МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

Машина объемного действия с регулируемым приводом
Полезная модель относится к области компрессорных машин и гидравлических насосов объемного действия и может быть использовано при создании поршневых компрессоров и насосов повышенной надежности с автоматическим регулированием производительности по давлению потребителя.
Известна машина объемного действия с регулируемым приводом, содержащая цилиндр с самодействующими клапанами и поршень, соединенный с механизмом привода его возвратно-поступательного перемещения (см. книгу: Болштянский А.П., Белый В.Д. Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. - Омск Изд-во ОмГТУ, 2002, стр.290-293, рис.11.12).
Известна также машина объемного действия с регулируемым приводом, содержащая цилиндр с самодействующими клапанами, поршень, соединенный с механизмом привода его возвратно-поступательного перемещения, причем механизм привода снабжен штоком или шатуном и устройством для регулирования хода поршня (см. патент РФ 2121580, МКИF 01 В 31/14, F02 D 15/02, F02 В 75/04. Способ управления поршневой машиной с регулированием хода поршней и поршневая машина. В.А.Конюхов, А.В.Конюхов, Е.В.Конюхова, заявка №98106142/06; Заявлено 27.03.98; Опубл. 10.11.98. - Бюл.№31).
Недостатком известных конструкций является их высокая сложность, наличие большого количества элементов и, как следствие - низкая надежность.
Задачей полезной модели является повышение надежности машины объемного действия.
Указанная задача решается тем, что в известной машине объемного действия с регулируемым приводом конец штока или шатуна, обращенный в сторону цилиндра, соединен с поршнем через, по крайней мере, одну пружину сжатия, установленную между штоком или шатуном и днищем поршня, причем возможный ограниченный ход сжатия пружины равен ходу поршня, а ее усилие F сжатия в конце ограниченного хода определяется соотношением:
H
где D - диаметр цилиндра, P - номинальное давление нагнетания машины, ΔP-допустимое превышение давления нагнетания.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показано осевое сечение машины с кривошипно-шатунным механизмом привода движения поршня крейцкопфного типа, а на фиг.2 - то же в бескрейцкопфном исполнении с тронковым поршнем. На обоих чертежах поршень показан в положении нижней мертвой точки (НМТ).
Машина состоит (см. фиг.1) из картера 1 со смазывающей жидкостью 2, на котором установлен цилиндр 3 простого действия с размещенным в нем поршнем 4 дискового типа и содержащий всасывающий 5 и нагнетательный 6 обратные самодействующие клапаны. Механизм привода возвратно-поступательного движения поршня 4 состоит из коленчатого вала 7 с кривошипом 8 и противовесами 9, а также из шатуна 10, установленного шарнирно в крейцкопфе 11 со штоком 12, конец которого, обращенный в сторону цилиндра 3, имеет фланец 13 с ограничителем 14 движения поршня 4 и соединен с поршнем через пружины сжатия 15 и 16, упирающиеся в днище 17 поршня 4. Кольца 18 служат для уплотнения зазора между цилиндрическими поверхностями поршня 4 и цилиндра 3, а кольцо 19 - для направления движения поршня 4 вдоль оси цилиндра 3.
В машине объемного действия, изображенной на фиг.2, механизм привода тронкового поршня 20 также содержит коленчатый вал 7 с кривошипом 8 и противовесами 9, а также шатун 10, который с помощью пальца 21 через ползуны 22, размещенные в пазах 23 вдоль оси поршня 20, и пружины сжатия 24, соединен с днищем поршня 17. В этой конструкции ограничение хода пружин 24 обеспечивается соответствующей длиной пазов 23 и размерами (высотой) ползунов 22.
В обоих вариантах конструкции машины объемного действия суммарное усилие F полностью сжатых пружин (поз.15 и 16 на фиг.1 и поз.24 на фиг.2) при достижении ими своих предельно сжатых состояний (в конструкции на фиг.1 определяется конструктивными размерами поршня 4 и высотой ограничителя 14, в конструкции на фиг.2 - длиной пазов 23 и высотой ползунов 22) определяется зависимостью:
H
H
h
где D - диаметр цилиндра, P - номинальное избыточное давление нагнетания машины, ΔP - допустимое превышение давления нагнетания., из расчета того соображения, что при давлении в цилиндре 3, равном давлению P+ΔP, поршень 4 (фиг.1) и поршень 20 (фиг.2) прекращают движение в сторону верха цилиндра (газовая сила, действующая на днище поршня со стороны полости цилиндра превышает суммарную силу пружин), т.к. пружины 15, 16 (фиг.1) и пружины 24 (фиг.2) сжимаются до конца в пределах полного хода поршня S, и вытеснение рабочего тела через нагнетательный клапан прекращается.
P
Предварительное натяжение пружин, т.е. сила F, с которой они давят на днище поршня 17 при положении поршней 4 и 20 в нижней мертвой точке, которое изображено на фиг.1 и 2 (конец процесса всасывания, начало процесса сжатия рабочего тела) определяется в этом случае выражением
H
так как их жесткость должна обеспечивать нагнетание рабочего тела с давлением P.
Величина допустимого превышения давления нагнетания ΔP выбирается как можно меньшей (для снижения излишней работы сжатия), а также из практических соображений компоновки при конструировании, т.к. чем меньше ΔP, тем относительно более длинными должны быть пружины и требуется более точное изготовление их по длине и жесткости.
Машина объемного действия работает следующим образом (фиг 1).
При вращении коленчатого вала 7 с кривошипом 8 поршень 4 совершает возвратно-поступательное перемещение, изменяя объем над поршневого пространства цилиндра 3, в результате чего рабочее тело (жидкость или газ) всасывается через клапан 5, сжимается и нагнетается через клапан 6 потребителю.
Как правило, начало работы насоса или компрессора происходит при атмосферном давлении в линии нагнетания (у потребителя). В этом случае на первых ходах сжатия-нагнетания поршня 4 пружины 15 и 16 остаются в недеформированном исходном состоянии (показано на фиг.1) на протяжении всего цикла работы машины: «расширение из мертвого пространства - всасывание - сжатие - нагнетание». В процессе поднятия давления потребителя до давления, которое соответствует силе предварительного сжатия пружины, обеспечивающего номинальное давление нагнетания, работа машины не изменяется.
P
Как только давление нагнетания у потребителя превышает величину, вызывающую на донышке поршня силу F, в конце процесса сжатия шток 12 начинает опережать поршень 4, т.к. происходит сжатие пружин 15 и 16, поршень 4 не доходит до номинального положения ВМТ, и производительность машины падает. При этом происходит увеличение мертвого пространства (пространства цилиндра между днищем поршня при крайнем верхнем по рисунку положении и верхним торцом цилиндра), из которого при ходе поршня 4 вниз происходит расширение оставшегося сжатого рабочего тела с отдачей работы расширения механизму привода.
H
P
Если давление нагнетания превышает величину (P+ΔP), поршень 4 в конце процесса сжатия останавливается, а шток 12 продолжает сжимать пружины 15 и 16 до прихода механизма привода в положение, соответствующее ВМТ, после чего при ходе штока 12 вниз сначала поршень 4 остается неподвижным, но как только суммарное усилие удлиняющихся пружин 15 и 16 станет меньше F, фланец 13 опускается на тело поршня 4, поршень начинает двигаться вместе со штоком 12, и происходит расширение рабочего тела с отдачей работы расширения механизму привода. Подача рабочего тела потребителю и его всасывание прекращается.
Как только давление нагнетания в связи с расходом потребителем рабочего тела снижается, его всасывание и нагнетание возобновляются, т.к. возобновляется движение поршня в процессе нагнетания и вытеснение рабочего тела потребителю.
Работа конструкции, изображенной на фиг.2, происходит аналогично и пояснения не требует.
Таким образом, предложенная конструкция машины объемного действия позволяет за счет наличия упругой ограниченной нормированной связи в механизме привода поддерживать постоянное давление в линии нагнетания потребителю рабочего тела. В то же время она не содержит большого количества сложно взаимодействующих элементов, что придает ей высокую надежность.