ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B30B15/16 

Изобретение относится к механизмам, преобразующим силы и перемещения, и может использоваться в управляющих устройствах гидропрессов.

Известен гидравлический усилитель, содержащий два гидроцилиндра, подпоршневые полости которых заполнены энергоносителем и сообщены между собой [1] . Усиление достигается разностью площадей и сообщающихся между собой гидроцилиндров. Недостатком такого усилителя является то, что, т.к. поршни кинематически не связаны между собой, то это не позволяет получить высокую степень усиления.

Этого недостатка лишен преобразователь давления, принятый за прототип. Этот преобразователь давления содержит по крайней мере два цилиндра, подпоршневые полости которых заполнены энергоносителем и сообщены между собой, а также источник питания, соединенный с надпоршневой полостью одного из гидроцилиндров, причем штоки поршней упомянутых гидроцилиндров кинематически соединены между собой [2].

Основным недостатком этого преобразователя является то, что коэффициент преобразования в нем целиком определяется степенью точности изготовления поршней взаимодействующих гидроцилиндров. Если при их изготовлении допускаются ошибки в пределах допусков на изготовление, то степень преобразования у разных преобразователей оказывается различной. К тому же, этот преобразователь позволяет осуществлять лишь единственную операцию - воздействие на объект между двумя штоками.

Задачей изобретения является увеличение гарантии получения заданного коэффициента преобразования без повышения точности изготовления деталей преобразователя, а также возможности осуществления с использованием преобразователя одновременно нескольких операций.

Это достигается тем, что преобразователь давления, содержащий гидроцилиндры, полости которых заполнены энергоносителем, рабочие полости сообщены между собой, а также источник питания, соединенный с надпоршневой полостью одного из гидроцилиндров, согласно изобретению выполнен в форме каскада, содержащего более двух гидроцилиндров, промежуточные гидроцилиндры выполнены двухштоковыми, а между штоками гидроцилиндров устанавливают упругие элементы с увеличивающейся по направлению к рабочему гидроцилиндру жесткостью.

На чертеже схематически изображен предлагаемый преобразователь давления, например, с тремя верхними поршнями.

Предлагаемый преобразователь состоит из сообщающихся гидроцилиндров: силового гидроцилиндра 1, промежуточных гидроцилиндров 2, 3 и замыкающего гидроцилиндра 4, поршней 5-8 со штоками 9-14, упругих элементов 15-17. Под силовым гидроцилиндром понимается гидроцилиндр, одна из полостей которого сообщена с источником питания. Под источником питания понимается гидронасосная станция, от которой подается рабочая жидкость по давлением.

Замкнутый объем, образованный рабочими полостями гидроцилиндров, заполнен жидкостью, а штоки 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, поршней 5, 6, 7, 8 направлены навстречу друг другу.

Под действием внешней силы F поршень 11 силового гидроцилиндра 1, площадь поперечного сечения которого S, будет перемещаться, а вытесненная им жидкость переместится из гидроцилиндра 1 в рабочие полости гидроцилиндров 2, 3, 4 и переместит поршни 6, 7, 8 с площадью поперечного сечения S₁, S₂, S₃, соответственно, в направлении поршня силового гидроцилиндра 1.

При S, большем S₁+S₂+S₃, перемещение будет происходить до тех пор, пока штоки 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 войдут между собой в соприкосновение через посредство упругих элементов 15, 16, 17, при этом поршень 6 будет давить на поршень 5 с силой P₁, поршень 7 будет давить на поршень 6 с силой P₂, а поршень 8 будет давить на поршень 7 с силой P₃.

Силы P₁, P₂, P₃ определяются из условия равновесия поршней 5, 6, 7, 8 уравнениями
P₁+F = qS,
P₂+qS₁ = P₁,
P₃+qS₂ = P₂,
qS₃ = P₃,
где q - давление жидкости.

Решая совместно эти уравнения, можно отыскать силы P₁, P₂, P₃

Здесь

коэффициенты преобразования, причем

В случае использования n поршней в каскаде, наибольшая сила в преобразователе P₁ определится как
,
а любая сила P_к на k-м поршне, как

Полученные коэффициенты преобразования имеют качественное отличие от коэффициента преобразования прототипа: в состав числителей и знаменателей коэффициентов (2) входит большое число слагаемых, именно это позволяет увеличить гарантию получения заданного коэффициента преобразования без повышения точности изготовления деталей преобразователя.

Объясняется это следующим образом.

Площади поперечного сечения поршней не могут быть выполнены абсолютно точно из-за неизбежных погрешностей при изготовлении, что приводит к большому разбросу значений получаемых коэффициентов преобразования. Предложенный преобразователь лишен этого недостатка, т.к. суммарная ошибка при изготовлении каскада поршней в соответствии с теорией вероятностей уменьшается в n раз, где n - число используемых поршней. В соответствии с законом больших чисел возможно нахождение такого n, которое может обеспечить любую наперед заданную точность коэффициента преобразования. Для того, чтобы воздействие штоков в каскаде постоянно имело место, между ними устанавливаются упругие элементы, позволяющие обеспечивать относительное смещение штоков. Упругие элементы необходимы также для возврата преобразователя в исходное положение. При работе предложенного преобразователя перемещение нижнего поршня на расстояние l, влечет вытеснение объема V = S•l. Этот объем перейдет в верхние гидроцилиндры, переместив верхние поршни на расстояния l₁, l₂, l₃, соответственно. Для работы преобразователя необходимо, чтобы l < l₁ ≤ l₂ ≤ l₃. Так как вся вытесненная жидкость перейдет из нижнего гидроцилиндра в верхние, то:
V = V₁+V₂+V₃,
S•l = S₁l₁+S₂l₂+S₃l₃,

S₁/S, S₂/S, S₃/S - постоянные величины для данного преобразователя,
l₁, l₂, l₃- переменные величины.

Так как l < l₁ ≤ l₂ ≤ l₃, то будет иметь место сближение соседних штоков на расстояния: Δl₁ = l₁-l; Δl₂ = l₂-l₁; Δl₃ = l₃-l₂, поэтому упругие элементы, устанавливаемые между штоками, сжимаются на Δl₁, Δl₂, Δl₃. Жесткость упругих элементов .

В частном случае, когда Δl₁= Δl₂= Δl₃, , т.е. жесткость упругих элементов должна возрастать от верхнего гидроцилиндра к нижнему.

Предложенный преобразователь с n поршнями дает возможность осуществлять необходимые воздействия на обрабатываемые объекты на любом уровне каскада в зависимости от требуемых для этой цели сил.

Использование: изобретение относится к механизмам, преобразующим силы и перемещения, и может использоваться в управляющих устройствах гидропрессов. Сущность изобретения: преобразователь содержит гидроцилиндры, полости которых заполнены энергоносителем и сообщены между собой, и выполнен в форме каскада, промежуточные гидроцилиндры которого выполнены двухштоковыми. Между штоками гидроцилиндров установлены упругие элементы с увеличивающейся по направлению к силовому гидроцилиндру жесткостью. 1 ил.

Преобразователь давления, содержащий гидроцилиндры, расположенные в форме каскада, рабочие полости которых заполнены энергоносителем и сообщены между собой, а также источник питания, соединенный с надпоршневой полостью одного из гидроцилиндров, при этом штоки гидроцилиндров кинематически связаны посредством передаточного механизма, отличающийся тем, что промежуточные гидроцилиндры выполнены двухштоковыми, а передаточный механизм выполнен в виде упругих элементов с увеличивающейся по направлению к силовому гидроцилиндру жесткостью.