parallax background
 

Инновационное устройство



Узнать больше

Роторно-поршневой насос, регулируемая гидропередача

1. Роторно-поршневой насос

tabula
ris 4 b

1-5

1Принцип работы конструкции
Устройство сконструировано на базе роторно-поршневого механизма (РПМ) от двигателя известного немецкого изобретателя Ванкеля. Но для выполнения функции перекачки жидкости и газа РПМ преобразован следующим образом. Для трехвершинного поршня выбрана другая рабочая поверхность – гипотрохоидальная вместо старой по треугольнику Рëло. Для внутренней поверхности камеры применена новая внутренняя поверхность, обеспечивающая механизму более точное функционирование, выведены ее математические формулы. Возможно применять старый вариант – с эпитрохоидной поверхностью, которая допускает некоторую пульсацию.
По принципу работы насос относится к объемным устройствам с всасыванием и последующим выдавливанием жидкости или газа из внутренней полости.
2Область применения насоса и преимущества
Новый насос предназначен для:
̶ использования в отрасли нефтедобычи вместо шахтных поршневых насосов с громоздким наземным оборудованием и вместо недолговечных многовинтовых насосов;
̶ обслуживания систем перекачки жидкости или газа, а также силовых систем (гидравлических и пневматических) контроля и управления с электронным обеспечением, например, в автомобилях;
̶ водоснабжения жилых строений вместо зубчатых, поршневых, центробежных и др. типов насосов.
Преимущества нового насоса перед вышеуказанными:
̶ производительность в 2-2,5 раза выше (при равных габаритах и массе);
̶ КПД насоса > 0,92 (у вышеуказанных ≈0,85).
3Краткое описание конструкции основных звеньев
На рис.1 насос представлен в сборе, а на рис.2 – в разобранном состоянии.
Основными звеньями роторно-поршневого насоса являются: корпус 4, гильза 1, поршень 2, эксцентриковый вал 3, крышка сквозная 6, крышка глухая 7.
Корпус 4 снабжен всасывающим и нагнетающим штуцерами 11 и служит для неподвижного размещения гильзы 1.
Гильза 1 снаружи снабжена двумя каналами 13. Один канал связан с нагнетающим штуцером 11, другой – со всасывающим. Для обеспечения равномерной перекачки внутренняя поверхность гильзы должна быть обработана по специальной фигурной поверхности, по которой точно скользит и перекатывается поршень 2. Рассчитаны и выведены математические формулы этой поверхности. Если допускается некоторая пульсация струи при перекачке, то поверхность может быть обработана по эпитрохоидальной поверхности.
Поршень 2 служит для вытеснения и всасывания жидкости или газа при вращении вала. Для обеспечения равномерной перекачки наружная поверхность поршня должна быть обработана по специальной гипотрохоиде с тремя скругленными вершинами. Если допускается некоторая пульсация струи, то поверхность может быть обработана по поверхности с направляющей ∆ Рëло. Внутренняя поверхность поршня – цилиндрическая и служит для подвижной посадки на эксцентрик вала. Торцы поршня плоские.
Эксцентриковый вал 3 служит для передачи энергии вращения роторному узлу насоса. Внутренняя часть вала выполнена в виде эксцентрика 5 для подвижной посадки на него поршня 2.
Крышки 6, 7 служат для опоры вала 3 и ограничения продольного смещения поршня 2 и эксцентрика 5 с валом, которые во время функционирования насоса свободно скользят своими плоскими торцам по внутреннему плоскому торцу каждой крышки.
Примечание. На рисунках не показаны вспомогательные детали такие, как уплотнения, подшипники, опорные стойки, крепеж и т.д.
4Общее описание функционирования насоса
На основе подетально описанной выше конструкции устройства ниже разобрана последовательность функционирования насоса при перекачке, например, жидкости.
На рис.3 показан общий вид насоса в поперечном разрезе. В основных линиях, показаны неподвижные детали и одно из возможных промежуточных положений звеньев роторного механизма насоса, а в тонких линиях – начальное положение поршня и вала. Для простого восприятия принципа работы насоса надо исходить из следующих условий:
− в начальной ситуации одна из вершин поршня Со находится на вертикали в верхнем положении;
− вал 3 вращается с постоянной скоростью n3 против час. стр.;
− отношение скоростей вращения поршня 2 и вала 3 равно: n2/ n3=1/3.
В любой момент времени в поперечном сечении устройства поршень имеет не менее 4 точек контакта с гильзой, которые делят пространство между поршнем и гильзой на переменные по объему части. Кроме того, силы в точках контакта точно вращают поршень со скоростью в 3 раза меньше, чем у вала. Это обеспечивается только при новых вышеуказанных рабочих поверхностях поршня и гильзы. Понижающая зубчатая передача (как было в двигателе Ванкеля) теперь не нужна.
При повороте вала 3 с кулачком 5 на угол &alpha против часовой стрелки поршень, выйдя из начального положения 2о, показанное в тонких линиях, займет положение 2 &alpha , повернувшись вокруг своей оси на угол &alpha/3. Это происходит под воздействием сил давления жидкости и реакций в точках контакта поршня с гильзой. При этом из полостей M и m вытесняется жидкость, которая через канальные отверстияⅠ, Ⅱ и окружной канал связи 13 поступает в левый нагнетающий штуцер 11. Одновременно полости N и n расширяются, всасывая жидкость через другие канальные отверстия Ⅲ, Ⅳ и другой окружной канал связи 13´ (находящийся за каналом 13) из правого всасывающего штуцера 11´. При дальнейшем повороте вала и поршня эта поступившая жидкость вытесняется в левый нагнетающий штуцер как описано выше в начале процесса. Такая прокачка жидкости происходит постоянно при вращении вала в любом положении поршня. При вращении вала 3 в обратном направлении – по часовой стрелке вышеприведенный поток жидкости меняет направление и перекачка будет происходить в обратную сторону.
Очевидно, что за один оборот представленный насос всасывает и дальше выдавливает больше жидкости (в ≈2 раза), чем шестернями зубчатого насоса, условно вставленными во внутренние габариты на рис.1 (из-за ограниченности высоты зубьев).
5Характеристика насоса
На рис.3 представлено схематично взаимное расположение поршня относительно четырех отверстий, из которых и Ⅱ работают как нагнетающие, а и ̶ как всасывающие при вращении поршня и вала против час. стр. Характеристики насоса по подаче показаны на рис.4.
Выбраны два типа характеристик подачи:
̶ на рис.4&alpha представлена удельная подача по углу поворота вала
̶ угловая подача Vуг (см3/град.);
̶ на рис.4&beta дана удельная временная подача, т.е. за единицу времени ̶ Vвр (см3/сек.).
Характеристика подачи через определенное отверстие прослеживается по соответствующей линии:
̶ подача через отв. изображена сплошной тонкой линией V,
̶ подача через отв. – тонкой штриховой V;
̶ суммарная подача насоса изображена утолщенной сплошной пинией V.
На графиках видно, что при неизменных оборотах суммарная подача постоянна. Это было подтверждено экспериментально на опытном образце: выходящий поток был равномерный без пульсаций, рассеивания и закручивания.
Закономерность характеристик подачи базируется на смещенной недеформированной синусоиде y = a + b sin (x - c), из которой выведены следующие формулы:
Доказательством неизменной подачи насоса в единицу времени при постоянных оборотах является симметричность др. др. двух кривых относительно их общей продольной оси. Как наглядно показано на рис.4b, в любой произвольный момент, соответствующий секущей линии с-с, ордината точки V(c-c) на линии общей подачи равна сумме ординат точек V(c-c)и V(c-c)на кривых линиях подач из отверстий.
Графики на рис.4 построены по результатам испытания опытного образца, имеющего следующие данные: рабочий объем Vp = 90см3/об., n = 300 об/мин., рабочее давление р <5 бар, производительность Q = 27 л/мин. Прокачивалось масло гидравлическое RANDO HD46 (вязкость 46 сСт).

2. Регулируемая гидропередача

1Принцип работы и конструкции
Устройство гидропередачи также сконструировано на базе роторно-поршневого механизма (РПМ) от двигателя Ванкеля. Но для выполнения функции трансформации оборотов рабочие поверхности основных звеньев РПМ (поршней и камер) преобразованы также, как в насосе (см. п. Ⅰ.1).
Принцип работы передачи основан на перекачке (выдавливании) рабочей жидкости ведущим поршнем в камеру ведомого поршня приводя его и ведомый вал во вращение. Другими словами, РПМ в камере ведущего вала работает в режиме насоса, а РПМ в камере ведомого вала – в режиме гидромотора. Изменяя соотношение объемов полостей над поршнями (перемещением двухкамерной гильзы), меняем скорость вращения ведомого вала, т.е. передаточного отношения, пропорционально соотношению этих объемов. Скорость ведомого вала можно менять от max до ≈ 0 (когда объем «ведущей» полости станет ≈ 0) и обратно плавно и бесступенчато.
2Область применения гидропередачи и преимущества.
Новая гидропередача предназначена для использования в автоматической трансмиссии в средствах передвижения вместо распространенного аналога – гидропередачи с гидротрансформатором.
Преимущества новой гидропередачи:
̶ габариты и масса в 3-4 раза меньше (при одинаковой с аналогом мощности);
̶ КПД≈98% (у аналога ̶ 90%);
̶ для обслуживания новой гидропередачи требуется 1 простая электронно-гидравлическая система контроля и управления трансмиссией (у аналога – 6 подсистем).
3Краткое описание конструкции основных звеньев
На рис.5 гидропередача представлена в сборе, а на рис.6 – в разобранном состоянии.
Основными звеньями гидропередачи являются: вал ведущий 1, вал ведомый 2, два поршня 3, корпус 4, сердцевина 5, рычаг управления 6, гильза 7, две крышки 8, два упорных компенсатора 9. Валы 1, 2 одинаковы по конструкции, но для понижающей передачи часть вала под поршнем, как и сам ведущий поршень, может быть короче, чем у ведомого вала. Эта часть вала выполнена в виде цилиндрического кулачка с эксцентриситетом е к оси остальной части вала. От величины е зависят параметры рабочих поверхностей поршней и гильзы. На кулачок устанавливается поршень с возможностью свободного вращения.
Поршни3 также одинаковы по конструкции, но могут отличаться по длине, как указано выше. Вращаясь, ведущий вал через поршень под давлением вытесняет рабочую жидкость по каналу в сердцевине в «ведомую» полость. Ведомый поршень под воздействием этого давления вращает ведомый вал. Как и в насосе рабочая поверхность поршней обработана по специальной гипотрохоиде, диаметр описанной окружности которой d3=12е.
Корпус 4 представляет собой устройство, в котором размещен механизм преобразования оборотов. В средней части корпуса имеется продольное окно для выхода рычага 6 управления гильзой. Внутренняя цилиндрическая поверхность является направляющей для свободного продольного перемещения гильзы. Сердцевина 5 разделяет внутреннюю полость гильзы на две камеры. Центральное отверстие сердцевины предназначено для опор валов, которые определяют толщину детали. Плоские торцы сердцевины в контакте с валами и поршнями ограничивают продольное смещение детали. Наружная фигурная поверхность детали обработана с возможностью скольжения по ней гильзы без нарушения герметичности. В гильзе проделаны 4 продольных канала для сообщения между «ведущей» и «ведомой» камерами гильзы. Рычаг управления 6 неподвижно соединен с гильзой и служит для продольного перемещения гильзы, этим пропорционально изменяя обороты ведомого вала.
Гильза 7 служит для изменения соотношения объемов камер по обе стороны от сердцевины при регулировке передаточного отношения скоростей вращения валов. Это достигается продольным смещением гильзы. Наружная цилиндрическая поверхность гильзы обработана с возможностью продольного смещения вдоль внутренней направляющей поверхности корпуса. На наружной поверхности может быть несколько продольных каналов для лучшей связи полостей вне гильзы друг с другом при перемещении Внутренняя поверхность гильзы должна быть обработана по специальной фигурной поверхности, по которой точно скользят и перекатываются поршни. Рассчитаны и выведены математические формулы этой поверхности.
Крышки 8 служат для опоры валов и ограничения продольного смещения поршней и эксцентриков с валами, которые во время функционирования насоса свободно скользят своими плоскими торцам по внутреннему плоскому торцу каждой крышки.
Упорный компенсатор 9 должен быть установлен на каждом торце гильзы. Компенсатор представляет собой сборочный узел из нескольких кольцевых деталей и набора роликов. Компенсатор служит для выполнения двух функций:
̶ компенсации смещения эксцентрика вала с поршнем на е относительно оси вала без нарушения герметичности;
̶ для восприятия аксиального усилия от внутреннего давления рабочей жидкости на подвижную приторцевую стенку и торцевую часть гильзы без возникновения торможения между ними.
Примечание. На рисунках не показаны вспомогательные детали такие, как уплотнения, подшипники, опорные стойки, крепеж и т.д.
4Общее описание функционирования гидропередачи
На основе подетально описанной выше конструкции устройства ниже разобрана последовательность функционирования гидропередачи. На следующих рисунках показано:
-- на рис.7a ̶ общий вид передачи в продольном разрезе;
-- на рис.7b – схематичный упрощенный набросок для восприятия принципа функционирования передачи;
-- на рис.8a – вид полости ведущего вала в поперечном разрезе;
-- на рис.8b – вид полости ведомого вала в поперечном разрезе. Для простейшего освещения принципа функционирования гидропередачи примем следующие условности и исходные положения:
– используем вал 1 как ведущий, а 2 – как ведомый;
̶ текущее промежуточное положение поршней и валов показано основными линиями, а начальное положение – тонкими, при котором одна из вершин каждого поршня находится на вертикали, но на ведущем поршне в верхнем положении (рис.9а), а на ведомом – в нижнем (рис.9b).
– сначала рассмотрим установившийся режим, когда передаточное отношение u не изменяется и положение рычага управления 6 соответствует равному объему полостей, т.е. h1 = h2 (рис.8), а следовательно, равны и обороты валов n1 = n2.
Итак, исходное положение РПМ показано фрагментом 30 с вершиной С0 ведущего поршня в самом верхнем положении (рис.9a) и фрагментом 30" с вершиной Co" ведомого поршня в нижнем положении (рис.9b).
В этот и в любой другой момент времени в поперечном сечении устройства профиль поршня имеет не менее 4 точек контакта с гильзой, которые делят пространство между поршнем и гильзой на переменные по объему части.
При повороте вала 1 с кулачком на угол &alpha  против часовой стрелки поршень занял положение 3&alpha, жидкость вытесняется из полостей M, m через каналы ①, ② в сердцевине (рис.9a) и поступает в полости M2 и m (рис.9b), вращая вал 2 с кулачком в обратном направлении на угол &beta . Одновременно ведомый поршень занял положение 3&beta, жидкость вытесняется из полостей N2, n2 и по каналам ③, ④ поступает в расширяемые полости N, n (рис.9а). Такие процессы циркуляции жидкости происходят постоянно, воздействуя давлением последовательно на каждый участок поршня и этим вращая непрерывно ведомый вал.
При вращении вала 1 в обратном направлении — по часовой стрелке все вышеприведенные потоки жидкости меняют направление течения и воздействия на поршни, этим изменяя вращение ведомого вала на противоположное.
Скорости вращения валов разнонаправлены, но из-за изначального равенства объемов жидкости вокруг них скорости равны по абсолютной величине.
При изменении положения рычага управления 6 так, чтобы h1 ≠ h2 (рис.8) , объемы жидкости внутри гильзы справа и слева от сердцевины 5 также будут неравные, приведя к неравенству скоростей n1 и n2 вращения валов 1 и 2. Передаточное отношение равно u = n2/n1 = h1/h2. Это отношение можно изменять от ≈ 0 до max.

С 24 по 28 апреля мы учавствовали в выставке Hannover Messe