью расходуется только на совершение главной его функции - последовательную пульсацию давления по трактам устройства, - важнейшее преимущество предлагаемой схемы устройства. Непроизводительное холостое вращение ротора только лишь для поворота окна ротора к очередному окну статора может быть абсолютно исключено.
6. Замена однооконного ротора пульсатора на mn+1 или mn-1-оконный в такое же число раз снижает аэродинамическую нагрузку на окна ротора.
7. При выходе из строя, например, засорении окна ротора-золотника пульсатор давлений не испытывает отказ, т.е. используемая многооконная система пульсации приобретает живучесть, против однооконной.