ГИДРОАППАРАТ ОБЪЕМНОГО (РОТОРНОГО) ТИПА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТНЫМИ ПОТОКАМИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТНЫМИ ПОТОКАМИ Российский патент 1997 года по МПК F04C2/08 G01F3/10 G05D7/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании гидроаппаратов для управления жидкостными потоками (делителей и/или сумматоров) в системах гидропневмоавтоматики.

Известен гидроаппарат объемного типа для управления жидкостными потоками, содержащий корпус с герметизированными рабочими камерами, имеющими подводящие и отводящие каналы, заполненными рабочей жидкостью и охватывающими размещенные в камерах и находящиеся в постоянном зацеплении рабочие зубчатые колеса (Fr, патент N 2 371 590, кл. F 04 C 13/00, 1974).

В том же источнике описан способ управления жидкостными потоками, включающий дозированный перенос в замкнутом объеме рабочей жидкости и разделение (суммирование) ее на самостоятельные потоки.

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченные функциональные возможности, сужающие область применения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка более совершенных способа и устройства управления (деления и/или суммирования) жидкостными потоками, обеспечивающих расширение их функциональных возможностей и, в частности, использование при более высоких давлениях и снижение неравномерности подачи рабочей жидкости.

Решение поставленной задачи обеспечивается наличием разделительных зубчатых колес, количество которых выбрано в пределах
1≅i≅20, каждое из которых соединено зубчатым зацеплением с K рабочих колес, где K выбрано в пределах
2 ≅ K ≅ 6.

С наружной стороны рабочих камер гидроаппарата размещено m уравновешивающих камер, где m выбрано в пределах
1 ≅m≅ i.

Объем V_m уравновешивающих камер образованы уплотняющими втулками и стенками корпуса и выбраны по отношению к объемам V_p рабочих камер в пределах

Уравновешивающие камеры соединены с рабочими камерами дросселирующими каналами, площадь поперечного сечения S_п которых выбрана по отношению к площади продольного сечения S_пр в пределах

Уплотняющие втулки подпружинены изнутри уравновешивающих камер. Диаметры D_j рабочих колес выбраны по отношению к диаметрам D_j их рабочих камер в пределах

а оси рабочих колес смещены относительно осей рабочих камер на расстояния r_j, выбранное по отношению к D_j в пределах

Диаметры d_i разделительных колес выбраны по отношению к диаметрам d_j рабочих колес в пределах

Траектории подводящих и отводящих потоков рабочей жидкости к рабочим камерам в зоне линий зацепления зубчатых колес расположены под углом α в пределах
0^° ≅ α ≅ 90^°
к плоскостям, проходящим через оси зацепленных зубчатых колес, а угол β смещения осей рабочих зубчатых колес по отношению к линиям центров двух соседних разделительных колес выбран в пределах
0^° ≅ β ≅ 180^°.
Завершенные функционально элементарные блоки гидроаппарата смонтированы в пакеты по n блоков, где n выбрано в пределах
1≅n≅20.

Указанная техническая задача решается также с помощью способа управления жидкостными потоками, включающего дозированный перенос в замкнутом объеме рабочей жидкости и разделение (суммирование) e_e на n_d (n_c) самостоятельных потоков. Осуществляют дозированную подачу в рабочие камеры распределяемой жидкости, разделяя ее зубьями рабочих колес на элементарные объемы V_i, выбираемые по отношению к объему V распределяемой в единицу времени жидкости в пределах

Давление P_i поддерживают в выделенных элементарных объемах по отношению к входному давлению P₀ распределяемой жидкости в пределах

Переносят с помощью зубчатых колес элементарные объемы V_i распределяемой жидкости в зоны отвода ее потребителем со скоростью
W_i= V_i•ω_i
где ω_i угловая скорость вращения i-го зубчатого колеса, которую выбирают по отношению к скорости подвода распределяемой жидкости W в пределах

изолируют при этом элементарные объемы динамическими распределенными затворами в виде объемов, образованных стенками рабочих камер, поверхностями зубчатых колес и уплотняющих втулками, поддерживая распределение давления по огибающим рабочих камер в виде функции
P_x= a•P_o•x^α,
где a и α экспериментальные коэффициенты, определяемые конструктивными особенностями зубчатых колес, камер, их количеством, взаимным расположением и др.

(0,34 ≅a≅ 8; 0,2 ≅ α ≅ 3,8),
P₀ начальное давление рабочей жидкости в подводящих каналах,
X криволинейная координата по огибающей рабочих камер. В плоскостях между торцами зубчатых колес и торцами уплотняющих втулок уравновешивают давление Pi1

со стороны уравновешивающих камер и давление Pi2 со стороны рабочих камер, где
1≅ i≅ 20,
поддерживая их соотношение в пределах

с помощью уравновешивающих камер и дросселирующих каналов и компенсируя разность давлений в случае
Pi1-Pi2 < 0
посредством прижимающих пружин со стороны уравновешивающих камер. Смену деления потоков их суммированием производят, заменяя потребителей источниками суммируемых потоков, а источник (источники) распределяемой жидкости - потребителем (потребителями) суммарного (суммарных) потоков. При суммировании элементарных объемов переносимой жидкости подают их в отводящие каналы, поддерживая величины Q_обр обратного потока жидкости в пределах шага зубчатого венца в зоне суммирования переносимых объемов к величине Q_Σ суммарного потока рабочей жидкости в пределах

При детальном описании нецелесообразно подробно отражать конструктивные особенности основных узлов гидроаппарата, не отличающихся от известных, в частности, корпуса с герметизированными камерами, охватывающими размещенные в них и находящиеся в постоянном зацеплении зубчатые колеса, подводящие и отводящие каналы и т.д.

На фиг. 1 схематично изображен гидроаппарат; на фиг.2 то же, продольное сечение; на фиг. 3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 узел Б на фиг.3; на фиг.5 рабочее и разделительное колеса в зацеплении; на фиг.6 блоки гидроаппарата, смонтированные в пакет.

Детально целесообразно описать только существенные отличительные признаки гидроаппарата, заключающиеся в том, что количество i его разделительных колес 1 (фиг.1) выбрано в пределах
1≅ i≅20,
причем каждое из них соединено зубчатым зацеплением с K рабочих колес 2, где K выбрано в пределах
2≅K≅6.

Конкретное значение количества i разделительных и K рабочих колес выбирают в зависимости от количества необходимых потребителей и доноров (количества поделенных и просуммированных потоков), величин транспортируемых потребителям потоков и др.

С наружной стороны рабочих камер 3 (фиг.2) размещено m уравновешивающих камер 4, где m выбрано в пределах
1≅m≅i.

Объемы V_m уравновешивающих камер 4 образованы уплотняющими втулками 5 и стенками 6 корпуса 7 и выбраны по отношению к объемам V_p рабочих камер 3 в пределах

Уравновешивающие камеры 4 соединены с рабочими камерами 3 дросселирующими каналами 8 (фиг.3), площадь поперечного сечения S_n которых выбрана по отношению к площади продольного сечения S_пр в пределах

Уплотняющие втулки 5 подпружинены пружинами 9 изнутри уравновешивающих камер 4. Уравновешивающие камеры 4 предназначены для герметизации рабочих камер 3, через которые транспортируют рабочую жидкость, путем уравновешивания силового воздействия от перепада давления на подвижные уплотняющие втулки 5.

Дросселирующие каналы 8 образованы стенками 10 (фиг. 4) корпуса 7 (фиг. 2) и радиальными поверхностями 11 уплотняющих втулок 5, соединяя рабочие камеры 3 (фиг. 1) с уравновешивающими камерами 4 в зонах сцепления рабочих и разделительных колес 2, 1, и предназначены для переноса уравновешивающих давлений в камерах потоков жидкости.

Диаметры d_j рабочих колес 2 выбраны по отношению к диаметрам D_j их рабочих камер 3 в пределах

а оси 12 (фиг. 5) рабочих колес 2 смещены относительно осей 13 рабочих камер 3 на расстояние r_j, выбранное по отношению к D_j в пределах

Изменением r_j управляют зависимостью изменения давления вдоль огибающей 14 рабочей камеры 3.

Траектории 15 (фиг. 1) подводящих и отводящих потоков рабочей жидкости к рабочим камерам 3 в зоне линий зацепления зубчатых колес 1, 2 расположены под углом α в пределах
0^° ≅ α ≅ 90^°
к плоскостям, проходящим через оси 12 зацепленных зубчатых колес. Угол β смещения осей 12 рабочих колес 2 по отношению к линиям центров 16 двух соседних разделительных колес 1 выбран в пределах
0^° ≅ β ≅ 180^°,
то есть угол β характеризует отклонение одной плоскости расположения осей зубчатых колес 1, 2 от другой.

Диаметры d_i зубчатых разделительных колес 1 выбраны по отношению к диаметрам d_j рабочих колес 2 в пределах

Завершенные функционально элементарные блоки 17 (фиг. 6) гидроаппарата смонтированы в пакеты по n блоков, где n выбрано в пределах
1≅n≅20.

Это позволяет более гибко компоновать элементарные блоки гидроаппарата и, тем самым, расширить сферу его применения.

При детальном описании способа управления (деления и/или суммирования) жидкостных потоков нецелесообразно подробно отражать особенности его операций, не отличающихся от известных, в частности, операций дозированного переноса в замкнутом объеме рабочей жидкости и разделения (суммирования) ее на N_д (n_с) самостоятельных потоков. Целесообразно подробно описать только существенные отличительные признаки предложенного способа, отличающие его от известных способов, заключающиеся в том, что осуществляют дозированную подачу в рабочие камеры 3 распределяемой жидкости, разделяя ее зубьями рабочих колес 2 на элементарные объемы V_i. Величину объемов V_i выбирают по отношению к объему V распределяемой в единицу времени жидкости в пределах

Давление P_i в выделенных элементарных объемах поддерживают по отношению к входному давлению P_o распределяемой жидкости в пределах

Элементарные объемы V_i ограничены кроме поверхностей выделяющих их зубьев также близлежащими частями огибающих их рабочих камер 3, уплотняющих втулок 5 и частями стенок корпуса 7. С помощью зубчатых колес 1, 2 переносят элементарные объемы V_i распределяемой жидкости в зоны отвода ее потребителям со скоростью
W_i= V_i•ω_i,
где ω_i угловая скорость вращения i-го зубчатого колеса, которую выбирают по отношению к скорости подвода распределяемой жидкости W в пределах

При этом изолируют элементарные объемы V_i динамическими распределенными затворами в виде вышеуказанных объемов.

Распределение давления по огибающей 14 рабочей камеры 3 поддерживают в виде функции
P_x= a•P_o•x^α,
где a и α экспериментальные коэффициенты, определяемые конструктивными особенностями зубчатых колес 1, 2, камер 3, 4, их количеством, взаимным расположением и др.

(0,34≅a≅1,8; 0,2 ≅ α ≅ 3,8),
P_o начальное давление рабочей жидкости в подводящих каналах.

X криволинейная координата по огибающей 14 рабочей камеры 3.

Хотя, для удобства, особенности распределения давления в указанной операции описаны для одной камеры, изложенное также справедливо для всех упомянутых выше камер, причем начальное давление рабочей жидкости также может быть различно.

В плоскостях между торцами зубчатых колес 1, 2 и торцами уплотняющих их втулок 5 уравновешивают давление Pi1

рабочей жидкости со стороны уравновешивающих камер 4 и давления Pi2 со стороны рабочих камер 3, поддерживая их соотношение в пределах

с помощью уравновешивающих камер 4 и дросселирующих каналов 8. Компенсируют разность давлений в случае
Pi1-Pi2 < 0
посредством прижимающих пружин 9 со стороны уравновешивающих камер 4.

Смену деления потоков их суммированием производят, заменяя потребителей источниками (донорами) суммируемых потоков, а источник (источники) распределяемой жидкости-потребителем (потребителями) суммарного (суммарных) потока (потоков). Смена деления суммированием не требует никаких изменений в устройстве или переналаживания режимов его работы. При суммировании элементарных объемов подают их в отводящие каналы, поддерживая величину Q_обр обратного потока жидкости в пределах шага зубчатого венца в зоне суммирования переносимых объемов к величине Q_Σ суммарного потока рабочей жидкости в пределах

Это соотношение характеризует в определенной степени объемный КРД предложенного устройства.

При описании примеров практической реализации устройства и способа нецелесообразно каждый раз повторять информацию, не отличающуюся при переходе от одного примера к другому и отраженную в формуле и описании изобретения. Поэтому ниже приведены только отличающие один пример от другого количественные данные, для удобства сведенные в таблицу.

Как следует из таблицы, в оптимальном примере 3 обеспечивается достижение наиболее высокого результата, который удобно обозначить в виде параметра e характеризующего соотношение выходных давлений, полученных с помощью заявленных объектов и прототипов при идентичных условиях e 2,5).

Нижние и верхние границы заявленных пределов получен на основании статистической обработки экспериментальных данных, их анализа и обобщения, исходя из критерия e _→ 1
Пример 1 характеризует реализацию предложенных объектов на нижних границах пределов ( ε 1,02), а пример N 2 реализацию на верхних пределах ( e 1,01).

Как следует из таблицы, выход за нижние пределы ( e 0,96) и за верхние пределы ( e 0,98) приводит к невозможности достижения указанного технического результата.

Пример 6 отражает промежуточный вариант реализации предложенных объектов с нахождением параметров внутри пределов ( e 1,4), а пример 7 с выходом за пределы ( e 0,82).

Кроме указанных выше достоинств изобретения целесообразно также отметить расширение функциональных возможностей.

Использование: в машиностроении при проектировании гидроаппаратов для управления жидкостными потоками (делителей, сумматоров) в системах гидропневмо-автоматики. Сущность изобретения: гидроаппарат снабжен дополнительными зубчатыми колесами - разделительными и дополнительными камерами - уравновешивающими, что позволяет оптимизировать процесс управления потоками рабочей жидкости. 2 с.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Гидроаппарат объемного (роторного) типа для управления жидкостными потоками, содержащий корпус с герметизированными рабочими камерами, имеющими подводящие и отводящие каналы, заполненными рабочей жидкостью и охватывающими размещенные в камерах и находящиеся в постоянном зацеплении рабочие зубчатые колеса, отличающийся тем, что он снабжен разделительными зубчатыми колесами, количество i которых выбрано в пределах 1 ≅ i ≅ 20 и каждое из которых соединено зубчатым зацеплением с К рабочих колес, где К выбрано в пределах 2 ≅ К ≅ 6, с наружной стороны рабочих камер размещено m уравновешивающих камер, где m выбрано в пределах 1 ≅ m ≅ i, объемы V_m уравновешивающих камер образованы уплотняющими втулками и стенками корпуса и выбраны по отношению к объемам V_p рабочих камер в пределах

уравновешивающие камеры соединены с рабочими камерами дросселирующими каналами, площадь поперечного сечения S_п которых выбрана по отношению к площади продольного сечения S_п р в пределах

уплотняющие втулки подпружинены изнутри уравновешивающих камер, а диаметры d_j рабочих колес выбраны по отношению к диаметрам D_j их рабочих камер в пределах

оси рабочих колес смещены относительно осей рабочих камер на расстояние r_j, выбранное по отношению к диаметрам D_j рабочих камер в пределах

траектории подводящих и отводящих потоков рабочей жидкости к рабочим камерам в зоне линий зацепления зубчатых колес расположены под углом α в пределах 0^° ≅ α ≅ 90^° к плоскостям, проходящим через оси зацепленных зубчатых колес, а угол β смещения осей рабочих колес по отношению к линиям центром двух соседних разделительных колес выбран в пределах 0^° ≅ β ≅ 180^°, диаметры d_i зубчатых разделительных колес выбраны по отношению к диаметрам d_j рабочих колес в пределах

завершенные функционально элементарные блоки гидроаппарата смонтированы в пакеты по n блоков, где n выбрано в пределах 1 ≅ n ≅ 20. 2. Способ управления жидкостными потоками, включающий дозированный процесс в замкнутом объеме рабочей жидкости и разделение (суммирование) ее на n_д(n_c) самостоятельных потоков, отличающийся тем, что осуществляют дозированную подачу в рабочие камеры распределяемой жидкости, разделяя ее зубьями рабочих колес на элементарные объемы V_i, выбираемые по отношению к объему V распределяемой в единицу времени жидкости в пределах
8•10^- 3 ≅ V_i/V ≅ 0,23,
давление P_i поддерживают в выделенных элементарных объемах по отношению к входному давлению P_o распределяемой жидкости в пределах

переносят с помощью зубчатых колес элементарные объемы V_i распределяемой жидкости в зоны отвода ее потребителям со скоростью W_i= V_i•ω_i где ω_i - угловая скорость вращения i-го зубчатого колеса, которую выбирают по отношению к скорости подвода распределяемой жидкости W в пределах
0,012 ≅ W_i/W ≅ 0,84,
изолируют при этом элементарные объемы динамическими распределенными затворами в виде объемов, образованных стенками рабочих камер, поверхностями зубчатых колес и уплотняющими втулками, поддерживая распределение давления по огибающим рабочих камер в виде функции P_x= a•P_o•x^α, где a и α - экспериментальные коэффициенты, лежащие в пределах 0,34 ≅ a ≅ 1,8 и 0,2 ≅ α ≅ 3,8, Р_о начальное давление рабочей жидкости в подводящих каналах, Х криволинейная координата по огибающим рабочих камер, в плоскостях между торцами зубчатых колес и торцами уплотняющих втулок уравновешивают давления Pi1

рабочей жидкости со стороны уравновешивающих камер и давления Pi2 со стороны рабочих камер, где 1 ≅ i ≅ 20, поддерживая их соотношения в пределах

с помощью уравновешивающих камер и дросселирующих каналов и компенсируя разность давлений в случае Pi1-Pi2 < 0 посредством прижимающих пружин со стороны уравновешивающих камер, смену деления потоков их суммированием производят, заменяя потребителей источниками суммируемых потоков рабочей жидкости, а источник (источники) распределяемой жидкости потребителем (потребителями) суммарного (суммарных) потоков, при суммировании элементарных объемов переносимой жидкости подают их в отводящие каналы, поддерживая величину Q_о б р обратного потока жидкости в пределах шага зубчатого венца в зоне суммирования переносимых объемов к величине Q_Σ суммарного потока рабочей жидкости в пределах
е