ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА Российский патент 1994 года по МПК F01C3/00 F04C3/00 

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к насосам и гидромоторам, и может найти применение в гидравлических приводах вращательного движения, используемых в станкостроении, прессостроении (термопластавтоматы), сельхозмашиностроении, на строительно-дорожных машинах и в других отраслях, например компрессоростроении.

Известна объемная роторная гидромашина, содержащая корпус, состоящий из двух частей, жестко скрепленных между собой, с выполненными в нем двумя цилиндрическими расточками и сферической полости, два установленных в опорах вала, расположенных под углом друг к другу с осями, пересекающимися в центре полости, размещенный в полости ротор, образованный дисковой пеpегородкой и двумя закрепленными на валах лопастями, установленными по обе стороны перегородки и шарнирно связанные с ней с образованием рабочих камер переменного объема. Шарнирное соединение выполнено в виде образованных на перегородке цилиндрических проушин с взаимно перпендикулярными осями, примыкающих к их торцам петель на лопастях, и штифтов, введенных в петли и проушины. На дисковой перегородке между проушинами и соосно с ними по обе стороны дисковой перегородки выполнены цилиндрические выступы, входящие в ответные пазы на лопастях и имеющие пазы с установленными в них уплотнениями, образованные уплотнительными и поджимными элементами.

Недостатком такой гидромашины является невозможность работы на высоких давлениях вследствие малой жесткости дисковой перегородки, ослабленной наличием сквозных проушин и продольного паза на каждом цилиндрическом выступе под уплотнения. Малая жесткость перегородки при работе на высоких давлениях приводит к ее деформации, снижению надежности, увеличению зазоров по сопрягаемым поверхностям и вследствие этого увеличению перетечек из рабочих камер, находящихся под давлением. Другим недостатком такой конструкции является возможность осевых перемещений лопастей совместно с валами под действием усилий давления в рабочих камерах, что приводит к затиранию наружных сферических поверхностей лопастей и внутренней поверхности сферической полости.

Известна объемная роторная машина (см. заявка РСТ N 90/14502), содержащая два вала, установленных под углом друг к другу, корпус, в сферической полости которого размещен ротор, образованный сплошной дисковой перегородкой, и лопастями, закрепленными на валах по разные стороны перегородки и связанными с ней шарнирно. Шарнирное соединение выполнено в виде сопрягающихся цилиндрических выступов на перегородке и ответных пазов на кромках лопастей, причем продольные выступы и пазы выполнены сквозными по всей длине диаметра перегородки, а на диаметрально противоположных участках торцов лопастей имеются выступы, а на перегородке под эти выступы выполнены углубления.

Недостатком такой гидромашины является невозможность работы на высоких давлениях вследствие неизбежной деформации выступов, воспринимающих усилия, уравновешивающие крутящий момент на приводном валу и потери герметизации рабочих камер вследствие образования зазора между цилиндрическими выступами на дисковой перегородке и ответными пазами на лопастях в результате осевых смещений лопастей и валов под действием усилий давления в рабочих, действующих на лопасти и направленных вдоль осей валов от центра сферической полости.

В качестве прототипа выбрана объемная роторная гидромашина, содержащая корпус, состоящий из двух частей, жестко скрепленных между собой, с выполненными в нем двумя цилиндрическими расточками и сферической полости, два вала, установленные в опорах, расположенных под углом друг к другу с осями, пересекающимися в центре полости, размещенный в последней ротор, образованный дисковой перегородкой со сферической периферийной поверхностью, установленной с образованием двух отсеков и с возможностью вращения вокруг центра полости, и двумя закрепленными на валах лопастями, расположенными в отсеках с образованием между ними перегородкой и стенками полости рабочих камер переменного объема, при этом лопасти связаны с перегородкой с образованием шарнира Гука, конец одного из валов выведен за пределы корпуса, а другого введен в глухую цилиндрическую расточку [1] .

Шарнирное соединение выполнено в виде цилиндрических выступов с глухими продольными сверлениями, расположенными по обе стороны перегородки с взаимно перпендикулярными осями, петель по концам лопастей, расположенных с возможностью примыкания по торцам выступов, и штифтов, введенных в петли и глухие сверления, причем продольные оси выступов, петель, глухих сверлений и штифтов совпадают.

Недостатком такой гидромашины являются действия на штифты шарнирного соединения, кроме усилий, уравновешивающих крутящий момент на приводном валу, дополнительных усилий, действующих вдоль осей валов в направлении от центра сферической полости, возникающих в результате воздействия давления в рабочих камерах на лопасти и на дисковую перегородку.

К недостаткам данной конструкции относятся также возникновение больших радиальных сил на шейке вала от действия давления в рабочей камере на боковую профильную поверхность лопасти, а также ее действие на торцовые профильные поверхности дисковой перегородки, в результате чего в зоне каждой рабочей камеры, находящейся под давлением рабочей жидкости, возникают радиальные силы, стремящиеся сместить дисковую перегородку в радиальном направлении до соприкосновения с поверхностью сферической полости, что может приводить к затиранию, вследствие чего ограничивается повышение рабочего давления, снижается КПД и надежность гидромашины.

Задача, которую решает данное изобретение, заключается в гидростатической разгрузке элементов ротора от действия на них усилий давления рабочего тела в рабочих камерах.

В результате решения указанной задачи заявленное изобретение при его осуществлении даст возможность повысить рабочее давление, снизить объемные и механические потери и тем самым повысить КПД.

Внедрение в серийное производство взамен выпускаемых аксиально и роторно-планетарных гидромашин позволяет уменьшить трудоемкость изготовления, расширить диапазон частоты вращения и увеличить эксплуатационную надежность гидромашины.

Общими с прототипом существенными признаками, характеризующими данное изобретение, являются две корпусные детали, жестко соединенные между собой по плоскости разъема, в каждой из которых выполнены цилиндрические расточки и общая сферическая полость с центром, лежащем в плоскости разъема, два вала, установленных в опорах, расположенных под углом друг к другу с осями, пересекающимися в центре сферической полости, размещенный в последней ротор, образованный дисковой перегородкой со сферической периферийной поверхностью, установленной с образованием двух отсеков и с возможностью вращения вокруг центра сферической полости, и двумя закрепленными на валах, расположенными в отсеках с образованием между ними, перегородкой и стенками сферической полости рабочих камер переменного объема, при этом лопасти связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала (приводного) введен за пределы корпуса, а другого (ведомого) - в глухую цилиндрическую расточку.

Отличительными признаками по сравнению с прототипом является то, что в периферийной сферической поверхности дисковой перегородки и на сферических поверхностях лопастей выполнены углубления с образованием камер гидростатической разгрузки и уплотнительных поясков, на торце ведомого вала или в крышке, установленной со стороны торца этого вала, установлена подвижная втулка или подпятник с образованием полости гидростатической опоры, соединенной с полостями подвода и отвода гидромашины каналами в корпусе гидромашины или с рабочими камерами переменного объема каналами в теле хвостовика вилки, установленном в осевой расточке ведомого вала или в теле самого ведомого вала, с установленными в них обратными клапанами с возможностью их открытия в сторону полости гидростатической опоры, на ведомом валу по обе стороны плоскости симметрии лопасти выполнены камеры гидростатической разгрузки, соединенные с противоположно расположенными камерами переменного объема каналами в лопасти и (или) в теле ведомого вала.

Кроме того, канавки под уплотнения, герметизирующие рабочие камеры переменного объема по шарнирному соединению Гука, выполнены на продольных пазах лопастей, взаимодействующих с цилиндрическими выступами на дисковой перегородке, а цилиндрическая поверхность паза лопасти выполнена большим радиусом, чем цилиндрическая поверхность выступа, с образованием гарантированного зазора между указанными сопрягаемыми поверхностями и перекрытого уплотнительными элементами.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизны".

Причинно-следственная связь между совокупностью отличительных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в повышении давления и снижения потерь энергии путем гидростатической разгрузки усилий, действующих на перегородку, лопасти и валы.

На фиг. 1 изображен продольный разрез объемной роторной гидромашины; на фиг. 2 и 3 - варианты конструктивного исполнения камеры гидростатической опоры и каналов; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 1 с полостями подвода и отвода гидромашины и вариантам конструктивного исполнения полости гидростатической опоры; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 6 - уплотнение по шарнирному соединению в увеличенном масштабе.

Объемная роторная гидромашина состоит из двух корпусных деталей 1 и 2, жестко соединенных между собой по плоскости разъема, в каждой из которых выполнены цилиндрические расточки и общая сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема. В цилиндрических расточках корпусов под углом α установлены приводной 3 и ведомый 4 валы, оси которых пересекаются в центре сферической полости, причем приводной вал жестко зафиксирован от осевых перемещений известными способами, например, с помощью применения упорных или радиально-упорных подшипников качения (на чертеже условно не показаны).

В сферической полости подвижно установлен ротор, образованный дисковой перегородкой 5 и двумя лопастями 6 и 7, жестко соединенными на соответственно приводном 3 и ведомом 4 валах. Дисковая перегородка 5 делит сферическую полость на два отсека. Каждый отсек разделен на две рабочие камеры переменного объема. Гидромашина содержит четыре рабочих камеры переменного объема 8, 9, 10 и 11, образованные поверхностью сферической полости боковыми поверхностями 12 дисковой перегородки и боковыми поверхностями 13 лопастей. На периферийной сферической поверхности дисковой перегородки 5 и на сферических поверхностях лопастей 6 и 7 выполнены углубления, которые образуют полости гидростатической разгрузки 14 и уплотнительные пояски 15, сопрягаемые с поверхностью сферической полости с небольшим зазором, достаточным для герметизации камер переменного объема. Лопасти 6 и 7 связаны с дисковой перегородкой 5 с образованием шарнира Гука. Шарнирное соединение осуществляется посредством крестообразно расположенных по обе стороны дисковой перегородки 5 цилиндрических выступов 16, взаимодействующих с ответными пазами 17 на лопастях, причем на концах лопастей имеются диаметрально расположенные выступы 18 цилиндрической формы, входящие в цилиндрические расточки, выполненные в виде проушин на перегородке 5 соосно с цилиндрическими выступами 16.

В лопастях 6 и 7 на участках взаимодействия пазов 17 с цилиндрическими выступами 16 на дисковой перегородке 5 выполнены продольные пазы, в каждом из которых размещен уплотнительный 19 и поджимной 20 элементы, причем цилиндрическая поверхность паза 17 выполнена большим радиусом, чем сопрягаемая с ней цилиндрическая поверхность выступа 16, с образованием между ними гарантированного зазора герметизируемого уплотнением 19. По обе стороны плоскости симметрии лопасти 7 на ведомом валу 4 выполнены камеры гидростатической разгрузки 20 и 21, соединенные с противоположно расположенными рабочими камерами 8 и 9 соответственно каналами 22 и 23, выполненными в лопасти 7 и в теле вала 4, которые на чертеже (фиг. 1) показаны условно в виде прерывистых линий.

Ведомый вал 4 размещен в глухой цилиндрической расточке корпуса 2 с образованием полости гидростатической опоры 24, предназначенной для создания в ней усилия, действующего на ведомый вал 4 и вилку 7 вдоль оси этого вала к центру сферической полости. Полость гидростатической опоры 24 может быть выполнена в виде замкнутой камеры, образованной между торцом ведомого вала 4 (фиг. 1) и крышкой 25 гидромашины, торцом вала и днищем втулки 26 (фиг. 2), установленной на шейке вала 4, крышкой 25 и подпятником 26а, шарнирно соединенном с валом 4 (фиг. 3) или торцом расточки в крышке 5 и установленным в ней плунжером 27 (фиг. 4), соприкасающимся с торцом вала 4.

Полость гидростатической опоры 24 соединена с рабочими камерами переменного объема 8 и 9 каналами 28 и 29 в теле лопасти 7 и в теле ведомого вала 4 (фиг. 1), каналами 30 и 31 в лопасти и хвостовике лопасти через полость 32 и канал 33 (фиг. 2 и фиг. 3) или каналами 34 и 35 в крышке 25 и корпусе 2 с каналами подвода и отвода 36 и 37. Соединение полости гидростатической опоры 24 с рабочими камерами переменного объема 8 и 9 или с каналами подвода и отвода 36 и 37 осуществляется через обратные клапаны 39 и 40, установленные в указанных выше каналах с возможностью их открытия в сторону полости гидростатической опоры 24. Каналы подвода и отвода 36 и 37 выполнены в корпусных деталях 1 и 2 и расположены по обе стороны плоскости симметрии гидромашины и заканчиваются распределительными окнами 41, 42, 43 и 44, выходящими в сферическую полость в зонах расположения рабочих камер.

Гидромашина работает следующим образом. Вращение приводного вала 3 и лопасти 6 через шарнир Гука передается на лопасть 7 и ведомый вал 4. При этом дисковая перегородка 5, вращаясь, совершает возвратно-колебательное (асциллирующее) движение относительно лопастей 6 и 7, в результате чего изменяются объемы рабочих камер 8, 9, 10 и 11. Из четырех рабочих камер объем двух рабочих камер, расположенных по разные стороны дисковой перегородки 5 и лопастей увеличивается, а объем двух других рабочих камер, расположенных также по разные стороны дисковой перегородки и лопастей, уменьшается. При вращении ротора рабочие камеры попеременно соединяются с подводными и отводными распределительными окнами 41, 42, 43 и 44. В расширяющиеся рабочие камеры жидкость поступает через, например, подводной канал 36 и распределительные окна 41 и 42 или через канал 37 и распределительные окна 43 и 44 в зависимости от направления вращения приводного вала. Из рабочих камер с уменьшающимся объемом жидкость вытесняется через противоположно расположенные распределительные окна и каналы.

Изменение объема рабочей камеры от минимального 9 (фиг. 1) до максимального 8 происходит при повороте вала на 180^о, а рабочие циклы всех камер смещены по фазе на 90^о. Герметизация рабочих камер осуществляется уплотнительными поясками 15 на дисковой перегородке 5, и на лопастях 6 и 7, а также уплотнениями 19, 20 по цилиндрическим выступам 16 на дисковой перегородке 5, и малым зазором по сопрягаемым поверхностям выступов 18 на лопастях 6 и 7 с проушинами на дисковой перегородке 5. Давление нагнетаемой рабочей жидкости в рабочих камерах, воздействует на элементы дисковой перегородки, например, на боковые поверхности 12 дисковой перегородки и на боковые поверхности 13 лопастей, создает в шарнирных соединениях Гука тангенциальные усилия, уравновешиваемые крутящий момент на приводном валу 3. Кроме тангенциальных усилий, действующих в шарнирных соединениях, образованных выступами 18 на лопастях, а также проушинами на дисковой перегородке от действия давления рабочей жидкости в рабочих камерах, возникают радиальные и осевые усилия, действующие на лопасти 6 и 7 на валы 4 и 3.

Радиальные силы от действия давления в рабочей камере на боковые поверхности 12 дисковой перегородки 5 разгружаются за счет противодействия давления рабочей жидкости, проникающей из каждой рабочей камеры в полости гидростатической разгрузки 14.

Осевая сила, действующая на приводной вал 3 в направлении от центра сферы и возникающая в результате действия давления рабочей жидкости на боковую поверхность 12 дисковой перегородки 5, на боковую поверхность 13 лопасти 6 и на часть приводного вала, находящуюся под давлением, воспринимается например, радиально-упорным подшипником (на чертеже условно не показанным), закрепленным в корпусе 1. Такая же осевая сила, действующая на ведомый вал 4 в направлении от центра сферы, уравновешивается с некоторым ее превышением силой, возникающей в полости гидростатической опоры 24.

В полость гидростатической опоры 24 жидкость поступает под давлением из рабочих камер 8, 9 или каналов подвода 36, 37 через обратные клапаны 39, 40, предотвращающих ее отток, в результате чего в камере гидростатической опоры 24 возникает сила, действующая на торец ведомого вала в направлении к сферической полости и уравновешивающая с некоторым превышением силу, действующую на ведомый вал со стороны сферической полости. Превышение осевой силы, возникающей в камере гидростатической опоры 24, выбирая зазоры, улучшает герметизацию рабочих камер в шарнирном соединении. Превышение силы устанавливается расчетным путем.

В результате действия давления жидкости в рабочей камере на одну из боковых поверхностей 13 лопасти 7 возникает радиальная сила, которая действует на эту лопасть и воспринимается шейкой ведомого вала 4. Полное или частичное уравновешивание этой силы осуществляется путем подвода рабочей жидкости из рабочей камеры, находящейся под давлением, по одному из каналов 22 или 23 в полость гидростатической разгрузки 20 или 21.

Герметизация двух смежных рабочих камер, расположенных по обе стороны каждой лопасти 6 и 7, одна из которых в процессе работы находится под действием высокого, а другая под действием низкого давления рабочей жидкости, осуществляется уплотнениями, размещенными в продольных канавках, выполненных на цилиндрических поверхностях 17 (фиг. 6), сопряженных с цилиндрическими выступами 16 на дисковой перегородке 5, причем уплотнения состоят из уплотнительного 19 и поджимного 20 элементов, а поверхность 17 канавки выполнена большим радиусом, чем радиус поверхности 16, с образованием между ними гарантированного зазора, герметизируемого уплотнением 19.

По сравнению с прототипом предлагаемая объемная роторная гидромашина позволяет повысить рабочее давление, КПД и надежность путем разгрузки от действия радиальных сил на дисковую перегородку, а также радиальных и осевых сил на ведомый вал.

При использовании данного устройства проявляются также другие эффекты (в сравнении с распространенными в настоящее время гидромашинами подобного класса) такие, как, например, снижаются трудозатраты на изготовление гидромашины вследствие малого числа деталей механизма преобразования энергии и отсутствия сложного в изготовлении механизма распределения рабочей жидкости, обычно чувствительного к загрязнению рабочей жидкости, что приводит также к увеличению ресурса гидромашины.

Использование: в гидравлических приводах вращательного движения. Сущность изобретения: на периферийной сферической поверхности дисковой перегородки и на сферических поверхностях лопастей выполнены углубления с образованием камер гидростатической разгрузки и уплотнительных поясков. На торце ведомого вала или в крышке, установленной со стороны торца вала, установлена подвижная втулка или подпятник с образованием полости гидростатической опоры, соединенной с полостями подвода и отвода каналами в корпусе или с рабочими камерами переменного объема каналами в теле хвостовика вилки, установленном в осевой расточке ведомого вала или в теле самого вала. В каналах установлены обратные клапаны с возможностью их открытия в сторону полости опоры. На ведомом валу по обе стороны плоскости симметрии лопасти выполнены камеры гидростатической разгрузки, соединенные с противоположно расположенными рабочими камерами переменного объема каналами в лопасти и/или в теле ведомого вала. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА, содержащая две корпусные детали, жестко соединенные между собой по плоскости разъема, в каждой из которых выполнены цилиндрические расточки и общая сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема, два вала, установленных в опорах, расположенных под углом друг к другу, с осями, пересекающимися в центре сферической полости, размещенный в последней ротор, образованный дисковой перегородкой со сферической периферийной поверхностью, установленной с образованием двух отсеков и возможностью вращения вокруг центра сферической полости, и двумя закрепленными на валах лопастями, расположенными в отсеках с образованием между ними, перегородкой и стенками сферической полости рабочих камер переменного объема, при этом лопасти связаны с дисковой перегородкой с обазованием шарнира Гука, причем конец приводного вала выведен за пределы корпуса, а конец ведомого введен в глухую цилиндрическую расточку, отличающаяся тем, что на периферийной сферической поверхности дисковой перегородки и на сферических поверхностях лопастей выполнены углубления с образованием камер гидростатической разгрузки и уплотнительных поясков, на торце ведомого вала или в крышке, расположенной со стороны торца этого вала, выполнена полость гидростатической опоры, соединенная с полостями подвода и отвода каналами в корпусе гидромашины или с рабочими камерами переменного объема каналами в теле хвостовика лопасти, установленного в осевой расточке ведомого вала, причем в каналах установлены обратные клапаны с возможностью их открытия в сторону полости гидростатической опоры. 2. Гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что на ведомом валу по обе стороны плоскости симметрии лопасти выполнены камеры гидростатической разгрузки, соединенные с противоположно расположенными рабочими камерами переменного объема каналами в лопасти и/или в теле ведомого вала. 3. Гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что канавки под уплотнения, герметизирующие рабочие камеры переменного объема по шарнирному соединению Гука, выполнены на продольных пазах лопастей с возможностью взаимодействия с цилиндрическими выступами на дисковой перегородке, а цилиндрическая поверхность паза лопасти выполнена большим радиусом, чем цилиндрическая поверхность выступа, с образованием гарантированного зазора между указанными сопрягаемыми поверхностями, перекрытого уплотнительными элементами.