Аксиально-поршневая гидромашина

Полезная модель относится к роторным гидромашинам объемного действия, предназначенным для использования в гидроприводах машин и оборудования.
Известна аксиально-поршневая гидромашина (АС СССР № 804858, МПК F04В 1/20, опубликовано 15.02.1981), содержащая вращающийся блок цилиндров с двухрядным концентрическим расположением цилиндров и поршней в них, при этом поршни наружного ряда и поршни внутреннего ряда взаимодействуют каждые со своим наклонным диском. Такое выполнение поршневых групп наружного и внутреннего рядов поршней обеспечивает равенство динамических моментов центробежных сил поршней наружного и внутреннего рядов.
Общими признаками аналога являются блок цилиндров, двухрядное расположение цилиндров и поршней в них, наклонные диски, и башмаки поршней.
Недостатком рассмотренного аналога является то, что поршни наружного ряда не расположены в межцилиндровых зонах поршней внутреннего ряда, что могло бы сделать гидромашину гораздо более компактной.
Кроме того, не смотря на динамическую сбалансированность по моментам центробежных сил от поршней наружного и внутреннего рядов, действие давления со стороны распределительного диска по площади серповидных окон на торцевую часть блока цилиндров, способно привести в определенных условиях к раскрытию герметичного стыка торца блока с распределительным диском, как и в других аксиально-поршневых гидромашинах с торцевой системой распределения, большой утечке рабочей жидкости и потере работоспособности гидромашины (см. Гидро-пневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин под редакцией профессора В.В. Гуськова. Минск, «Высшая школа»,1987 г., 312 стр. Раздел Аксиально-поршневые гидромашины).
Известна аксиально-поршневая гидромашина (RU №190213, МПК F04B 1/20, опубликовано 24.06.2019), содержащая наклонную шайбу, блок цилиндров, соединенный с валом шлицами, поршни, размещенные в основных цилиндрах блока, опирающиеся на наклонную шайбу башмаками, завальцованными сферическими головками в поршни, и распределительный диск с основными серповидными окнами и перемычками между ними, прилегающий к блоку цилиндров с другой его стороны, при этом в блоке цилиндров в межцилиндровых зонах выполнены соосно оси блока дополнительные цилиндры меньшего диаметра, в них размещены дополнительные поршни, опирающиеся на наклонную шайбу своими башмаками, в распределительном диске прорезаны дополнительные серповидные окна с перемычками между ними, сообщенные прорезями с основными серповидными окнами.
Поршни основных цилиндров образуют внутренний ряд поршней, поршни дополнительных цилиндров образуют наружный ряд поршней.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются наклонная шайба, блок цилиндров, вал, поршни, размещенные в основных цилиндрах блока, башмаки, завальцованные сферическими головками в поршни и опирающиеся на наклонную шайбу, дополнительные поршни, размещенные в дополнительных цилиндрах, выполненных в межцилиндровых зонах и опирающиеся своими башмаками на наклонную шайбу, завальцованные сферическими головками в дополнительные поршни и перемычки.
Недостатком рассмотренного аналога является динамическая не сбалансированность по моментам центробежных сил от поршней наружного и внутреннего рядов, которая может при высокой скорости вращения блока приводить к раскрытию герметичного стыка торца блока с распределительным диском, как следствие к большой утечке рабочей жидкости и потере работоспособности гидромашины.
Другим недостатком является то, что при определенном давлении со стороны распределительного диска по площади серповидных окон на торцевую часть блока цилиндров, оно способно привести к раскрытию стыка торца блока с распределительным диском, к большой утечке рабочей жидкости и потере работоспособности гидромашины.
Недостатком является и то, что в рассмотренной гидромашине всего один качающий узел с двумя радами цилиндров и поршнями в них – основными и дополнительными. При наличии двух зеркально расположенных в общем корпусе качающих узлов рабочий объем может быть увеличен вдвое, при этом габариты гидромашины увеличиваются незначительно.
В качестве прототипа принята аксиально-поршневая гидромашина (RU № 194266, МПК F04B 1/22, опубликовано 04.12.2019), содержащая наклонную шайбу и блок цилиндров, соединенный с приводным валом шлицами с одной стороны, при этом цилиндры образуют первый, внутренний ряд цилиндров, в которых размещены поршни первого, внутреннего ряда. В блоке есть второй ряд цилиндров, выполненных в межцилиндровых зонах цилиндров первого, внутреннего ряда со своими поршнями меньшего диаметра, в которых размещены поршни второго ряда. При этом все упомянутые поршни опираются своими башмаками на наклонную шайбу, башмаки завальцованы в сферическиие шарниры поршней, а распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к торцу блока цилиндров с другой его стороны, имеет дополнительные серповидные окна с перемычками между ними. Гидромашина содержит второй блок цилиндров с таким же комплектом поршней первого и второго ряда и наклонной шайбой, блоки цилиндров расположены симметрично относительно общего распределительного диска и плотно прилегают к нему с противоположных сторон; оба блока размещены в едином корпусе и соединены с общим приводным валом шлицами, а общий распределительный диск выполнен со сквозными основными и дополнительными серповидными окнами.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются наклонная шайба, блок цилиндров, приводной вал, поршни, размещенные цилиндрах блока, выполненных в два ряда – первому и второму, башмаки, опирающиеся на наклонную шайбу и завальцованные в сферические шарниры поршней, поршни второго ряда размещены в цилиндрах, выполненных в межцилиндровых зонах цилиндров первого ряда.
Недостатком рассмотренного аналога является динамическая не сбалансированность для каждого из блоков по моментам центробежных сил от поршней наружного и внутреннего рядов, которая может при высокой скорости вращения блока приводить к раскрытию герметичного стыка торца блока с распределительным диском, как следствие, к большой утечке рабочей жидкости и потере работоспособности гидромашины.
Другим недостатком является то, что при определенном давлении со стороны распределительных дисков по площади серповидных окон на торцевые части блоков цилиндров, оно способно привести к раскрытию стыков торцов блоков с распределительными дисками, к большой утечке рабочей жидкости, и как следствие, к потере работоспособности гидромашины.
Оба недостатка ограничивают скорость вращения блока и рабочее давление теми критическими значениями, при которых возможно раскрытие стыков торцов блоков с распределительными дисками.
Еще одним недостатком является то, что в прототипе только два ряда поршней – наружный и внутренний, тогда как при большем числе рядов рабочий объем, крутящий момент и мощность гидромашины становится значительно больше при не существенном увеличении диаметра блока цилиндров.
Заявляемая полезная модель направлена на увеличение рабочего объема, и как следствие, крутящего момента и мощности аксиально-поршневой гидромашины без значительного увеличения ее габаритов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении рабочего объема, крутящего момента и мощности аксиально-поршневой гидромашины без значительного увеличения ее габаритов.
Указанный технический результат достигается тем, что аксиально-поршневая гидромашина, содержащая две наклонные шайбы, расположенные зеркально относительно общего блока цилиндров, посаженного на приводной вал с натягом и зафиксированного шпонками. С одной стороны блока его цилиндры образуют в нем первый, внутренний ряд цилиндров, в которых размещены поршни первого, внутреннего ряда и второй ряд цилиндров, выполненных в межцилиндровых зонах цилиндров первого, внутреннего ряда со своими поршнями меньшего диаметра, при этом все упомянутые поршни опираются своими башмаками на первую наклонную шайбу, а их башмаки завальцованы в сферические шарниры поршней. Гидромашина содержит второй комплект поршней первого, внутреннего и второго ряда, которые размещены в цилиндрах первого, внутреннего и второго ряда. Второй комплект поршней первого, внутреннего и второго ряда размещен в общем блоке с другой его стороны и эти поршни опираются своими башмаками на вторую наклонную шайбу, расположенную с другой стороны блока зеркально относительно общего блока цилиндров.
Кроме того, блок цилиндров содержит третий и четвертый ряды цилиндров с одной и с другой стороны общего блока цилиндров, при этом цилиндры третьего ряда с каждой стороны блока выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров второго ряда, цилиндры четвертого ряда с каждой стороны блока выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров третьего ряда, при этом диаметры цилиндров первого и четвертого ряда с целью унификации выполнены равными.
В центральной части блока цилиндров в плоскости его симметрии выполнены чередующиеся радиальные каналы, соединяющие цилиндры первого и третьего ряда и цилиндры второго и четвертого ряда с каждой стороны блока, при этом упомянутые каналы выходят в концентрическое пространство распределительной втулки, плотно охватывающей наружную поверхность блока, закрепленную в разъемном корпусе и имеющей разделители, отделяющие напорную и сливную полости концентрического пространства, снабженные штуцерами для подключения к гидросистеме.
1
2
3
4
Радиусы осей цилиндров первого r, второго r, третьего r и четвертого rрядов с каждой из сторон блока цилиндров минимальны, но таковы, что толщина стенки между соседними цилиндрами достаточна для обеспечения прочности и жесткости стенок.
При подводе рабочей жидкости из гидросистемы через штуцер, через концентрическое пространство распределительной втулки и соответствующие радиальные каналы к цилиндрам первого, второго, третьего и четвертого рядов поршней с каждой стороны блока, и при отводе жидкости в сливную линию гидросистемы из другой части концентрического пространства, которая отделена от напорной ее части разделителями, все поршни блока совершают возвратно-поступательные движения, воздействуют через башмаки на наклонные диски и заставляют вращаться блок цилиндров и соединенный с ним приводной вал, который передает крутящий момент какому-либо механизму, приводя его в движение.
При таком исполнении гидромашины за один оборот блока цилиндров, через нее проходит теоретический объем жидкости, равный рабочему объему:
0
1
1
2
2
3
3
4
4
v= 2 [(S·2r·tgφ ·z) + (S·2r·tgφ ·z) + (S·2r·tgφ ·z) + S·2r·tgφ ·z)],               (1)
1
1
2
2
3
3
4
4
где 2 – количество комплектов поршней первого, второго, третьего и четвертого рядов в общем блоке цилиндров, (S·2r·tgβ·z) – теоретический объем, вытесняемый поршнями первого ряда за один оборот блока, (S·2r·tgβ·z) – теоретический объем, вытесняемый поршнями второго ряда за один оборот блока, (S·2r·tgβ·z) – теоретический объем, вытесняемый поршнями третьего ряда за один оборот блока и (S·2r·tgβ·z) – теоретический объем, вытесняемый поршнями четвертого ряда за один оборот блока,
1
2
3
4
1
2
3
4
S, S, S, S – площади цилиндров первого, второго, третьего и четвертого рядов соответственно, определяемые через соответствующие диаметры поршней d, d, d и d, φ – угол между вертикалью и поверхностью каждой из двух наклонных шайб, z – число цилиндров в каждом ряду (во всех рядах число цилиндров одинаково).
Крутящий момент и мощность гидромашины пропорциональны ее рабочему объему, поэтому они значительно возрастают в данной аксиально-поршневой гидромашине без существенного увеличения наружного диаметра блока и прочих габаритных размерах гидромашины.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются то, что второй комплект поршней первого и второго ряда размещен в общем блоке с другой его стороны, то, что его поршни опираются своими башмаками на вторую наклонную шайбу, расположенную с другой стороны блока, то, что блок цилиндров содержит третий и четвертый ряды цилиндров с одной и с другой стороны блока цилиндров, то, что цилиндры третьего ряда с каждой стороны блока выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров второго ряда, цилиндры четвертого ряда с каждой стороны блока выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров третьего ряда, при этом диаметры цилиндров первого и третьего ряда выполнены равными, то, что блок цилиндров с натягом посажен на приводной вал и зафиксирован шпонками, то что в блоке в его центральной части выполнены чередующиеся радиальные каналы, соединяющие цилиндры первого и третьего ряда и цилиндры второго и четвертого ряда с каждой стороны блока, каналы выходят в концентрическое пространство распределительной втулки, плотно охватывающей наружную поверхность блока, закрепленную в разъемном корпусе и имеющей разделители, отделяющие напорную и сливную полости концентрического пространства, снабженные штуцерами.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана аксиально-поршневая гидромашина с двумя комплектами цилиндров первого, второго, третьего и четвертого рядов, размещенными с двух сторон общего блока цилиндров.
На фиг. 2 показан вид на один из торцов общего блока цилиндров гидромашины (приводной вал условно не показан).
На фиг. 3 показан разрез общего блока цилиндров по плоскости симметрии в центральной части по радиальным каналам.
Аксиально-поршневая гидромашина, фиг. 1, содержит две наклонные шайбы 1 и 2, расположенные наклонно под углом φ к вертикали и зеркально относительно оси симметрии общего блока 3 цилиндров, посаженного на приводной вал 4 с натягом и зафиксированного шпонками 5. С обеих сторон общего блока 3 его цилиндры, фиг. 2, образуют в нем первый, второй, третий и четвертый ряды цилиндров 6, 7, 8 и 9, в которых размещены поршни первого, второго, третьего и четвертого рядов 10, 11, 12 и 13, фиг. 1.
При этом диаметры цилиндров первого и третьего ряда с целью унификации выполнены равными.
1
2
3
4
Цилиндры 7 второго ряда выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров 6 первого ряда, цилиндры 8 третьего ряда выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров 7 второго ряда, а цилиндры 9 четвертого ряда выполнены в межцилиндровых зонах цилиндров 8 третьего ряда. Такое их выполнение с минимальными радиусами первого r, второго r, третьего r и четвертого rрядов обеспечивает минимальный наружный диаметр общего блока 3 цилиндров, сохраняя при этом прочность и жесткость их стенок.
Башмаки 14, 15, 16 и 17 поршней 10, 11, 12 и 13 завальцованы в сферические шарниры своих поршней.
Поршни обоих комплектов опираются своими башмаками 14, 15, 16 и 17 на соответствующие наклонные шайбы 1 и 2.
В центральной части общего блока 3 цилиндров в плоскости его симметрии выполнены чередующиеся радиальные каналы 18 и 19, соединяющие цилиндры первого и третьего ряда и цилиндры второго и четвертого ряда с каждой стороны общего блока 3 с концентрическим пространством распределительной втулки 20, плотно охватывающей наружную поверхность общего блока 3, закрепленной в разъемном корпусе 21 и имеющей разделители 22, отделяющие напорную 23 и сливную 24 полости концентрического пространства, снабженные штуцерами 25 и 26 для подключения к гидросистеме.
1
2
3
4
Радиусы осей цилиндров первого r, второго r, третьего r и четвертого rрядов с каждой из сторон общего блока 3 цилиндров минимальны, но таковы, что толщина стенки между соседними цилиндрами достаточна для обеспечения прочности и жесткости стенок.
кр
Аксиально-поршневая гидромашина в режиме гидромотора работает следующим образом. При подводе рабочей жидкости из гидросистемы через штуцер 25 и радиальные каналы 18 и 19 в напорную полость 23 распределительной втулки 20, поршни всех четырех рядов с обеих сторон общего блока 3, находящиеся в разных фазовых положениях, отталкиваясь от наклонных шайб 1 и 2 выдвигаются из своих цилиндров, заставляют крутиться общий блок 3 и приводной вал 4 против часовой стрелки, если смотреть с торца выступающей части вала 4. При этом на приводном валу создается крутящий момент М, пропорциональный рабочему объему гидромашины (см. формулу 1).
После прохождения соответствующих каналов 18 и 19 через верхний разделитель 22 распределительной втулки 20, поршни всех рядов с каждой стороны общего блока 3 цилиндров отталкиваются от наклонных шайб 1 и 2, задвигаются в свои цилиндры и через соответствующие каналы 18 и 19 вытесняют рабочую жидкость через штуцер 26 в гидросистему на слив.
кр
Чередование циклов движения поршней обеспечивает непрерывное вращение блока и приводного вала 3 с угловой скоростью ω, создавая на приводном валу высокую механическую мощность N = ωМ.
Крутящий момент и мощность гидромашины пропорциональны ее рабочему объему, поэтому они значительно возрастают в данной аксиально-поршневой гидромашине без существенного увеличения наружного диаметра блока и прочих габаритных размерах гидромашины.
Таким образом достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно значительное увеличение рабочего объема, крутящего момента и мощности  аксиально-поршневой гидромашины.
Ранее отмеченные недостатки прототипа – динамическая не сбалансированность по моментам центробежных сил от поршней блока и возможное раскрытие стыков торцевой распределительной системы из-за указанной несбалансированности и давления на торцевые части блоков в заявляемой гидромашине устранены тем, что все поршни находятся в общем блоке 3 цилиндров, который замыкает на себя и центробежные силы, возникающие от вращения поршней и упомянутые силы давления.