Пневмодвигатель двухстороннего действия Российский патент 2004 года по МПК F15B15/14 

Изобретение относится к области пневмодвигателей для силовых систем управления и может быть использовано при проектировании рулевых приводов летательных аппаратов или других систем управления с пневматическими исполнительными механизмами, использующими рабочее тело с высокой температурой.

В летательных аппаратах одноразового действия с ограниченным временем функционирования широко распространены газовые пневмоприводы, отличающиеся малыми габаритно-весовыми характеристиками источника рабочего тела и пневмодвигателя. При этом наиболее эффективны конструкции пневмодвигателей, работающие на рабочем теле с высокими параметрами по температуре и давлению.

Пневмодвигатели двухстороннего действия состоят из пневмоцилиндра с расположенным внутри него поршнем, разделяющим объем пневмоцилиндра на две полости. Перемещение поршня осуществляется под действием рабочего тела высокого давления (воздуха, газа), поступающего в соответствии с командой управления в одну из полостей пневмоцилиндра.

Для предотвращения перетекания рабочего тела из нагнетаемой полости в полость сброса, из которой поршнем вытесняется отработанное рабочее тело, на поршне устанавливается уплотнительное устройство.

Роль уплотнительного устройства выполняют резиновые манжеты различной конструкции, которые должны, с одной стороны, в процессе требуемого времени работы качественно обеспечивать герметизацию полостей пневмоцилиндра относительно друг друга, а с другой стороны - обеспечивать низкую силу трения поршня о стенки пневмоцилиндра, величина которой снижает коэффициент полезного действия.

При использовании в качестве рабочего тела сжатого воздуха или холодного газа вышеуказанным условиям удовлетворяют пневмодвигатели [1] с уплотнительным устройством, выполненным в виде двух соосных колец круглого сечения с разными диаметрами, соединенных между собой перемычкой, и размещенным в кольцевой канавке по периметру поршня [2]. Имея малую радиальную жесткость, рассматриваемое уплотнение легко принимает размеры как уплотняемого диаметра пневмоцилиндра, так и посадочного диаметра в канавке на поршне, создавая при этом незначительное трение при его движении. Однако применить рассмотренную конструкцию при работе на горячем газе не представляется возможным.

При работе пневмодвигателя обе стороны манжеты попеременно контактируют с горячим газом с температурой до 400°С, что приводит к ее быстрому нагреву и разрушению.

К тому же непосредственный контакт манжеты с разогретыми от горячего газа стенками пневмоцилиндра дополнительно ускоряет процесс разрушения манжеты ввиду механического воздействия горячей стенки на материал манжеты при перемещении поршня. Разрушение манжеты приводит к перетеканию газа из нагнетаемой полости пневмоцилиндра в сбросную, что приводит к отказу в работе пневмодвигателя на 6...7 секунде.

Известен пневмодвигатель двухстороннего действия, применяемый в схеме автоматизированного пневмопривода, работающего на горячем газе [3], и принятый авторами за прототип.

В указанном пневмодвигателе имеются дроссели для регулирования давления в полостях пневмоцилиндра, в крышке и дне которого имеются отверстия для установки в них штока поршня. Для увеличения времени работы пневмодвигателя на горячем газе на его поршне установлены две резиновые манжеты рассмотренной выше конструкции. При этом поршень выполнен в виде съемного фланца, который совместно с установленными с двух его сторон шайбами прижат гайкой к уступу на штоке поршня. На торцевых поверхностях шайб и фланца имеются канавки для размещения манжет, которые устанавливаются между фланцем и каждой шайбой. Пневмодвигатель функционирует следующим образом. При подаче в соответствии с сигналом управления газа высокой температуры в одну из полостей пневмодвигателя давление газа воздействует на шайбу поршня, перемещая его в сторону опорожняющейся полости. При этом так как горячий газ воздействует на каждую манжету только со стороны своей полости, а другая сторона прижата к фланцу поршня, отбирающего часть тепла от манжет, то процесс прогрева манжеты до момента начала ее разрушения увеличивается по времени до 17...18 секунд.

В случае применения рабочего тела с более низкой температурой (например, с температурой в рабочих полостях 200...250°С) время работы пневмодвигателя возрастает до 120°С.

Однако при необходимости дополнительного увеличения времени функционирования пневмодвигателя применить рассмотренную конструкцию не представляется возможным.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное (не менее чем в 2 раза) увеличение времени работы пневмодвигателя на горячем газе с температурой до 400°С при повышении его КПД.

Для решения поставленной задачи авторами предложен пневмодвигатель двухстороннего действия, состоящий из пневмоцилиндра с дросселями для регулирования давления рабочего тела в его полостях, закрытого с двух сторон уплотняющими крышками, в центральных отверстиях которых установлен шток с поршнем. Поршень выполнен в виде фланца, к каждой стороне которого шайбами прижаты резиновые манжеты. Новым по сравнению с прототипом является то, что каждая манжета выполнена в виде кольца с V-образным сечением с более широкой внутренней частью, которой зажата между фланцем и шайбой. Каждая шайба выполнена в виде резьбовой втулки с юбкой, на которую надета манжета, а торец юбки, имеющей высоту, несколько меньшую ширины внутренней части кольца с V-образным сечением, упирается во фланец. Одновременно между фланцем и каждой втулкой с зазором установлены фторопластовые кольца с прямоугольным сечением. Внутри колец размещены указанные выше манжеты, поджимающие более узкой верхней частью V-образного сечения фторопластовые кольца к боковой стенке пневмоцилиндра. При этом каждое фторопластовое кольцо имеет поперечный разрез под углом, лежащим в пределах 30-60° к торцевой поверхности кольца, а внешний диаметр кольца равен внутреннему диаметру пневмоцилиндра, который в свою очередь превышает диаметры фланца поршня и резьбовых втулок, равные друг другу.

Предложенное техническое решение поясняется графическим чертежом. На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого пневмодвигателя, где объединяющей деталью является пневмоцилиндр 1, который с двух сторон при помощи разрезных колец 4 закрыт крышками 3, уплотняющими зазоры по пневмоцилиндру и центральным отверстиям в крышках. В отверстиях крышек установлен шток 2, в средней части которого выполнен фланец "Ф". По обе стороны от фланца на утолщениях штока выполнена резьба, на которой закручены резьбовые втулки 5 до упора торцами своих юбок во фланец. Кольцевые резиновые манжеты 7 нижними частями V-образного сечения зажаты между резьбовыми втулками и фланцем. Верхние части сечения манжет будучи уже нижних резьбовыми втулками не зажаты и имеют возможность деформироваться в радиальном направлении. Благодаря этому они поджимают к стенкам пневмоцилиндра разрезные фторопластовые кольца 6, которые установлены между фланцем и резьбовыми втулками с зазором 0,01-0,04 мм. Дроссели "Д" служат для управления давлением в полостях пневмоцилиндра в соответствии с поступающей командой.

Применение манжеты c V-образным сечением позволило разделить функциональное предназначение верхней и нижней частей ее сечения. Нижняя ее часть, более широкая, предназначена для плотного зажатия манжеты между втулкой и фланцем, что не дает возможности горячему газу протекать по внутреннему диаметру манжеты. Верхняя часть сечения манжеты более узкая, имеет возможность деформироваться в радиальном направлении и за счет упругих сил резины поджимает фторопластовое кольцо к стенке цилиндра, не допуская перетекания газа по цилиндру.

Поперечный разрез фторопластовых колец при наличии зазора 0,01-0,04 мм между их торцами и фланцем обеспечивает подвижность фторопластовых колец в радиальном направлении, что гарантирует плотное их прижатие манжетой к стенке цилиндра при исключении затирания и заклинивания движущегося поршня.

При этом разрез, выполненный во фторопластовых кольцах под углом в 30-60° к торцу колец, позволяет закрывать образовавшийся зазор в кольцах под действием давления газа в надутой полости и практически исключить перетекание по разрезу газа.

Для исключения трения металлических деталей поршня о стенки пневмоцилиндра диаметры фланца и втулок выполнены на 0,15-0,2 мм меньше внутреннего диаметра пневмоцилиндра. Таким образом при движении поршня только поджатые манжетами кольца контактируют с поверхностью пневмоцилиндра. Будучи выполненными из фторопласта указанные кольца создают существенно меньшую силу трения, чем резиновые манжеты в прототипе, повышая КПД пневмопривода.

Пневмодвигатель работает следующим образом. С повышением в соответствии с командой управления давления горячего газа в одной из полостей пневмоцилиндра возрастает сила, действующая на поршень со стороны указанной полости, и поршень начинает перемещаться в сторону другой полости, из которой им вытесняется через дроссель этой полости отработанный горячий газ. При смене полярности управляющего сигнала полости меняются ролями и поршень начинает перемещаться в противоположную сторону. В процессе функционирования пневмопривода горячий газ воздействует непосредственно на торцы фторопластовых колец, материал которых имеет температуру разрушения, примерно в 2 раза превышающую предельную для резины. Кроме того, фторопластовое кольцо защищает резиновую манжету от контакта с горячей стенкой пневмоцилиндра. Тем не менее горячий газ через кольцевой зазор между стенкой цилиндра 1 и резьбовой втулкой 5, а затем через зазор между торцом фторопластового кольца и резьбовой втулкой 5 (величиной 0,01...0,04 мм) попадает в объем, в котором располагается резиновая манжета. Давление газа в указанном объеме, воздействуя на верхнюю часть V-образного сечения манжеты, дополнительно поджимает фторопластовое кольцо к стенке пневмоцилиндра, предотвращая перетекание газа по поршню. При этом вследствие малой площади зазоров, соединяющих полости пневмоцилиндра с объемом, в котором расположена манжета, в последнем создается застойная зона, препятствующая попаданию в нее новых порций горячего газа с высокой температурой. Перечисленные конструктивные особенности создают температурный режим работы манжеты более благоприятным, чем в прототипе, что увеличивает время работы предлагаемого авторами пневмопривода до 35-36 секунд.

Источники информации

1. В.П. Алексеев "К вопросу повышения технико-экономических характеристик силовых пневмоприводов" в сб. "Пневматические приводы и системы управления", "Наука", М., 1971 г., с.220, рис.2 - аналог.

2. В.П. Алексеев "К вопросу повышения технико-экономических характеристик силовых пневмоприводов" в сб. "Пневматические приводы и системы управления", "Наука", М., 1971 г., с.220, рис.1 - аналог.

3. С.В. Костин, Б.Н. Петров, Н.С. Гамынин "Рулевые приводы", "МАШИНОСТРОЕНИЕ", М., 1973 г., с.102, рис.2.5 - прототип.

Пневмодвигатель предназначен для рулевых приводов летательных аппаратов или других систем управления с пневматическими исполнительными механизмами, использующими рабочее тело с высокой температурой. Пневмодвигатель состоит из пневмоцилиндра с дросселями для регулирования давления рабочего тела в его полостях, закрытого с двух сторон уплотняющими крышками с центральными отверстиями для перемещения в них штока поршня. Поршень выполнен в виде фланца на штоке, к каждой стороне которого шайбами в виде резьбовых втулок с юбками прижаты внутренние более широкие части резиновых манжет, выполненные в виде колец с V-образным сечением. При этом юбки резьбовых втулок, имея высоту, несколько меньшую ширины внутренней части манжеты, своими торцами упираются во фланец. Одновременно между фланцем и каждой втулкой с зазором установлены фторопластовые кольца с прямоугольным сечением, внутри которых размещены указанные выше манжеты. Каждое фторопластовое кольцо изнутри поджимается более узкой наружной частью манжеты к боковой стенке пневмоцилиндра. Технический результат - повышение КПД. пневмодвигателя. 1 ил.

Пневмодвигатель двухстороннего действия, состоящий из пневмоцилиндра с дросселями для регулирования, давления рабочего тела в его полостях, закрытого с двух сторон уплотняющими крышками, в которых имеются центральные отверстия для перемещения в них штока с поршнем, выполненным в виде фланца, к обеим сторонам которого шайбами прижаты резиновые манжеты, отличающийся тем, что в нем каждая манжета выполнена в виде кольца с V-образным сечением с более широкой внутренней частью, которой зажата между фланцем и шайбой, выполненной в виде резьбовой втулки с юбкой, на которую надета манжета, причем торец юбки, имеющей высоту несколько меньше ширины внутренней части кольца с V-образным сечением, упирается во фланец, одновременно между фланцем и каждой втулкой с зазором установлены фторопластовые кольца с прямоугольным сечением, внутри которых размещены указанные выше манжеты, поджимающие своей более узкой наружней частью фторопластовые кольца к боковой стенке пневмоцилиндра, при этом фторопластовые кольца имеют поперечный разрез под углом к их торцевой поверхности, лежащим в пределах 30-60°, а внешний диаметр фторопластовых колец равен внутреннему диаметру пневмоцилиндра, который превышает диаметры фланца и резьбовых втулок, равные друг другу.