АКСИАЛЬНО-ПЛУНЖЕРНАЯ ГИДРОМАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F04B1/20 

Изобретение относится к гидромеханике, в частности к аксиально-плунжерным гидромашинам, и может быть использовано в гидроприводах систем летательных аппаратов и наземного транспорта.

Известна гидромашина по а.с. N 1198246, кл. F 04 B 1/20, 15.12.85, содержащая плунжеры с башмаками, установленными в сепараторе, пяту, выполненную с гидроразгрузкой, размещенную между башмаками и наклонной шайбой. При этом, сепаратор снабжен центрирующим буртом и штифтом, с помощью которых он связан с пятой. В этой конструкции моменты сил инерции поступательного движения плунжеров с башмаками относительно оси поворота плоскости движения башмаков и моменты центробежных сил башмаков относительно центров их шарниров суммируются и уравновешиваются пружиной поджима башмаков через прижимную сферу с помощью сепаратора. Недостатком такой гидромашины является то, что повышение частоты вращения сопровождается значительным ростом инерционных нагрузок, для уравновешивания которых требуется соответствующее усилие поджимной пружины, в результате чего возрастают потери трения до неприемлемых величин.

Известна гидромашина по а.с. N 1525301, F 04 B 1/20, 30.11.89, содержащая вращающийся блок цилиндров с плунжерами, башмаками которых установлены в сепараторе и опираются на пяту, расположенную на наклонной шайбе и соединенную с сепаратором с помощью крепежных элементов и дистационными втулками. Жесткое соединение сепаратора с пятой замыкает на себя большую долю инерционных усилий, существенно снижая потери трения. Однако, из-за отсутствия центрирования и прижима сепаратора, не обеспечивается безотрывное скольжение пяты и башмаков на режимах повышенной частоты вращения или самовсасывания (без давления подпитки), что является недостатком конструкции такой гидромашины.

Известная гидромашина по патенту США N 3807283, кл. F 04 B 13/04 (НКИ 91/499), выбранная в качестве прототипа, содержащая прижимную сферу, вращающийся на валу и соединенный с ним эвольвентным зубчатым зацеплением блок цилиндров с пружиной и с плунжерами, башмаки которых установлены в сепараторе и опираются на пяту, расположенную между башмаками и наклонной шайбой и жестко соединенную с сепаратором через дистанционные втулки с помощью заклепок, при этом на опорных поверхностях башмаков и пяты имеются камеры гидростатической разгрузки, прижимная сфера установлена на зубчатом зацеплении с валом и прижимается пружиной посредством стержней, проходящих сквозь блок цилиндров к сепаратору, выполненному с соответствующей сферической поверхностью, уплотняющие пояски камер гидростатической разргузки пяты ограничены радиальными и кольцевыми пазами, выполненными на пяте.

Данной конструкции присущи следующие недостатки:
- размещение прижимной сферы вблизи сепаратора для обеспечения контакта с ним приводит к тому, что сокращается значительная часть зубчатого зацепления, вследствие чего возрастает его нагруженность;
- при повышенной частоте вращения удельное давление в паре трения "прижимная сфера-сепаратор" значительно возрастает. Возможность уменьшить удельное давление в указанном контакте, например за счет увеличения диаметра сферических поверхностей, ограничена необходимой толщиной тела сепаратора в зоне контакта. Надежность работы сферического контакта ограничена еще и тем, что прижимная сфера не имеет возможности проворачиваться относительно вала, а это способствует неравномерному износу, и не обладает достаточной устойчивостью в меридианальном направлении, из-за чего происходит ее колебания, снижающие работоспособность;
- выполнение радиальных и кольцевых пазов на поверхности пяты требует того, чтобы поверхность пяты, скользящая по наклонной шайбе, была изготовлена из мягкого металла, а основное тело пяты по требованию жесткости и прочности должно быть из стали, есть пята в данной конструкции может быть только биметаллической, что приводит к ее деформации при нагреве во время работы;
- крутящий момент для вращения пяты с сепаратором передается шейками башмаков, что приводит к преждевременному их износу.

Целью изобретения является повышение надежности на форсированных по частоте вращения режимах работы.

Указанная цель достигается тем, что прижимная сфера установлена на цилиндрической поверхности вала и опирается на его торцевую поверхность, передающую усилие пружины, а также контактирует с пятой, которая выполнена с соответствующей сферической поверхностью центрального отверстия, сепаратор выполнен со сквозными радиальными пазами, шириной, равной диаметру шеек башмаков, соединяющими отверстия под башмаки с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру окружности, проходящей через точки пересечения пазов с огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков. Кроме того, дистанционный элемент выполнен в виде кольца, наружный диаметр которого равен наружному диаметру сепаратора и пяты, а внутренний контур образован огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков. Гидростатическая разгрузка пяты выполнена так, что уплотняющие пояски камер ограничены периферийным и центральным контурами кольцевой поверхности наклонной шайбы. Разгрузка башмаков выполнена с коэффициентом поджима 8-12%, а гидростатическая разгрузка пяты выполняется со следующим коэффициентами k, в зависимости от скорости скольжения V на среднем диаметре пяты:
k=0-2% - для V≤25 м/с
k=минут (4-6)% - для V≤35 м/с
k-минут (8-10)% - для V≤40 м/с
Прижимная сфера, башмаки и пята выполнены из стали, а поверхность наклонной шайбы, контактирующая с пятой, выполнена из антифрикционного материала.

На фиг. 1 изображена аксиально - плунжерная гидромашина, продольный разрез; на фиг. 2 - сепаратор; на фиг. 3 - пята, вид со стороны наклонной шайбы; на фиг. 4 - дистанционный элемент.

Гидромашина содержит наклонную шайбу 2, прижимную сферу 2, вращающийся на валу 3 и соединенный с ним зубчатым эвольвентным зацеплением 4 блок цилиндров 5 с пружиной 6 и с плунжерами 7, башмаки 8 которых размещены в сепараторе 9 и опираются на пяту 10, расположенную между башмаками 8 и наклонной шайбой 1 и жестко соединенную с сепаратором 9 через дистанционный элемент 11 с помощью заклепок 12. На опорных поверхностях башмаков 8 имеются камеры гидростатической разгрузки 13 с коэффициентом поджима 8-12%. На поверхности пяты 10, скользящей по наклонной шайбе 1, имеются камеры гидростатической разгрузки 14. Уплотняющие пояски камер 14 ограничены периферийным 15 и центральным 16 контурами кольцевой поверхности наклонной шайбы 1. Гидростатическая разгрузка пяты выполняется со следующими коэффициентами k, в зависимости от скорости скольжения V на среднем диаметре пяты:
k = (0-2)% - для V≤ 15 м/с
k = минус (4-6)% - для V≤ 35 м/с
k = минус (8-10)% - для V≤ 40 м/с
Прижимная сфера 2 установлена на цилиндрическую поверхность вала 3 и опирается на его торцевую поверхность 17, передающую усилие пружины 6, а также контактирует с пятой 10, которая выполнена с соответствующей сферической поверхностью центрального отверстия 18, сепаратор выполнен со сквозными радиальными пазами 19, (фиг. 2) шириной, равной диаметру шеек 20 башмаков 8, соединяющими отверстия 21 (фиг. 2) под башмаки с центральным отверстием 22, диаметр которого равен диаметру окружности, проходящей через точки пересечения пазов 19 с огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей 23 (фиг. 1) буртов башмаков.

Дистанционный элемент 11 выполнен в виде кольца, наружный диаметр 24 (фиг. 4) которого равен наружному диаметру сепаратора и пяты, а внутренний контур образован огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков.

Гидромашина работает следующим образом.

Сепаратор 9, жестко соединенный с пятой 10 с помощью заклепок 12 и дистанционного элемента 11, воспринимает и суммирует моменты центробежных сил башмаков 8 относительно центров их сферических шарниров, полностью их уравновешивая, а также моменты сил всасывания, нагнетания и трения относительно центра сепаратора, которые уравновешиваются неполностью, и оставшаяся часть воспринимается прижимной сферой 2. Прижимная сфера 2 установлена на валу 3, торцем 17 которого передается усилие пружины 6, и через сферическую поверхность 18 центрирует и прижимает пяту 10 к наклонной шайбе 1. Благодаря наличию радиальных пазов 19 на сепараторе 9 и увеличенному диаметру его центрального отверстия 22, увеличены диаметры прижимной сферы 2, хвостовика блока цилиндров 5 и, в результате, снижена нагруженность сферического контакта 18. Пята 10 проводится во вращение силами трения башмаков 8, для чего коэффициент поджима гидростатической разгрузки башмаков 8 имеет величину 8-12%. Синхронизация вращения пяты 10 с блоком цилиндров 5 осуществляется шейками башмаков 20 через сепаратор 9.

Доказательство соответствия предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

Признаки, указанные в формуле, представляют собой новую совокупность признаков, характеризующих техническое решение. Такое конструктивное исполнение неизвестно ни в аналогах, ни в других известных в технике объектах и технических решениях.

Прижимная сфера размещена вблизи пяты и контактирует с ней. Этим обеспечивается возможность удлинить зубчатое зацепление и тем самым уравновесить блок цилиндров от воздействия усилия в зацеплении, в 1,5 - 2 раза уменьшить удельное давление в сферическом контакте благодаря уменьшению угла между распределенной нагрузкой на поверхности контакта и ее равнодействующей силой.

Прижимная сфера установлена на гладкую цилиндрическую поверхность вала и опирается на его торец, через который непосредственно, без каких-либо промежуточных элементов, передается усилие пружины. Этим обеспечивается жесткость фиксации прижимной сферы в меридианальном направлении и свобода проворачивания относительно вала.

Сепаратор выполнен со сквозными радиальными пазами шириной, равной диаметру шеек башмаков, соединяющими отверстия под башмаки с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру окружности, проходящей через точки пересечения пазов с огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков. Это дало возможность увеличить диаметр прижимной сферы на 5%, увеличить диаметр зубчатого зацепления на 10%, соответственно снизить нагруженность деталей. Более того, такое решение придало конструкции высокую технологичность, так как стало возможным плунжеры с башмаками устанавливать в сборочную единицу "сепаратор с пятой" и изымать их для осмотра и замены без разборки указанной сборочной единицы, а также достигнуть необходимой точности изготовления пяты.

Для придания сборочной единице "пята - сепаратор" необходимой жесткости без увеличения габаритов, дистанционный элемент выполнен в виде кольца, наружный диаметр которого равен наружному диаметру сепаратора и пяты, а внутренний контур образован огибающей траекторией относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков.

Для уменьшения температурной деформации пяты, она изготавливается из монолитного материала, твердой стали, что становится возможным, благодаря тому, что на ее поверхности, скользящей по наклонной шайбе, нет радиальных и кольцевых пазов, а уплотняющие пояски карманов ограничены периферийным и центральным контурами кольцевой поверхности наклонной шайбы, которая выполнена из антифрикционного материала (бронзы).

Для обеспечения надежной работы башмаков при передаче крутящего момента пяте, гидростатическая разгрузка башмаков выполнена с коэффициентом поджима 8-12%. Под коэффициентом поджима понимается отношение разности гидравлических сил, прижимающей контактирующие поверхности и отжимающей их к прижимающей гидравлической силе, выраженное в % [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. М., "Машиностроение", 1974]. Благодаря такому поджиму, практически весь крутящий момент передается посредством сил трения торцев башмаков по пяте, в шейки башмаков лишь синхронизируют движение сепаратора с пятой. Поджим свыше 12% приводит к перегрузке контакта между пятой и башмаками.

Если условия эксплуатации предусматривают работу гидромашин на режимах, соответствующих окружной скорости на диаметре разности плунжеров до 25 м/с и предъявляются высокие требования к объемному КПД, то коэффициент поджима гидростатической разгрузки пяты должен быть 0-2%. Если поджим более 2%, то возможна перегрузка контакта, если менее 0%, то объемный КПД будет ниже. Тем не менее, при использовании поджима на уровне 0-2% допустимы кратковременные повышения частоты вращения, соответствующие окружной скорости на диаметре разности плунжеров до 40 м/с. Для условий эксплуатации, предусматривающих постоянную работу гидромашин на режимах, соответствующих окружной скорости около 40 м/с, необходимо использовать коэффициент полжима отрицательный, на уровне минус ( 8-10 )%.

Изучив технические решения в данной области, авторы не обнаружили признаков с такой же совокупностью отличий, которые представлены в данном техническом решении.

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения: вращающийся на валу блок цилиндров с пружиной и плунжерами соединен с валом эвольвентным зубчатым зацеплением. Башмаки плунжеров установлены в сепараторе и опираются на пяту, расположенную между наклонной шайбой и жестко соединенную с сепаратором через дистанционный элемент заклепками. На опорных поверхностях башмаков и пяты выполнены камеры гидростатической разгрузки. Прижимная сфера установлена на цилиндрической поверхности вала с возможностью контакта с пятой и опирается на его торцевую поверхность для передачи усилия пружины. Пята выполнена с соответствующей сферической поверхностью центрального отверстия, сепаратор - со сквозными радиальными пазами шириной, равной диаметру шеек башмаков, соединяющими отверстия под башмаки с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру окружности, проходящей через точки пересечения пазов движения боковых поверхностей буртов башмаков. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Аксиально-плунжерная гидромашина с наклонной шайбой, содержащая прижимную сферу, вращающийся на валу и соединенный с ним эвольвентным зубчатым зацеплением блок цилиндров с пружиной и плунжерами, башмаки которых установлены в сепараторе и оперты на пяту, расположенную между башмаками и наклонной шайбой и жестко соединенную с сепаратором через дистанционный элемент с помощью, например, заклепок, при этом на опорных поверхностях башмаков и пяты имеются камеры гидростатической разгрузки, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности на форсированных по частоте вращения режимах работы, прижимная сфера установлена на цилиндрической поверхности вала с возможностью контакта с пятой и оперта на его торцевую поверхность для передачи усилия пружины, при этом пята выполнена с соответствующей сферической поверхностью центрального отверстия, а сепаратор - со сквозными радиальными пазами шириной, равной диаметру шеек башмаков, соединяющими отверстия под башмаки с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру окружности, проходящей через точки пересечения пазов с отгибающей траектории относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков. 2. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что дистанционный элемент выполнен в виде кольца, наружный диаметр которого равен наружному диаметру сепаратора и пяты, а внутренний контур образован огибающей траектории относительного движения боковых поверхностей буртов башмаков. 3. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что уплотняющие пояски камер гидростатической разгрузки пяты ограничены периферийным и центральным контурами кольцевой поверхности наклонной шайбы. 4. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что коэффициент поджима башмаков выбирается в диапазоне (8-12)%, а пяты - в зависимости от скорости скольжения на среднем диаметре пяты
k = (0-2)% - для V ≤ 25 м/с,
k = -(4-6)% - для V ≤ 35 м/с,
k = -(8-10)% - для V ≤ 40 м/с. 5. Гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что башмаки, пята и прижимная сфера выполнены из стали, а поверхность наклонной шайбы, контактирующая с пятой, выполнена из антифрикционного материала.