PL249339B1 - Przekładnia hydrostatyczna zamknięta z hydraulicznym mostkiem prostowniczym - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie dotyczy, przekładni hydrostatycznej zamkniętej z hydraulicznym mostkiem prostowniczym charakteryzująca się tym, że składa się z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia (1), układu zaworów zwrotnych nieobciążonych sprężyną (4a, 5a, 6a, 7a) lub alternatywnie obciążonych sprężyną (4b, 5b, 6b, 7b), zaworów maksymalnych nienastawnych (2a, 3a) lub alternatywnie nastawnych (2b, 3b), a także składająca się z akumulatorów (9a i 9b) oraz silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności (8).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przekładnia hydrostatyczna zamknięta z hydraulicznym mostkiem prostowniczym znajdująca zastosowanie w urządzeniach, w których zachodzi konieczność transformacji ruchu postępowo-zwrotnego na obrotowy (np. amortyzatory, elektrownie falowe).

W publikacji S. Stryczek, Napęd hydrostatyczny tom 2, Wydawnictwo naukowo-techniczne, Warszawa 2005, s. 219 opisano przekładnie hydrostatyczne składające się z pompy wyporowej jako generatora energii ciśnienia i silnika wyporowego przetwarzającego tę energię na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Są to hydrauliczne układy napędowe obrotowe, które służą do przekazywania ruchu obrotowego z wału napędzającego na wał napędzany. W rozwiązaniach tych przełożenie może być stałe lub zmienne.

Przekładnię o stałym przełożeniu uzyskuje się z pompy o stałej wydajności i silnika o stałej chłonności. Przełożenie zdefiniowane jest wówczas jako iloraz chłonności właściwej silnika i wydajności właściwej generatora.

Zmiany przełożenia obrotowych przekładni hydrostatycznych można dokonywać stopniowo lub bezstopniowo. Stopniową zmianę przełożenia uzyskuje się stosując jako generator pompy wielostrumieniowe zasilające silnik o stałej chłonności lub alternatywnie kojarząc jednostrumieniową pompę o stałej wydajności z kilkoma równolegle zasilanymi silnikami o stałej chłonności. Bezstopniowa zmiana przełożenia przekładni hydrostatycznych realizowana jest poprzez bezstopniową zmianę natężenia przepływu strumienia czynnika roboczego. W literaturze opisano cztery przypadki przekładni z bezstopniową zmianą przełożenia. Są to odpowiednio przekładnie z: nastawnym generatorem, nastawnym silnikiem, jednostkami nastawialnymi sekwencyjnie, jednostkami nastawianymi równocześnie.

Przekładnia z nastawnym generatorem składa się z pompy o zmiennej, sterowanej wydajności εg oraz z silnika o stałej chłonności. Nastawa wydajności pompy εg może odbywać się w obu kierunkach tłoczenia i przyjmuje wartości w zakresie od -1 do +1. Za zmienność parametru εg może odpowiadać m.in. kąt wychylenia tarczy pompy wielotłoczkowej albo wartość mimośrodowości w pompie łopatkowej. Bezstopniowa zmiana przełożenia odbywa się przez płynną zmianę nastawy parametru Eg, wpływającego na wydajność generatora. Teoretyczny moment na wałku silnika nie zależy od nastawy wydajności pompy, dlatego przekładnie z nastawnym generatorem są często określane mianem przekładni stałego momentu.

Przekładnia z nastawnym silnikiem składa się z generatora energii o stałej wydajności i silnika o sterowanej zmiennej chłonności Es. Bezstopniowa zmiana przełożenia odbywa się przez płynną zmianę nastawy parametru Es, wpływającego na chłonność silnika hydraulicznego. Nastawa chłonności silnika Es może odbywać się w obu kierunkach tłoczenia zatem przyjmuje wartości w zakresie od -1 do +1. Bezstopniowa zmiana przełożenia odbywa się przez płynną zmianę nastawy parametru Es, wpływającego na chłonność silnika. Teoretyczna moc przenoszona przez przekładnię nie zależy od nastawy chłonności silnika, dlatego przekładnie z nastawnym silnikiem są często określane mianem przekładni stałej mocy.

Przekładnią z jednostkami nastawialnymi nazywamy przekładnię gdzie jest możliwość sterowania zarówno wydajnością generatora jak i chłonnością silnika. W przekładniach z jednostkami nastawialnymi w sposób sekwencyjny najpierw wykorzystuje się zakres zmienności wydajności generatora zwiększając jego wartość Eg od 0 do 1, przy stałej wartości nastawy silnika Es = 1, a dopiero potem zmienia się parametr Es dokonując jego bezstopniowego zmniejszenia od 1 do 0.

W przekładniach z jednostkami nastawianymi równocześnie zmieniając nastawę wydajności generatora Eg dokonuje się równocześnie zmiany nastawy chłonności silnika Es. Algorytm opisujący oba sprzężone ze sobą parametry Eg i Es może mieć postać dowolnych relacji. Najczęściej jednak spotyka się współzależność dla której Eg + Es = 1.

Wyżej opisane przekładnie: z nastawnym generatorem, nastawnym silnikiem, jednostkami nastawialnymi sekwencyjnie oraz jednostkami nastawianymi równocześnie, znajdują zastosowanie w układach sterowanych objętościowo.

Powyżej opisane rozwiązania przekładni hydrostatycznych mogą pracować w układach zamkniętych, w których czynnik wypływający z silnika trafia bezpośrednio do przewodu ssawnego pompy lub pracują w układach otwartych dla których czynnik roboczy wypływający z silnika kierowany jest do zbiornika, co opisano w publikacji A. Osiecki, Hydrostatyczny napęd maszyn, Wydawnictwo naukowo-techniczne, Warszawa 2017, s. 383. Przekładnie funkcjonujące w układzie otwartym mogą być stosowane wyłącznie dla jednego kierunku obrotów.

W publikacji opisano dodatkowo przekładnie z silnikiem o ruchu prostoliniowo-zwrotnym. Generatorem w takim układzie jest pompa o zmiennej wydajności, a odbiornikiem jest siłownik. Pompa tłocząc ciecz roboczą porusza tłokiem siłownika, który wykonuje ruch roboczy. Ruch powrotny jest możliwy za pomocą przesterowania rozdzielacza odpowiedzialnego za kierunek przepływu.

Należy podkreślić, iż prędkość siłownika na wysuwie różni się od prędkości na wsuwie, ponieważ średnice powierzchni roboczych są różne. Układy zawierające siłownik jednostronny mogą pracować tylko w układzie otwartym, gdyż przepływy w przewodach dopływowych i odpływowych nie są sobie równe. Układy zamknięte mogą być stosowane do przekładni zawierające siłowniki dwustronnego działania.

We wszystkich znanych przekładniach hydrostatycznych strumień cieczy roboczej wypływającej z pompy Qg do układu jest stały lub „quasi-stały”.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest przekładnia hydrostatyczna zamknięta z hydraulicznym mostkiem prostowniczym charakteryzująca się tym, że składa się z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia, układu zaworów zwrotnych nieobciążonych sprężyną lub alternatywnie obciążonych sprężyną zaworów maksymalnych nienastawnych lub alternatywnie nastawnych, a także składająca się z urządzeń kompensujących przecieki (akumulatorów hydraulicznych) oraz silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności.

Korzystnie mostek prostowniczy złożony z czterech zaworów zwrotnych obciążonych sprężyną lub alternatywnie nieobciążonych sprężyną umieszczony jest w linii hydraulicznej pomiędzy dwustrumieniowym generatorem energii ciśnienia, a silnikiem hydraulicznym jednostronnego działania o stałej chłonności.

Korzystnie dwa zawory maksymalne nienastawne lub alternatywnie nastawne wpięte są równolegle do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia.

Korzystnie zawory maksymalne nienastawne lub alternatywnie nastawne mają naprzemiennie wpięte porty powrotne i zasilające do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia.

Korzystnie akumulatory podłączono do przewodów wychodzących z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia przed układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną lub alternatywnie nieobciążone sprężyną.

Korzystnie w linii hydraulicznej za układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną lub alternatywnie nieobciążone sprężyną umieszczono silnik hydrauliczny jednostronnego działania o stałej chłonności.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony na rysunku Fig. 1 pokazującym w przykładzie wykonania przekładnię hydrostatyczną z hydraulicznym mostkiem prostowniczym, gdzie, 1 dwustrumieniowy generator energii ciśnienia, 2a, 3a nienastawny zawór maksymalny, 2b, 3b nastawny zawór maksymalny, 4a, 5a, 6a, 7a zawory zwrotne nieobciążone sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b zawory zwrotne obciążone sprężyną, 8 silnik hydrauliczny jednostronnego działania o stałej chłonności, 9a, 9b akumulatory hydrauliczne. Fig. 2 przedstawia różne przebiegi wydajności w funkcji czasu: zmienny (linia kropkowa), stały (linia kreskowa), tętniący (linia jednokropkowa), przemienny (linia ciągła).

Przykład 1

Wykonana według wynalazku przekładnia (Fig. 1) to układ składający się z: dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1, dwóch zaworów maksymalnych nastawnych 2b, 3b, silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności 8, akumulatorów 9a, 9b i układu prostowniczego zawierającego cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b.

Przykład 2

Wykonana według wynalazku przekładnia (Fig. 1) to układ składający się z: dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1, dwóch zaworów maksymalnych nastawnych 2b, 3b, silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności 8, akumulatorów 9a, 9b i układu prostowniczego zawierającego cztery zawory zwrotne nieobciążone sprężyną 4a, 5a, 6a, 7a.

Przykład 3

Wykonana według wynalazku przekładnia (Fig. 1) to układ składający się z: dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1, dwóch zaworów maksymalnych nienastawnych 2a, 3a, silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności 8, akumulatorów 9a, 9b i układu prostowniczego zawierającego cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b.

PL 249339 Β1

Przykład 4

Wykonana według wynalazku przekładnia (Fig. 1) to układ składający się z: dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1, dwóch zaworów maksymalnych nienastawnych 2a, 3a, silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności 8, akumulatorów 9a, 9b i układu prostowniczego zawierającego cztery zawory zwrotne nieobciążone sprężyną 4a, 5a, 6a, 7a.

W każdym z czterech wyżej opisanych przykładach wykonania mostek prostowniczy złożony z czterech zaworów zwrotnych obciążonych sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b lub nieobciążonych sprężyną 4a, 5a, 6a, 7a umieszczony jest w linii hydraulicznej pomiędzy dwustrumieniowym generatorem energii ciśnienia 1 a silnikiem hydraulicznym jednostronnego działania o stałej chłonności 8. Dodatkowo dwa zawory maksymalne nienastawne 2a, 3a lub alternatywnie nastawne 2b, 3b wpięte są równolegle do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1. Zawory maksymalne nienastawne 2a, 3a lub alternatywnie nastawne 2b, 3b mają naprzemiennie wpięte porty powrotne i zasilające do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1. Natomiast akumulatory 9a i 9b podłączono do przewodów wychodzących z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1 przed układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b lub alternatywnie nieobciążone sprężyną 4a, 5a, 6a, 7a. W linii hydraulicznej za układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną 4b, 5b, 6b, 7b lub alternatywnie nieobciążone sprężyną 4a, 5a, 6a, 7a umieszczono silnik hydrauliczny jednostronnego działania o stałej chłonności 1.

Energia strumienia cieczy wytwarzana jest przez dwustrumieniowy generator energii ciśnienia 1, który napędzany jest przez zewnętrzne źródło energii. Energia zakumulowana w przetłaczanym czynniku roboczym przekazywana jest do silnika hydraulicznego 8 poprzez układ prostowniczy. Podczas rewersji kierunku cieczy roboczej, silnik hydrauliczny 8 zachowuje jeden, kierunek momentu obrotowego przy zmiennym okresowo lub nieokresowo przepływie energii.

Wykonanie według wynalazku przekładni hydrostatycznej pozwala na zamianę ruchu postępowo-zwrotnego na ruch obrotowy. W dotychczasowych przekładniach transformacji ulegał ruch obrotowy pompy na ruch obrotowy silnika lub ruch posuwisto-zwrotny siłownika. Korzystne jest również to, że sterując częstotliwością cykli zmian wydajności ustala się prędkości obrotowe silnika. Zależność pomiędzy prędkością obrotową silnika i częstotliwością cykli zmian wydajności wytwarzanych przez generator jest funkcją liniową.

Układ hydrauliczny jest zabezpieczony przed wzrostem ciśnienia w układzie, przez dwa zawory maksymalne nienastawne 2a i 3a lub nastawne 2b i 3b pełniące rolę zaworów bezpieczeństwa, łącząc ze sobą dwa przewody hydrauliczne wychodzące z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1. Symetryczne usytuowanie zaworów maksymalnych pozwala na zabezpieczenie przed nadmiernym wzrostem ciśnienia każdego z dwóch przewodów wychodzących z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia 1, niezależnie od przewodu, w którym ciśnienie zostało przekroczone.

Akumulatory 9a i 9b pełnią rolę zbiorników uzupełniających ewentualne przecieki wewnętrzne i zewnętrzne. Dodatkowo gromadzą nadmiar energii ciśnienia wytwarzanej przez dwu strumieniowy generator energii ciśnienia 1, jak również zapewniają utrzymanie minimalnej wartości ciśnienia w układzie i zmniejszają jego sztywność.

Zgodnie z wynalazkiem, dwustrumieniowy generator energii ciśnienia wytwarza w układzie zmienne natężenie przepływu strumienia cieczy roboczej Q_g = f(t). Wydajność generatora (natężenie przepływu) może zmieniać się okresowo lub nieokresowo. Szczególnym przypadkiem przepływu okresowego może być przepływ przemienny dla którego wartość średnia przepływu Qśr dla jednego okresu T jest równa zero. Q_śr = = 0. Jeżeli wartość średnia Qśr dla przepływu okresowego nie równa się zeru wówczas w układzie występuje przepływ o charakterze tętniącym. Fig. 2 przedstawia różne przebiegi wydajności w funkcji czasu: zmienny (linia kropkowa), stały (linia kreskowa), tętniący (linia jednokropkowa), przemienny (linia ciągła).

W standardowych przekładniach podczas ustabilizowanej pracy przekładni wydajność generatora jest stała i opisana jest zależnością Q_g = qn (dla pompy o stałej wydajności) lub Q_g = ςηε (dla pompy o zmiennej wydajności), gdzie: Q_g - wydajność generatora, q - wydajność jednostkowa, ε - parametr nastawy pompy, n - prędkość obrotowa generatora.

Claims (6)

1. Przekładnia hydrostatyczna zamknięta z hydraulicznym mostkiem prostowniczym znamienna tym, że składa się z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia (1), układu zaworów zwrotnych nieobciążonych sprężyną (4a), (5a), (6a), (7a) lub alternatywnie obciążonych sprężyną (4b), (5b), (6b), (7b), zaworów maksymalnych nienastawnych (2a), (3a) lub alternatywnie nastawnych (2b), (3b), a także składająca się z akumulatorów (9a) i (9b) oraz silnika hydraulicznego jednostronnego działania o stałej chłonności (8).

2. Przekładnia hydrostatyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że mostek prostowniczy złożony z czterech zaworów zwrotnych obciążonych sprężyną (4b, 5b, 6b, 7b) lub nieobciążonych sprężyną (4a, 5a, 6a, 7a) umieszczony jest w linii hydraulicznej pomiędzy dwustrumieniowym generatorem energii ciśnienia (1) a silnikiem hydraulicznym jednostronnego działania o stałej chłonności (8).

3. Przekładnia hydrostatyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że dwa zawory maksymalne nienastawne (2a), (3a) lub alternatywnie nastawne (2b), (3b) wpięte są równolegle do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia (1).

4. Przekładnia hydrostatyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawory maksymalne nienastawne (2a), (3a) lub alternatywnie nastawne (2b), (3b) mają naprzemiennie wpięte porty powrotne i zasilające do przewodów wychodzących bezpośrednio z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia (1).

5. Przekładnia hydrostatyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że akumulatory (9a) i (9b) podłączono do przewodów wychodzących z dwustrumieniowego generatora energii ciśnienia (1) przed układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną (4b, 5b, 6b, 7b) lub alternatywnie nieobciążone sprężyną (4a, 5a, 6a, 7a).

6. Przekładnia hydrostatyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że w linii hydraulicznej za układem prostowniczym zawierającym cztery zawory zwrotne obciążone sprężyną (4b, 5b, 6b, 7b) lub alternatywnie nieobciążone sprężyną (4a, 5a, 6a, 7a) umieszczono silnik hydrauliczny jednostronnego działania o stałej chłonności (1).