ДРОССЕЛЬНЫЙ АДАПТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ПОТОКА Российский патент 2023 года по МПК F15B11/22 F16C32/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к гидроприводам машин и механизмов и может применяться в случаях, когда требуется точное разделение потока рабочей жидкости на две части независимо от нагрузок, либо с адаптивной зависимостью от нагрузок. Также изобретение может применяться в станкостроении в системах питания гидростатических опор, направляющих, подшипников шпинделей, люнетов, передач.

Известны дроссельные делители потока золотникового типа, которые разделяют общий входной поток рабочей жидкости на два или большее количество выходных потоков (а.с. СССР № 469023, а.с. СССР № 481715). Расходы выходных потоков при этом равны или пропорциональны друг другу и не зависят от значений давления на выходах потоков. Однако, адаптацию потоков к изменяющемуся давлению в отводах известные делители не обеспечивают. Кроме того, общим недостатком известных конструкций является наличие контактного трения в паре корпус - золотник и связанные с этим проблемы недостаточной чувствительности, износа, утечек и заеданий в местах сопряжений золотника и корпуса делителя.

Известны также гидростатические опоры скольжения с плавающими регуляторами расхода рабочей жидкости, имеющими как встроенное, так и автономное исполнение (патент РФ № 2406891 «Гидростатическая опора», патент РФ № 2534100 «Гидростатическая опора», патент РФ № 2487280 «Регулятор для гидростатических опор» и др.). Однако эти технические решения предполагают наличие развитых дросселирующих перемычек или протяженных щелей капиллярного типа. Это затрудняет или делает практически невозможным их применение в гидроприводах машин и механизмов в качестве делителей потока, так как в этом случае для обеспечения необходимого силового баланса золотник должен иметь бурты. Это сильно усложняет конструкцию и увеличивает ее массо-габаритные показатели.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является делитель потока (а.с. СССР № 1240961, опубл. 30.06.1986), содержащий корпус с каналом подвода и двумя каналами отвода и цилиндрической расточкой, в которой установлен, с образованием напорной полости и двух полостей отвода, золотник с осесимметричными каналами, образующий своими торцами и торцовыми стенками расточки корпуса регулируемые дроссели. С целью повышения точности деления потока путем устранения влияния изменяющихся давлений в отводах, в осесимметричных каналах золотника выполнены постоянные дроссели, а на наружных участках золотника, расположенных в полостях отвода, выполнены бурты, внутренний диаметр которых равен наружному диаметру золотника.

Достоинством прототипа является близкое к оптимальному отношение эффективных площадей торцев золотника и площади поперечного сечения участков золотника, расположенных в расточке. Площадь проекции торца золотника между внешним и внутренним диаметрами бурта компенсируется наличием площади между внешними диаметрами бурта и диаметром золотника в расточке, на которую действует давление в полости отвода. Это, в совокупности с равенством внутреннего диаметра бурта диаметру золотника и наличием входного сопротивления, обеспечивает необходимый для равенства выходных потоков и их почти полной независимости от изменяющихся значений давления в отводах силовой баланс золотника, а также его устойчивость в осевом направлении.

Однако, для сборки делителя - прототипа необходим разборный золотник, состоящий не менее, чем из двух отдельных деталей, что усложняет как конструкцию золотника, так и процесс его сборки, которая происходит в стесненной полости отвода после установки основной части золотника в расточку. При этом какой-либо подготовки или специального инструмента не предусмотрено. В случае же единого неразборного золотника необходим состоящий из двух половин корпус, в котором выполнена расточка. Очевидно, что и первый, и, особенно, второй варианты реализации такой конструкции достаточно сложны.

Трение в сопряжениях золотника с расточкой корпуса из-за непосредственного механического контакта и необходимости для обеспечения достаточной герметичности весьма малых зазоров проявляется в полной мере, что сильно ограничивает чувствительность делителя потока - прототипа, а также приводит к износу поверхностей сопряжения.

Кроме того, на выходе потока из кольцевой дросселирующей щели имеется пологий участок профиля, который отсутствует на входе, в связи с чем местные сопротивления на входе и на выходе, а также условия воздействия жидкости на золотник существенно различны. Причем на пологой части выхода потока возникает плавное распределение давления, которое оказывает влияние на силовой баланс золотника. С внутренней же стороны буртов из-за цилиндрической формы поверхности и глубокого кармана этого не происходит и давление от кромки до дна кармана изменяется скачкообразно. Поэтому реально эффективная площадь торца золотника несколько больше геометрической площади кармана. Это вызывает погрешности расходов, причем с увеличением давления расход будет уменьшаться. Компенсировать его уменьшение существующая конструкция не позволяет. Возможные утечки через подвижные сопряжения лишь увеличивают погрешность, так как при постоянном сопротивлении сопряжений увеличение давления в отводе также уменьшает расход через сопряжение. В совокупности указанные обстоятельства снижают точность деления потока.

При конструировании машин, механизмов и других устройств нередки случаи, когда предпочтительно адаптивное регулирование разделяемых потоков, при котором возрастание давления в полости отвода вызывает некоторое увеличение (а не уменьшение) расхода потока, и наоборот, уменьшение давления вызывает некоторое уменьшение (а не увеличение) расхода. Конструкция делителя потока - прототипа по указанным выше причинам не позволяет осуществлять адаптивное регулирование потоков.

Наконец, динамические характеристики делителя - прототипа, как правило, недостаточны из-за весьма малого демпфирования перемещений золотника, что обусловлено отсутствием специально предусмотренных средств демпфирования.

Задачей изобретения является повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей делителя потока и одновременное упрощение конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в дроссельном адаптивном делителе потока, содержащем корпус, торцы которого закрыты крышками, имеющий канал подвода и цилиндрическую осесимметричную расточку, в которой установлен золотник с образованием напорной полости и двух полостей отвода, соединенных с двумя каналами отвода сформированных потоков рабочей жидкости, причем золотник имеет входные нерегулируемые дроссели, питающие углубления на его торцах, и выходные регулируемые дроссели в виде кольцевых щелей, ограничивающих углубления на торцах золотника и соединяющих их с полостями отвода, причем образующие кольцевые щели вершины торцев золотника имеют крутые и пологие части согласно изобретению, золотник выполнен составным либо цельным и установлен в цилиндрической расточке с образованием последовательно уменьшающихся дросселирующих зазоров, создающих радиальный гидростатический подвес, обеспечивающий возможность беспрепятственного осевого перемещения золотника, причем в центральной части его боковой поверхности выполнены окружная подводящая распределительная канавка, образующая с цилиндрической расточкой корпуса напорную полость, и отверстие, соединяющее напорную полость посредством постоянных входных дросселей с углублениями на торцах, пологие части вершин кольцевых щелей обращены внутрь торцев золотника, полости отвода образованы корпусом, золотником и крышками, которые установлены с возможностью регулирования углового и осевого положения, имеют каналы отвода сформированных потоков рабочей жидкости и образуют с торцами золотника демпфирующие зоны осевого перемещения последнего.

Радиальный гидростатический подвес выполнен с непрерывным уменьшением дросселирующих зазоров в направлении от окружной подводящей распределительной канавки к торцам золотника, например, коническим или конфузорным.

Составной золотник выполнен из антифрикционного корпуса и вставки из облегченного материала, например, пористой пластмассы, установленной в осевом цилиндрическом отверстии корпуса.

Кроме того, цельный золотник может быть выполнен из облегченного материала, например, антифрикционной пластмассы.

Технический результат, выраженный в расширении функциональных возможностей делителя потока, повышении чувствительности и упрощении конструкции обусловлен тем, что золотник (составной или цельный) установлен в цилиндрической расточке корпуса делителя потока с образованием дросселирующих зазоров, создающих радиальный гидростатический подвес, обеспечивающий возможность беспрепятственного осевого перемещения золотника. В центральной части золотника, на его боковой поверхности выполнена окружная подводящая распределительная канавка, образующая с цилиндрической расточкой корпуса делителя потока напорную полость, соединенную при помощи соединительного отверстия посредством постоянных входных дросселей с углублениями на торцах золотника. Каждый выходной поток образуется суммированием двух параллельных сонаправленных потоков: основного и дополнительного, что создает возможность коррекции потоков, во-первых, для более точного разделения входного потока на равные и независимые от выходных давлений потоки, и во-вторых, для создания адаптивных режимов, при которых увеличение давления на выходе вызывает увеличение потока, и наоборот, уменьшение давления вызывает уменьшение потока. Любой из указанных выше режимов достигается подбором параметров дросселей. Дополнительный поток одновременно обеспечивает работу гидростатического подвеса и корректирует выходной поток. Возможность реализации адаптивного режима обеспечивают, во-первых, отсутствие выраженных буртов золотника и, во-вторых, предложенная конфигурация торцев, при которой пологая часть регулируемых кольцевых щелевых дросселей обращена внутрь торца. Отказ от выраженных буртов золотника также упрощает конструкцию и процесс сборки делителя потока.

Кроме того, внутренние стенки крышек, образуют с центральными частями торцев золотника эффективные демпфирующие зоны его осевого перемещения. Крышки, закрывающие торцы корпуса делителя потока, также установлены с возможностью регулирования их углового и осевого положения, и в них выполнены каналы отвода сформированных потоков рабочей жидкости

На фиг. 1 показана конструкции заявляемого дроссельного адаптивного делителя потока. Фиг. 2 иллюстрирует делитель с цельным золотником и конической формой радиального гидростатического подвеса золотника. На фиг. 3 показаны совмещение профилей торцев золотников заявляемого технического решения (профиль 1) и прототипа (профиль 2), а также соответствующие им эпюры давления рабочей жидкости.

Дроссельный адаптивный делитель потока (фиг. 1) содержит корпус 1 с каналом подвода 2 рабочей жидкости и цилиндрической расточкой 3. В расточке 3 на радиальном гидростатическим подвесе, образованном тонким несущим слоем 4, установлен подвижный золотник 5 с окружной подводящей канавкой 6, соединительным отверстием 7 в центральной части, имеющий торцы 8, 9 с осесимметричными внутренними углублениями 10 и 11, а также дроссельную вставку 12 из облегченного материала. В дроссельной вставке 12 в виде каналов - углублений выполнены постоянные входные дроссели 13 и 14, связывающие отверстие 7 с углублениями 10 и 11 на торцах 8 и 9 золотника 5. Торцы корпуса 1 закрыты крышками 17 и 18 с образованием полостей отвода 15 и 16. Крышки 17 и 18 установлены на корпусе 1 жестко с возможностью регулирования углового и осевого положения. Последнее может достигаться за счет установки регулировочных прокладок (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны). В крышках 17 и 18 выполнены каналы отвода 19 и 20. Выходные регулируемые дроссели 21 и 22 выполнены в виде кольцевых щелей между плоскими внутренними поверхностями (стенками) 23 и 24 крышек 17, 18 и торцами 8, 9 золотниика 5, вершины которых расположены на краях торцев 8 и 9, а пологие части обращены внутрь. Кроме того, внутренние поверхности 23 и 24 крышек 17 и 18 совместно с торцами 8 и 9 золотника 5 (являющихся также торцами дроссельной вставки 12) образуют динамические демпферы осевого перемещения золотника 5. Радиальный гидростатический подвес золотника 5 симметричен относительно оси подводящей канавки 6 и образован последовательно расположенными дросселирующими ступенями, как это показано на фиг. 1. Выступы на периферии цилиндрической поверхности золотника охватываются расточкой 3, образуя выходную ступень гидростатического подвеса золотника 5. Для функционирования гидростатического подвеса, помимо подводимого потока рабочей жидкости, необходимо и достаточно уменьшение дросселирующего зазора по направлению течения жидкости. Поэтому исполнение подвеса может быть различным: ступенчатым, коническим или конфузорным. Корпус составного золотника может быть выполнен из металлического или пластикового антифрикционного материала, а вставка из облегченного материала, например, пористого.

На фиг. 2 показано коническое исполнение радиального гидростатического подвеса, несущий слой 4 которого непрерывно сужается от центра золотника 5 к его торцам. При этом золотник 5 выполнен цельным из облегченного материала, например, антифрикционного пластика. Постоянные входные дроссели 13 и 14 выполнены в виде капиллярных осевых каналов, получаемых, например, глубоким сверлением.

Дроссельный адаптивный делитель потока работает следующим образом.

Общий входной поток рабочей жидкости от внешнего источника (не показан) через канал 2 подвода поступает в окружную подводящую канавку 6 и соединительное отверстие 7 в золотнике 5.

Из окружной подводящей канавки 6 рабочая жидкость через отверстие 7 в золотнике поступает к входным постоянным дросселям 13 и 14, образуя начало основных потоков, а также питает тонкий несущий слой 4 гидростатического подвеса золотника 5, образуя расходящиеся от подводящей канавки 6 дополнительные потоки.

Основные потоки по расходящимся направлениям через дроссели 13 и 14 поступают в углубления 10 и 11 на торцах золотника 5, откуда через регулируемые посредством перемещения золотника 5 дроссели 21 и 22 поступают в полости 15 и 16 отвода. Эти потоки выполняют основную роль в процессе разделения общего входного потока на формируемые выходные потоки и при этом обеспечивают осевую устойчивость золотника 5.

Дополнительные потоки зависят от перепада давления между давлением нагнетания и текущими значениями давлений в полостях 15 и 16 отвода, но при этом практически не зависят от перемещений золотника 5. Эти потоки обеспечивают, во-первых, устойчивое плавающее или (при малых расходах) приближенное к плавающему состояние (гидроразгрузку) золотника, при котором полностью исключается или кардинально снижается контактное трение в паре золотник - расточка корпуса, и, во-вторых, они обеспечивают корректировку параметров формируемых выходных потоков.

При подаче давления в канал 2 подвода основные и дополнительные потоки совместно обеспечивают полноценное устойчивое плавающее состояние золотника, при котором предотвращается контактное трение и за счет этого кардинально возрастает чувствительность золотника к перепаду давлений в отводах. Этому способствуют также облегченная дроссельная вставка или цельное выполнение золотника из облегченного материала. При этом Архимедова сила способна создать плавающее состояние золотника, но устойчивость такого состояния обеспечивают именно «гидростатические подушки» радиального гидростатического подвеса и торцев золотника. Таким образом, Архимедова сила и равнодействующая сил давления движущейся рабочей жидкости при подаче давления в канал подвода действуют совместно, сводя к минимуму или полностью предотвращая механические контакты золотника с корпусом, обеспечивая кардинальное повышение чувствительности золотника к изменениям давлений в отводах.

При этом основные и дополнительные потоки параллельны друг другу и суммируются в полостях 15 и 16 отвода, образуя два итоговых выходных потока. Каждый выходной поток за счет взаимного влияния основного и дополнительного потоков может быть: а) полностью независимым от изменений давления в отводах, б) может иметь заданную зависимость от изменений давления в отводах, реализуя тем самым адаптивное управление выходными потоками, при котором увеличение давления в полости отвода 15 или 16 вызывает некоторое увеличение расхода рабочей жидкости через сопряженный с этой полостью канал отвода 19 или 20, и, наоборот, уменьшение давления вызывает некоторое уменьшение расхода через канал отвода.

На формирование основных потоков оказывают влияние особенности распределения давлений при переходе потоков через дросселирующие кольцевые щели регулируемых дросселей 21 и 22. Вершина дросселирующих щелей не является полностью гидравлически симметричной относительно входа и выхода потоков, в связи с чем эффективная площадь торца существенно отличается от геометрической. Однако, расположение вершин на краях торцев и обращение пологих частей внутрь уменьшают указанную разницу площадей. При этом полная независимость разделенных потоков от давлений в отводах, и, соответственно, высокая точность деления потоков достигается либо при равенстве эффективной и геометрической площадей торцев, либо это может быть достигнуто за счет взаимного влияния основных и дополнительных потоков.

Фиг. 3 поясняет особенности распределения давления, действующего на золотник заявляемого устройства и золотник прототипа, а также принципы формирования потоков и демпфирующих зон. На фиг. 3 показано совмещение профилей торцев золотников заявляемого технического решения (профиль 1) и прототипа (профиль 2), на которых обозначены: r₀ - радиус торца золотника согласно изобретению, равный радиусу кармана и радиусу золотника r_з прототипа, r_б - радиус бурта золотника (прототип).

Выше совмещенных профилей торцев золотников показаны эпюры давления рабочей жидкости, действующие на заявляемый золотник и золотник - прототип. На них обозначены r_э - радиус эффективной площади золотника (изобретение), r_эп - радиус эффективной площади золотника (прототип). Линия 1 показывает эпюру давления на торце по изобретению, а линия 2 - по прототипу. Р_вх - давление в углублении торца золотника согласно изобретению и в кармане прототипа; Р_вых - давление в полости отвода (по изобретению и прототипу).

Неравенство справедливо для рассматриваемых случаев из-за разнонаправленных уклонов дросселирующих щелей регулируемых дросселей. Но, если в случае золотник приобретает дополнительную активность из-за воздействия изменяющегося давления Р_вых в полости отвода на участок выходной площади , то в прототипе происходит обратное явление. Последнее обусловлено тем, что с внутренней центральной стороны на бурт (на площадь ) действует неизменное давление Р_вых в полости отвода, а с внешней торцевой стороны на ту же самую площадь проекции бурта действует давление Р, эпюра которого при приближении к вершине имеет участок плавного изменения давления, на котором давление существенно отличается от Р_вых и при приближается к Р_вх. В результате при увеличении Р_вых равнодействующая сил давления на бурт золотника в прототипе направлена в сторону уменьшения зазора дросселирующей щели, из-за чего расход жидкости выходного потока будет несколько уменьшаться. При наличии утечек через подвижные сопряжения этот поток при увеличении давления в полости отвода также уменьшится.

Следует отметить, что погрешности расходов основного и дополнительного потоков в прототипе сонаправлены, а в заявляемом изобретении разнонаправлены. Поэтому предлагаемая конструкция, в отличие от прототипа, позволяет взаимно компенсировать погрешности расходов, а также корректировать фактические отклонения расходов. Это осуществимо как на стадии проектирования, так и в случае необходимости доводки, например, с помощью притирки ответственных поверхностей золотника, на которых происходит дросселирование.

Кроме того, в типичных случаях, когда требуется, чтобы, например, шток более нагруженного цилиндра выдвигался на несколько большую величину, чем шток менее нагруженного цилиндра, дроссельный адаптивный делитель потока, согласно предлагаемому изобретению, позволяет реализовать такую возможность. Это обеспечивается за счет выполнения более существенной выходной эффективной площади и является разновидностью адаптивного управления, реализующей обратную связь по давлению в отводах. Реализовать такой адаптивный режим работы позволяет, например, выполнение более пологой вершины регулируемых дросселей, имеющей менее заостренные участки профиля сечения кольцевой щели.

При динамическом нагружении золотника, как при резком изменении давлений в отводах, так и при его периодической пульсации и в некоторых других случаях, гашение колебаний золотника в осевом направлении наиболее эффективно при помощи демпфирующих зон капиллярного типа, которые образованы центральными частями торцев золотника и внутренними стенками крышек. Радиус таких зон демпфирования может достигать 80 % от радиуса торца золотника. При этом сила демпфирования даже при 65 % радиусе, создаваемая зоной, превышает остальное демпфирование более чем в 6 раз. Это позволяет проектировать делители с оптимальным демпфированием, задавая необходимый радиус таких зон.

Настроечные значения регулируемых сопротивлений и сил демпфирования вышеупомянутых зон могут также регулироваться или корректироваться посредством установки специальных регулировочных прокладок, или одной прокладки, (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны) между посадочными поверхностями корпуса и крышек, для чего последние установлены с возможностью осевого перемещения.

Следует отметить, что упрощение конструкции делителя потока достигается за счет того, что предлагаемое техническое решение позволяет достигнуть баланс устойчивого положения золотника и расходов потоков рабочей жидкости без образования выраженных выступающих буртов золотника, которые, в свою очередь, требуют составной конструкции золотника и необходимости окончательной сборки последнего после установки его в корпус.

Предлагаемая конструкция делителя потока позволяет также регулировать направления выходных каналов (и соответственно, штуцеров, трубок, шлангов), поскольку крышки корпуса установлены с возможностью поворота по оси. Для практических целей это удобно и также выгодно отличает заявляемый дроссельный адаптивный делитель потока от аналогов и прототипа.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к дроссельным адаптивным делителям потока. Делитель потока содержит корпус. Торцы корпуса закрыты крышками. Корпус имеет канал подвода и цилиндрическую осесимметричную расточку. В осесимметричной расточке установлен золотник. В золотнике образованы напорная полость и две полости отвода. Золотник имеет входные нерегулируемые и выходные регулируемые дроссели. Образующие кольцевые щели вершины торцов золотника имеют крутые и пологие части. Золотник установлен в цилиндрической расточке с образованием последовательно уменьшающихся дросселирующих зазоров. Полости отвода образованы корпусом, золотником и крышками, которые установлены с возможностью регулирования углового и осевого положения. Достигается повышение чувствительности делителя потока. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Дроссельный адаптивный делитель потока, содержащий корпус, торцы которого закрыты крышками, имеющий канал подвода и цилиндрическую осесимметричную расточку, в которой установлен золотник с образованием напорной полости и двух полостей отвода, соединенных с двумя каналами отвода сформированных потоков рабочей жидкости, причем золотник имеет входные нерегулируемые дроссели, питающие углубления на его торцах, и выходные регулируемые дроссели в виде кольцевых щелей, ограничивающих углубления на торцах золотника и соединяющих их с полостями отвода, причем образующие кольцевые щели вершины торцов золотника имеют крутые и пологие части, отличающийся тем, что золотник выполнен составным либо цельным и установлен в цилиндрической расточке с образованием последовательно уменьшающихся дросселирующих зазоров, создающих радиальный гидростатический подвес, обеспечивающий возможность беспрепятственного осевого перемещения золотника, причем в центральной части его боковой поверхности выполнены окружная подводящая распределительная канавка, образующая с цилиндрической расточкой корпуса напорную полость, и отверстие, соединяющее напорную полость посредством постоянных входных дросселей с углублениями на торцах, пологие части вершин кольцевых щелей обращены внутрь торцов золотника, полости отвода образованы корпусом, золотником и крышками, которые установлены с возможностью регулирования углового и осевого положения, имеют каналы отвода сформированных потоков рабочей жидкости и образуют с торцами золотника демпфирующие зоны осевого перемещения последнего.

2. Делитель потока по п. 1, отличающийся тем, что радиальный гидростатический подвес выполнен с непрерывным уменьшением дросселирующих зазоров в направлении от окружной подводящей распределительной канавки к торцам золотника, например коническим или конфузорным.

3. Делитель потока по п. 1 или 2, отличающийся тем, что составной золотник выполнен из антифрикционного корпуса золотника и вставки из облегченного материала, например пористой пластмассы, установленной в осевом цилиндрическом отверстии корпуса.

4. Делитель потока по п. 1 или 2, отличающийся тем, что цельный золотник выполнен из облегченного материала, например антифрикционной пластмассы.