АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ РЕГУЛИРУЕМАЯ МАШИНА Российский патент 2006 года по МПК F04B1/30 

Изобретение относится к аксиально-поршневым машинам с электрогидравлическим управлением.

Известна конструкция аксиально-поршневой машины (Германия, патент DE № 10119239, F 04 B 1/30) с наклонным блоком цилиндров, вращающимся вокруг центральной цапфы, и входящими в цилиндры блока поршнями. Входящие в цилиндры наклонного блока поршни шарнирно опираются на фланец вала, установленного в корпусе на подшипниках. С противоположной подшипникам стороны наклонный блок опирается на распределитель с каналами подвода и отвода жидкости к цилиндрам. Распределитель поворачивается по поверхности вращения в корпусе поршня управления. Указанный поршень связан с распределителем посредством пальца, установленным в поршне поперечно. Распределитель также связан с сенсором угла поворота, установленным с внешней стороны корпуса подшипников на оси поворота блока цилиндров. Поворотная деталь сенсора через отверстие входит внутрь корпуса подшипников и соединяется изогнутым рычагом с боковой поверхностью поворотного распределителя.

Недостатками известной аксиально-поршневой машины являются:

- внешнее расположение сенсора на наружной поверхности корпуса подшипников, требующее установки защитного кожуха от возможных электрических и механических воздействий, что приводит к увеличению габаритных размеров машины;

- большая длина изогнутого рычага привода, что также приводит к увеличению габаритных размеров машины;

- возможные люфты механизма привода сенсора угла поворота, что может привести к снижению точности измерения угла поворота наклонного блока;

- вышеуказанная установка сенсора приводит к уменьшению боковой поверхности распределителя, которая является опорной направляющей, подвергаемой высоким контактным нагрузкам при работе машины, что снижает функциональные возможности машины и область ее применения (нереверсивный насос).

Известен насос переменной производительности (патент РФ № 2155275), выбранный за прототип, содержащий датчик положения поршня, выполненный в виде линейного трансформатора. Датчик положения размещен в выточке поршня управления и прикреплен к крышке корпуса механизма регулирования насоса, подвижный сердечник датчика соединен с поршнем.

Недостатком прототипа является расположение линейного трансформатора в полости под давлением рабочей жидкости. Такое расположение линейного трансформатора требует дополнительной герметизации контактных элементов электрических соединений, поэтому управляющее давление в данных машинах применяется на порядок меньше рабочего давления, что вынуждает увеличивать также примерно на порядок площадь поршня управления по сравнению с гидромашинами, в которых давление управления соответствует рабочему давлению.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, - уменьшение габаритных размеров аксиально-поршневой регулируемой машины, повышение надежности ее работы.

Поставленная задача решается тем, что в аксиально-поршневой регулируемой машине, содержащей корпус качающего узла с валом, механизм регулирования с датчиком положения поршня управления, качающий узел, включающий наклонный блок, вращающийся вокруг оси центральной цапфы, поршни, входящие в цилиндры наклонного блока, распределитель с каналами для подвода и отвода жидкости, при этом наклонный блок опирается на распределитель с одной стороны, а с другой стороны распределитель опирается на поверхность вращения корпуса механизма регулирования и связан посредством пальца с поршнем управления, датчик положения поршня управления выполнен в виде линейного трансформатора, поршень управления размещен в полости корпуса механизма регулирования, согласно изобретению в корпусе механизма регулирования со стороны поверхности вращения выполнен паз, пересекающий полость, в которой размещен поршень управления, обмотка линейного трансформатора размещена в пазу, при этом поршень управления выполнен из электро- или магнитопроводящего материала.

В аксиально-поршневой машине обмотка линейного трансформатора может быть выполнена в виде полосы.

В аксиально-поршневой машине палец может иметь сквозное продольное отверстие, соединенное с продольными отверстиями распределителя, центральной цапфы и вала, в теле вала выполнено радиальное отверстие, сообщенное со сквозным продольным отверстием центральной цапфы.

В аксиально-поршневой машине палец может быть установлен в поршне управления таким образом, чтобы торец пальца не выступал за пределы поршня управления.

В полости аксиально-поршневой машины всегда находится рабочая среда. Рабочая среда - диэлектрическая, например минеральное масло. В штоковой полости поршня управления в заявляемой аксиально-поршневой машине рабочая среда находится под давлением, соответствующим рабочему (порядка 350 атм). В полости корпуса машины (корпус качающего узла с валом), в том числе в пазу, выполненном в корпусе механизма регулирования со стороны поверхности вращения, давление рабочей среды составляет порядка 1 атм. Таким образом, на обмотку, расположенную в заявляемой машине в вышеуказанном пазу, воздействует давление рабочей среды, соответствующее 1 атм. Поскольку обмотка линейного трансформатора в заявляемой машине находится под давлением гораздо более низком, чем обмотка у прототипа (порядка 30 атм), следовательно, в заявляемой машине отсутствует проблема, связанная с дополнительной герметизацией электрических частей датчика положения, обусловленная высоким давлением рабочей среды.

Сердечником датчика положения в заявляемой машине является сам поршень управления, выполненный из электро- или магнитопроводящего материала. Изменение положения сердечника-поршня управления при его перемещении вдоль паза, в котором размещена обмотка линейного трансформатора, вызывает изменение выходного сигнала датчика положения. Такое выполнение датчика положения поршня управления исключает необходимость в наличии дополнительных элементов для преобразования перемещения поршня управления в выходной сигнал датчика его положения.

Изменение выходного сигнала датчика положения при выполнении поршня управления как из электро-, так и из магнитопроводящего материала подтверждается материалами испытаний (см. Протокол эксперимента с датчиком обратной связи насоса 313.3.107.34). В процессе эксперимента осуществлялось измерение выходного сигнала датчика положения (U, в) в зависимости от положения поршня (Ход, мм). При этом снимались две характеристики: одна при выполнении поршня из магнитного материала, а вторая - при выполнении поршня из немагнитного электропроводящего материала. Нулевое значение хода поршня соответствует положению поршня при минимальном объеме штоковой полости поршня управления.

Размещение обмотки линейного трансформатора в пазу, вдоль которого перемещается поршень управления, выполняющий одновременно функцию сердечника датчика положения, позволяет значительно сократить размеры машины в целом. В заявляемой машине отсутствуют элементы механизма привода сенсора, как у аналога по патенту Германии № 1011923, кроме того, в штоковой полости поршня управления давление рабочей среды соответствует рабочему, следовательно, размеры поршня управления могут быть выбраны минимально необходимыми и достаточными для выполнения им своих функций, в отличие от прототипа, в котором в штоковой полости давление рабочей среды на порядок меньше, чем рабочее давление, что приводит к необходимости увеличивать размеры поршня, чтобы обеспечить необходимые значения усилий для выполнения поршнем своих функций в качестве поршня управления (для перемещения распределителя через связанный с поршнем управления и распределителем палец).

Выполнение паза пересекающим полость, в которой установлен поршень управления, обусловлено тем, что поршень является сердечником линейного трансформатора. Обмотка линейного трансформатора размещена в пазу, поэтому для обеспечения работоспособности датчика положения, выполненного в виде вышеуказанного линейного трансформатора, необходимо, чтобы сердечник линейного трансформатора не выходил за границы его обмотки. Таким образом обеспечивается постоянное нахождение сердечника в электромагнитном поле, генерируемом обмоткой трансформатора.

Отсутствие дополнительных элементов преобразования параметров положения поршня управления в выходной сигнал датчика положения позволяет повысить точность измерения датчика, осуществляющего непосредственное преобразование параметра положения поршня управления, служащего сердечником линейного трансформатора, в выходной сигнал на обмотке трансформатора.

Повышение точности измерения положения поршня управления позволяет более точно и надежно осуществлять регулирование машины.

Целесообразно, чтобы палец был размещен в поршне таким образом, чтобы его торец не выходил за пределы поршня. Если торец пальца будет выступать из поршня, в этом случае, поскольку поршень управления является сердечником линейного трансформатора, характеристика выходного сигнала обмотки линейного трансформатора будет иметь нелинейный характер, что нежелательно, поскольку потребуется дополнительная обработка выходного сигнала датчика положения поршня управления, корректирующая данную нелинейность.

В заявляемой аксиально-поршневой машине обмотку линейного трансформатора целесообразно выполнять в виде полосы для того, чтобы не увеличивать объем паза.

Как уже было сказано, в полости корпуса машины постоянно находится рабочая среда под давлением, соответствующим атмосферному. В выполненном в соответствии с заявляемым изобретением пазу также будет находиться рабочая среда. При этом в пазу будет иметь место так называемая застойная зона. Образование застойной зоны рабочей среды в пазу приведет, во-первых, к нагреву рабочей среды в пазу, что отрицательно скажется на работе датчика положения, т.к. под влиянием температуры может меняться уровень выходного сигнала обмотки трансформатора. Во-вторых, наличие застойной зоны может привести к тому, что в пазу могут скапливаться металлические частицы, что также отрицательно скажется на показателях датчика положения.

Разрушение застойной зоны и создание однородной рабочей среды в пазу обеспечивается тем, что в пальце выполнено сквозное продольное отверстие, соединенное с продольными отверстиями распределителя, центральной цапфы и вала. При этом в теле вала выполнено радиальное отверстие, сообщенное со сквозным продольным отверстием центральной цапфы.

При вращении вала за счет выполненного в нем радиального отверстия имеет место эффект центробежного насоса. Вал, вращаясь, создает вокруг себя разреженное поле рабочей среды, при этом осуществляется высасывание рабочей среды из тех участков полости корпуса машины, которые сообщены через каналы и отверстия с радиальным отверстием в валу машины. Поскольку сквозное отверстие, выполненное в пальце, одним концом (с торца пальца) соединено с полостью паза, а другим концом соединено с продольными отверстиями распределителя, центральной цапфы и далее - с продольным и радиальным отверстиями вала, за счет эффекта центробежного насоса осуществляется высасывание рабочей среды из паза. Поступление рабочей среды в паз осуществляется из корпуса машины (корпус качающего узла с валом) по зазорам между распределителем и поверхностью вращения корпуса механизма регулирования. Таким образом организуется постоянный отток и приток рабочей среды из паза, исключается образование в пазу застойных зон и обеспечивается однородная рабочая среда, обеспечивается также удаление грязи из паза, являющегося зоной измерения. Кроме того, таким образом осуществляется выравнивание температуры в полости машины и исключается отрицательное влияние температурных перепадов на показатели датчика положения.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить габариты аксиально-поршневой машины с датчиком положения поршня управления, а также повысить надежность ее работы.

На фиг.1 представлен продольный разрез заявляемой аксиально-поршневой регулируемой машины.

На фиг.2 представлен вид А заявляемой машины.

На фиг.3 представлено сечение Б-Б заявляемой машины.

Заявляемая аксиально-поршневая машина содержит корпус 1 (корпус качающего узла с валом), в котором на подшипниках 2 установлен вал 3 с фланцем 4.

Машина функционально состоит из двух основных узлов: качающего узла и механизма регулирования.

Качающий узел аксиально-поршневой машины содержит поршни 5, шарнирно соединенные с фланцем 4, который, в свою очередь, также шарнирно соединен с центральной цапфой 6. Поршни 5 расположены в цилиндрах 7 наклонного блока 8, вращающегося вокруг оси центральной цапфы 6. Блок 8 приводится во вращение фланцем 4 вала 3 и поршнями 5. Ход поршней 5 определяется углом поворота, образованным осью вращения блока 8 и осью вращения вала 3. Блок 8 опирается на распределитель 9, прилегающий по поверхности вращения к корпусу 10 механизма регулирования. Распределитель 9 прижимается к корпусу 10 под действием усилия пружины 11 и гидравлического давления в цилиндрах 7 блока 8.

Механизм регулирования предназначен для изменения рабочего объема машины за счет изменения угла наклона блока 8 по отношению к оси вала 3. Регулирование рабочего объема заявляемой аксиально-поршневой машины обеспечивается скольжением распределителя 9 по поверхности вращения (являющейся опорной поверхностью для распределителя 9) корпуса 10 механизма регулирования вдоль направляющих 12.

Механизм регулирования содержит корпус 10, дифференциальный (ступенчатый) поршень 13, выполненный из магнитопроводящего материала. Перемещение распределителя 9 по опорной поверхности корпуса 10 осуществляется поршнем 13 посредством пальца 14, входящего в отверстие 15 распределителя 9. Поршень 13 размещен в цилиндрических полостях (цилиндры 16 и 17) корпуса 10. Цилиндры 16 и 17 расположены с противоположных сторон по отношению к пальцу 14. Цилиндр 16 расположен над меньшим диаметром поршня 13 и образует штоковую полость поршня 13. Цилиндр 16 соединен с каналом 18 высокого давления машины и соединен линией 19 с электромагнитным гидравлическим распределителем 20, который в зависимости от управляющего сигнала на электромагните 21 регулирует давление в цилиндре 17 большого диаметра поршня 13. Распределитель 20 содержит золотник (на чертеже не показан), управляемый электромагнитом 21. Для управления электромагнитом 21 имеется усилитель 22, содержащий схему сравнения потенциала обмотки линейного трансформатора 23, зависимое от положения поршня 13 и сигнала с задающего устройства 24. Обмотка линейного трансформатора 23 выполнена в виде полосы и расположена на дне 25 паза 26. Палец 14 осуществляет перемещение в пределах паза 26. Обмотка 27 линейного трансформатора 23 выполнена в виде полосы по форме дна паза 26. В случае, если дно 25 паза 26 прерывается или оно не является сплошным, под обмотку 27 укладывается магнитопроводящая пластина 28, закрепляемая на дне 25. Витки 29 линейного трансформатора 23 выполнены продольно в виде многослойной печатной платы. Диэлектрический каркас 30 многослойной печатной платы крепится диэлектрическим крепежным соединением 31, например пластиковыми заклепками. Палец 14 имеет сквозное продольное отверстие 32, соединенное с продольными отверстиями 15, 33, 34 соответственно распределителя 9, центральной цапфы 6 и вала 3, у которого это отверстие 34 соединено с радиальным отверстием 35.

Заявляемая аксиально-поршневая машина работает следующим образом.

Когда электромагнит 21 распределителя 20 выключен, обеспечивается соединение цилиндра 17 с баком. Поршень 13 находится в одном из крайних положений.

При подаче электрической энергии на электромагнит 21 происходит изменение положения золотника распределителя 20, приводящее к изменению давления в цилиндре 17 большого диаметра поршня 13, при этом меняется соотношение сил на поршень 13, что вызывает перемещение последнего, при перемещении поршня 13, связанного с распределителем 9 посредством пальца 14, происходит изменение угла наклона блока 8 по отношению к оси вала 3 и соответственно происходит изменение рабочего объема машины.

Устройство предназначено для использования в аксиально-поршневых машинах с электрогидравлическим управлением. Аксиально-поршневая регулируемая машина содержит корпус качающего узла с валом, механизм регулирования с датчиком положения поршня управления, качающий узел, включающий наклонный блок, вращающийся вокруг оси центральной цапфы. Поршни входят в цилиндры наклонного блока. Распределитель имеет каналы для подвода и отвода жидкости. Наклонный блок опирается на распределитель с одной стороны, а с другой стороны распределитель опирается на поверхность вращения корпуса механизма регулирования и связан посредством пальца с поршнем управления. Датчик положения поршня управления выполнен в виде линейного трансформатора. Поршень управления размещен в полости корпуса механизма регулирования. Штоковая полость поршня управления сообщена с каналом высокого давления. В корпусе механизма регулирования со стороны поверхности вращения выполнен паз, пересекающий полость, в которой размещен поршень управления. Обмотка линейного трансформатора размещена в пазу. Поршень управления выполнен из электро- или магнитопроводящего материала. Уменьшаются габаритные размеры аксиально-поршневой регулируемой машины, повышается надежность работы. 3 з.п.ф-лы,3 ил.

1. Аксиально-поршневая регулируемая машина, содержащая корпус качающего узла с валом, механизм регулирования с датчиком положения поршня управления, качающий узел, включающий наклонный блок, вращающийся вокруг оси центральной цапфы, поршни, входящие в цилиндры наклонного блока, распределитель с каналами для подвода и отвода жидкости, при этом наклонный блок опирается на распределитель с одной стороны, а с другой стороны распределитель опирается на поверхность вращения корпуса механизма регулирования и связан посредством пальца с поршнем управления, датчик положения поршня управления выполнен в виде линейного трансформатора, поршень управления размещен в полости корпуса механизма регулирования, отличающаяся тем, что в корпусе механизма регулирования со стороны поверхности вращения выполнен паз, пересекающий полость, в которой размещен поршень управления, обмотка линейного трансформатора размещена в пазу, при этом поршень управления выполнен из электро- или магнитопроводящего материала.2. Аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка линейного трансформатора выполнена в виде полосы.3. Аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что палец имеет сквозное продольное отверстие, соединенное с продольными отверстиями распределителя, центральной цапфы и вала, в теле вала выполнено радиальное отверстие, сообщенное со сквозным продольным отверстием центральной цапфы.4. Аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что палец установлен в поршне управления таким образом, чтобы торец пальца не выступал за пределы поршня управления.