ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПОРШНЕВОЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК F15B1/24 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для аккумулирования энергии, применяемым в гидроприводах с переменным потреблением энергии жидкости и большим кратковременным расходом, а также для обеспечения дополнительного питания гидросистемы привода рабочей жидкостью и демпфирования пульсаций давления.

Известен поршневой гидрогазовый аккумулятор (аккумулятор), содержащий корпус с жидкостной и газовой полостями, разделитель полостей в виде поршня. (см. книгу Т.М.Башта «Гидравлические приводы летательных аппаратов», издательство «Машиностроение», Москва, 1967 г., с.293, рис.2286). Уплотнение поршня в известном аккумуляторе достигается применением резиновых уплотнительных колец. Для повышения герметичности и обеспечения смазки указанных уплотнительных колец применяют жидкостный затвор, создающийся заполнением рабочей жидкостью кольцевой наружной проточки поршня.

Известная конструкция аккумулятора после его разрядки сохраняет в полости жидкостного затвора давление, превышающее давление газа. Для этого жидкость подается в кольцевую проточку на поршне, расположенную между двумя уплотнительными кольцами и вспомогательным дифференциальным поршнем, находящимся под действием усилия пружины и сил давления жидкости в камере дифференциального поршня.

Давление в этой камере, а соответственно, и в кольцевой проточке поршня, зависит от разности указанных сил и будет максимальным, превышающим давление газа, при нулевом давлении жидкости. Этим достигается возможность смазки уплотнительных колец поршня, включая и кольцо, размещенное со стороны газовой камеры, в разряженном состоянии аккумулятора.

Известная конструкция аккумулятора отличается сложностью и нетехнологичностью из-за необходимости обеспечения не только точности изготовления, а и строгой соосности взаимодействующих между собой деталей - поршня и размещенного в нем подпружиненного дифференциального поршня.

К недостатку известного устройства следует еще отнести и недостаточно надежный способ закрепления съемных крышек по обеим сторонам аккумулятора с помощью упругих плоских колец, постановка которых в большей степени решает задачу восприятия не осевых, а радиальных нагрузок.

Известен также поршневой аккумулятор, содержащий корпус со штуцером для подвода рабочей жидкости под давлением (см. патент DE 10206289 А1, 7 F15В 1/24 от 15.02.2002 г.). В корпусе указанного аккумулятора скользит поршень, разделяющий жидкостную и газовую камеры. Аккумулятор между поршнем и корпусом содержит два кольцевых уплотнения, разнесенных друг от друга на расстояние «а». Одно из уплотнений находится под давлением рабочей жидкости, а другое - под давлением газовой среды.

Для обеспечения условий жидкостной смазки у газового уплотнителя расстояние «а» между уплотнениями выполняется меньше рабочего хода поршня. Кроме этого, между поршнем и корпусом в зоне уплотнения рабочей жидкости предусмотрен смазочный зазор S, через который жидкость из рабочей камеры, смачивая поршень, перемещается к кольцевым уплотнениям в зависимости от хода поршня.

Однако существенным недостатком известной конструкции является то, что захватываемая поршнем смазка при работе аккумулятора «стаскивается» с наружной поверхности поршня уплотнительным кольцом, установленным в средней части поршня, чем исключается возможность поступления смазки к уплотнительному кольцу, размещенному со стороны газовой камеры. Этот недостаток снижает эксплуатационную надежность работы аккумулятора.

Из известных аналогов заявляемого технического решения наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа поршневой гидроаккумулятор (см. патент WO 3016723 А2, 7 F15В от 18.07.2002 г.). Известный поршневой аккумулятор содержит максимальное количество сходных с заявляемым пневмогидравлическим поршневым аккумулятором (пневмогидравлическим аккумулятором) конструктивных признаков, а именно: корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы с глухим сферическим днищем с ограничительной упорной торцовой поверхностью и центральным входным отверстием для подвода газа, съемную крышку с осевым отверстием для подвода рабочей жидкости и опорным торцом, разделительный поршень, установленный внутри корпуса-гильзы с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования жидкостной и газовой камер, причем поршень включает в себя два уплотняющих участка, разнесенных в осевом направлении поршня и перемещающихся вдоль внутренней стенки пневмогидравлического аккумулятора.

Достоинством известного гидроаккумулятора является то, что в нем для осуществления подвода жидкостной смазки для уплотнительных элементов поршня на его внешней поверхности сформирована кольцевая проточка - коллектор с возможностью ее сообщения с дополнительным центрально расположенным источником подпитки рабочей жидкостью в виде вспомогательного подпружиненного поршневого аккумулятора. В целом известный пневмогидравлический аккумулятор отличается также конструктивной сложностью и, вследствие этого, избыточной трудоемкостью.

Общим недостатком указанных поршневых гидроаккумуляторов является наличие трения поршня в цилиндре, которое создает гистерезис. Потери давления на преодоление сил трения и инерционных сил поршня составляют 1,6...3,2 кгс/см². Поскольку сила трения покоя поршня, уплотненного резиновыми кольцами, может превышать в четыре и более раз силу трения движения (а при длительном пребывании в покое это превышение может достигать десятикратного значения), возможны даже скачкообразные движения поршня, которые под действием сжимаемости газа и значительной инерционности поршня могут перерасти в гармонические колебания поршня с высокой частотой и значительной амплитудой.

Вследствие больших ускорений и значительной массы поршня силы инерции при таких колебаниях могут достигать больших значений, способных вызвать недопустимые колебания давления в газовой камере аккумулятора и связанной с ним гидравлической магистрали. Эти колебания могут явиться причиной усталостных разрушений деталей аккумулятора, а также различных гидравлических приборов системы (см. книгу Т.М.Башта «Гидравлические приводы летательных аппаратов», издательство «Машиностроение», Москва, 1967 г., с.293).

Следует отметить, что в процессе зарядки гидрогазового аккумулятора поршневого типа происходит повышение давления и нагрев сжимаемой в газовой полости среды, сопровождающийся значительным выделением тепла. И наоборот, при разрядке аккумулятора и совершении им полезной работы происходит расширение газа в газовой камере, сопровождающееся понижением температуры и давления в ней. Для достижения наиболее эффективной работы гидроаккумулятора и повышения его КПД процессы, происходящие в газовой камере гидроаккумулятора при его зарядке и разрядке, должны быть максимально приближены к условиям изотермического процесса, при котором взаимосвязь между основными параметрами газа выражается законом Бойля - Мариотта: pV=RT=const, из которого следует, что при постоянной температуре газа (Т) его объем (V) обратно пропорционален давлению (р).

Известный поршневой гидроаккумулятор, принятый в качестве аналога-прототипа, обладает другим недостатком, заключающимся в том, что кроме конструктивно-технологической сложности исполнения разделительного поршня, приводящей к увеличению его массы и инерционных сил, в гидроаккумуляторе отсутствует ряд необходимых конструктивных элементов, которые бы способствовали и активизировали отвод тепла из газовой камеры при сжатии газа в момент зарядки аккумулятора, и, соответственно, осуществляли подвод тепла из окружающей среды при расширении газа во время разрядки аккумулятора, что обеспечивает повышение КПД аккумулятора и производимой внешней работы за счет приближения термодинамических процессов в газовой камере к изотермическим.

В совокупности указанные недостатки известного поршневого гидроаккумулятора и аналога-прототипа в достаточной степени снижают эксплуатационные качества и ограничивают его применение, например, в авиационной технике.

В связи с особенностями работы гидроаккумуляторов поршневого типа, нашедшим достаточно широкое распространение в системах управления летательными аппаратами, к конструкции гидроаккумуляторов наряду с традиционными предъявляются ряд дополнительных специальных требований, касающихся как надежности и прочности, так и простоты конструкции, габаритно-массового совершенства, удобства монтажа и демонтажа в ограниченном монтажном пространстве, удобства и безопасности в эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание такой конструкции пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений, которая сочетает возможности и достоинства известных гидроаккумуляторов, но имеет при этом более простую и надежную и более технологичную конструкцию с одновременным достижением других технико-экономических показателей:

- повышение прочностных характеристик основных силовых элементов пневмогидравлического аккумулятора за счет придания им сферической формы,

- повышение КПД и конструктивное обеспечение увеличения производимой внешней работы за счет приближения процессов в газовой камере к изотермическим.

- минимизация величины механического трения при перемещении разделительного поршня, снижение массы поршня, инерционных сил и гистерезисных явлений на переходных режимах,

- реализация наиболее простого способа подвода жидкостной смазки к уплотнителю поршня, установленного со стороны газовой камеры,

- применение более прогрессивных методов получения заготовок и дешевых, технологичных марок сталей для изготовления силовых деталей пневмогидравлического аккумулятора.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом пневмогидравлическом поршневом аккумуляторе для высоких давлений, содержащем корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы с глухим сферическим днищем с ограничительной упорной торцовой поверхностью и центральным входным отверстием для подвода газа, съемную крышку с осевым отверстием для подвода рабочей жидкости и опорным торцом, разделительный поршень, установленный внутри корпуса-гильзы с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования жидкостной и газовой камер, причем поршень включает в себя два уплотняющих участка, разнесенных в осевом направлении поршня и перемещающихся вдоль внутренней стенки пневмогидравлического аккумулятора, согласно изобретению на внешней поверхности корпуса-гильзы образованы, со стороны открытой части, - резьбовой участок с направляющей поверхностью и уплотнительным устройством, а в средней части - теплообменные элементы в виде развитой периферийной поверхности с формированием на ней ряда разнесенных между собой на равные расстояния в осевом направлении кольцевых ребер с трапецеидальной формой сечения и выполненных за одно целое с корпусом-гильзой, при этом кольцевые ребра равноудалены в радиальном направлении от продольной оси корпуса-гильзы, а отношение высоты трапеции сечения ребра к диаметру зеркала корпуса-гильзы выбрано в соответствии с соотношением:

Н_тр/Д_з≥0,028, где

Н_тр - высота трапеции сечения кольцевого ребра, мм

Д_з - диаметр зеркала корпуса-гильзы, мм.

согласно изобретению днище съемной крышки выполнено в виде вогнутой сферической поверхности, а крышка жестко закреплена на корпусе-гильзе посредством резьбового соединения и осевого поджатия через сформированную на ее внутренней поверхности кольцевую опорную торцовую поверхность с дополнительным наружным стопорением одним либо несколькими установочными винтами, равномерно расположенными по окружности и застопоренными кернением в шлиц, в резьбу в двух или трех точках глубиной 1,0...1,5 мм с углом кернения 60°.

согласно изобретению разделительный поршень образован в виде полого цилиндрического стакана, внутренняя поверхность которого выполнена конической, образующей боковую поверхность усеченного конуса, коаксиально расположенного относительно наружной направляющей поверхности и обращенного большим основанием в сторону расположения газовой камеры, причем боковая поверхность усеченного конуса выполнена с переходом в участок сферической поверхности донной части с повторением конфигурации внутренней сферической полости съемной крышки, а уплотняющая часть поршня включает в себя два дублирующих уплотнительных участка, разнесенных в осевом направлении и аксиально перемещающихся вместе с поршнем вдоль внутренней стенки (зеркала) корпуса-гильзы пневмогидравлического аккумулятора с возможностью изменения объема газовой камеры, при этом на внешней поверхности поршня со стороны расположения газовой камеры, вблизи от уплотнительного участка дополнительно сформирован посредством локального расширения внутренней полости кольцевой наполнитель смазки в виде канавки трапецеидального сечения с размещением в ней кольцевого маслоудерживающего жгута, выполненного из теплоизолирующего и износостойкого материала, например, из асбеста,

согласно изобретению уплотняющие участки пневмогидравлического аккумулятора выполнены в виде встроенных в кольцевые прямоугольные канавки резиновых колец круглого сечения с защитными фторопластовыми кольцами, установленными по обеим сторонам резиновых колец, при этом размер сечения фторопластовых колец в радиальном направлении равен размеру максимальной глубины канавки,

согласно изобретению основные силовые элементы конструкции - корпус, гильза, крышка и разделительный поршень выполнены из среднеуглеродистых низколегированных сталей, упрочненных термической обработкой до значений средней твердости, причем зеркало корпуса-гильзы подвергнуто гальваническому твердому хромированию и хонингованию с последующей полировкой, а полусферы разделительного поршня и съемной крышки сформированы и изготовлены прессованием или глубокой вытяжкой.

В соответствии с предлагаемым изобретением отличительной особенностью пневмогидравлического поршневого аккумулятора является его компактность и небольшая масса, что обусловлено особенностями сферической формы, приданной основным силовым деталям аккумулятора, а также тем, что в стенках шаровидного днища, находящегося под давлением, возникают в два раза меньшие напряжения по сравнению со стенками цилиндра того же диаметра.

Благодаря тому, что масса поршня сравнительно невелика по отношению к массе перемещаемой при работе аккумулятора жидкости, достигнут эффект увеличения быстродействия, так как на разгон поршня или на его торможение необходимо меньшее усилие.

Достижению поставленной задачи способствует также и то, что съемная сквозная крышка корпуса сопряжена с корпусом-гильзой посредством резьбового соединения с дополнительным стопорением (кернением) одним или несколькими винтами в шлиц в резьбу в двух или трех точках на глубину 1...1,5 мм. Такое соединение съемной крышки с корпусом-гильзой заявляемого пневмогидравлического аккумулятора в технологическом плане достаточно просто и обладает по сравнению с прототипом гораздо большей прочностью, надежностью, легкостью и удобством монтажа и разборки в процессе эксплуатации.

В целом предлагаемое техническое решение обусловлено в основном необходимостью обеспечения компактности размещения заявляемого аккумулятора на гидроприводах систем управления летательными аппаратами и удобства подсоединения к нему соответствующих трубопроводов питания.

Благодаря образованию на внешней поверхности корпуса-гильзы теплообменных элементов в виде разнесенных между собой кольцевых ребер удалось термодинамические процессы, происходящие в газовой камере при зарядке и разрядке аккумулятора, приблизить к изотермическим, что обеспечило повышение КПД аккумулятора, его прочностные характеристики и необходимую жесткость корпуса.

Формирование на наружной поверхности поршня кольцевого наполнителя смазки с постановкой маслоудерживающего жгута обеспечило поступление жидкостной смазки на уплотнитель, размещенный со стороны газовой камеры в течение всего отведенного периода работы аккумулятора между очередным техническими обслуживаниями. Использование для изготовления силовых деталей заявляемого пневмогидравлического аккумулятора высокопрочной среднеуглеродистой низколегированной стали типа стали 30ХГСА позволило значительно уменьшить габариты и массу деталей.

В зоне контактирования поршня с корпусом-гильзой реализовано резервированное уплотнение с защитными фторопластовыми кольцами, благодаря чему существенно повышена надежность работы заявляемого пневмогидравлического аккумулятора и практически полностью исключаются утечки рабочей жидкости во внешнюю среду.

Нанесение твердого хромирования на поверхность зеркала корпуса-гильзы и применение финишных операций механической обработки зеркала в виде хонингования с последующей полировкой позволило до минимума снизить величину трения перемещения разделительного поршня и значительно увеличить ресурс работы его уплотнителей.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показан общий вид, разрез пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений с разделительным поршнем 8, установленным внутри корпуса-гильзы 1 с образованием жидкостной 9 и газовой 10 камер.

- на фиг.2 показан общий вид, разрез пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений в заряженном газом состоянии, например, при начальном давлении газа р_н=110 кгс/см²

- на фиг.3 показан общий вид, разрез пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений в заряженном газом и рабочей жидкостью состоянии, например, при р_газа=р_{раб.жид.}=220 кгс/см².

- на фиг.4 показано место А на фиг.1 - конструктивное исполнение варианта стопорения съемной крышки 5.

- на фиг.5 показано место Б на фиг.1 - конструктивное исполнение внешних уплотняющих участков 11 и 12 разделительного поршня 8 и кольцевого наполнителя смазки в виде канавки 22 с размещенным в ней жгутом 23.

Заявляемый пневмогидравлический поршневой аккумулятор высокого давления содержит корпус-гильзу 1 (фиг.1) с глухим сферическим днищем 2 с ограничительной упорной торцовой поверхностью 3 и центральным входным отверстием 4 для подвода газа, съемную крышку 5 с осевым отверстием 6 для подвода рабочей жидкости и опорным торцом 7, разделительный поршень 8, установленный внутри корпуса-гильзы 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования жидкостной 9 и газовой 10 камер, причем поршень 8 включает в себя два уплотняющих участка 11 и 12, разнесенных в осевом направлении поршня 8. На внешней поверхности корпуса-гильзы 1 образованы резьбовой участок 13 с направляющей поверхностью 14 и уплотнительным устройством 15 и теплообменные элементы в виде разнесенных между собой в осевом направлении кольцевых ребер 16 с трапецеидальной формой сечения и выполненных за одно целое с корпусом-гильзой 1.

Днище 17 съемной крышки 5 выполнено в виде вогнутой сферической поверхности, а крышка 5 жестко закреплена на корпусе-гильзе 1 посредством резьбы 18 с упором на внутреннюю торцовую опорную поверхность 7. Крышка 5 дополнительно застопорена установочным винтом 19 (фиг.4).

Разделительный поршень 8 образован в виде полого цилиндрического стакана, внутренняя поверхность 20 которого выполнена конической с переходом в участок 21 со сферической поверхностью донной части, повторяющей конфигурацию сферического днища 17 съемной крышки 5. Уплотняющая часть поршня 8 включает в себя два дублирующих уплотнительных участка 11 и 12 (фиг.1), а со стороны расположения газовой камеры сформирован кольцевой наполнитель смазки в виде канавки 22 (фиг.5) трапецеидального сечения с размещением в ней кольцевого маслоудерживающего жгута 23.

Внешние уплотняющие участки 11 и 12 пневмогидравлического аккумулятора выполнены в виде встроенных в кольцевые прямоугольные канавки 24 резиновых колец 25 круглого сечения с защитными фторопластовыми кольцами 26, установленными по обеим сторонам резиновых колец 25.

Пневмогидравлический поршневой аккумулятор для высоких давлений работает следующим образом:

Перед началом работы в центральное входное отверстие 4 корпуса-гильзы 1 устанавливается зарядное устройство - обратный клапан, показанное на фиг.2 тонкими линиями. Под действие подведенного давления газа обратный клапан зарядного устройства открывается и происходит зарядка газовой камеры 10 аккумулятора до необходимого начального давления, например, до 110...115 кгс/см². В процессе зарядки камеры 10 газом разделительный поршень 8 перемещается в крайнее правое (по фиг.2) положение с упором на торцовую опорную поверхность 7 съемной крышки 5, причем выпуклая сферическая поверхность поршня 8 максимально входит в вогнутую сферическую полость крышки 5, сохраняя при этом минимально необходимый внутренний объем жидкостной камеры 9. В жидкостную камеру 9 производится подача рабочей жидкости через входной штуцер, установленный в съемной крышке 5 (штуцер показан на фиг.3 тонкими линиями).

В результате того, что давление рабочей жидкости превышает давление в газовой камере почти в 2 раза (210...230 кгс/см²) разделительный поршень 8 под действием перепада давления перемещается влево, в сторону своего исходного положения, сжимая газ и накапливая энергию жидкости.

Перемещение поршня 8 под действием давления рабочей жидкости происходит до момента выравнивания давлений в камерах газа 10 и жидкости 9 до величины, равной давлению рабочей жидкости. Выделяемое при этом тепло интенсивно отводится в окружающее пространство стенками корпуса-гильзы 1 и образованными на ее внешней поверхности теплообменными элементами - кольцевыми ребрами 16. Часть тепла отводится через поршень 8 и рабочую жидкость.

При разрядке аккумулятора и совершении им полезной работы происходит расширение газа в газовой камере 10, сопровождающееся понижением температуры и давления. Этот процесс компенсируется подводом тепла из окружающей среды через теплообменные кольцевые ребра 16. В результате перепад давления между началом и концом разрядки уменьшается, а внешняя работа увеличивается, что приближает процессы зарядки и разрядки к изотермическим, приводит к стабилизации давления и увеличению накапливаемой и выдаваемой аккумулятором энергии.

Образцы заявляемого пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений прошли внутризаводские и эксплуатационные испытания в составе приводов и систем управления летательными аппаратами. Испытания подтвердили правильность заложенных в конструкции заявляемого пневмогидравлического поршневого аккумулятора технических решений и возможность получения технического результата, заключающегося в упрощении конструкции пневмогидравлического поршневого аккумулятора для высоких давлений, сокращении его габаритов, повышении надежности и массового совершенства, улучшении сборки и разборки и других эксплуатационных качеств.

Аккумулятор предназначен для аккумулирования энергии в гидроприводах с переменным потреблением энергии жидкости. Аккумулятор содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы с глухим сферическим днищем с ограничительной упорной торцовой поверхностью и центральным входным отверстием для подвода газа, съемную крышку с осевым отверстием для подвода рабочей жидкости и опорным торцом, разделительный поршень, установленный внутри корпуса-гильзы с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования жидкостной и газовой камер, причем поршень включает в себя два уплотняющих участка, разнесенных в осевом направлении поршня и перемещающихся вдоль внутренней стенки пневмогидравлического аккумулятора, при этом на внешней поверхности корпуса-гильзы образованы, со стороны открытой части, - резьбовой участок с направляющей поверхностью и уплотнительным устройством, а в средней части - теплообменные элементы в виде развитой периферийной поверхности с формированием на ней ряда разнесенных между собой на равные расстояния в осевом направлении кольцевых ребер с трапецеидальной формой сечения и выполненных за одно целое с корпусом-гильзой. Технический результат - повышение КПД, эксплуатационной надежности и безопасности, технологичности и ремонтопригодности. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пневмогидравлический поршневой аккумулятор для высоких давлений, содержащий корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы с глухим сферическим днищем с ограничительной упорной торцевой поверхностью и центральным входным отверстием для подвода газа, съемную крышку с осевым отверстием для подвода рабочей жидкости и опорным торцом, разделительный поршень, установленный внутри корпуса-гильзы с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования жидкостной и газовой камер, причем поршень включает в себя два уплотняющих участка, разнесенных в осевом направлении поршня и перемещающихся вдоль внутренней стенки пневмогидравлического аккумулятора, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса-гильзы образованы, со стороны открытой части, резьбовой участок с направляющей поверхностью и уплотнительным устройством, а в средней части - теплообменные элементы в виде развитой периферийной поверхности с формированием на ней ряда разнесенных между собой на равные расстояния в осевом направлении кольцевых ребер с трапецеидальной формой сечения и выполненных за одно целое с корпусом-гильзой, при этом кольцевые ребра равноудалены в радиальном направлении от продольной оси корпуса-гильзы, а отношение высоты трапеции сечения ребра к диаметру зеркала корпуса-гильзы выбрано в соответствии с соотношением:

Н_тр/Д_з≥0,028,

где Н_тр - высота трапеции сечения кольцевого ребра, мм;

Д_з - диаметр зеркала корпуса-гильзы, мм.