ГИДРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F03C1/00 A01G25/00 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам гидроавтоматики, работающим за счет энергии потока воды, и может применяться в гидросистемах в виде образователя возвратного поступательного движения штока и, в частности, в сельском хозяйстве для механизации орошения с/х культур с помощью поливных агрегатов, рабочий орган которых перемещается по полю, осуществляя полив посредством привода намоточного устройства.

Известен гидродвигатель поливного агрегата, включающий гидроцилиндр, кинематически связанный с гидравлическим распределителем и программатором [1].

Недостатком этого гидродвигателя является слив воды из подпоршневой полости гидроцилиндра в атмосферу, что создает проблемы ее утилизации и приводит к непроизводительным потерям оросительной воды. В этих конструкциях сливаемую воду используют для орошения близлежащих к намоточному устройству площадей или организуют сброс за пределы участка орошения. В первом случае не достигается приемлемое качество полива (происходит переувлажнение площади, на которую распределяется слив), во втором - имеет место непроизводительные потери оросительной воды.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является гидродвигатель, включающий гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком, кинематически связанный с распределителем, гидравлически связанным с надпоршневой и подпоршневой полостями гидроцилиндра и напорным трубопроводом, при этом гидродвигатель снабжен задвижкой с гидроприводом, установленной на напорном трубопроводе, а ее гидропривод гидравлически связан через распределитель с надпоршневой и подпоршневой полостями гидроцилиндра, соответственно соединенными с напорным трубопроводом до задвижки и после нее [2].

Недостатком этого гидродвигателя является невозможность регулирования частоты циклов возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра и большие колебания давления в напорном трубопроводе после задвижки с гидроприводом, необходимое для надежного обеспечения возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра (задвижка закрыта или открыта), что приводит к увеличению энергозатрат и ухудшению качества полива через дождеобразующее устройство в поливных агрегатах.

Давление воды после задвижки с гидроприводом зависит от размеров поршня и штока гидроцилиндра и изменяется в пределах от P_min до Р_max по зависимости:

где Р_max - давление после задвижки при полном ее открытом состоянии;

P_min - давление после задвижки, необходимое для обеспечения холостого хода штока гидроцилиндра;

S₁ - площадь поршня гидроцилиндра со стороны штока;

S₂ - полная площадь поршня гидроцилиндра.

При малых частотах циклов штока, что имеет место, например, в поливных агрегатах при выдаче больших поливных норм, при поверхностном поливе, продолжительность одного цикла возвратно-поступательного движения штока может достигнуть 600 с. Из-за отсутствия регулировки продолжительности рабочего хода (движение штока с правого положения в левое) относительно холостого хода (движение штока с левого положения в правое) штока гидроцилиндра, время нахождения задвижки в закрытом состоянии может составить значительную часть общего времени работы агрегата, что приводит к большим энергозатратам, так как напорообразующий узел (электронасос) работает на закрытую задвижку, употребляя электроэнергию и совершая минимальную полезную работу (перемещает шток гидроцилиндра с левого положения в правое - холостой ход штока).

Целью предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат гидродвигателя при совершении возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра, особенно в малом диапазоне частоты циклов, и уменьшение величины колебаний давления в напорном трубопроводе после задвижки с гидроприводом путем увеличения продолжительности рабочего хода (задвижка открыта, потери напора отсутствуют) штока гидроцилиндра относительно продолжительности его холостого хода (задвижка прикрыта, есть потери напора) в пределах общей продолжительности цикла возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра, а также применения эжектора для исключения влияния размеров поршня и штока гидроцилиндра на изменения давления после задвижки с гидроприводом и снижения потери напора на задвижке.

Поставленная цель достигается тем, что задвижка выполнена регулируемой и снабжена обводным гидравлическим каналом с эжектором, при этом посредством распределителя подпоршневая полость имеет возможность поочередного соединения с напорным трубопроводом до задвижки и эжектором, а рабочая полость гидропривода соединена с напорным трубопроводом до задвижки через регулируемый дроссель и имеет возможность сообщения с эжектором, кроме этого канал связи, сообщающий распределитель с подпоршневой полостью гидроцилиндра, снабжен параллельно установленным обратным клапаном и регулируемым дросселем.

Сущность предлагаемого изобретения приведена на чертежах, где на Фиг.1 - принципиальная гидравлическая схема гидродвигателя, на Фиг.2 - конструктивная схема распределителя и на Фиг.3 - конструктивная схема задвижки с гидроприводом.

Гидродвигатель состоит из гидроцилиндра 1 с подпоршневой 2 и надпоршневой 3 полостями, штока 4 с упорами 5, 6, 7, переключателя 8 с пружиной 9, обеспечивающей два устойчивых положения переключателя 8, распределителя 10 и задвижки 11 с гидроприводом 12, установленной на напорном трубопроводе 13 и снабженной обводящим гидравлическим каналом 14 с эжектором 15.

Распределитель 10 включает корпус 16 с входными 17, 18 и выходными 19, 20, 21 каналами, шток 22 с поршень-клапанами 23, 24, ограничителями хода 25, 26, уплотнителем 27 и пятой 28. Шток 22 образует с корпусом 16 полости 29, 30.

Задвижка 11 с гидроприводом 12 содержит корпус 31 с седлом 32, клапан 33 со штоком 34, входной канал 35, мембрану 36 с жестким центром, закрепленную на штоке 34, надмембранную полость (рабочую) 37 и подмембранную полость 38, сообщенную с напорным трубопроводом 13 через канал связи 39. Шток 34 выведен в атмосферу и снабжен регулировочной гайкой 40.

Распределитель 10 посредством пяты 28 и переключателя 8 кинематически связан со штоком 4 гидроцилиндра 1. Надпоршневая полость 3, надмембранная полость 37 и входные каналы 17, 18 соединены с напорным трубопроводом 13 до задвижки 11 через канал связи 41, фильтр 42 и канал связи 43 и соответственно с каналами связи 44, 45, 46 и 47. Каналы 45 и 46 соединены с напорным трубопроводом 13 через регулируемый дроссель 48. Выходной канал связи 19 соединен с подпоршневой полостью 2 через канал связи 49 с параллельно установленными обратным клапаном 50 и регулируемым дросселем 51, а выходные каналы 20 и 21 сообщены с эжектором 15 через каналы связи 52 и 53.

Регулировочной гайкой 40 устанавливается степень приближения клапана 33 к седлу 32, что обеспечивает необходимый перепад на задвижке 11 для работы эжектора 15, действующего по принципу сопла Вентури. Перепад напора при этом на задвижке 11 не зависит от размеров поршня и штока гидроцилиндра и может составить лишь 10-20% от давления в напорном трубопроводе 13, что является достаточным для обеспечения холостого хода штока 4 за непродолжительный промежуток времени.

Гидродвигатель работает следующим образом.

Вода из напорного трубопровода 13 до задвижки 11 с гидроприводом 12, проходя, в основном, через нее и частично через обводной канал 14 с эжектором 15 поступает в напорный трубопровод после задвижки 11 и далее к потребителю. При этом небольшая часть воды из трубопровода 13 через фильтр 42 поступает к гидроцилиндру 1, распределителю 10 и гидроприводу 12 и через канал связи 53, эжектор 15, поступая в напорный трубопровод 13 после задвижки 11, подается к потребителю, приводя шток 4 к возвратно-поступательному движению с определенный частотой цикла.

Происходит это следующим образом.

В положении, когда шток 4 занимает крайне правое положение (начало цикла возвратно-поступательного движения штока 4 (Фиг.1)), пружина 9 переключателя 8 посредством пяты 28 приводит шток 22 распределителя 10 в крайне левое положение, до прикосновения ограничителя хода 25 к корпусу 16 (Фиг.2).

При этом входные каналы 17, 18 и выходной канал 21 закрываются, а подпоршневая полость 2 через канал связи 49, обратный клапан 50 и регулируемый дроссель 51, выходные каналы 19, 20, полость 30 и каналы связи 52, 53 сообщаются с эжектором 15. Вода из напорного трубопровода 13 через канал связи 43, фильтр 42 и канал связи 41 поступает в надпоршневую полость 3, входные каналы 17, 18 и 35 соответственно через каналы связи 44, 46, 47 и 45. Так как входные каналы 17 и 18 закрыты соответственно поршень - клапанами 23 и 24, в рабочей полости 37 создается такое же давление, как и в полости 38, вследствие чего мембрана 36 с жестким центром попадает в равновесие и, благодаря потоку воды, проходящему через задвижку 11, и развивающейся разнице давлений до и после задвижки, клапан 33 со штоком 34 приближается к седлу 32 корпуса 31 величиной, определяемой регулировочной гайкой 40. При этом создается определенный перепад давлений между входом и выходом, достаточный для работы эжектора 15 и обеспечения минимальной продолжительности холостого хода штока 4 (Фиг.3).

После создания перепада давлений на задвижке 11 (начало холостого хода штока 4), благодаря работе эжектора 15, снижающего давления в подпоршневой полости 2, обратного клапана 50 и давление воды на поршень гидроцилиндра 1 со стороны подпоршневой полости 3, шток 4 за непродолжительное время перемещается с крайне правого положения в крайне левое положение, вытесняя воду из подпоршневой полости 2 через распределитель 10 и эжектор 15 в напорный трубопровод 13 после задвижки 11 и далее к потребителю (конец холостого хода штока 4). В конце хода штока 4, упор 7, взаимодействуя с переключателем 8, переводит шток 22 с уплотнителями 27, предотвращающими истечения воды из полостей распределителя 10 в атмосферу, в крайне правое положение, до прикосновения ограничителя 26 к корпусу 16. При этом входной 17 и выходной 21 клапаны сообщаются между собой полостью 29, выходной канал 20 закрывается поршнем 23, а входной 18 и выходной 19 каналы сообщаются между собой через полость 30. Надмембранная полость 37 через входной канал 35, канал связи 45, входной канал 17, полость 21 и канал связи 53 сообщается с эжектором 15, а через регулируемый дроссель 48 - с каналом связи 41 (напорным трубопроводом 13). Благодаря работе эжектора 15, высасывающего из надмембранной полости 37 больше расхода воды, чем поступает в нее через регулируемый дроссель 48, в надмембранной полости 37 давление снижается. Под давлением воды в полости 38, поступающей из напорного трубопровода 13 через отверстие 39, мембрана 36 с жестким центром перемещается в крайне верхнее положение, отводя с помощью штока 34 клапан 33 от седла 32 на максимальное расстояние, при котором потери напора на задвижке 11 исчезают, и вода свободно из напорного трубопровода до задвижки 11 поступает в часть напорного трубопровода после нее и далее к потребителю (начало рабочего хода штока 4).

При этом вода из напорного трубопровода 13 через канал связи 43, фильтр 42, каналы связи 41, 47, вход 18, полость 30, выход 19, канал связи 49 и регулируемый дроссель 51 поступает в подпоршневую полость 2 и за продолжительное время перемещает шток 4 с крайне левого на крайне правое положение (конец рабочего хода), вытесняя воду из полости 3 обратно в напорный трубопровод (канал связи 41). В конце рабочего хода штока 4 упор 6, взаимодействуя с переключателем 8, переводит шток 22 распределителя 10 в крайне левое положение (конец цикла возвратно-поступательного движения штока 4). Далее цикл повторяется, шток 4 совершает возвратно-поступательное движение и взаимодействуя упором 5 на любые известные преобразующие механизмы может совершить полезную работу, в частности, в поливных агрегатах может наматывать гибкий трубопровод, с рабочим органом на конце, на барабан и осуществлять полив в движении.

Продолжительность рабочего хода штока 4, степень прикрытия задвижки 11, с целью получения перепада давления для работы эжектора 15 и степень открытия задвижки 11 регулируются соответственно регулируемым дросселем 51, регулировочной гайкой 40 и регулируемым дросселем 48.

Таким образом, благодаря выполнению задвижки 11 с гидроприводом 12 регулируемой и снабжению ее обводным каналом 14 с эжектором 15, выполнению каналом связи 49 с параллельно установленными обратным клапаном 50 и регулируемым дросселем 51 и специальным взаимосвязям гидроцилиндра 1, распределителя 10 и гидравлических каналов связи, достигнуто сокращение величины изменения давления после задвижки 11, уменьшены энергозатраты при малых частотах циклов возвратно-поступательного движения штока 4, как за счет снижения перепада давления на задвижке 11, так и за счет увеличения доли продолжительности рабочего хода штока 4 (задвижка 11 полностью открыта и потери напора на ней сведены к нулю) в общей продолжительности цикла его возвратно-поступательного движения, что в целом приводит к улучшению параметров потока воды, подаваемой к потребителю.

Экспериментальный образец предлагаемого изобретения изготовлен в производственных условиях мастерских ФГНУ ВНИИ «Радуга» со следующими параметрами:

- диаметр поршня гидроцилиндра 1- 120 мм- диаметр штока 4 гидроцилиндра 1- 90 мм- ход штока 4- 170 мм- напорный трубопровод 13- 1¹/₄′′- задвижка 11- 1¹/₄′′- эжектор 15- 1′′- регулируемые дросселя 48, 51 (кран шаровой)- 1/2′′- обратный клапан 50- 1/2′′- каналы гидравлической связи (сантехнический армированный шланг с диаметром проходного сечения 6 мм)- 1/2′′

и проведены стендовые испытания в лабораторных условиях.

Положение регулируемых дросселей 48, 51 и регулировочной гайки 40 (Фиг.1) регулировались в начале испытания и не изменялись во всех опытах. Результаты испытаний приведены ниже в таблице и показывают, что средневзвешенные потери напора на задвижке 11, для обеспечения работы гидродвигателя в разных режимах (опытах) его работы не превышают 5% от напора в напорном трубопроводе до задвижки 11, что намного меньше значения потерь как поршневых, так и турбинных гидродвигателей, применяемых, например, в сельском хозяйстве в поливных агрегатах для наматывания поливного шланга с рабочим органом на конце на барабан. В известных агрегатах для обеспечения работы гидродвигателя затрачивается до 20% энергии потока воды, подаваемой потребителю.

Таблица№ п/пНаименование показателейЕдиница измеренияРасстояние клапана 33 от седла 32 при холостом ходе штока 4, равное 2,0 ммОпыт - 1Опыт - 2Опыт - 3Опыт - 4Опыт - 5Опыт - 61Давление в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11 при рабочем ходе штока 4МПа0,210,300,400,490,590,682Давление в напорном трубопроводе 13 после задвижки 11 при рабочем ходе штока 4МПа0,210,290,390,480,570,663Давление в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11 при холостом ходе штока 4МПа0,270,360,460,560,650,724Давление в напорном трубопроводе 13 после задвижки 11 при холостом ходе штока 4МПа0,200,270,340,410,480,545Минимальная продолжительность рабочего хода штока 4 (регулируемый дроссель 51 открыт полностью)с15,012,510,59,58,37,86Продолжительность цикла возвратно-поступательного движения штока 4с424345303272251,5236,57Продолжительность рабочего хода штока 4с3963202802502302158Продолжительность холостого хода штока 4с2825232221,521,59Расход воды к потребителю при рабочем ходе штока 4л/с1,671,962,282,532,752,9610Расход воды к потребителю при холостом ходе штока 4л/с1,631,892,122,332,532,6811Средневзвешенная потеря напора воды на задвижке 11 за 1 цикл возвратно-поступательного движения штока 4м0,451,631,922,053,183,32

Средневзвешенная потеря напора воды на задвижке 11 (ΔН_ср.) за 1 цикл возвратно-поступательного движения штока 4 определяется по зависимости:

где

q₁ - расход воды к потребителю при рабочем ходе штока 4, л/с;

q₂ - расход воды к потребителю при холостом ходе штока 4, л/с;

t₁ - продолжительность рабочего хода штока 4, с;

t₂ - продолжительность холостого хода штока 4, с;

H₁ - давление в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11 при рабочем ходе штока 4, м;

Н₂ - давление в напорном трубопроводе 13 после задвижки 11 при рабочем ходе штока 4, м;

Н₃ - давление в напорном трубопроводе 13 до задвижки 11 при холостом ходе штока 4, м;

Н₄ - давление в напорном трубопроводе 13 после задвижки 11 при холостом ходе штока 4, м.

Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве значительно повысит надежность и эффективность гидроуправляемых систем.

Устройство предназначено для использования в гидросистемах поливальных установок в виде образователя возвратно-поступательного движения штока, в частности, в сельском хозяйстве для механизации орошения с/х культур с помощью поливных агрегатов, рабочий орган которых перемещается по полю, осуществляя полив посредством привода намоточного устройства. Гидродвигатель включает гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком. Задвижка содержит гидропривод, выполнена регулируемой и снабжена обводным гидравлическим каналом с эжектором. Посредством распределителя подпоршневая полость имеет возможность поочередного соединения с напорным трубопроводом до задвижки и эжектором. Рабочая полость гидропривода соединена с напорным трубопроводом до задвижки через регулируемый дроссель и имеет возможность сообщения с эжектором. Канал связи, сообщающий распределитель с подпоршневой полостью гидроцилиндра, снабжен параллельно установленными обратным клапаном и регулируемым дросселем. Снижаются энергозатраты гидродвигателя при совершении возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра в малом диапазоне частоты циклов и уменьшаются колебания давления в напорном трубопроводе после задвижки с гидроприводом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Гидродвигатель, включающий гидроцилиндр двухстороннего действия со штоком, задвижку с гидроприводом, установленную на напорном трубопроводе, и распределитель, кинематически связанный со штоком гидроцилиндра и гидравлически - с напорным трубопроводом, подпоршневой полостью гидроцилиндра и рабочей полостью гидропривода задвижки, отличающийся тем, что задвижка выполнена регулируемой и снабжена обводным гидравлическим каналом с эжектором, при этом посредством распределителя подпоршневая полость имеет возможность поочередного соединения с напорным трубопроводом до задвижки и эжектором, а рабочая полость гидропривода соединена с напорным трубопроводом до задвижки через регулируемый дроссель и имеет возможность сообщения с эжектором.2. Гидродвигатель по п.1, отличающийся тем, что канал связи, сообщающий распределитель с подпоршневой полостью гидроцилиндра, снабжен параллельно установленными обратным клапаном и регулируемым дросселем.