Аксиально-поршневая гидромашина

Полезная модель относится к роторным гидромашинам объемного действия, предназначенным для использования в гидроприводах машин и оборудования.
Известна аксиально-поршневая гидромашина (RU № 190213, МПК F04B 1/20, опубликовано 24.06.2019), содержащая наклонную шайбу, блок цилиндров, соединенный с приводным валом шлицами, поршни, размещенные в цилиндрах блока, опирающиеся на наклонную шайбу башмаками, завальцованными на сферических головках поршней, 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.
Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью являются блок цилиндров, вал, плунжеры, размещенные в цилиндрах блока, сферические шарниры, распределительный диск с серповидными окнами и перемычками между ними, плотно прилегающий к торцу блока цилиндров.
Недостатками рассмотренной аксиально-поршневой гидромашины являются:
Из-за больших контактных нагрузок между башмаками и наклонным диском угол наклона последнего относительно оси блока не превышает 15-18°, поэтому рабочий объем у рассмотренной гидромашины (и подобных ей) значительно меньше, чем у гидромашин с наклонным блоком, в которых угол наклона оси блока относительно оси приводного вала может достигать значения 25 - 30° или чуть более [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М: Машиностроение, 1982. - 423 с, стр. 323].
Недостатком является и то, что в рассмотренной гидромашине всего один качающий узел с двумя радами цилиндров и поршнями в них - основными и дополнительными.
ц
ц
п
ц
Известна также аксиально-поршневая гидромашина (RU № 201028, МПК F04B 1/24, опубликовано 24.11.2020), содержащая блок цилиндров с осью, выполненных по окружности диаметром D, расположенный в корпусе под углом к оси приводного вала, в ведущем диске которого заделаны в сферические шарниры головки шатунов, противоположные концы которых заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в упомянутых цилиндрах блока, при этом шатуны для прилегания к юбкам поршней имеют конусные шейки, ось блока заделана головкой в сферический шарнир в центре ведущего диска и своим противоположным концом вставлена в центральное отверстие неподвижного распределительного диска, к сферической поверхности которого прилегает сферическая поверхность торцевой части блока, в которой выполнены каналы, соединяющие цилиндры блока с серповидными окнами, разделенными перемычками; в межцилиндровых зонах основных цилиндров, расположенных по диаметру D, выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные поршни, дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительного диска, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости, в сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены малые головки их дополнительных шатунов, а большие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущем диске в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска, при этом дополнительные поршни имеют юбки, не позволяющие шатунам прилегать к ним изнутри.
ц
ц
ц
ц
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются блок цилиндров с осью, выполненных по окружности диаметром D, расположенный под углом к оси вала, в ведущем диске которого заделаны в сферические шарниры головки шатунов, другие концы которых заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в цилиндрах блока, при этом шатуны для прилегания к юбкам поршней имеют конусные шейки, ось блока заделана головкой в сферический шарнир в центре ведущего диска и своим противоположным концом вставлена в центральное отверстие неподвижного распределительного диска, к сферической поверхности которого прилегает сферическая поверхность торца блока, в которой выполнены каналы, соединяющие цилиндры блока с серповидными окнами, разделенными перемычками, в межцилиндровых зонах основных цилиндров, расположенных по диаметру D, выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные поршни, дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительного диска, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости, в сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены малые головки их дополнительных шатунов, а большие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущем диске в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромкой ведущего диска.
Недостатком аналога является то, что гидромашина содержит один комплект блока с основными и дополнительными поршнями, с валом с ведущим диском и распределительным диском, что ограничивает ее рабочий объем и развиваемый крутящий момент. Тогда как при наличии двух зеркально расположенных в общем корпусе упомянутых комплектов рабочий объем может быть увеличен вдвое без значительного увеличения габаритов гидромашины.
ц
В качестве прототипа принята аксиально-поршневая гидромашина (RU № 209132, МПК F04B 1/20, опубликовано 02.02.2022), которая содержит два комплекта блоков с осями и цилиндрами, выполненными по окружностям диаметрами D. Блоки расположены под углом к общему валу своих ведущих дисков, в которые заделаны сферические шарниры шатунов, при этом другие концы шатунов заделаны в сферические шарниры поршней, размещенных в цилиндрах блоков. Шатуны для прилегания к юбкам поршней изнутри имеют конусные шейки, оси блоков заделаны головками в сферические шарниры в центрах ведущих дисков, а противоположными концами вставлены в центральные отверстия распределительных дисков, к сферической поверхности которых прилегают сферические поверхности торцевых частей блоков. В распределительных дисках выполнены каналы, соединяющие цилиндры блоков с серповидными окнами, разделенными перемычками и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости.
При подводе рабочей жидкости поршни, двигаясь в цилиндрах возвратно-поступательно, через свои юбки давят на конусные шатуны, которые вращают ведущие диски, преодолевая механические трение. Для того, что бы передавать давление от шатунов без значительных контактных усилий, поршни, как и шатуны, выполнены длинными (длина поршней в 3…5 раз больше диаметра поршней). За один оборот вала, через гидромашину проходит теоретический объем жидкости, равный рабочему объему, который при двух блоках цилиндров равен:
0
ц
V= 2 SD tgβ·z,
ц
где 2 - количество блоков, S - площадь одного цилиндра, D - диаметр по осям основных цилиндров в каждом блоке, β - угол между осью каждого блока и осью общего валов, z - число цилиндров в одном блоке.
ц
п
ц
В межцилиндровых зонах блоков, расположенных по диаметру D (основных), выполнены дополнительные цилиндры меньшего диаметра по окружности диаметром D, большем, чем диаметр D, в которых размещены дополнительные и тоже длинные (относительно своего диаметра) поршни. Дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительных дисков, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода жидкости. В сферических шарнирах дополнительных поршней закреплены головки их длинных шатунов, а другие головки с противоположной стороны заделаны в дополнительные сферические шарниры в ведущих дисках в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков. Дополнительные поршни тоже имеют юбки, к внутренним поверхностям которых прилегают конусные шейки своих шатунов.
При подводе рабочей жидкости, поршни, двигаясь в цилиндрах возвратно-поступательно, через свои юбки давят на конусные шатуны дополнительных поршней. За один оборот каждого блока через гидромашину за счет дополнительных поршней проходит теоретический объем жидкости, равный дополнительному рабочему объему:
01
1
п
V= 2 SD tgβ·z,
1
п
где 2 - количество блоков в гидромашине, S - площадь одного дополнительного цилиндра, D - диаметр по осям дополнительных цилиндров в каждом блоке, β - угол между осями блоков и осями вала, z - число дополнительных цилиндров в одном блоке (их количество равно числу основных цилиндров).
Суммарный рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины определяется суммой указанных рабочих объемов:
0
ц
1
п
ц
1
п
V = 2 SD tgβ·z + 2 SD tgβ·z = 2 tgβ·z (SD + SD).
Недостатком прототипа является то, что длинные шатуны, имеющие конусную форму, прилегающие к юбкам своих длинных поршней и давящие на них тангенциальной силой, сообщают блокам цилиндров вращение через них. У гидромашин с наклонным блоком и упомянутым способом передачи вращения через шатуны и юбки поршней угол β конструктивно ограничен значением около (или чуть больше) 30° [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М: Машиностроение, 1982. - 423 с, стр. 320 - 323 (см. рис. 3.32)]. Тогда как при изменении способа передачи вращения блокам цилиндров от своих ведущих дисков, например через конические шестерни, значение угла β может быть увеличено и достигать значительно большего значения 36°…40°.
Заявляемая полезная модель направлена на увеличение рабочего объема и, как следствие, крутящего момента аксиально-поршневой гидромашины.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины за счет увеличения наклона блоков цилиндров относительно своих ведущих дисков.
ц
п
,
Указанный технический результат достигается тем, что аксиально-поршневая гидромашина, содержащая два блока цилиндров, зеркально расположенных в ее корпусе с осями, основными цилиндрами и поршнями, выполненными по окружностям диаметрами D и дополнительными цилиндрами и поршнями меньшего диаметра, выполненными по окружностям диаметрами D в межцилиндровых зонах основных цилиндров и ведущие диски, в которые заделаны сферические шарниры как основных, так и дополнительных шатунов, соединенные с общим валом; другие концы шатунов заделаны в сферические шарниры основных и дополнительных поршней соответственно, размещенных в соответствующих цилиндрах блоков, при этом сферические шарниры дополнительных шатунов в ведущих дисках выполнены в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков; оси блоков цилиндров имеют сферические шарниры в своих ведущих дисках, а их противоположные концы вставлены в центральные отверстия распределительных дисков, к сферической поверхности которых прилегают сферические поверхности торцевых частей блоков; в распределительных дисках выполнены каналы, соединяющие основные цилиндры с основными серповидными окнами, разделенными между собой перемычками, и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости; дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительных дисков, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода жидкости, а оси блоков цилиндров расположены под углом к общему валу своих ведущих дисков, согласно полезной моделикаждый блок цилиндров снабжен конической шестерней, входящей в зацепление с конической шестерней, закрепленной на соответствующем ведущем диске, основные и дополнительные шатуны имеют цилиндрическую форму, а поршни, как основные, так и дополнительные, выполнены более короткими с длиной поршней примерно равной 1,5…2 от их диаметра, благодаря чему угол наклона осей блоков к оси общего вала увеличивается до 40°, что увеличивает рабочий объем гидромашины до 45%.
ц
п
Аксиально-поршневая гидромашина, содержащая два комплекта блоков цилиндров, зеркально расположенных в корпусе, с осями, основными цилиндрами, выполненными по окружностям диаметрами D и дополнительными цилиндрами меньшего диаметра, выполненными по окружностям диаметрами D в межцилиндровых зонах основных цилиндров, при этом в цилиндрах блоков размещены основные и дополнительные поршни.
Оси блоков цилиндров расположены под углом к общему валу своих ведущих дисков. В ведущие диски заделаны сферические шарниры как основных, так и дополнительных шатунов, при этом другие их концы заделаны в сферические шарниры основных и дополнительных поршней соответственно, размещенных в соответствующих цилиндрах блоков, при этом сферические шарниры дополнительных шатунов в ведущих дисках выполнены в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков. Оси блоков цилиндров имеют сферические шарниры в своих ведущих дисках, а их противоположные концы вставлены в центральные отверстия распределительных дисков, к сферической поверхности которых прилегают сферические поверхности торцевых частей блоков.
В распределительных дисках выполнены каналы, соединяющие основные цилиндры блоков с основными серповидными окнами, разделенными между собой перемычками, и с отверстиями для подвода и отвода рабочей жидкости. Дополнительные цилиндры сообщены каналами с дополнительными серповидными окнами распределительных дисков, которые имеют свои перемычки и сообщены прорезями с основными серповидными окнами и с отверстиями для подвода и отвода жидкости.
Благодаря дополнительным цилиндрам, поршням и шатунам рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины равен:
0
ц
1
п
V = 2 tgβ·z(SD + SD),
1
ц
п
где 2 - количество блоков цилиндров, β - угол между осями блоков и осью общего вала, z - количество основных и количество дополнительных цилиндров в одном блоке (количество основных равно количеству дополнительных цилиндров), S - площадь основного цилиндра, S - площадь дополнительного цилиндра, D - диаметр по осям основных цилиндров в каждом блоке, D - диаметр по осям дополнительных цилиндров в каждом блоке.
При этом каждый блок цилиндров снабжен конической шестерней, входящей в зацепление с конической шестерней, закрепленной на соответствующем ведущем диске, основные и дополнительные шатуны имеют цилиндрическую (а не конусную) форму, а поршни, как основные, так и дополнительные, выполнены более короткими с длиной поршней примерно равной 1,5…2 от их диаметра. Благодаря этим конструктивным особенностям аксиально-поршневой гидромашины угол наклона β между осями блоков цилиндров и осью общего вала может быть увеличен до значения 36°…40°.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели от прототипа являются то, что каждый блок цилиндров снабжен конической шестерней, входящей в зацепление с конической шестерней, закрепленной на соответствующем ведущем диске, основные и дополнительные шатуны имеют цилиндрическую форму, а поршни, как основные, так и дополнительные, выполнены длинной, равной 1,5…2 от их диаметров.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 показана аксиально-поршневая гидромашина с двумя комплектами блоков цилиндров, общего вала с ведущими дисками и распределительными дисками.
На фиг. 2 показан один из блоков цилиндров со стороны ведущего диска.
На фиг. 3 показан вид на блок одного из цилиндров со стороны распределительного диска.
На фиг. 4 показан разрез А-А (по фиг. 1) распределительного диска гидромашины с серповидными окнами и отверстиями для всасывания и нагнетания рабочей жидкости.
На фиг. 5а и 5б показаны схемы расположения поршневых групп в блоках цилиндров для способа передачи вращения через юбки поршней (5а) и способа передачи вращения через конические шестерни (5б).
Аксиально-поршневая гидромашина содержит корпус 1 с прорезью 2 для соединения ведущей шестерни 3, фиг. 1, с ведомой шестерней какого-либо механизма (на фигурах не показан). Общий вал 4, на который посажена шестерня 3, установлен в подшипниках 5 и соединен со своими ведущими дисками 6 и 7.
Оси блоков цилиндров 8 и 9, зеркально расположенных в корпусе 1, наклонены к оси общего вала 4 под углом β и посажены на оси 10 и 11 с минимальным зазором, для возможности само устанавливаться своими сферическими торцами на сферических поверхностях распределительных дисков 12 и 13 соответственно, неподвижно закрепленных на левой и правой стенках корпуса 1.
ц
п
В блоках цилиндров 8 и 9 по окружностям диаметрами D, фиг. 2, выполнены девять основных цилиндров 14, а по окружности диаметром D в межцилиндровых зонах основных цилиндров выполнены дополнительные девять цилиндров 15. В основные цилиндры 14 вставлены основные поршни 16, а в дополнительные цилиндры 15 вставлены дополнительные поршни 17, фиг. 1, при этом упомянутые поршни выполнены более короткими, по сравнению с поршнями прототипа.
В сферических торцах блоков 8 и 9, фиг. 1 и фиг. 3, прорезаны основные соединительные каналы 18 и дополнительные соединительные каналы 19. Каналы 18 попеременно сообщаются с основными серповидными окнами 20 распределительных дисков 12 и 13, фиг. 4, а каналы 19 попеременно сообщаются с дополнительными серповидными окнами 21. Серповидные окна 20 и 21 с левой стороны распределительного диска соединены прорезью 22, которая сообщена с отверстием 23 для всасывания жидкости. Серповидные окна 20 и 21 с правой стороны распределительного диска соединены прорезью 24, которая сообщена с отверстием 25 для нагнетания жидкости (это если гидромашина работает в режиме насоса).
Оси 10 и 11 имеют сферические головки, заделанные в сферические шарниры в центрах ведущих дисков 6 и 7 и другими своими концами вставлены в отверстия распределительных дисков 12 и 13. В ведущих дисках 6 и 7 в сферические шарниры заделаны головки основных шатунов 26, которые своими противоположными концами заделаны в сферические шарниры основных поршней 16. Кроме того, в ведущих дисках 6 и 7 в сферические шарниры, выполненные в местах между сферическими шарнирами основных шатунов и кромками ведущих дисков, заделаны головки дополнительных шатунов 27, которые своими другими концами заделаны в сферические шарниры дополнительных поршней 17. При этом основные и дополнительные шатуны имеют цилиндрическую (а не конусную) форму, как в прототипе.
Каждый блок цилиндров снабжен конической шестерней 28, фиг. 1, входящей в зацепление с конической шестерней 29, закрепленной на соответствующем ведущем диске.
Аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. При вращении шестерни 3 совместно с валом 4 и ведущими дисками 6 и 7, передают вращение через конические шестерни 29 и 28 блоками цилиндров 8 и 9, вращающимися вокруг своих осей 10 и 11. Поршни основные 16 и дополнительные 17 в своих цилиндрах 14 и 15 совершают возвратно-поступательное движение, то всасывая, то вытесняя рабочую жидкость через каналы 18 и 19 в сферических торцах блоков 8 и 9, которые плотно прилегают к сферическим поверхностям распределительных дисков 12 и 13.
По мере поворота блоков цилиндров на 360° каждый поршень, как основной 16, так и дополнительный 17 сначала всасывает рабочую жидкость через свои серповидные окна 20 и 21 (при повороте на 180°), прорезь 22 и отверстие 23 в соответствующий цилиндр. Затем каждый из упомянутых поршней, пройдя через соответствующие перемычки, разделяющие серповидные окна 20 и 21 с левой и правой сторон распределительных дисков 12 и 13, при повороте блоков цилиндров на следующие 180° через другие серповидные окна 20 и 21 (с правой стороны распределительного диска, фиг. 4), вытесняет жидкость под давлением через прорези 22 и отверстие 23 для нагнетания жидкости.
Одновременная работа девяти основных 16 и девяти дополнительных 17 поршней в каждом из блоков цилиндров 8 и 9 увеличивает подачу аксиально-поршневой гидромашины за счет большего рабочего объема, который определяется по формуле (1).
В режиме гидромотора аксиально-поршневая гидромашина работает следующим образом. При подаче рабочей жидкости из гидросистемы в отверстия 23 и по каналам 22 каждого из распределительных дисков 8 и 9, она (рабочая жидкость) проходит через серповидные окна 20 и 21 и поступает в подпоршневые пространства тех поршней 16 и 17, которые через каналы 18 и 19 сообщены с окнами 20 и 21. Поршни 16 и 17 в каждом блоке под действием давления выдвигаются из своих цилиндров и давят на ведущие диски 6 и 7 и заставляют их поворачиваться, создавая крутящий момент, пропорциональный рабочему объему гидромашины.
Из-за того, что основные 16 и дополнительные 17 поршни выполнены более короткими, по сравнению с поршнями прототипа, а их шатуны имеют цилиндрическую форму, угол наклона блоков цилиндров 8 и 9 относительно осей своих ведущих дисков 6 и 7, теперь может достигать значений 36° - 40°, что не свойственного типовым аксиально-поршневым гидромашинам с наклонным блоком [Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М: Машиностроение, 1982. - 423 с, стр. 323].
На фиг. 5. показана схема расположения поршневых групп в блоках цилиндров для для длинных поршней (слева) и коротких поршней при способа передаче вращения через конические шестерни (справа).
1
о
т
1
F
F
При угле наклона β, фиг. 5а длинные поршни передают не только осевое усилие , но и тангенциальное усилие, распределенное по поверхности контакта шатуна с юбкой поршня с равнодействующей, приложенной в точках, условно отмеченных крестиком и точкой. Этой тангенциальной силой и создается врашательный момент на блоках цилиндров, идущий на преодоление механического трения во всех подвижных соединениях гидромашины. Даже при максимально выдвинутом поршне, внутри цилиндра остается значительная его часть (относительно торца блока), фиг. 5а, что бы передать это вращение. А если увеличить угол β более 30°, то при максимально выдвинутом поршне, внутри цилиндра остается не значительная его часть, что может привести к перекосу и даже заклиниванию поршня в цилиндре и передача вращения блоку станет не возможной.
F
о
2
Если вращение от ведущих дисков на блоки цилиндров передается коническими шестернями, то шатуны передают только осевые усилия, фиг. 5б, и поршни могут более короткими. Даже если они в максимально выдвинутом положении (верхнее положение поршней) выступают относительно торца блока на половину своей длины, то из-за отсутствия тангенциальных усилий перекоса и их заклинивания в цилиндрах произойти не может. Это позволяет увеличить угол наклона блоков цилиндров до значения β, фиг. 5б, равного 36° - 40° в зависимости от конкретных конструктивных особенностей делалей гидромашины. Исходя из формулы (1) для случая, когда угол наклона блоков цилиндров составляет 40°, отношение тангенсов углов равно:
tg40° / tg30° = 0,8391 / 0,5774 = 1,453,
а это значит, что увеличив угол наклона блоков цилиндров относительно оси общего вала от 30° до 40° за счет применения конических шестерен и упомянутых изменений конструкции поршней и шатунов, мы может повысить рабочий объем гидромашины более чем на 45%.
Так достигается технический результат полезной модели, а именно увеличение рабочего объема аксиально-поршневой гидромашины.