золотниковый плунжер

Формула изобретения

Золотниковый плунжер, содержащий золотник и стержень, соединенные проволочной тягой, отличающийся тем, что в стержне со стороны, противоположной золотнику, выполнено глухое осевое отверстие, заполненное жидкостью, в котором последовательно установлены первая пружина, груз и вторая пружина, поджатые втулкой, причем втулка установлена с возможностью перемещения относительно стержня и снабжена элементом фиксации относительно стержня, а груз выполнен в виде цилиндра и установлен с радиальным зазором относительно стенки стержня, определяемым выражением

где - плотность рабочей жидкости;

- кинематическая вязкость рабочей жидкости;

D _г - диаметр груза;

l_г - длина груза без учета направляющих;

К_в - коэффициент вязкого трения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидравлики и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении, судостроении и станкостроении для работы в составе гидроприводов и рулевых машин.

Известен золотниковый плунжер, состоящий из золотника, соединенного с демпфером перетечек поршневого типа [Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. Москва, Машиностроение, 1967, с.348, 349].

При работе в гидрораспределителях гидроприводов на такие золотниковые плунжеры действует гидродинамическая сила потока жидкости, которая зависит от нагрузки на штоке силового гидроцилиндра гидропривода. Эта сила является причиной возникновения положительной обратной связи по перепаду давлений на поршне силового гидроцилиндра, которая охватывает золотниковый гидрораспределитель и увеличивает его чувствительность, однако делает его склонным к автоколебаниям на частоте, близкой к резонансной частоте гидрораспределителя. Демпфер перетечек поршневого типа, связанный с золотником, увеличивает запасы устойчивости, однако демпфирование золотника подобным образом эквивалентно значительному увеличению вязкого трения золотника, что приводит к значительному уменьшению быстродействия гидрораспределителя и увеличению габаритов и массы золотниковых плунжеров. Кроме того, известно, что, начиная с некоторого значения частоты, эффективность демпфера падает, что объясняется развитием кавитационных процессов в его поршневой камере с образованием парогазового пузыря, характеризующегося высокой упругостью.

С другой стороны, в гидроприводах, работающих на нагрузку с большим сухим трением, для повышения чувствительности применяют принудительное осциллирование золотниковых плунжеров [Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. Москва, Машиностроение, 1967, с.230], например, путем подачи на электромеханический преобразователь гидрораспределителя гармонического фонового командного сигнала малой амплитуды и относительно высокой частоты (>50 Гц). При этом устраняется сухое трение покоя в силовом гидроцилиндре гидропривода и в нагрузке, которое всегда больше сухого трения движения.

Заявителю известен также динамический гаситель колебаний, состоящий из груза, закрепленного на пружине [Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. / Пер. с англ. Л.Г.Корнейчука. Под ред. Э.И.Григолюка. Москва, Машиностроение, 1985, с.229], которая другим своим концом крепится к защищаемому объекту и существенно снижает амплитуду его колебаний, однако применение подобных устройств в золотниковых плунжерах заявителю неизвестно.

В общем случае качество работы гидропривода или рулевого тракта определяется не наличием при его работе колебаний как таковых, а амплитудой и частотой этих колебаний.

Золотниковый плунжер, выбранный в качестве прототипа, содержит золотник и стержень, соединенные проволочной тягой [RU 2083947 С1 (РКК «ЭНЕРГИЯ» ИМ. С.П.КОРОЛЕВА), 10.07.1997].

Такие золотниковые плунжеры применяются в гидрораспределителях рулевых машин и для уменьшения действующей на золотники гидродинамической силы располагаются в полых вращающихся осях шестеренных насосов, выполняющих роль гильз гидрораспределителей. Как известно, эффект уменьшения гидродинамической силы в них обусловлен увеличением углов истечения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей при вращении гильзы. Однако добиться приемлемого уменьшения гидродинамической силы при больших нагрузках удается не всегда, так как в этих случаях возрастает нестационарная составляющая гидродинамической силы и в рулевых трактах возникают автоколебания с частотой, близкой к резонансной частоте гидрораспределителя.

Задачей изобретения является подавление автоколебаний золотникового плунжера на частоте, близкой к резонансной частоте гидрораспределителя, при действии на золотниковый плунжер гидродинамической силы потока жидкости для обеспечения устойчивости работы золотникового гидрораспределителя.

Техническим результатом изобретения является уменьшение амплитуды колебаний золотникового плунжера на частоте, близкой к резонансной частоте гидрораспределителя, при уменьшении массы золотникового плунжера, сохранении его габаритов и сохранении быстродействия золотникового гидрораспределителя.

Технический результат достигается тем, что в золотниковом плунжере, содержащем золотник и стержень, соединенные проволочной тягой, в отличие от прототипа, в стержне со стороны, противоположной золотнику, выполнено глухое осевое отверстие, заполненное жидкостью, в котором последовательно установлены первая винтовая пружина, груз и вторая винтовая пружина, поджатые втулкой, причем втулка установлена с возможностью перемещения относительно стержня и снабжена элементом фиксации относительно стержня, а груз выполнен в виде цилиндра и установлен с радиальным зазором относительно стенки стержня, определяемым выражением

где - плотность рабочей жидкости;

- кинематическая вязкость рабочей жидкости;

D _Г - диаметр груза;

l_г - длина груза без учета направляющих;

K_в - коэффициент вязкого трения.

На чертеже изображен заявляемый золотниковый плунжер.

Золотниковый плунжер состоит из золотника 1, стержня 2 и соединяющей их проволочной тяги 3. В стержне 2 выполнено глухое осевое отверстие 4, заполненное рабочей жидкостью, в котором последовательно установлены: первая винтовая пружина 5, цилиндрический груз 6 и вторая винтовая пружина 7, поджатые втулкой 8. Цилиндрический груз 6 установлен в глухом осевом отверстии 4 стержня 2 с зазором .

Возможность перемещения втулки 8 относительно стержня 2 может быть обеспечено, например, с помощью резьбового соединения 9 втулки с частью глухого осевого отверстия 4, прилежащей к торцу стержня 2, противоположного золотнику 1.

Фиксация втулки 8 относительно стержня 2 может быть обеспечена, например, выполнением на торце втулки 8 со стороны, противоположной золотнику 1, паза 10, а на торце стержня 2 также со стороны, противоположной золотнику 1, выполнением бурта 11. При этом бурт 11 должен быть обжат в паз 10.

Перемещение втулки 8 относительно стержня 2 и фиксация втулки 8 относительно стержня 2 обеспечивают настройку собственной частоты колебаний груза 6 путем поджатия винтовых пружин 5 и 7 для осуществления динамического гашения колебаний золотникового плунжера, при этом суммарный коэффициент упругости винтовых пружин K_пр. определяется по известной формуле

K_пр. =2К_пр,

где K_пр - коэффициент упругости одной пружины.

При относительно небольших скоростях перемещения золотникового плунжера, соответствующих процессам слежения в гидроприводе или в рулевой машине, винтовые пружины 5 и 7 практически сохраняют свою длину и цилиндрический груз 6 двигается вместе со стержнем 2 золотникового плунжера.

При возбуждении гидрораспределителя на частоте, близкой к резонансной частоте гидрораспределителя в результате действия на золотник гидродинамической силы потоков рабочей жидкости, стержень 2 золотникового плунжера и цилиндрический груз 6 колеблются в противофазе, причем в результате перераспределения энергии амплитуда колебаний цилиндрического груза 6 на винтовых пружинах 5 и 7 получается значительно больше, чем амплитуда колебаний золотникового плунжера.

Таким образом осуществляется динамическое гашение колебаний золотникового плунжера, приводящее к значительному уменьшению амплитуды его колебаний на частоте, близкой к резонансной. Поскольку резонансная частота гидрораспределителей обычно высока (>50 Гц), эффект динамического гашения колебаний становится эквивалентен принудительному осциллированию золотникового плунжера с малой амплитудой.

Масса цилиндрического груза 6, суммарный коэффициент упругости винтовых пружин 5 и 7, амплитуда колебаний цилиндрического груза и потребное значение коэффициента вязкого трения рассчитываются по известной методике [Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. / Пер. с англ. Л.Г.Корнейчука; Под ред. Э.И.Григолюка. Москва, Машиностроение, 1985, с.239-243].

Для обеспечения линейности зависимости вязкого трения между цилиндрическим грузом 6 и стенкой стержня 2 от скорости движения цилиндрического груза 6 необходимо, чтобы поток рабочей жидкости через кольцевой радиальный зазор был ламинарным.

Рассмотрим движение цилиндрического груза в глухом осевом отверстии стержня, заполненном рабочей жидкостью.

Расход ламинарного потока рабочей жидкости, протекающего через кольцевой радиальный зазор , определяется выражением

где Q - расход рабочей жидкости через кольцевой радиальный зазор;

p - перепад давления на торцах цилиндрического груза;

R_Г - радиус груза;

- плотность рабочей жидкости;

- кинематическая вязкость рабочей жидкости;

l _Г - длина груза без учета направляющих;

- величина радиального зазора.

Радиус цилиндрического груза R_Г связан с его диаметром D_Г известным соотношением

тогда

откуда

Усилие сопротивления, действующее на цилиндрический груз со стороны рабочей жидкости при его движении, можно определить как

где S_Г - площадь торцевой поверхности цилиндрического груза, определяемая известным выражением

Тогда с учетом последнего выражения

С другой стороны, сила сопротивления движению цилиндрического груза при наличии вязкого трения

F _c=K_вV,

где V - скорость движения цилиндрического груза;

K_в - потребный коэффициент вязкого трения.

Тогда

откуда

Учитывая, что Q=S_ГV или V=Q/S _Г, а также учитывая выражение для площади торцевой поверхности цилиндрического груза, получаем

откуда получаем окончательное выражение для величины кольцевого радиального зазора между цилиндрическим грузом и стенкой глухого осевого отверстия в стержне

Таким образом, при динамическом гашении колебаний золотникового плунжера в результате перераспределения энергии большая ее часть затрачивается на колебания цилиндрического груза 6 на винтовых пружинах 5 и 7 с большой амплитудой внутри стержня 2, в результате чего амплитуда колебаний самого золотникового плунжера уменьшается. При этом вязкое трение между золотником и гильзой гидрораспределителя не увеличивается, поэтому сохраняется быстродействие гидрораспределителя гидропривода или рулевой машины. Так как все элементы заявляемого устройства располагаются внутри стержня золотникового плунжера, габариты его не возрастают, а поскольку суммарная масса элементов заявляемого устройства меньше массы выбранного из стержня металла, масса золотникового плунжера уменьшается.