ПОВОРОТНЫЙ ГИДРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F01C19/10 F04C9/00 F15B15/12 

Изобретение относится к гидроприводостроению и может быть использовано для привода трубопроводной арматуры, рулей, дверей, ворот и люков, гидроуправляемых шарниров роботов, станочных приспособлений.

Известны поворотные лопастные гидродвигатели, содержащие цилиндрический корпус с крышками, внутри которого с образованием рабочих камер установлены подвижные и неподвижные лопасти, вал и уплотнители рабочих камер, включающие фигурные уплотнители лопастей и кольцевые уплотнители вала и корпуса ( Петров Е.М. Юзефович Ю.И. Лопастные неполноповоротные гидродвигатели в судостроении. Судостроение. Л. 1972, с. 35, рис. 11).

Недостаток таких гидродвигателей низкие (6 10 МПа) рабочие давления, связанные с отжимом кольцевых уплотнителей вала и корпуса в местах их примыкания к уплотнителям лопастей, так как эластичные уплотнители не обладают эффектом самоподжима при перепаде давления вдоль их периметра.

Известен принятый за прототип поворотный гидровигатель, содержащий цилиндрический корпус с крышками, внутри которого с образованием рабочих камер установлены подвижные и неподвижные лопасти, вал и уплотнители рабочих камер, включающие фигурные уплотнители лопастей и кольцевые уплотнители вала и корпуса, а также систему гидравлического поджима кольцевых уплотнений, состоящую из каналов подвода давления от рабочих камер через обратные клапаны. Наличие системы гидравлического поджима уплотнителей повышает допустимые давления гидродвигателя до 50 МПа и выше (Петров Е.М. и др. Лопастные неполноповоротные гидродвигатели в судостроении. Л. 1972, с. 46, рис. 15).

Недостатком прототипа является усложненная конструкция, пониженные КПД и надежность, связанные с введением системы гидравлического поджима уплотнителей, нагрузкой кольцевых уплотнителей максимальным давлением и трением на всем их периметре, включая и участки, примыкающие к полостям низкого давления, соединенным со сливом. Недостаточная надежность вызвана также высокой чувствительностью к деформациям крышек и смещениям вала в опорах, ведущим к ухудшению герметичности уплотнителей лопастей из-за образования в зоне их контакта ступенчатых переходов от крышек к валу.

Техническая задача упрощение конструкции, повышение КПД и надежности.

Технический результат достигается тем, что в поворотном гидродвигателе, содержащем цилиндрический корпус с крышками, внутри которого с образованием рабочих камер установлены подвижные и неподвижные лопасти, вал и уплотнители рабочих камер, включающие фигурные уплотнители лопастей и кольцевые уплотнители вала и корпуса, кольцевые уплотнители вала и корпуса выполнены из высокомодульного материала, имеют треугольный профиль сечения с прямыми и вогнутыми сторонами и установлены в рабочих полостях так, что одна из сторон их профиля обращена к рабочим камерам и лопастям, а две другие сопряжены соответственно с крышкой и валом или корпусом, кольцевые уплотнители выполнены из упругого материала и сопряжены с валом или корпусом по коническим поверхностям, причем длина конической поверхности уплотнителей меньше длины конических поверхностей вала или корпуса, кольцевые уплотнители вала выполнены из композиционного материала в виде жестких упругих нитей, навитых вдоль периметра уплотнителя, залитых мягким связующим.

Такая конструкция гидродвигателя более проста, надежная и эффективна, так как в ней исключена система гидростатического поджима уплотнителей, а работоспособность при высоких давлениях достигнута за счет высокой жесткости треугольного профиля и материала кольцевых уплотнителей и размещения их внутри рабочих камер так, что они перекрывают зазоры между крышками и валом или корпусом и поджимаются к ним силами давления непосредственно из рабочих камер. Треугольная форма сечения с прямыми или вогнутыми стенками, кроме того, создает плавные и беззазорные переходы от стенок крышек к стенкам вала или корпуса, необходимые для герметичной и надежной работы фигурных уплотнений лопастей.

В варианте гидродвигателя с сопряжением упругих кольцевых уплотнителей с валом или корпусом по коническим поверхностям повышается надежность работы при низких давлениях, так как прижим этих уплотнителей, кроме сил давления, достигается за счет их деформаций по диаметру аналогично кольцевым пружинам. При этом необходимая плавность перехода от крышек к валу и корпусу достигается принятым соотношением длин конических поверхностей уплотнителей и вала или корпуса.

Выполнение кольцевых уплотнителей вала из композиционного материала в виде жестких упругих нитей, навитых вдоль периметра уплотнителя и залитых мягким связующим, дополнительно повышает надежность устройства благодаря увеличению прочности и упругого хода уплотнителя как пружины за счет использования наиболее прочных и высокомодульных нитевидных материалов типа углеродных волокон.

На фиг. 1 изображена конструкция поворотного гидродвигателя; на фиг. 2 - ее разрез по А-А; на фиг. 3 место стыковки лопастей, крышек вала и корпуса с кольцевыми уплотнителями треугольного профиля сечения с вогнутой стенкой, обращенной к рабочим камерам и лопастям; на фиг. 4 вариант этого места стыковки при сопряжении кольцевых уплотнителей треугольного профиля с прямыми стенками с валом и корпусом по коническим поверхностям; на фиг. 5 то же в случае вогнутых стенок уплотнителей; на фиг. 6 конструкция кольцевого уплотнителя вала из композиционного материала.

Гидродвигатель содержит цилиндрический корпус 1 с крышками 2, внутри которого с образованием рабочих камер 3 и 4 установлены подвижные 5 и неподвижные 6 лопасти, вал 7 и уплотнители рабочих камер, включая фигурные 8 резиновые, фторопластовые или комбинированные уплотнители лопастей и кольцевые высокомодульные подвижные уплотнители 9 вала и неподвижные уплотнители 10 корпуса. Треугольный профиль сечения уплотнителей 9 и 10 может быть выполнен с прямыми 11 или вогнутыми 12 стенками, причем одна из этих стенок обращена к рабочим камерам и лопастям, а две другие сопряжены соответственно, с крышкой и валом или корпусом. Цилиндрическое сопряжение уплотнителей 9 и 10 с валом или корпусом выполняется по посадке с минимальным зазором, а торцовое сопряжение с крышками может быть беззазорным за счет прижима уплотнителей к крышкам эластичными уплотнителями лопастей в местах их взаимного контакта. Для повышения герметичности при низких давлениях жидкости сопряжения уплотнителей 9 и 10 с валом или корпусом могут быть выполнены с натягом по коническим поверхностям с углом γ 13 и 14 (фиг. 4 и 5). При этом длина l₁ конических поверхностей уплотнителей меньше длины l₂ конических поверхностей вала или корпуса.

Оптимальным материалом для кольцевых подвижных уплотнений являются латуни и бронзы. Для повышения упругости целесообразно применять берилевую бронзу. Оптимальные значения углов g находятся в пределах 10 20^o как у кольцевых пружин ( Орлов П.И. Основы конструирования. Справочное пособие. М. Машиностроение, книга 3, с. 200). Уплотнители 9 могут быть выполнены из композиционного материала, включающего жесткие упругие нити 15, навитые вдоль периметра уплотнителя и залитые мягким связующим 16 (фиг. 6).

Между корпусом 1 крышками 2 и валом 7 осуществляют зазоры d,, перекрываемые уплотнителями 9 и 10. Вал в крышках вращается в подшипниках 17. Подвижные лопасти 5 закреплены на валу 7, а неподвижные в корпусе 1 с помощью винтов 18 (условно показаны их оси). Количество подвижных и равное им число неподвижных лопастей выбирается в зависимости от заданного угла поворота вала и может составлять 1 4. Для исключения внешних утечек могут быть установлены дополнительные эластичные уплотнители 19. В случае использования жестких крышек и плотной их стяжки с корпусом уплотнители 10 могут не применяться.

Гидродвигатель работает следующим образом.

При подаче жидкости в канал 20 одной из рабочих камер ее давление воздействует на подвижные лопасти и поворачивает вал гидродвигателя, преодолевая нагрузку на его конце и силы трения в подшипниках и подвижных уплотнениях. Нагрузка давлением лишь части периметра кольцевых уплотнителей, расположенной в рабочей камере, в которую подводится жидкость, в отличие от прототипа снижает силы трения и износ уплотнителей и, соответственно, повышает КПД и надежность гидродвигателя.

Утечки жидкости из рабочих камер в первом варианте конструкции с минимальными радиальными зазорами в кольцевых уплотнителях 9 и 10 при низких давлениях жидкости определяются исходной величиной этих зазоров, а при возрастании давления снижаются, так как уплотнители деформируются по диаметру от сил давления жидкости и плотнее прилегают к валу или корпусу. Их контакт с крышками также самоуплотняется, так как среднее давление жидкости в зазоре всегда ниже давления жидкости на обращенную к нему стенку. Свойственные росту давления жидкости деформации крышек гидродвигатели и радиальные смещения вала в опорах не ведут к ухудшению герметичности уплотнений лопастей, так как возросшие зазоры δ надежно перекрываются высокомодульными кольцевыми уплотнителями и их смещения вдоль вала (вслед за крышками) и вдоль торцев крышек (вслед за валом) не нарушает плавность переходов поверхностей от крышек к валу и корпусу.

В случае установки кольцевых уплотнителей 9 и 10 с натягом по коническим поверхностям вала и корпуса эти уплотнители работают как кольцевые пружины с деформацией по диаметру, а не по сечению, как в прототипе. Поэтому, не смотря на высокий модуль упругости и невысокие относительные упругие деформации, присущие бронзам и латуням, такие уплотнители имеют достаточно большой упругий ход (1 2 от диаметра) вдоль корпуса и надежно компенсируют деформации крышек и износ их трущихся торцев. Наличие начального предварительного прижима таких уплотнителей к крышкам и валу или корпусу обеспечивает им практически полную герметичность во всем диапазоне рабочих давлений и более надежную работу за счет компенсации износа их трущихся поверхностей. Использование для подвижного кольцевого уплотнителя 9 наиболее прочных и упругих композиционных материалов повышает надежность устройства за счет увеличения упругого хода, высокого сопротивления к выдавливанию в зазор и способности к плотному контакту по тонкому слою мягкого связующего на наружной поверхности.

Использование: в гидроприводостроении. Сущность изобретения: в поворотном гидродвигателе, содержащем цилиндрический корпус с крышками, внутри которого с образованием рабочих камер установлены подвижные лопасти, вал и уплотнители рабочих камер, включающие фигурные уплотнители лопастей и кольцевые уплотнители вала и корпуса. Кольцевые уплотнители вала и корпуса выполнены из высокомолекулярного материала, имеют треугольный профиль сечения с прямыми или вогнутыми сторонами и установлены в рабочих полостях так, что одна из сторон из профиля обращена к рабочим камерам лопастями, а другие сопряжены соответственно с крышкой и валом или корпусом. Кольцевые уплотнители могут быть выполнены из упругого материала и сопряжены с валом или корпусом по коническим поверхностям, причем длина конической поверхности уплотнителей меньше длины конических поверхностей вала или корпуса. Кольцевые уплотнители вала могут быть выполнены из композиционного материала в виде жестких упругих нитей, навитых вдоль периметра уплотнителя и залитых мягким связующим. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Поворотный гидродвигатель, содержащий цилиндрический корпус с крышками, внутри которого с образованием рабочих камер установлены подвижные и неподвижные лопасти, вал и уплотнители рабочих камер, включающие фигурные уплотнители лопастей и кольцевые уплотнители вала и корпуса, отличающийся тем, что кольцевые уплотнители вала и корпуса выполнены из высокомодульного материала, имеют треугольный профиль и установлены так, что одна из сторон профиля уплотнителя обращена к рабочим камерам и лопастям, а две другие - сопряжены соответственно с крышкой и валом или корпусом, а сторона профиля уплотнителя, обращенная к рабочим камерам, выполнена вогнутой или прямой как и две другие его стороны. 2. Гидродвигатель по п.1, отличающийся тем, что вал и корпус в местах расположения кольцевых уплотнителей имеют конические поверхности, сопряженные с ответными коническими поверхностями уплотнителей, которые выполнены из упругого материала, причем длина конической поверхности уплотнителей меньше длины конических поверхностей вала или корпуса. 3. Гидродвигатель по п.2, отличающийся тем, что кольцевые уплотнители вала выполнены из композиционного материала в виде жестких упругих нитей, навитых вдоль периметра уплотнителя и залитых мягким связующим материалом.