СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК F16H39/42 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам и может быть использовано для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Известен способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, в котором процесс преобразования осуществляется за счет кривошипного механизма. (См., например, патент РФ №1770587, кл. F01B 1/04 «Поршневая машина», опубл. 23.10.1992, Б.И. №39.)

Недостаток известного способа заключается в том, что при его осуществлении используется сложный механизм, который трудоемок в изготовлении и недостаточно надежен.

В качестве прототипа выбран известный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение, в котором процесс преобразования осуществляется за счет механической передачи от поршней, перемещающихся в цилиндрах, к рабочему валу с помощью коленчатого вала. (См., например, патент РФ №2059851, МПК F02В 75/22, «Бесшатунная поршневая машина», опубл. 10.05.1996 г., Б.И. №13.)

Недостаток способа состоит в том, что надежность устройств, выполненных по данному способу, невысокая. Это объясняется тем, что в нем применена сложная механическая система передачи возвратно-поступательного движения поршней цилиндров на вращающийся рабочий вал.

Целью данного изобретения является повышение надежности и снижение трудоемкости изготовления поршневых машин, обеспечивающих преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное.

Указанная цель достигается за счет того, что в известном способе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, в котором возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение рабочего вала, согласно предложению внутреннюю полость цилиндрического корпуса снабжают радиальными отверстиями, оси которых повернуты в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, отверстия связывают шлангами с, по меньшей мере, двумя парами цилиндров объемных поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между насосами задают равным ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия и цилиндра, определяемый по направлению вращения, внутреннюю полость цилиндрического корпуса, шланги и части цилиндров, связанные со шлангами, заполняют текучей средой и во внутреннюю полость корпуса помещают ротор с лопатками.

В варианте технического решения реверс вращения производят изменением на противоположное значение угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых одной из пар поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен ϕ=360°/n.

В устройстве для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащем поршневые двигатели, корпус, передаточный механизм с рабочим валом, согласно предложению поршневые двигатели выполнены в виде объемных поршневых насосов, корпус выполнен цилиндрическим с пустотелой внутренней частью, передаточный механизм с рабочим валом выполнен в виде цилиндрического ротора, расположенного во внутренней части корпуса, соосно с пустотелой частью корпуса, ротор состоит из боковин и радиальных лопаток, прикрепленных ребрами к внутренним поверхностям боковин, внутренняя часть корпуса через отверстия соединена шлангами с тем или иным цилиндром, число которых составляет, по крайней мере, две пары, при этом оси отверстий корпуса ориентированы в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия и цилиндра, связанного с отверстием, и определяется по направлению вращения, причем пространство внутренней части цилиндрического корпуса, шлангов и части цилиндров, связанных шлангами с внутренней частью корпуса, заполнено текучей средой.

В варианте устройства в паре цилиндров, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, шланги выполнены с разветвлениями в виде патрубков, в патрубках установлены управляемые запорные клапаны, патрубки соединены с теми же точками теплопровода, что и шланги, но в обратной последовательности.

В варианте устройства плоскости лопаток параллельны оси ротора.

В варианте устройства лопатки ротора имеют некоторый скос по отношению к оси ротора.

В варианте устройства лопатки ротора выполнены из гибкого пружинящего материала.

В варианте устройства рабочий вал ротора выполнен в виде двух хвостовиков, прикрепленных к внешним поверхностям боковин.

Преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное за счет того, что внутрь цилиндрического корпуса, через отверстия в нем, нагнетается текучая среда, воздействующая на установленный внутрь корпуса цилиндрический ротор с радиальным лопатками, с помощью, по крайней мере, двух пар объемных поршневых насосов, работающих в возвратно-поступательном режиме со сдвигом по фазе и каждое из отверстий связано шлангом с тем или иным цилиндром поршневого насоса, в котором угол сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых насосами, равен ϕ=-180°(i-1)/n, а оси отверстий корпуса ориентированы в пространстве относительно друг друга также на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый цилиндра или отверстия, связанного с цилиндром в трубопроводе, который определяется по направлению вращения, позволяет обеспечить равномерное вращение ротора при синусоидальном характере перемещения поршней в цилиндрах. При этом механическая передача заменяется гидравлической, что способствует повышению надежности системы и позволяет снизить трудоемкость ее изготовления.

Обеспечение реверса вращения за счет изменения угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых одной из пар поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, на противоположное значение, позволяет производить изменение направления вращения на противоположное изменением чередования движения поршней в цилиндрах.

В устройстве, в котором в паре цилиндров, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, шланги выполнены с разветвлениями в виде патрубков, в патрубках установлены управляемые запорные клапаны и патрубки каждого цилиндра попарно соединены с соответствующими отверстиями в корпусе, обеспечивается реверс вращения без изменения чередования движений поршней в цилиндрах.

Устройство, в котором плоскости лопаток параллельны оси ротора, отличается простотой изготовления.

В устройстве, в котором лопатки ротора имеют некоторый скос по отношению к оси ротора, снижена вибрация, которая может возникнуть при некоторых скоростных режимах.

Выполнение лопаток ротора из гибкого пружинящего материала обеспечивает более плавные переходные процессы.

Выполнение рабочего вала ротора в виде двух хвостовиков, прикрепленных к внешним поверхностям боковин, снижает внутренние потери при движении текучей среды.

Способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и устройство для его осуществления иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция поршневой машины, в которой предложенный способ реализован с помощью четырех однокамерных объемных поршневых насосов.

На фиг.2 показана конструкция ротора с лопатками, плоскости которых параллельны оси вала.

На фиг.3 изображена конструкция ротора, в котором лопатки имеют некоторый скос по отношению к оси вала.

На фиг.4 нарисован ротор, вид сбоку.

На фиг.5 показана конструкция ротора с гибкими лопатками.

На фиг.6 представлена конструкция ротора, в которой вал выполнен в виде двух хвостовиков.

На фиг.7 нарисована конструкция поршневой машины, реализующая способ с помощью шести однокамерных объемных поршневых насосов.

На фиг.8 изображена диаграмма давлений, создаваемых четырьмя насосами.

Фиг.9 иллюстрирует диаграмму давлений, создаваемых шестью насосами.

На фиг.10 представлена конструкция, реализующая реверс вращения ротора с использованием четырех поршневых насосов.

В варианте исполнения устройство, реализующее способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, состоит из четырех однокамерных, объемных поршневых насосов, каждый из которых содержит цилиндры 1, 2, 3, 4 (фиг.1). В цилиндрах расположены поршни соответственно 5, 6, 7 и 8. Цилиндры с помощью шлангов соответственно 9, 10, 11 и 12 соединены с внутренней частью цилиндрического корпуса 13 через отверстия в нем 14, 15, 16 и 17. Оси отверстий (на фиг. не обозначены) корпуса 13 ориентированы в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия. Номер цилиндра и отверстия, связанного с цилиндром, определяется по направлению вращения ротора или текучей среды. Внутри корпуса установлен соосно с внутренней полостью корпуса 13 ротор 18 (фиг.1, 2, 3, 4). Ротор содержит вал 19, на который насажена втулка 20. Втулка 20 имеет две боковины 21 и лопатки 22. Боковины 21 представляют собой цилиндрические поверхности вращения, соосные с втулкой 20. Лопатки 22 радиально расходятся от оси втулки, проходя вдоль всей втулки от одной боковины 21 до другой, соединяясь ребрами с внутренними поверхностями боковин 21. Внутренние кромки лопаток не доходят до поверхности втулки 20, т.е. между поверхностью втулки и внутренними кромками лопаток имеется зазор (на фиг. не обозначен). При этом между внешними концами лопаток и внутренней расточкой полости корпуса имеется небольшой зазор 23. Число цилиндров должно составлять, по крайней мере, две пары. Пространство внутри корпуса, шлангов и части цилиндров, связанных шлангами с корпусом, заполнено текучей средой.

В варианте технического решения плоскости лопаток 22 параллельны оси вала 19.

В варианте технического решения лопатки 22 ротора 18 выполнены со скосом (фиг.3), так что их плоскости имеют некоторый угол по отношению к оси вала 19.

В варианте технического решения боковины 21 имеют диаметр, меньший, чем внешний диаметр ротора 18 (фиг.5), а лопатки 22 прикреплены к боковинам только частью своих боковых ребер. Внешние концы лопаток 22 выходят за пределы диаметра боковин 21 и выполнены из гибкого пружинящего материала.

В варианте технического решения вал 19 ротора 18 выполнен в виде двух хвостовиков 19а и 19б (фиг.6), прикрепленных к внешним поверхностям боковин 21. При этом втулка отсутствует.

На фиг.7 дан вариант исполнения устройства по данному способу, где использовано шесть однокамерных объемных поршневых насосов, состоящих из цилиндров 28-33. Цилиндры с помощью шлангов соответственно 34, 35, 36, 37, 38 и 39 соединены с внутренней полостью корпуса 13. Оси отверстий (на фиг. не показаны) корпуса ориентированы в пространстве относительно друг друга так же, как и для четырехцилиндрового варианта, на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия. Номер цилиндра или отверстия, связанного с цилиндром, определяется по направлению вращения ротора или текучей среды. Ротор (на фиг.7 не показан) устроен аналогично из фиг.2-5. Поршневые машины, выполненные в виде объемных поршневых насосов, через штоки (на фиг. не обозначены) приводят в движение поршни (на фиг. не обозначены).

Угол сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых насосами, равен ϕ=-180°(i-1)/n. Мгновенные значения давлений создаваемых насосами «p» подчинено гармоническому закону, определяемому формулой p=Pm(ωt-ϕ), где Pm - амплитудное значение давления, ω=2πf - угловая частота колебаний поршней, f - частота колебаний поршней в цилиндрах в Гц. Давление, создаваемое в цилиндрах для фиг.1, определяется в следующем порядке: для насоса с цилиндром 1 диаграмма давления обозначена цифрой 40 (фиг.8), для насоса с цилиндром 2 - цифрой 41, для насоса с цилиндром 3 - цифрой 42, а для насоса с цилиндром 4 - цифрой 43. Как видно из диаграмм фиг.8, сдвиг по фазе между мгновенными давлениями, создаваемыми движениями поршней соседних насосов, равен 90°. Иными словами сдвиг по фазе ϕ подчинен приведенной выше закономерности: ϕ=-180°(i-1)/n, где i - порядковый номер отверстия, рассчитываемый по направлению вращения ротора или текучей среды, т.е., в данном случае определяется по часовой стрелке, n - число пар насосов. При этом сдвиг по фазе давлений между цилиндрами 1 и 3, 2 и 4 равны 180°. На диаграмме вдоль оси ωt выделены вертикальными линиями моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆, t₇, t₈, t₉.

Диаграмма изменения давлений для шестицилиндровой машины показана на фиг.9. Движения поршней происходят со сдвигом по фазе (град.) так, чтобы обеспечить изменение давлений в следующем порядке: для цилиндра 28 - диаграмма 44, для цилиндра 29 - диаграмма 45, для цилиндра 30 - диаграмма 46, для цилиндра 31 - диаграмма 47, для цилиндра 32 - диаграмма 48 и для цилиндра 33 - диаграмма 49. Мгновенные значения давлений, создаваемых насосами «p», также подчинены гармоническому закону, определяемому формулой p=Pm(ωt-ϕ). Сдвиг по фазе ϕ для мгновенных давлений, создаваемых соседними насосами, равен 60° и подчинен той же зависимости, что и в предыдущем примере (фиг.7), т.е.: ϕ=-180°(i-1)/n, где i - порядковый номер отверстия, рассчитываемый по направлению вращения текучей среды, n - число пар насосов). Пары поршней в цилиндрах 28 и 31, 29 и 32, 30 и 33 работают в противофазе по отношению друг к другу, т.е. со сдвигом на 180°. Так же, как и на фиг.1, части камер цилиндров 28-33 соединены со шлангами. Шланги 34-39 и внутренняя полость корпуса 13 и части камер, соединенных шлангами с внутренней полостью корпуса, заполнены текучей средой.

Фиг.10 демонстрирует способ изменения реверса вращения в корпусе 13 в обратную сторону на примере системы, состоящей из четырех однокамерных объемных поршневых насосов одностороннего действия, каждый из которых содержит цилиндры 1, 2, 3 и 4. Цилиндры, как и на фиг.1, имеют шланги соответственно 9, 10, 11 и 12. Шланг 9 имеет разветвление, состоящее из патрубков 51 и 52, а шланг 11 имеет разветвление, состоящее из патрубков 53 и 54. В парубке 51 имеется электроуправляемый запорный клапан 55. В патрубке 52 установлен электроуправляемый запорный клапан 56. В патрубках 53 и 54 установлены электроуправляемые запорные клапаны соответственно 57 и 58. Патрубок 51 соединен с отверстием 16 в корпусе 13 так же, как и патрубок 53. Патрубок 52 соединен с отверстием 16. Патрубок 52 соединен с отверстием 14 так же, как и патрубок 54. Цилиндр 2 так же, как и фиг.1, соединен шлангом 10 с отверстием 15, а шланг 12 с отверстием 17. Иными словами, патрубки каждого цилиндра попарно соединены с соответствующими отверстиями в корпусе.

Устройства согласно способу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное действуют следующим образом. При движении поршней 5-8 в цилиндрах 1-4 (фиг.1, 8) возникают знакопеременные гармонические колебания давлений внутри корпуса 13. Текучая среда протекает между цилиндрами 1, 2, 3, 4 и проходит через внутреннюю полость корпуса и воздействует на лопатки 22 ротора 18. Знакопеременные давления, создаваемые поршнями в цилиндрах 1, 3, приводят к знакопеременным перемещениям текучей среды внутри корпуса 13 между отверстиями 14 и 16. От цилиндров 2 и 4 соответственно знакопеременные давления будут происходить между отверстиями 15 и 17. Совместное воздействие давлений, генерируемых четырьмя насосами, место приложения давлений которых смещено на определенный, указанный ранее угол со сдвигом по фазе, приводит к тому, что результирующий вектор давления будет вращаться внутри корпуса 13 и воздействовать на ротор 18, вынуждая последний приводить в движение рабочий вал 19. Рассмотрим момент времени t₁ (фиг.8). Внутри корпуса 13, вдоль его продольной оси, суммарное давление будет направлено от отверстия 14 к отверстию 16. В момент времени t₂ результирующее график давление внутри корпуса 13 будет определяться совместным действием насосов с цилиндрами 1-4. И это суммарное давление будет направлено по оси, проходящей между отверстиями 14 и 15 в сторону между отверстий 16, 17. Что означает поворот суммарного вектора давления внутри цилиндра на 45°. Для момента времени t₃ суммарное давление будет определяться только действием давления, производимого цилиндрами 2 и 4, и направлено от отверстия 15 к отверстию 17, т.е повернется на 90° по отношению ко времени t₁ и т.д. Если рассматривать и промежуточные моменты времени, то получим результирующую волну давлений, амплитуда которой равна максимальному давлению Pm, но вращающуюся, в данном примере, по часовой стрелке. Таким образом, благодаря сдвигу давлений между цилиндрами по фазе и смещению мест приложения давления, во внутренней части корпуса 13 будет иметь место вращающаяся волна давления, направление которой зависит от очередности работы цилиндров, а скорость вращения волны определяется уравнением: ω=2πf.

Аналогично будет действовать и система с тремя парами цилиндров, представленная на фиг.7, однако в этом случае суммарный вектор давлений будет равен 3/2 Pm, где Pm - амплитуда давления, создаваемая одним цилиндром.

Для реверсирования вращения текучей среды во внутренней полости корпуса 13 необходимо изменить чередование работы поршней. Этот реверс производится за счет изменения угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых одной из пар поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, на противоположное значение.

Второй способ реверса осуществляют следующим образом. Для вращения текучей среды по часовой стрелке должны быть открыты клапаны 56 и 57 (фиг.6). Клапаны 55 и 58 закрыты. Для изменения направления вращения текучей среды необходимо открыть клапаны 55 и 58 и затем закрыть клапаны 56 и 57. Таким образом, направление вращения текучей среды обращается в обратную сторону без реверсирования первичного двигателя, только за счет переключения клапанов, которые обеспечивают изменение угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых соответствующими парами работающих поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, на противоположное значение.

Достоинствами предложенного технического решения являются:

- широкая возможность регулирования скорости вращения текучей среды путем изменением частоты колебаний поршней в цилиндрах;

- получение вращения ротора без применения механической передачи;

- возможность реверсирования потока текучей среды без изменения направления движения приводного двигателя;

- повышена надежность системы, так как механическая передача заменена на более надежную, гидравлическую;

- снижена трудоемкость изготовления машины.

Способ преобразования движений и устройство для его реализации предназначены для использования в энергомашиностроении. Устройство содержит цилиндрический полый корпус с радиальными отверстиями, передаточный механизм в виде ротора с радиальными лопатками и рабочим валом, поршневые насосы; отверстия корпуса соединены шлангами с цилиндрами насосов, а их оси ориентированы в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия и цилиндра, связанного с отверстием, и определяется по направлению вращения; причем внутренняя полость корпуса, шланги и части цилиндров, связанных шлангами с полостью корпуса, заполнены текучей средой. При осуществлении способа реверс вращения производят изменением на противоположное значение угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых одной из пар поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, где n - число пар насосов. Изобретение обеспечивает повышение надежности. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, в котором возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение вала, отличающийся тем, что во внутреннюю полость цилиндрического корпуса помещают ротор с лопатками, в цилиндрическом корпусе выполняют радиальные отверстия, оси которых повернуты в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, отверстия связывают шлангами с, по меньшей мере, двумя парами цилиндров объемных поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между насосами задают равным ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия и цилиндра, определяемый по направлению вращения ротора, причем внутреннюю полость цилиндрического корпуса, шланги и части цилиндров, связанные со шлангами, заполняют текучей средой.2. Способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное по п.1, отличающийся тем, что реверс вращения производят изменением на противоположное значение угла сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых одной из пар поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, где n - число пар насосов.3. Устройство для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащее поршневые машины, корпус, передаточный механизм с рабочим валом, отличающееся тем, что поршневые машины выполнены в виде объемных поршневых насосов, корпус выполнен цилиндрическим с пустотелой внутренней полостью, передаточный механизм с рабочим валом выполнен в виде цилиндрического ротора, расположенного соосно в полости корпуса, состоящего из боковин и радиальных лопаток, прикрепленных ребрами к внутренним поверхностям боковин, полость корпуса через отверстия соединена шлангами с тем или иным цилиндром насоса, число которых составляет, по крайней мере, две пары, при этом оси отверстий корпуса ориентированы в пространстве относительно друг друга на угол ϕ=-180°(i-1)/n, где n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия и цилиндра, связанного с отверстием, и определяется по направлению вращения, причем внутренняя полость цилиндрического корпуса, шланги и части цилиндров, связанных шлангами с внутренней частью корпуса, заполнены текучей средой.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в паре цилиндров, угол сдвига мгновенных давлений между которыми равен 360°/n, шланги выполнены с разветвлениями в виде патрубков, в патрубках установлены управляемые запорные клапаны, патрубки соединены с теми же точками теплопровода, что и шланги, но в обратной последовательности.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что плоскости лопаток параллельны оси ротора.6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что лопатки ротора имеют некоторый скос по отношению к оси ротора.7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что лопатки ротора выполнены из гибкого пружинящего материала.8. Устройство по любому из пп.3-7, отличающееся тем, что рабочий вал ротора выполнен в виде двух хвостовиков, прикрепленных к внешним поверхностям боковин.