СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
LIQUID FLOW SPLITTING METHOD

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам разделения (суммирования) потока жидкости на несколько пропорциональных и перераспределения их мощности.
Известен способ разделения потока жидкости, по которому используют шестеренный делитель потока, при этом рабочую жидкость подают в канал подвода, затем через распределительные каналы, выполненные в торцовой крышке, жидкость поступает в полости входа каждой пары шестерен, где, попадая на зубья шестерен, приводит их во вращение и в межзубовых впадинах переносится из полости входа в полости выхода и далее из каждой полости выхода по каналам поступает к потребителям. При этом компенсация торцовых зазоров осуществляется путем поджатия торцовых компенсаторов рабочей жидкостью, поступающей из области повышенного давления, что обеспечивает раздельный поджим каждой втулки в зависимости от давления в полостях входа и выхода. При вращении шестерен в обратном направлении возможно выполнение функции суммирования потоков (авторское свидетельство SU 1636597 A1, МПК F04C 2/04, 23.03.1991).
Недостатком способа разделения (суммирования) потока жидкости с помощью этого многороторного шестеренного делителя является то, что количество разделенных потоков ограничено конструкцией (корпуса, крышек).
Разность давлений в нагнетательных полостях приведет к возникновению разных сил поджатия торцовых компенсаторов (как указано в патенте: «раздельный поджим каждой втулки»), деформациям сжатия эластичного уплотнения, перемещению втулок относительно друг друга, заклиниванию зубчатого зацепления.
Способ не учитывает разность объемных КПД при подаче жидкости под разным давлением на выходе, следовательно, не обеспечивает равенство и пропорциональность разделенных потоков жидкости.
Кроме этого, отсутствует возможность подачи разных потоков и суммирование потоков для синхронизации выпуска рабочей жидкости из нескольких рабочих органов (как указано в патенте), находящихся под разным давлением, из-за наличия объемных потерь и невозможности их компенсации шириной зубьев.
При работе под высоким давлением на торцевые крышки будет действовать сила, величина которой определяется произведением давления и площади, а параллельное расположение шестерен требует большой площади торцевых крышек, следовательно, сила давления на крышки будет возрастать, что приведет к их деформации.
При деформации крышек увеличатся зазоры между торцевыми поверхностями компенсаторов и шестерен, что ухудшит объемный коэффициент полезного действия (КПД), что дополнительно ухудшит синхронизацию.
Известен способ разделения потока жидкости, выбранный в качестве прототипа, по которому используют шестеренный делитель потока, при этом жидкость подают в общий канал, а затем по отдельным каналам жидкость поступает к каждой секции и в межзубовых впадинах шестерен поступает в каналы выхода. При использовании зубчатых венцов шестерен одинаковой ширины способ обеспечивает (как указано в патенте) одинаковое разделение потока, а при разной ширине венцов разделение пропорционально рабочему объему каждой секции. При этом примерно одинаковое давление рабочей жидкости в каналах выхода обеспечивается общими валами для всех секций (авторское свидетельство SU 1594289 A1, МПК F04C 2/08, 23.09.1980).
Недостатком способа разделения (суммирования) потока жидкости с помощью этого шестеренного делителя потока является то, что подачу разделенных потоков жидкости под примерно одинаковым давлением невозможно обеспечить наличием общих валов (как указано в патенте), так как из гидравлики известно, что давление подачи определяется только гидравлическим сопротивлением магистрали, в которую осуществляется подача.
Перемещение всего блока секций в сторону, где уменьшается сила прижима торцевых компенсаторов за счет уменьшения давления рабочей жидкости на одном из каналов, не обеспечивает постоянство коэффициента деления входящего потока, так как объемные потери при постоянном зазоре зависят только разности давления на входе и выходе.
Наличие зазоров, обеспечивающих свободное перемещение всего блока секций без дополнительных уплотнений, увеличивает перетечки жидкости и ухудшает объемный КПД.
Увеличение давления в среднем выходном канале вызовет (как указано в описании изобретения) перемещение блоков в разные стороны, при этом в центральной части увеличатся зазоры, что также увеличит перетечки жидкости и ухудшит объемный КПД делителя.
В совокупности указанные недостатки способа, ухудшающие объемный КПД, не позволяют разделять поток жидкости на равные при условии разности давлений в выходных каналах.
Была поставлена задача разработать способ, позволяющий повысить объемный КПД, обеспечить более точное разделение потока жидкости на несколько пропорциональных потоков с одинаковыми или разными расходами как при одинаковых давлениях в выходных каналах, так и при разных, и перераспределять мощность между разделенными потоками в зависимости от гидравлического сопротивления магистралей, в которые осуществляется подача.
Техническая результат, заключающийся в повышении объемного КПД, обеспечении более точного разделения потока жидкости на несколько пропорциональных потоков и перераспределения их мощности, достигается тем, что в способе разделения потока жидкости, по которому используют шестеренный делитель потока, содержащий рабочие секции и боковые крышки одинакового сечения, соединенные в единый корпус, установленные внутри каждой рабочей секции ведущую и ведомую шестерни, находящиеся в зубчатом зацеплении, а также уплотнительные манжеты, установленные на валах ведущих шестерен, входные и выходные отверстия, при этом жидкость подают под давлением через входные отверстия в общий входной канал для подвода жидкости к зубчатому зацеплению, жидкость заполняет его и заполняет впадины между зубьями шестерен, в которых под действием разности давлений жидкости в полостях входа и выхода возникает момент, под действием которого шестерни начинают вращаться, перенося объем жидкости из полости входа в полость выхода каждой рабочей секции, и затем через выходные отверстия жидкость подают в гидросистему к потребителям, при этом определяют фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя, согласно настоящему изобретению используют шестеренный делитель потока, содержащий дополнительно разделительные секции, причем каждая разделительная секция установлена между рабочими секциями, в каждой разделительной секции, в месте быстроразъемного соединения валов ведущих шестерен, выполнены круглые пазы, в которые установлены уплотнительные манжеты с возможностью образования полости между уплотнительными манжетами, в каждой боковой крышке выполнен круглый паз, в который установлена уплотнительная манжета с возможностью соединения внутренней выемки манжеты с дренажным каналом, выполненным в боковой крышке, в шестеренном делителе потока используют антифрикционные вставки торцовых компенсаторов, выполненные из композитного материала с шероховатостью поверхности трения, при этом жидкость к зубчатому зацеплению подводят через общий входной канал, образованный сквозными каналами, выполненными в каждой рабочей и разделительной секции одной части делителя, жидкость за счет разности давлений в общем входном канале и сквозном канале выхода, выполненном в каждой рабочей секции другой части делителя, поступает в общий разветвленный дренажный канал, образованный дренажными каналами, выполненными в каждой боковой крышке, в рабочих и разделительных секциях, заполняет его и полости между манжетами, образованные выемками, обращенными друг к другу, причем давление жидкости в общем разветвленном дренажном канале равно максимальному давлению жидкости, установившемуся в какой-либо из рабочих секций, при этом фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя определяют в зависимости от объемного КПД делителя, величины разности давлений жидкости в полостях входа и выхода каждой рабочей секции и ширины зубьев шестерен каждой рабочей секции по соотношению
фi
где Q - фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя;
mi
Q - теоретический расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя;
о
КПД - объемный КПД делителя;
i
ΔP - разность давлений жидкости в полостях входа и выхода i-й рабочей секции;
n - количество рабочих секций;
i
b - ширина зубьев шестерен i-й рабочей секции;
пр
b - приведенная ширина зубьев i-й рабочей секции.
Использование в способе шестеренного делителя потока, содержащего рабочие секции и дополнительно установленные между ними разделительные секции, соединенные между собой резьбовым соединением, и быстроразъемное соединение валов позволяет применять разное количество секции с различной шириной зубьев, что обеспечивает разделение потока жидкости на разное количество пропорциональных потоков, как равных по расходу жидкости, так и разных, и позволяет перераспределять их мощность.
За счет свободной циркуляции жидкости в общем разветвленном дренажном канале обеспечивается равенство давления в полостях, образованных внутренними выемками уплотнительных манжет, установленных в каждой разделительной секции внутренней выемкой друг к другу, при этом гарантированно обеспечивается поджатие уплотняющих поверхностей манжеты к ведущему валу шестерни и образующей окружности паза за счет сил давления жидкости внутри образовавшейся полости, что повышает герметичность каждой секции, предотвращает перетечки и повышает объемный КПД, следовательно, повышает точность разделения потока жидкости предлагаемым способом.
Учет зависимости фактического расхода от объемного КПД делителя, величины разности давлений в полостях входа и выхода каждой рабочей секции и ширины зубьев шестерен каждой секции позволяет получить более точное разделение потока жидкости.
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенный способ разделения потока жидкости имеет отличительные признаки, которые отсутствуют в аналогах. В совокупности перечисленные отличительные существенные признаки позволяют получить новый технический результат: повысить объемный КПД, обеспечить более точное разделение потока жидкости на несколько пропорциональных потоков с одинаковыми или разными расходами как при одинаковых давлениях в выходных каналах, так и при разных, и перераспределять мощность между разделенными потоками в зависимости от гидравлического сопротивления магистралей, в которые осуществляется подача.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5 представлен шестеренный делитель потока, при помощи которого реализуется предлагаемый способ разделения потока жидкости (на фиг. 1 - общий вид в разрезе, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, на фиг. 4 - выносной вид В на фиг. 1, на фиг. 5 - гидравлическая схема принципиальная).
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - рабочая секция с выходным отверстием,
2 - рабочая секция с входным и выходным отверстиями,
3 - разделительная секция,
4 - боковая крышка,
5 - ведущая шестерня,
6 - ведомая шестерня,
7 - торцовый компенсатор,
8 - антифрикционная вставка,
9 - полость входа потока жидкости,
10 - полость выхода потока жидкости,
11 - уплотнительная манжета,
12 - полость между уплотнительными манжетами,
13 - сквозной канал входа, выполненный в рабочей секции одной части устройства,
14 - сквозной канал, выполненный в разделительной секции,
15 - входное отверстие,
16 - общий входной канал,
17 - сквозной канал выхода, выполненный в рабочей секции другой части устройства,
18 - выходное отверстие,
19 - дренажный канал, выполненный в боковой крышке,
20 - дренажный канал, выполненный в рабочей секции,
21 - дренажный канал, выполненный в разделительной секции,
22 - круглый паз, выполненный в месте быстроразъемного соединения валов ведущих шестерен,
23 - круглый паз, выполненный в боковой крышке.
Согласно способу разделения потока жидкости используют шестеренный делитель потока, содержащий рабочие секции 1, 2 и боковые крышки 4 одинакового сечения (см. фиг. 1), соединенные в единый корпус, установленные внутри каждой рабочей секции ведущую 5 и ведомую 6 шестерни, находящиеся в зубчатом зацеплении, а также уплотнительные манжеты 11, установленные на валах ведущих шестерен 5, входные 15 и выходные отверстия 18, при этом жидкость подают под давлением через входные отверстия 15 в общий входной канал 16 для подвода жидкости к зубчатому зацеплению, жидкость заполняет его и заполняет впадины между зубьями шестерен 5, 6, в которых под действием разности давлений жидкости в полостях входа 9 и выхода 10 (см. фиг. 3) возникает момент, под действием которого шестерни 5, 6 начинают вращаться, перенося объем жидкости из полости входа 9 в полость выхода 10 каждой рабочей секции 1, 2, и затем через выходные отверстия 18 жидкость подают в гидросистему к потребителям, при этом определяют фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию 1, 2 делителя.
Отличием предлагаемого способа разделения потока жидкости является то, что используют шестеренный делитель потока, который дополнительно содержит разделительные секции 3, причем каждая разделительная секция 3 установлена между рабочими секциями 1 и 2, в каждой разделительной секции 3, в месте быстроразъемного соединения валов ведущих шестерен 5, выполнены круглые пазы 22 (см. фиг. 4), в которые установлены уплотнительные манжеты 11 с возможностью образования полости 12 (см. фиг. 4) между уплотнительными манжетами 11, в каждой боковой крышке 4 выполнен круглый паз 23 (см. фиг. 2), в который установлена уплотнительная манжета 11 с возможностью соединения внутренней выемки манжеты 11 с дренажным каналом 19, выполненным в боковой крышке 4, в шестеренном делителе потока используют антифрикционные вставки 8 торцовых компенсаторов 7, выполненные из композитного материала с определенной шероховатостью поверхности трения, при этом жидкость к зубчатому зацеплению подводят через общий входной канал 16, образованный сквозными каналами 13 и 14, выполненными в каждой рабочей и разделительной секциях, соответственно 1, 2 и 3, одной части делителя, жидкость за счет разности давлений в общем входном канале 16 и сквозном канале выхода 17, выполненном в каждой рабочей секции 1, 2 другой части делителя, поступает в общий разветвленный дренажный канал (за счет утечек в месте контакта вала ведущей шестерни 5 и антифрикционной вставки 8), образованный дренажными каналами 19, 20, 21, выполненными соответственно в каждой боковой крышке 4, в рабочих и разделительных секциях соответственно 1, 2, 3, заполняет его и полости 12 между манжетами 11, образованные выемками, обращенными друг к другу, причем давление жидкости в общем разветвленном дренажном канале равно максимальному давлению жидкости, установившемуся в какой-либо из рабочих секций 1, 2, при этом фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию 1, 2 делителя определяют в зависимости от объемного КПД делителя, величины разности давлений жидкости в полостях входа 9 и выхода 10 каждой рабочей секции 1, 2 и ширины зубьев шестерен 5, 6 каждой рабочей секции 1, 2 по соотношению
фi
где Q - фактически подаваемый расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя;
mi
Q - теоретический расход жидкости через каждую рабочую секцию делителя;
о
КПД - объемный КПД делителя;
i
ΔP - разность давлений жидкости в полостях входа и выхода i-й рабочей секции;
n - количество рабочих секций;
i
b - ширина зубьев шестерен i-й рабочей секции;
пр
b - приведенная ширина зубьев i-й рабочей секции.
н
1
н
2
н
3
н
4
При равенстве напоров в сквозных каналах выхода 17 все рабочие секции 1 и 2 делителя работают как гидромоторы, а разность давлений P-P P-P, P-P и P-P (см. фиг. 5) в полостях 9 входа и полостях 10 выхода минимальна, так как вызвана только наличием сил жидкостного трения, которые также минимальны.
1
В случае если в какой-либо магистрали, соединенной с выходными отверстиями 18, повышается гидравлическое сопротивление, то для его преодоления возрастает давление P на выходе соответствующей рабочей секции, например: выход I.
н
1
н
2
н
3
н
4
В свою очередь, это приводит к повышению давления P в общем входном канале 16 до уровня P. В связи с этим растет разность давлений в полостях 9 входа и полостях 10 выхода P-P, P-P и P-P других рабочих секций, следовательно, увеличивается момент на их шестернях 5.
1
Так как все ведущие шестерни 5 (см. фиг. 2 и 3) соединены между собой быстроразъемным соединением, то избыточная величина моментов от ведущих валов рабочих секций 1, 2, на выходе которых гидравлическое сопротивление не повышалось (согласно примеру - это выход II-IV), передается на ведущий вал первой рабочей секции, она переходит в режим работы гидронасоса, повышая давление P в полости выхода и на выходе I до уровня, достаточного для компенсации величины повышения гидравлического сопротивления в этой магистрали.
Работа уплотнительных манжет 11 в совокупности с общим разветвленным дренажным каналом (фиг. 3) осуществляется следующим образом.
При повышении давления жидкости в любой полости 10 выхода рабочих секций 1, 2 весь общий дренажный канал, образованный каналами 19, 20 и 21, заполняется жидкостью (за счет утечек в месте контакта вала ведущей шестерни 5 и антифрикционной вставки 8), а затем в них повышается давление до уровня, равного максимальному давлению жидкости, установившемуся в какой-либо из рабочих секций 1 и 2. Под действием этого давления, действующего изнутри полостей 12, уплотняющие поверхности манжеты 11 прижимаются к валу ведущей шестерни 5 и образующей окружности пазов 22 разделительной секции 3 и пазов 23 боковых крышек 4, надежно герметизируя их, предотвращая перетечки жидкости между полостями рабочих секций 1 и 2.
Главной особенностью предлагаемого способа является то, что для разделения потока жидкости используется шестеренный делитель потока, содержащий рабочие секции 1 и 2 и дополнительно установленные между ними разделительные секции 3, валы ведущих шестерен 5 которого соединены между собой быстроразъемным соединением, что обеспечивает разделение потока жидкости на разное количество пропорциональных потоков, как равных по расходу жидкости, так и разных, и позволяет перераспределять их мощность.
За счет свободной циркуляции жидкости в общем разветвленном дренажном канале, образованном каналами 19, 20 и 21, обеспечивается равенство давлений в полостях 12, образованных внутренними выемками уплотнительных манжет 11, установленных в каждой разделительной секции 3 внутренней выемкой друг к другу, при этом гарантированно обеспечивается поджатие уплотняющих поверхностей манжеты 11 к ведущему валу шестерни 5 и образующей окружности паза 22 за счет сил давления жидкости внутри образовавшейся полости 12, что повышает герметичность каждой рабочей секции 1, 2, предотвращает перетечки и повышает объемный КПД, следовательно, повышает точность разделения потока жидкости предлагаемым способом.
Использование в шестеренном делителе антифрикционных вставок 8 торцовых компенсаторов 7, выполненных из композитного материала с определенной шероховатостью поверхности трения, позволяет сохранить жидкостную пленку, что уменьшает силу трения и повышает механический КПД и надежность разделения потока жидкости предлагаемым способом.
Учет зависимости фактического расхода жидкости от объемного КПД делителя, величины разности давлений жидкости в полостях входа и выхода каждой рабочей секции и ширины зубьев шестерен каждой секции позволяет получить более точное разделение потока жидкости.