гидромашина

Формула изобретения

1. Роторная гидравлическая машина, содержащая корпус - статор с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично к ней и касательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор, жестко закрепленный на центральном приводном валу и образующий в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающим и нагнетающим патрубками, оснащенными всасывающим и нагнетательным клапанами, ротор, выполненный с продольным цилиндрическим пазом, в котором шарнирно с возможностью качания относительно своей продольной оси и относительно ротора установлен вытеснитель, выполненный в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых, внешняя, описана из центра ротора радиусом, равным радиусу ротора, а вторая, внутренняя, описана из центра оси качания вытеснителя радиусом, превышающим максимальное расстояние от центра качания вытеснителя до цилиндрической стенки рабочей камеры и равным радиусу паза в роторе, пересекающиеся цилиндрические поверхности образуют два ребра вытеснителя, одно из которых - рабочее ребро, постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры посредством системы постоянного поджатия, и крышки устройства, перекрывающие рабочую камеру с торцов, отличающаяся тем, что рабочее ребро вытеснителя округлено и по центру этого округления выполнено продольное отверстие, в котором установлен цилиндрический штырь, а в корпусе собранного устройства, непосредственно под торцевыми крышками выполнены полные кольцевые канавки, образованные за счет цилиндрических проточек в корпусе и торцах ротора, центр этих канавок совпадает с осью цилиндрической рабочей камеры в статоре, и в этих канавках размещены кольцевые шайбы с отверстиями, ответные по форме формам указанных канавок с возможностью кругового скольжения в этих канавках и шарнирно взаимодействующие с округленным рабочим ребром вытеснителя посредством шарнирной пары: штырь в центральном отверстии округления рабочих ребер вытеснителя и отверстие в кольцевых шайбах, a на внутренних плоскостях торцевых крышек устройства выполнены серповидные или эксцентрично-кольцевые выступы, заполняющие образующиеся пустые полости между кольцевыми шайбами и ротором и между торцами ротора и внутренними плоскостями крышек устройства.

2. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что при установке двух диаметрально противоположно расположенных в роторе вытеснителей, кольцевые шайбы с отверстиями, скользящие в кольцевых канавках на стороне, диаметрально противоположной расположению отверстий, взаимодействующих со штырями одного вытеснителя, выполнены с криволинейными прорезями для взаимодействия со штырями у рабочего ребра второго вытеснителя.

3. Гидромашина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в ней по линии касания ротора и стенки рабочей камеры в стенке рабочей камеры выполнен продольный паз и в нем размещена подпружиненная пластина из износостойкого, малофрикционного, упруго-жесткого материала, например фторопласта, с несколькими распределенными по длине пластины регулировочными винтами, головки которых вынесены на внешнюю поверхность корпуса устройства.

4. Гидромашина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что всасывающий и нагнетательный патрубки в ней сообщены внешней магистралью и на этой магистрали установлен запорно-регулировочный орган в виде пробкового или шарового крана.

5. Гидромашина по п.2, отличающаяся тем, что у каждого торца ротора над шайбой с отверстием и прорезью с возможностью проскальзывания относительно этой шайбы установлена вторая шайба с отверстием для взаимодействия со штырем у рабочего ребра второго вытеснителя.

6. Гидромашина по п.5, отличающаяся тем, что нижнее кольцо с прорезью имеет форму лотка, в полости которого расположено плоское верхнее кольцо с отверстием.

7. Гидромашина по п.5, отличающаяся тем, что нижнее кольцо с прорезью имеет Г-образную форму.

8. Гидромашина по п.5, отличающаяся тем, что и нижнее и верхнее кольца выполнены Г-образной формы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к гидравлическому машиностроению, а именно к гидромашинам, используемым в качестве насосов, гидравлических приводов и двигателей, а более конкретно к гидромашинам объемного вытеснения, в которых всасывание и вытеснение жидкости производится в результате перемещения в рабочей камере устройства рабочих органов-вытеснителей.

Предлагаемая гидромашина обладает многими признаками однопоршневой гидромашины, в которой перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из неподвижной камеры вытеснителем-поршнем. Под рабочей камерой поршневой объемной гидромашины понимается ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом жидкости. Рабочим органом поршневой гидромашины, непосредственно совершающим вытеснение жидкости из рабочей камеры, является вытеснитель-поршень. В поршневых машинах магистраль нагнетания всегда напрямую сообщена с магистралью всасывания через рабочую камеру, поэтому вход и выход в рабочую камеру всегда снабжены системой клапанов: всасывающим и нагнетательным, в основном нагруженными пружинами.

Сходство однопоршневой и предложенной гидромашин проявляется также и в том, что в одном из вариантов в рабочей камере предложенной гидромашины содержится один вытеснитель.

Рабочая камера поршневой гидромашины попеременно работает то только на всасывание, то только на нагнетание, и клапаны при этом работают попеременно, то всасывающий, то нагнетательный [Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск: “Вышейшая школа”, 1985, с. 211].

Все, описанное выше, относится и к предлагаемой гидромашине, отличия заключаются в следующем.

1. В поршневых гидромашинах одностороннего действия поршень-вытеснитель никогда не делит рабочую камеру на зоны всасывания и нагнетания. В предложенной гидромашине большую часть цикла вытеснитель делит рабочую полость на зоны всасывания и нагнетания, и только незначительный период цикла вытеснитель не является разделителем между полостями всасывания и нагнетания.

2. Второе отличие предлагаемой гидромашины от однопоршневой машины одностороннего действия в том, что в цикле ее работы отсутствует период всасывания, т.к. всасывание жидкости происходит одновременно с нагнетанием, и график подачи жидкости предлагаемой машиной похож на график поршневой гидромашины двухстороннего действия.

3. В поршневых машинах всасывающий и нагнетательный клапаны работают попеременно, в предложенной же гидромашине всасывающий и нагнетательный клапаны работают одновременно, синхронно.

4. Вытеснитель в известных поршневых гидромашинах совершает возвратно-поступательное движение и для работы требует от обычных двигателей промежуточного кривошипно-шатунного механизма, предложенная же гидромашина работает непосредственно от обычных двигателей, сообщающих его рабочему органу вращательное движение.

Однако вращательное движение рабочего органа гидравлических машин является основным признаком роторных гидравлических машин, поэтому предлагаемая гидромашина обладает многими признаками роторной гидравлической машины, в которой вытеснение жидкости производится из рабочей камеры в результате вращательного движения рабочих органов-вытеснителей.

Рабочая камера роторной гидромашины ограничивается поверхностями составных элементов: статора, ротора и вытеснителя. По характеру движения рабочих органов - ротора и вытеснителя - движение вытеснителя роторной гидромашины роторно-вращательное. Роторные гидромашины, в отличие от поршневых гидромашин, характеризуются отсутствием всасывающих и напорных клапанов [Там же, с. 226].

В роторных гидромашинах в процессе одного цикла работы никогда не возникает ситуация, когда магистраль всасывания жидкости напрямую через рабочую камеру сообщается с магистралью нагнетания. Это достигается множественностью вытеснителей. Между магистралями всасывания и нагнетания в камере устройства всегда находится тело одного или нескольких вытеснителей, разобщающих полости всасывания от полостей нагнетания.

В отличие от роторных машин в предлагаемой гидромашине в рабочей камере может находиться только один вытеснитель, поэтому в предлагаемой гидромашине в течение одного цикла вытеснитель большую часть цикла является разграничителем между полостями всасывания и нагнетания в рабочей камере, но в течение того же цикла возникает ситуация, когда магистраль всасывания напрямую через рабочую камеру связана с магистралью нагнетания, поэтому устройство должно содержать всасывающие и нагнетательные клапаны. В поршневых гидромашинах, как уже указывалось, клапаны работают попеременно, в предложенном устройстве клапаны работают одновременно, синхронно.

Наиболее близким аналогом предложенному техническому решению по своему функциональному назначению и по большинству общих конструктивных признаков является роторная гидромашина по авт. свид. СССР №1707240 по кл. МПК F 04 С 2/00, принятая за прототип.

Известная гидромашина содержит корпус-статор с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично к ней и касательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор, жестко закрепленный на центральном приводном валу и образующий в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающим и нагнетающим патрубками, оснащенными всасывающим и нагнетательным клапанами, ротор, выполненный с продольным цилиндрическим пазом, в котором шарнирно, с возможностью качания относительно своей продольной оси и относительно ротора, установлен вытеснитель, выполненный в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых - внешняя, описана из центра ротора радиусом, равным радиусу ротора, а вторая - внутренняя, описана из центра оси качания вытеснителя радиусом, превышающим максимальное расстояние от центра качания вытеснителя до цилиндрической стенки рабочей камеры, и равным радиусу паза в роторе, пересекающиеся цилиндрические поверхности образуют два ребра вытеснителя, одно из которых - рабочее ребро, постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры посредством системы постоянного поджатия и крышки устройства, перекрывающие рабочую камеру с торцов.

Очевидно, что предложенная гидромашина содержит ряд признаков как роторных, так и поршневых гидромашин, но по принципу воздействия на жидкость и по большинству конструктивных признаков и форме их исполнения она должна быть отнесена к роторным гидромашинам.

Сравнительный анализ признаков предложенной гидромашины и известных устройств показал, что:

статор с выполненной в нем цилиндрической камерой, в которой установлен цилиндрический ротор, присущ всем роторным гидромашинам;

ротор, установленный эксцентрично и касательно к стенке рабочей камеры, образующий в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающим и нагнетательным патрубками, известны из конструкций роторных пластинчатых гидромашин [Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск: “Вышейшая школа, 1985, с. 235].

Всасывающие и нагнетательные клапаны широко известны, используются в поршневых гидравлических машинах и в предложенном техническом решении применяются по своему прямому назначению.

Выполнение ротора с продольным цилиндрическим пазом, в котором шарнирно, с возможностью качания относительно своей продольной оси и относительно ротора установлен вытеснитель, выполненный в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых - внешняя, описана из центра ротора радиусом, равным радиусу ротора, а вторая - внутренняя, описана из центра оси вытеснителя радиусом, превышающим максимальное расстояние от центра качания вытеснителя до цилиндрической стенки рабочей камеры, и при этом пересекающиеся цилиндрические поверхности образуют ребра, одно из которых - рабочее и постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры - известно из прототипа.

Системы постоянного поджатия рабочего ребра вытеснителя к стенке рабочей камеры известны из конструкции роторных пластинчатых гидромашин - они работают под действием центробежных сил или специальных пружин, пластины своими внешними торцами прижимаются к внутренней поверхности статора - рабочей камеры и скользят по ней.

Однако применение известных систем поджатия в конструкции предлагаемой гидромашины нецелесообразно по следующим причинам.

- Центробежные силы могут работать только при условии очень больших скоростей вращения ротора, что существенно ограничивает возможности применения предлагаемой гидромашины, например, в качестве насоса-дозатора. В устройстве-прототипе из-за сложности траектории движения рабочего ребра-вытеснителя добиться сколько-нибудь большой скорости вращения и поджатия его к стенке рабочей камеры за счет центробежных сил практически невозможно. Действие центробежных сил в предлагаемой конструкции, где достигаются большие скорости вращения ротора, можно усилить, если сместить центр тяжести вытеснителя в сторону рабочего ребра. Этого легко добиться, облегчив его вторую половину, просверлив в ней одно или несколько продольных отверстий, но все равно, такая система мало работоспособна, давление в ней создать невозможно, она ненадежна, и при снижении оборотов ротора эта система вообще работать не будет.

- Пружины также показали свою малую эффективность при испытании опытного образца предлагаемой гидромашины. Сильная пружина создавала значительное трение, что приводило к быстрому износу рабочего ребра вытеснителя и стенки рабочей камеры, даже специальные покрытия не давали результата. Слабая пружина, даже при незначительных скоростях вращения ротора, запаздывала “сработать”, и вытеснитель большую часть пути пролетал, не касаясь стенки рабочей камеры. При малых оборотах противодавление жидкости отжимало рабочее ребро вытеснителя от стенки камеры, нарушая герметичность между камерами подсоса и нагнетания. Этот негативный эффект можно снизить, если вращение ротора производить в сторону рабочего ребра вытеснителя, тогда вытесняемая жидкость будет давить на внутреннюю поверхность вытеснителя, способствуя поджатию рабочего ребра вытеснителя и стенке рабочей камеры, но для обеспечения стабильной и надежной работы предложенной гидромашины этого недостаточно.

Известные системы поджатия рабочего ребра вытеснителя являются наиболее слабым звеном известных конструкций, снижают их эффективность и потребительскую ценность, т.к. ограничивают их возможности и диапазоны применения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание надежного гидравлического устройства с широкими возможностями технологического применения.

Т.о., технический результат, который должен быть получен при осуществлении заявленного изобретения - это создание сравнительно простого, надежного и работоспособного устройства с широкими технологическими возможностями, легко поддающегося регулировке и управлению.

Технический результат достигается, когда в роторной гидравлической машине, работающей от приводного вала и содержащей корпус-статор с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично к ней и касательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор, жестко закрепленный на центральном приводном валу, и образующий в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающим и нагнетающим патрубками, оснащенными всасывающим и нагнетательным клапанами, ротор выполненный с продольным цилиндрическим пазом, в котором шарнирно, с возможностью качания относительно своей продольной оси и относительно ротора установлен вытеснитель, выполненный в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых - внешняя, описана из центра ротора, радиусом, равным радиусу ротора, а вторая - внутренняя, описана из центра оси качания вытеснителя радиусом, превышающим максимальное расстояние от центра качания вытеснителя до цилиндрической стенки рабочей камеры и равным радиусу паза в роторе (в сборе ротор и вытеснитель образуют цилиндр), пересекающиеся цилиндрические поверхности вытеснителя образуют два ребра вытеснителя, одно из которых - рабочее ребро постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры посредством системы постоянного поджатия, и крышки устройства, перекрывающие рабочую камеру с торцов, согласно изобретению рабочее ребро вытеснителя округлено и по центру этого округления выполнено продольное отверстие, в котором установлен цилиндрический штырь, а в корпусе собранного устройства, непосредственно под торцевыми крышками, выполнены полные кольцевые канавки, образованные за счет цилиндрических проточек в корпусе и торцах ротора, центр этих канавок совпадает с осью цилиндрической рабочей камеры в статоре, и в этих канавках размещены кольцевые шайбы с отверстиями, ответные по форме формам указанных канавок, с возможностью кругового скольжения в этих канавках, и шарнирно взаимодействующие с округленным рабочим ребром вытеснителя посредством шарнирной пары: штырь в центральном отверстии округления рабочих ребер вытеснителя и отверстие в кольцевых шайбах, а на внутренних плоскостях торцевых крышек устройства выполнены серповидные или эксцентрично-кольцевые выступы, заполняющие образующиеся пустые полости между кольцевыми шайбами и ротором и между торцами ротора и внутренними плоскостями крышек устройства.

Такое выполнение предложенного устройства позволяет обеспечить постоянство необходимого зазора (контакта) между рабочим ребром вытеснителя и цилиндрической поверхностью рабочей камеры, создающего необходимую герметичность пространств до и после вытеснителя, и в то же время снижающего трение между рабочим ребром вытеснителя и стенкой рабочей камеры до допустимого уровня. Одновременно с этим ликвидируется канал связи между полостями нагнетания и всасывания по линии контакта ротора и цилиндрической стенкой рабочей камеры в месте их касания.

Сравнительный анализ признаков предложенного устройства и прототипа показал следующее.

В статоре прототипа рабочая камера имеет сложную криволинейную конфигурацию, образованную тремя совмещенными цилиндрическими полостями, в то время как в предложенном устройстве рабочая камера имеет форму цилиндра. Статор с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой широко известен и присущ большинству роторных гидромашин.

Ротор и в прототипе, и в предложенной конструкции имеет форму цилиндра, но в прототипе он установлен по центру рабочей камеры и касается двух ее противоположных сторон, в предложенном же устройстве ротор размещен эксцентрично рабочей камере, касательно к ее стенке и образует в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающей и нагнетательной магистралями. Наличие серповидной камеры при эксцентричном размещении в ней ротора, концы которой сообщены с всасывающей и нагнетательной магистралью, также известны из конструкций роторных пластинчатых гидромашин [Там же, с. 235].

В известном устройстве [Авторское свид. СССР №1707240 по МПК F 04 С 2/00] ротор оснащен четырьмя вытеснителями, что обеспечивает постоянство разделения полостей всасывания и нагнетания, в предложенном же устройстве ротор выполнен с одним или с двумя вытеснителями, и это является причиной того, что при одном вытеснителе в процессе каждого рабочего цикла возникает ситуация, когда нагнетающая магистраль через рабочую камеру оказывается напрямую связана с всасывающей магистралью. Это определяет необходимость оснащения предлагаемой гидромашины всасывающими и нагнетательными клапанами, как это делается в поршневых гидромашинах.

В самой предложенной конструкции заложена неравномерность скорости пробега рабочего ребра вытеснителей по цилиндрической поверхности рабочей камеры. Даже при равномерной скорости вращения ротора величина пути, пройденного за единицу времени в течение одного цикла, не является величиной постоянной. Это характерно для всех шиберных гидромашин с эксцентричным расположением ротора в рабочей камере устройства [Там же, с. 235].

Еще одна особенность предложенной гидромашины в том, что при единственном вытеснителе в процессе каждого цикла возникает ситуация, когда вытеснитель полностью утоплен в теле ротора - “мертвая” зона, в которой ни вытеснитель не оказывает воздействие на жидкость, ни жидкость не оказывает сопротивления вращению ротора. При наличии всасывающих и нагнетательных клапанов и принудительном вращении приводного вала устройства наличие “мертвой” зоны существенного влияния на работу гидромашины не оказывает, только несколько искажается график подачи жидкости в течение одного цикла. Другое дело, когда предложенная гидромашина используется в режиме гидропривода или гидротормоза. В этом случае нет сил, способных вывести ротор устройства из нейтрального положения. Необходимо создать такое устройство, в котором имеются силы, способствующие выведению ротора устройства из “мертвой” зоны.

Таким образом, основное отличие предложенного устройства от прототипа в том, что в предложенной гидромашине с одним вытеснителем рабочее ребро вытеснителя округлено, и по центру этого округления выполнено продольное отверстие, в котором установлен цилиндрический штырь, а в корпусе собранного устройства непосредственно под торцевыми крышками выполнены полные кольцевые канавки, образованные за счет цилиндрических проточек в корпусе и торцах ротора, центр этих канавок совпадает с осью цилиндрической рабочей камеры в статоре, и в этих канавках размещены кольцевые шайбы с отверстиями, ответные по форме формам канавок, с возможностью кругового скольжения в этих канавках, и шарнирно взаимодействующие с округленным рабочим ребром вытеснителя посредством шарнирной пары: штырь в центральном отверстии округления рабочих ребер вытеснителя и отверстие в кольцевых шайбах, а на внутренних плоскостях торцевых крышек устройства выполнены серповидные или эксцентрично-кольцевые выступы, заполняющие образующиеся пустые полости между кольцевыми шайбами и ротором и между торцами ротора и внутренними плоскостями крышек устройства.

В описанном виде предлагаемая гидромашина может использоваться в качестве насоса, гидравлического тормоза и т.п., т.е. в тех случаях, когда вращение ротору передается от приводного вала.

В качестве гидравлического привода, работающего от энергии протекающей среды, в описанном виде устройство применено быть не может, т.к. обладает “мертвой” зоной - положением, когда вытеснитель полностью утоплен в роторе, образуя с ним сплошной цилиндр, при этом подаваемой под напором жидкости не на что воздействовать, и вращение приводного вала прекращается, и при использовании предлагаемого устройства с одним вытеснителем в качестве тормоза приводного вала усилие торможения в процессе одного цикла неравномерно, и в момент прохождения вытеснителем “мертвой” зоны усилие торможения отсутствует.

Поэтому при использовании предложенного устройства в качестве гидропривода или качественного гидротормоза необходимо иметь по меньшей мере два идентичных устройства, установленных соосно, и роторы которых жестко закреплены на общем приводном валу. Линия контакта роторов и стенок рабочей камеры обоих устройств в этом случае должны быть расположены на одной прямой, а проточки в роторе смещены на 90°. При этом, когда в одном из соосных устройств возникает “мертвая” ситуация, поток жидкости, воздействуя на вытеснитель второго устройства, прокручивает приводной вал и выводит ротор первого устройства из “мертвого” положения, и наоборот.

Количество таких жестко насаженных на общий приводной вал однотипных устройств (роторов) может быть и больше двух, при этом величина угла смещения одного вытеснителя относительно другого смежного предпочтительно должна быть равна 360°/N, где N - число насаженных на общий приводной вал гидромашин (роторов). Такое устройство вполне работоспособно, но трудоемко, материалоемко и громоздко.

Более целесообразно для гидроприводов и качественных гидравлических тормозов иметь ротор с двумя диаметрально противоположно расположенными качающимися вытеснителями. В таком устройстве, когда один из вытеснителей попадает в “мертвую” зону, противоположный вытеснитель под воздействием жидкости продолжает свое движение и выводит первый вытеснитель из “мертвой” зоны. Однако в этом случае скользящие кольцевые шайбы с одним отверстием, шарнирно взаимодействующие с рабочим ребром вытеснителя, не могут обслуживать более одного вытеснителя одновременно. Это объясняется тем, что, как уже было сказано выше, в каждой точке касания стенки рабочей камеры, вытеснитель перемещается с разной скоростью. При обслуживании сразу двух противоположно установленных вытеснителей одной кольцевой шайбой устройство моментально заклинивает.

Еще одной задачей предлагаемого изобретения является достижение технического результата, обеспечивающего одинаковое поджатие рабочих ребер обоих вытеснителей к цилиндрической поверхности рабочей камеры.

Эта цель в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что в гидромашине, при установке двух диаметрально противоположно расположенных в роторе вытеснителей, кольцевые шайбы с отверстиями, скользящие в кольцевых канавках, на стороне, диаметрально противоположной расположению отверстий, взаимодействующих со штырями одного вытеснителя, выполнены с криволинейными прорезями для взаимодействия со штырями у рабочего ребра второго вытеснителя.

Для устройств многоразового использования, длительной эксплуатации и непрерывного действия слабым местом становится линия касания двух цилиндрических поверхностей - ротора и цилиндрической рабочей камеры, тем более что качественно выполнить сборку устройства с соблюдением требований по герметичности и трению возможно только при особой точности изготовления и тщательности при сборке. Кроме того, очень затруднителен контроль за изменением величины зазора между ротором и стенкой рабочей камеры в процессе эксплуатации устройства в результате взаимного истирания.

Целесообразно, с целью повышения надежности, долговечности и устойчивости работы механизма, чтобы в предлагаемой гидромашине по линии касания ротора и стенки рабочей камеры, в стенке рабочей камеры был выполнен продольный паз и в нем размещена подпружиненная пластина из износостойкого, малофрикционного, упругожесткого материала, например фторопласта, с несколькими распределенными по длине пластины регулировочными винтами, головки которых вынесены на внешнюю поверхность корпуса устройства.

Это позволит улучшить герметизацию между нагнетательной и всасывающей полостями рабочей камеры, уменьшит износ поверхности ротора в результате трения между взаимодействующими поверхностями и позволит регулировать зазор, не вскрывая устройства, даже в процессе его эксплуатации.

Качественное разделение камер всасывания и нагнетания не только повышает работоспособность и надежность гидравлической машины, но и существенно расширяет области ее возможного применения. В принципе, такое устройство может быть использовано во всех традиционных областях применения поршневых и роторных гидромашин.

По сравнению с поршневыми механизмами предложенная гидромашина обладает более высоким быстродействием, а по сравнению с обычными роторными гидромашинами она может работать с обычными маловязкими жидкостями, например водой и водными растворами, бензином и т.п.

С целью существенного повышения технологических возможностей предлагаемой гидромашины целесообразно, чтобы всасывающий и нагнетательный патрубки в ней были сообщены внешней магистралью, и на этой магистрали был установлен запорно-регулировочный орган в виде пробкового или шарового крана.

Это позволит организовать замкнутый цикл перекачки жидкости. Меняя сопротивление движению жидкости по замкнутому кольцу, можно регулировать скорость вращения приводного вала. Установив на контуре циркуляции запорно-регулирующий орган, можно создать гидравлический тормоз, позволяющий ускорять, замедлять или полностью останавливать вращение приводного вала. При этом гидравлическое устройство приобретает свойства регулятора скорости вращения и гидравлического тормоза вращающихся валов самого различного назначения.

Еще одной задачей предлагаемого изобретения является достижение технического результата, обеспечивающего одинаковое поджатие рабочих ребер обоих вытеснителей к цилиндрической поверхности рабочей камеры.

Такое устройство вполне работоспособно. Однако, так как штырь в прорези помимо вращения совершает и возвратно-поступательное скольжение в криволинейной прорези, обе эти детали взаимно истираются. Это уменьшает степень поджатия рабочего ребра вытеснителя к стенке рабочей камеры и нарушает необходимую герметичность.

Поэтому имеет смысл устанавливать у каждого торца ротора над шайбой с отверстием и прорезью с возможностью проскальзывания относительно этой шайбы вторую шайбу с отверстием для взаимодействия со штырем у рабочего ребра второго вытеснителя.

Такое исполнение технического устройства повышает надежность его работы, обеспечивая нормальный выход каждого вытеснителя, попавшего в “мертвую” зону.

Эти двойные кольца могут иметь различную конфигурацию в радиальном поперечном сечении.

1. Нижнее кольцо с прорезью имеет форму лотка, в полости которого расположено плоское верхнее кольцо с отверстием.

2. Нижнее кольцо с прорезью имеет Г-образную форму.

3. Нижнее и верхнее кольца выполнены Г-образной формы.

Сущность изобретения и все сказанное выше поясняется последующим описанием и приводимыми чертежами, где на:

- фиг.1 приведен поперечный разрез предлагаемого устройства с системой постоянного поджатия рабочего ребра вытеснителя к цилиндрической стенке рабочей камеры типа ролик-канавка,

- фиг.2 приведено то же с системой поджатия при помощи пружины,

- фиг.3 приведено то же с системой поджатия по предлагаемому техническому решению,

- фиг.4 показаны продольные разрезы устройства:

4 “А” - по оси симметрии,

4 “Б” - по плоскости эксцентриситета,

- фиг.5 приведен поперечный разрез устройства с узлом регулируемого уплотнения места касания ротора и стенки статора,

- фиг.6 и 7 приведены поперечные сечения устройства с проекциями фигурных выступов на внутренней плоскости торцевых крышек; серповидных - фиг.6 и эксцентрично-кольцевых фиг.7, совместно с проточками в статоре и в роторе, образующими кольцевые канавки,

- фиг.8 показано предлагаемое устройство в сборе, в аксонометрии,

- фиг.9-20 приведена подетальная раскладка всех основных элементов предложенного устройства,

- фиг.21 приведен вариант устройства, в котором всасывающий и нагнетательный патрубки закольцованы внешней магистралью, на которой установлено запорно-регулирующее устройство, вид сбоку,

- фиг.22 приведено то же, вид сверху,

- фиг.23 приведен вариант закольцованного устройства с предохранительным клапаном и байпасной линией,

- фиг.24 показан вариант устройства с выступающим элементом, взаимодействующим с внешней средой - тормоз экстренного торможения,

- фиг.25 приведена принципиальная схема насосной установки,

- фиг.26 приведен вытеснитель со скругленным ребром и отверстием для шарнирного штыря,

- фиг.27 представлена схема гидропривода из двух имеющих общий приводной вал устройств,

- фиг.28 представлена схема гидромашины с ротором, имеющим два диаметрально шарнирно закрепленных вытеснителя с двойными кольцевыми шайбами с отверстиями,

- фиг.29 приведены варианты исполнения двойных кольцевых шайб: лотковое кольцо с плоским кольцом, Г-образное кольцо с плоским кольцом и два Г-образных кольца,

- фиг.30 приведен вариант гидромашины с двумя вытеснителями в сборе со снятой крышкой.

Предлагаемое устройство содержит статор - корпус 1 с выполненной в нем внутренней цилиндрической расточкой - рабочей камерой 2, в которой эксцентрично к ней и касательно к цилиндрической стенке рабочей камеры 2 установлен цилиндрический ротор 3, жестко закрепленный на приводном валу 4 и образующий в полости камеры 2 серповидную рабочую полость 5, один конец которой сообщен входным отверстием с патрубком 6, а другой конец - выходным отверстием с патрубком 7 для входа и выхода жидкости. Ротор 3 выполнен с продольной цилиндрической проточкой 8 на боковой поверхности 9, центр которой находится в пределах тела ротора 3. По центральной оси 10 цилиндрической проточки 8 шарнирно, с возможностью качания относительно оси 10, установлен призматический вытеснитель 11, образованный двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых - внутренняя 12 выполнена с радиусом цилиндрической проточки 8, а вторая - внешняя 13 выполнена с радиусом ротора 3. В сборе ротор 3 и вытеснитель 11 имеют форму полного цилиндра.

Линии пересечения образующих вытеснитель 11 цилиндрических поверхностей 12 и 13 образуют ребра 14 и 15, внешнее ребро 14 является рабочим ребром вытеснителя 11 и взаимодействует с цилиндрической поверхностью 16 рабочей камеры 2 в корпусе 1. Для обеспечения постоянного контакта и взаимодействия рабочего ребра 14 с цилиндрической поверхностью 16 рабочей камеры 2 в корпусе 1 устройство снабжено системой 17 принудительного прижима.

Корпус 1 с торцов перекрыт крышками 18 с центральными отверстиями для прохода приводного вала 4.

В собранном устройстве непосредственно под крышками 18 выполнены кольцевые канавки 19, центр которых совпадают с осью цилиндрической рабочей камеры 2 в корпусе 1. Канавки 19 (фиг.3) образованы кольцевой проточкой 20 в корпусе 1 и проточкой 21 в роторе 3. Рабочее ребро 14 вытеснителя 11 округлено, и по центру этого округления выполнено отверстие 22 (фиг.27). На крышках 18 закреплены выступы серповидные 23 (фиг.6) или эксцентрично-кольцевые 24 (фиг.7). В каждой кольцевой канавке 19, имеющей преимущественно прямоугольное поперечное сечение, размещено с возможностью кругового скольжения в ней, ответное по форме канавки 19 кольцо 25, взаимодействующее с вытеснителем 11 при помощи пары 26: отверстие 27 в кольце 25 - штырь 28 в отверстии 22 вытеснителя 11.

Для повышения надежности и упрощения процесса сборки предложенное устройство может быть выполнено с продольным пазом 29 (фиг.5) в цилиндрической стенке рабочей камеры 2 в корпусе 1 по линии касания ее с ротором 3. В продольном пазу 29 установлена поджатая пружинами 30 уплотняющая пластина 31, а в корпусе 1 выполнены резьбовые отверстия 32, в которые ввинчены регулировочные винты или болты 33, головки которых вынесены на поверхность корпуса 1.

Устройство может быть снабжено внешней магистралью 34 (фиг.21), соединяющей входной 6 и выходной 7 патрубки. На этой магистрали 34 установлен запорно-регулирующий орган 35. Это создает возможность регулирования сопротивления потоку жидкости и изменения скорости вращения приводного вала 4.

Для устранения разрушительных последствий экстренного торможения устройство с внешней магистралью 34, на которой установлено запорно-регулирующее устройство 35, может быть снабжено дополнительной байпасной магистралью 36, вход в которую осуществляется через дополнительный патрубок 37, в котором размещен поршень 38, при помощи пружины 39, постоянно перекрывающий входное отверстие 40 из патрубка 37 в байпасную магистраль 36.

Для увеличения усилий торможения подвижного средства поршень 38 может воздействовать на внешний шток 41, воздействующий на рычаг торможения 42, взаимодействующий с органами торможения - якорь 43 или на тормозные колодки 44.

Все описанные устройства должны быть оснащены пружинными или обратными клапанами: всасывающими 45 (фиг.26, 27) и нагнетательными 46 для предотвращения противодавления и нежелательных перетоков жидкости.

Для варианта устройства с ротором 3 с двумя вытеснителями 11 (фиг.28 и 30) кольцевая шайба 25 должна быть выполнена с криволинейной прорезью 47 для прохода штыря 28, взаимодействующего с отверстием 22 во втором вытеснителе у рабочего ребра 14. Кольцевая шайба 25 (фиг.29) может быть выполнена составной 48: из внутренней шайбы 49 с отверстием 27 и с криволинейной прорезью 47 и внешней шайбы 50 с отверстием 27.

Работает предложенное устройство следующим образом.

Сообщая вращение приводному валу 4, приводят во вращение ротор 3, который, в свою очередь, через ось 10, вытеснитель 11 и шарнирную пару 26 отверстие 27 - штырь 28 приводит во вращение кольцо 25 в кольцевой канавке 19. Это создает условия постоянного взаимодействия рабочего ребра 14 вытеснителя 11 с цилиндрической поверхностью рабочей камеры 2 в корпусе 1, сохранение их контакта или зазора, обеспечивающего герметичность.

Перемещаясь в серповидной полости 5 в рабочей камере 2, вытеснитель 11 выдавливает находящуюся перед ним жидкость из выходного патрубка 7, и в то же время за вытеснителем 11 в серповидной камере 5 образуется вакуум, обеспечивающий поступление жидкости из входного патрубка 6. Во избежание противодавления жидкости входной 6 и выходной 7 патрубки должны быть оснащены всасывающим 45 и нагнетательным 46 (фиг.25) клапанами, как на обычных насосных установках.

При использовании предлагаемого устройства в качестве гидравлического тормоза или регулятора скорости вращения приводного вала 4, когда входной 6 и выходной 7 патрубки соединены внешней магистралью 34 (фиг.21), на которой установлен запорно-регулирующий орган 35, жидкость под воздействием вытеснителя 11 начинает циркулировать по замкнутому контуру: входной патрубок 6, серповидная рабочая камера 5, выходной патрубок 7, внешняя магистраль 34 с запорно-регулирующим органом 35, входной патрубок 6. Перекрывая проходное сечение органа 35, т.е. создавая сопротивление циркуляции жидкости, можно менять скорость ее движения и, соответственно, скорость вращения приводного вала 4. Полное перекрытие живого сечения запорно-регулирующего органа 35 приводит к полной остановке приводного вала 4.

Использование предложенного устройства в качестве тормоза при экстренном торможении при больших скоростях и при перемещении значительных масс может привести к разрушению тормозимого объекта. В этом случае тормозной механизм снабжают предохранительным клапаном (фиг.23). В таком устройстве при полностью перекрытом запорно-регулировочном органе 35 на внешней магистрали 34 давление в рабочей камере резко повышается и начинает воздействовать на поджатый пружиной 39 поршень 38, размещенный в дополнительном патрубке 37 и перекрывающий входное отверстие 40 из дополнительного патрубка 37 в байпасную магистраль 36. Под воздействием избыточного давления поршень 38 сдавливает пружину 39 и открывает отверстие 40, обеспечивая циркуляцию жидкости по новому маршруту: выходной патрубок 7, дополнительный патрубок 37, отверстие 40, байпасная линия 36, входной патрубок 6. При снижении скорости вращения приводного вала давление в патрубке 7 падает, пружина 39 возвращает поршень 38 в исходное положение, перекрывающее отверстие 40 - вход в байпасную линию 36.

Целесообразно использовать избыточную энергию движения для создания дополнительного усилия торможения о внешнюю среду, являющуюся средой перемещения тормозимого движущегося объекта: дорога, вода, воздух. Для этого устройство снабжено внешним штоком 41 (фиг.24), закрепленным на поршне 38, который, двигаясь вместе с поршнем 38, воздействует на внешний рычаг торможения 42, взаимодействующий с якорем 43 или внешним тормозом 44, выбрасывающим внешние тормозные элементы: лопасти, паруса и т.п.

При использовании предложенного технического решения в качестве гидравлического привода устройство должно содержать два диаметрально противоположных шарнирно укрепленных на роторе 3 вытеснителя 11 (фиг.28 и 30), и в кольцевых шайбах 25, скользяще расположенных в кольцевых канавках 19, образованных за счет проточек в корпусе статора 1 и на торцах ротора 3, центр которых совпадает с осью цилиндрической рабочей камеры 2 в статоре 1, на стороне диаметрально противоположной отверстию 27 для взаимодействия со штырем 28 одного вытеснителя 11, должна быть выполнена криволинейная прорезь 47 для взаимодействия со штырем 28 в отверстии 22 у скругленного рабочего ребра 14 второго вытеснителя 11. При работе такого устройства, когда один из вытеснителей 11 попадает в “мертвую” зону в районе касания ротора 3 цилиндрической рабочей камеры 2 в статоре 1, его из этого положения выводит второй вытеснитель 11 под влиянием давления на него энергетически насыщенной жидкости.

Такое устройство предпочтительнее использовать и в режиме гидравлического тормоза, придавая ему равномерность вращения и исключая моменты “проскальзывания” в каждом рабочем цикле, при прохождении вытеснителя в зоне линии контакта ротора 3 со стенкой рабочей камеры 2 в статоре 1. Криволинейная прорезь 47 в кольце 25 обеспечивает необходимую степень взаимодействия рабочего ребра 14 вытеснителя 11 со стенкой рабочей камеры 2 в статоре 1.

Однако вращение штыря 28 и его скольжение в криволинейной прорези 47 в кольце 25 приводят к ускоренному износу и штыря 28 и кольца 25. При установке составной шайбы 25 износ уменьшается, т.к. исключается контакт штыря 28 со стенками прорези 47.

Для использования в качестве насоса могут использоваться и устройства и с одним вытеснителем 11, и с двумя. Но устройства с одним вытеснителем 11 более производительны, т.к. при одинаковых внешних размерах могут быть выполнены с большим вытеснителем 11 и соответственно большим объемом серповидной камеры. Устройства с двумя вытеснителями 11 более универсальны и надежны в любой области применения.

Изготовление предлагаемых устройств не связано с какими-либо трудностями. Допускается использование самых разнообразных конструкционных материалов: металлов, пластмасс, всевозможных композитных материалов. Детали могут изготавливаться с помощью металлообработки, порошковой металлургии, формования пластических масс и т.п. Это обеспечивает достаточно низкую себестоимость изделия. Организовать производство гидромашин различного назначения возможно в любой механической мастерской с минимумом станочного оборудования при минимальных капитальных вложениях и производственных затратах.

Аналоги

1. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск: “Вишэйшая школа”, 1985, с. 211-246.

2. Авторское свидетельство СССР №1707240 A1 “Гидравлическая машина” от 23.01.1992, по МКИ F 04 С 2/00.