ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2001 года по МПК F15B1/02 F15B11/08 

Изобретение относится к высокоэффективной гидравлической системе для передачи гидравлической жидкости под давлением к гидравлическому приводу и к насосу для использования в такой системе.

В одном типе традиционной гидравлической системы шестеренчатый насос используют для подачи давления к гидравлической жидкости и подачи этой жидкости к гидравлическому приводу, такому как работающий цилиндр. Когда цилиндр завершает свой цикл (всасывание или обратный ход), гидравлическая жидкость от насоса перепускается к расходному баку насоса или к противоположной стороне поршня цилиндра для обратного хода. Поскольку давление в расходном баке низкое, насосу требуется вновь создать полное рабочее давление, необходимое, чтобы цилиндр мог совершать работу в следующем цикле.

Содержание изобретения
Изобретение определяется следующими концепциями формулы и этот раздел не следует рассматривать как ограничивающий эти притязания. Вкратце можно утверждать, что предпочтительный вариант, описанный ниже, представляет собой гидравлическую систему, работающую с высокой эффективностью. Эта гидравлическая система включает аккумулятор давления и контрольный клапан гидравлической жидкости. В первой позиции контрольного клапана гидравлическая жидкость под давлением из аккумулятора подается к впуску насоса, а выпуск насоса связан с гидравлическим приводом, осуществляющим всасывание или выталкивание. Когда клапан перемещается во вторую позицию, гидравлический привод соединяется с впуском насоса, а выпуск насоса соединен с аккумулятором. При выпуске гидравлическим приводом жидкости она пропускается через насос и клапан к аккумулятору, где и находится в резерве под значительным давлением, готовая к использованию для следующего цикла.

Так как в следующем цикле к впуску насоса подают резервную сжатую под давлением гидравлическую жидкость аккумулятора, в этом цикле затрачивается значительно меньше энергии на перекачку в сравнении с традиционной гидравлической системой, описанной выше.

Кроме того, изобретение относится к усовершенствованному насосу, снабженному уплотнениями между корпусом насоса и обоими валами, идущими наружу от центрального элемента, такого как ведомая шестерня шестеренчатого насоса, при этом уплотнения способны противостоять высокому давлению. Применение таких уплотнений на обоих валах, связанных с ведомой шестерней, обеспечивает уравнивание внутренних давлений и снижение трения, а следовательно, и износа.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 и 2 - схематическое изображение гидравлической системы в первом и втором режимах работы, соответственно.

Фиг. 3 - изображение поперечного среза шестеренчатого насоса фиг. 1 и 2.

Фиг. 4 - изображение поперечного среза шестеренчатого насоса фиг. 3, взятого в плоскости, поперечной плоскости фиг. 3.

Фиг. 3 и 6 - поперечные срезы, соответствующие срезам фиг. 4 модифицированных форм шестеренчатого насоса фиг. 3 и 4. Подробные описания предпочтительных вариантов изобретения
На чертежах на фиг. 1 представлено схематическое изображение гидравлической системы 10, включающей предпочтительный вариант изобретения. Гидравлическая система 10 включает гидравлический привод, такой как цилиндр 12 и аккумулятор давления 14. Гидравлический привод может быть любой приемлемой конструкции, включая цилиндр простого действия или цилиндр двойного действия, ротационные приводы и другие гидравлические приводы. В зависимости от применения гидравлический привод может использовать поршень, как показано на чертеже, или быть выполнен с диафрагмой.

Аккумулятор 14 может быть любым приемлемым аккумулятором давления, включая аккумуляторы, применяющие поршни, диафрагмы, камеры или мембраны. Как правило, в нем предусмотрен определенный объем подходящего газа, пружина или нагрузка с тем, чтобы по мере увеличения количества содержащейся в аккумуляторе гидравлической жидкости ее давление повышалось. Гидравлический цилиндр 12 и аккумулятор 14 соединены параллельно с одной стороны направляющего контрольного клапана 16. Отверстие 26 на клапане 16, связанное с гидравлическим цилиндром 12, далее в этом описании будет называться гидравлическим приводом или отверстием цилиндра. Другая сторона направляющего контрольного клапана включает два канала, которые соответственно подходят к впуску 20 и выпуску 22 насоса 18 гидравлической жидкости. В варианте фиг. 1 насос 18 показан в виде шестеренчатого насоса, хотя можно применять и другие насосы, такие как крыльчатые, поршневые и центробежные винтовые насосы. Как показано на фиг. 1, предусмотрен контрольный перепускной клапан 24. Контрольный перепускной клапан 24 обеспечивает свободное сообщение между выпуском 22 из насоса и впуском 20 в случае, если давление на выпуске 22 превысит определенную величину.

Гидравлическая система 10 включает два основных режима работы, как показано на фиг. 1 и 2, соответственно. На фиг. 1 и 2 гидравлическая жидкость с более высоким давлением показана более плотно заштрихованной областью 28, а гидравлическая жидкость с более низким давлением показана менее плотно заштрихованной областью 30.

В первом режиме работы (фиг. 1) клапан 16 находится в первой позиции, в которой выпуск насоса 22 связан через отверстие 26 гидравлического цилиндра с гидравлическим цилиндром 12, и в которой аккумулятор 14 связан с впуском 20 насоса. В этом режиме работы к гидравлической жидкости под давлением, выходящей из аккумулятора 14, насосом 18 нагнетается дополнительное давление и она подается к гидравлическому цилиндру 12.

Как показано на фиг. 2, во втором режиме работы клапан 16 перемещается во вторую позицию, в которой выпуск 22 насоса 18 связан с аккумулятором 14 и в которой гидравлический цилиндр 12 связан через отверстие 26 цилиндра и клапан 16 с впуском 20 насоса. В этом режиме работы гидравлическая жидкость под давлением от цилиндра 12 пропускается через насос 18 и находится в резерве в аккумуляторе 14. Таким образом конструкция избавляет нас от необходимости сбрасывать гидравлическую жидкость из гидравлического цилиндра при атмосферном давлении и энергию резервной гидравлической жидкости в аккумуляторе 14 можно использовать, когда клапан 16 возвращается в первую позицию фиг. 1, чтобы привести в движение гидравлический цилиндр 12.

На фиг. 3 и 4 представлена дополнительная информация о предпочтительном варианте насоса 18, приемлемом или применяемым в гидравлической системе фиг. 1 и 2. Как показано на фиг. 3 и 4, насос 18 включает корпус 40. В этом варианте на корпусе имеются верхняя и нижняя крышки 64 (фиг. 4), и три основных компонента корпуса 40 сблочены вместе резьбовыми креплениями (не показаны). В корпусе 40 имеются две ведомые шестерни 44 и 46, находящиеся во вращательном взаимодействии, кроме того, предохранительный клапан 42, располагающийся между впуском 20 и выпуском 22 (фиг. 3). Предохранительный клапан 42 функционирует таким образом, что давление выше установленного уровня на выпуске 22 отводится назад к впуску 20, что не дает давлению превышать пороговую величину на выпуске 22.

Как лучше видно из фиг. 4, ведомая шестерня 44 связана с двигателем 50, который может быть любой приемлемой конструкции. Например, электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания и турбинным двигателем. Двигатель 50 вращает перекачивающий элемент 52, который в этом варианте включает первый и второй коаксиальные валы 54, 56, идущие от другой стороны центрального элемента 58. В этом варианте центральный элемент 58 соответствует ведомой шестерне 44 фиг. 3. Как видно из фиг. 3, ведомая шестерня 44 взаимодействует с другой ведомой шестерней 46 в пространстве 60 в гидравлической жидкости, что обеспечивает обычное перекачивающее действие шестеренчатого насоса.

На фиг. 4 вокруг первого и второго валов 54, 56 предусмотрены подшипники 62, так что валы, а следовательно, перекачивающий элемент 52 крепятся вращаемым образом в корпусе 40. Вокруг вала 54, непосредственно примыкая к центральному элементу 58, крепится износостойкая шайба 68. Как видно из фиг. 4, здесь имеются два устойчивых к высокому давлению уплотнения 66. Каждое уплотнение 66 расположено вокруг соответствующего вала 54, 56 и примыкает к наружной поверхности соответствующей крышки 64. Каждое уплотнение 66, способное выдерживать высокое давление, в значительной степени препятствует утечке гидравлической жидкости под давлением за это уплотнение.

В этом варианте уплотнения 66 имеют U-образную конфигурацию, хотя приемлема любая другая подходящая конфигурация для такого типа уплотнений. Здесь термин "уплотнение для высокого давления" подразумевает уплотнение, способное выдержать поток жидкости под давлением в рабочем диапазоне, превышающем 1000 фунт/дюйм² (70.31 кг/см² или 68.04 атм.).

Уплотнения 66 параллельно выполняют две отдельные функции. Во-первых, они существенно препятствуют утечке гидравлической жидкости из корпуса 40 насоса вокруг валов 54, 56. Во-вторых, они препятствуют накоплению гидравлической жидкости под давлением на другом конце вала 56. Если бы такая гидравлическая жидкость под давлением накапливалась в корпусе 40 насоса, это привело бы к возникновению асимметричной силы, толкающей верхнюю износостойкую шайбу 68 (на фиг. 4) к соответствующей крышке 64, вызывая, таким образом, нежелательное трение и теплообразование. При хорошем уплотнении обоих валов 54, 56 стойкими уплотнениями 66, этот недостаток в насосе 18 фактически снимается.

На фиг. 5 представлена первая модификация насоса 18, в которой для областей 72 рядом с уплотнениями 66 предусмотрены дренажные каналы 70. Такие каналы предусмотрены по экологическим причинам и с целью удобства, но их наличия не требуется во всех вариантах. В варианте фиг. 5 уплотнения для низкого давления 74 не дают гидравлической жидкости вытекать вокруг валов 54, 56 рядом с наружными поверхностями крышек 64. Лучше, если дренажные каналы 70 связаны со сточным баком при атмосферном давлении. Два сточных канала 70 можно объединить в общий канал или оставить раздельное сообщение со сточным баком. В варианте фиг. 5 уплотнениями для низкого давления 74 могут быть уплотнения в виде колец, колпачков или лабиринтов. Здесь термин "уплотнение для низкого давления" подразумевает уплотнения с устойчивостью к максимальной величине давления не более 100 ф/дюйм² (7.03 кг/см² или 6.80 атм.).

На фиг. 6 показан другой модифицированный вариант насоса 18, в котором уплотнение для низкого давления рядом с торцом вала 56 выполнено в виде О-образного уплотнителя 76 и крышки 78. Применимы и другие подходящие уплотнители.

Для применения этого изобретения можно приспособить множество компонентов. Не ограничивая формулу изобретения, предлагаются следующие детали конструкции для более полного описания лучшего варианта изобретения по мнению изобретателя.

Элемент - Источник
Гидравлический цилиндр 12 - Great Bend Ind. (Great Bend, KS) # 14830
Аккумулятор 14 - Great Bend Ind. # 14855
Уплотнение 66 для высокого давления - American Variseal Corp. (Denver, CO) # 567250-1135 cv
Уплотнение 74 для низкого давления - Chicago Rawhide # CR 12438
Насос 18 можно выполнить в виде модифицированного варианта насоса, предлагаемого фирмой Geartek как деталь N GT 7300. Основная модификация заключается в введении уплотнений 66 для высокого давления и 74, 76 для низкого давления, как описано выше.

Предпочтительный вариант, описанный выше, может функционировать со следующими величинами давления в первом и втором режимах работы, показанных выше на фиг. 1 и 2. Эти величины давления приемлемы для трехдюймового цилиндра (см. таблицу).

Предшествующее подробное описание представило только несколько из многих вариантов, реализующих настоящее изобретение. Например, изобретение можно легко приспособить для пневматических систем, в которых гидравлической жидкостью является газ. По этой причине предшествующее подробное описание следует рассматривать как иллюстрацию выбранных вариантов изобретения, не ограничивающих его. Прилагаемая формула изобретения, включающая все эквиваленты, определяет объем данного изобретения.

Система предназначена для перемещения рабочего органа из одного положения в другое. Система включает насос для гидравлической жидкости, гидравлический цилиндр и аккумулятор давления. Клапан гидравлической жидкости перемещается между первой и второй позициями. В первой позиции клапан направляет жидкость от выпуска насоса к гидравлическому цилиндру и от аккумулятора - к впуску насоса. Во второй позиции он направляет жидкость от выпуска насоса к аккумулятору и от гидравлического цилиндра - к впуску насоса. Таким образом, гидравлическая жидкость под давлением из цилиндра может находиться в резерве в аккумуляторе для повторного применения. В насосе с обоих концов приводного вала предусмотрены уплотнения для высокого давления с тем, чтобы снизить или снять силы смещения, повышающие трение и износ. Технический результат - повышение надежности и долговечности. 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Гидравлическая система для передачи гидравлической жидкости под давлением к гидравлическому приводу, включающая насос для гидравлической жидкости с впуском и выпуском, аккумулятор давления и клапан гидравлической жидкости, имеющий отверстие для связи с гидравлическим приводом и перемещающийся между первой и второй позициями, при этом указанный клапан в первой позиции направляет жидкость от выпуска насоса к гидравлическому приводу, а от аккумулятора - к впуску насоса, а во второй позиции направляет жидкость от выпуска насоса - к аккумулятору, а от отверстия, связанного с гидравлическим приводом, - к впуску насоса. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что насос включает корпус, перекачивающий элемент, закрепленный и вращающийся в корпусе насоса и включающий первый и второй валы, сидящие в корпусе насоса и отходящие от противоположных сторон центрального элемента, образующего впадины для приема гидравлической жидкости, и первое и второе уплотнения для высокого давления, располагающиеся каждое между корпусом насоса и соответствующим валом и предназначенные значительно препятствовать току гидравлической жидкости между валами и корпусом насоса от центрального элемента. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что насос представляет собой шестеренчатый насос, в котором центральный элемент включает шестерню. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что она включает, кроме того, по меньшей мере, один дренажный канал для гидравлической жидкости, связанный с корпусом насоса, для стока жидкости с участка между одним из соответствующих валов и корпусом насоса, при этом каждый участок располагается на стороне соответствующего уплотнения против центрального элемента. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что она включает далее, по меньшей мере, одно уплотнение для низкого давления, прилегающее к соответствующему участку и предназначенное значительно препятствовать вытеканию гидравлической жидкости из корпуса насоса на соответствующем участке. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что каждое из упомянутых уплотнений для низкого давления расположено между корпусом насоса и одним из соответствующих валов. 7. Система по п.2, отличающаяся тем, что каждое уплотнение для высокого давления включает соответствующий кольцеобразный колпачковый уплотнитель.