RU2301343C1

RU2301343C1 - Piston machine

Info

Publication number: RU2301343C1
Application number: RU2005138597/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Соколов (RU); Александр Григорьевич Соколов
Original assignee: ГОУВПО Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-20

Abstract

FIELD: power engineering; mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used as piston engine, pump or compressor. Proposed machine has body, piston made integral pusher which can be moved axially inside hollow drive shaft. Closed screw groove is made on outer surface of pusher in which links are arranged. Spaces of body and shaft form common cylindrical space accommodating two pistons with closed screw grooves on outer surfaces and links inside grooves. Parts of links projecting from limits of grooves are fixed in body. Common space is divided by partition and pistons onto four cylinder, pistons and shaft are connected by splines, spline joint of second piston being displaced relative to spline joint of first piston in direction of rotation.

EFFECT: increased efficiency, provision of compact design and adaptability to manufacture.

4 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, более конкретно - к поршневым моторам, насосам, компрессорам, и может быть использовано в различных отраслях техники для придания вращательного движения исполнительным механизмам, перекачки жидкостей или нагнетания газов.The claimed invention relates to the field of engineering, and more specifically to piston motors, pumps, compressors, and can be used in various fields of technology to impart rotational movement to actuators, pumping liquids or pumping gases.

Известен аксиально-поршневой двигатель с противоположно движущимися поршнями, (заявка № 2001105860 от 27.02.2003), содержащий корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с шатунами-поводками в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными шарнирно с шатунами-поводками, поршни имеют уплотнения с обоих торцов, а рабочие процессы двигателя совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцевыми крышками цилиндров и поршнями с другой.Known axial piston engine with oppositely moving pistons (application No. 2001105860 from 02.27.2003), comprising a housing, a shaft, cylinders located around and parallel to the axis of the shaft, two pistons with connecting rods in each cylinder, two fixedly mounted on the shaft oblique bushings and two swinging washers with radial trunnions pivotally connected to connecting rods, leads, pistons have seals at both ends, and engine work processes occur both in volume between the pistons on one side and between the cylinder end caps and EDSS other.

Недостатками аналога являются большие габариты вследствие наличия несовпадения оси приводного вала и оси цилиндров, повышенных габаритов механизма возвратно-поступательного движения поршней, а также снижение КПД механизма и его долговечности из-за давления поршней на стенки цилиндров.The disadvantages of the analogue are large dimensions due to the mismatch of the axis of the drive shaft and the axis of the cylinders, increased dimensions of the reciprocating mechanism of the pistons, as well as a decrease in the efficiency of the mechanism and its durability due to the pressure of the pistons on the cylinder walls.

Прототипом заявляемого изобретения является поршневая машина, патент RU №2073092 С1, содержащая корпус с цилиндрической полостью, размещенный в ней поршень, кинематически связанный толкателем с валом привода, последний выполнен полым, в нем соосно установлен толкатель с возможностью осевого перемещения, на наружной поверхности толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещено передаточное звено в виде поводков, связанное с валом, при этом разворот толкателя ограничен шлицевым соединением с корпусом.The prototype of the claimed invention is a piston machine, patent RU No. 2073092 C1, comprising a housing with a cylindrical cavity, a piston housed in it kinematically connected by the pusher to the drive shaft, the latter is hollow, the pusher is coaxially mounted with the possibility of axial movement, on the outer surface of the pusher a closed helical groove in which a transmission link in the form of leads is connected with the shaft, while the pusher turn is limited by a spline connection to the housing.

Прототип может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное и наоборот. Прототип работает следующим образом. При создании давления в цилиндре, в котором поршень находится в положении, близком к верхней мертвой точке, поршень начинает перемещаться в направлении нижней мертвой точки, воздействуя при этом на толкатель. Перемещаясь, толкатель боковой поверхностью винтовой канавки воздействует на поводки, которые вызывают вращение вала. При достижении поршнем нижней мертвой точки он останавливается, а за счет маховой силы инерции вала поводки переходят на реверсивную ветвь винтовой канавки. Теперь при приложении давления на поршень с обратной стороны начинается его перемещение от нижней мертвой точки к верхней, толкатель боковой стороной реверсивной ветви винтовой канавки давит на поводки, которые вызывают вращение вала в том же направлении. При достижении поршнем верхней мертвой точки силы инерции вращательного движения вала обеспечивают переход поводков в ветвь винтовой канавки, имеющей исходное направление, и цикл повторяется.The prototype can work in the modes of motor, pump, compressor, since it is based on a reversible mechanism for converting reciprocating to rotational movements and vice versa. The prototype works as follows. When creating pressure in the cylinder, in which the piston is in a position close to top dead center, the piston begins to move in the direction of bottom dead center, affecting the plunger. Moving, the pusher on the lateral surface of the helical groove acts on the leashes, which cause the rotation of the shaft. When the piston reaches the bottom dead point, it stops, and due to the flywheel inertia of the shaft, the leashes go to the reversing branch of the helical groove. Now, when pressure is applied to the piston from the reverse side, it begins to move from the bottom dead center to the top, the pusher presses the leads that cause the shaft to rotate in the same direction on the side of the reverse branch of the screw groove. When the piston reaches the top dead center, the inertia forces of the rotational movement of the shaft provide the leashes in the branch of the helical groove having the original direction, and the cycle repeats.

Недостатком прототипа является то, что при работе его в режиме мотора возникает необходимость выполнения вала в виде маховика для обеспечения непрерывности вращательного движения вала, а также невозможность запуска механизма без пускового, принудительного вращения приводного вала в момент, когда поршень находится в мертвой точке. При этом наличие маховой массы ведет к увеличению веса, габаритов и снижает КПД машины.The disadvantage of the prototype is that when it is in motor mode, there is a need to make a shaft in the form of a flywheel to ensure the continuity of the rotational movement of the shaft, as well as the inability to start the mechanism without starting, forcing the drive shaft to rotate at the moment when the piston is at a dead center. At the same time, the presence of fly mass leads to an increase in weight, dimensions and reduces the efficiency of the machine.

Технической задачей заявляемого устройства является создание компактной, нематериалоемкой, конструктивно простой, технологичной поршневой машины с высоким КПД, имеющей возможность работы в режиме мотора, насоса, компрессора, которая может приводиться в действие без предварительного запуска, и обеспечивающей высокий крутящий момент на выходном валу.The technical task of the claimed device is to create a compact, non-material-intensive, structurally simple, technological piston machine with high efficiency, with the ability to work in the mode of motor, pump, compressor, which can be driven without first starting, and providing high torque on the output shaft.

Поставленная задача решается тем, что заявляемая поршневая машина, содержащая корпус с цилиндрической полостью, размещенный в ней поршень, выполненный как одно целое с толкателем, имеющим возможность осевого перемещения внутри полого приводного вала, на наружной поверхности толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, отличается тем, что цилиндрическая полость корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены как минимум два поршня, на цилиндрической поверхности которых выполнены замкнутые винтовые канавки, в замкнутых винтовых канавках поршней размещены поводки, при этом выступающие за пределы винтовых канавок части поводков, зафиксированные в корпусе, цилиндрическая полость разделена перегородкой и поршнями на четыре цилиндра, поршни и приводной вал связаны между собой шлицевым соединением, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и совместное вращательное движение поршней и приводного вала вокруг оси вала, шлицевое соединение второго поршня с приводным валом выполнено с угловым смещением относительно шлицевого соединения первого поршня по направлению вращения приводного вала, в корпусе и приводном валу выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.The problem is solved in that the inventive piston machine, comprising a housing with a cylindrical cavity, a piston located in it, made integrally with a pusher having axial movement inside the hollow drive shaft, a closed helical groove in which the leads are placed is made on the outer surface of the pusher , characterized in that the cylindrical cavity of the housing and the drive shaft are made in such a way that they form a single cylindrical cavity in which at least two pistons are placed, per cylinder on the indical surface of which closed helical grooves are made, leashes are placed in the closed helical grooves of the pistons, while the parts of the leashes protruding beyond the helical grooves fixed in the housing, the cylindrical cavity is divided by a partition and pistons into four cylinders, the pistons and the drive shaft are connected by a spline connection, providing free movement of the pistons along the axis of the shaft and the joint rotational movement of the pistons and the drive shaft around the axis of the shaft, a spline connection of the second piston with the drive shaft is made with an angular offset relative to the spline connection of the first piston in the direction of rotation of the drive shaft, holes and cavities are made in the housing and the drive shaft, forming a spool device that feeds the working fluid into the cylinders and displaces it from the cylinders in a given cycle.

Улучшение массогабаритных характеристик машины и повышение ее КПД достигается тем, что приводной вал и корпус образуют единую цилиндрическую полость, которая не имеет неиспользуемых для выполнения полезной работы объемов. Отсутствие толкателей, выполнение винтовых канавок непосредственно на поршнях, применение двух поршней двухстороннего действия и деление цилиндрической полости корпуса и приводного вала на четыре цилиндра обеспечивает одновременное снижение массогабаритных характеристик и повышение КПД машины.Improving the weight and size characteristics of the machine and increasing its efficiency is achieved by the fact that the drive shaft and the housing form a single cylindrical cavity, which does not have volumes unused for performing useful work. The absence of pushers, the implementation of screw grooves directly on the pistons, the use of two double-acting pistons and the division of the cylindrical cavity of the housing and the drive shaft into four cylinders provides a simultaneous reduction in weight and size characteristics and increased machine efficiency.

Кроме того, так как шлицевые соединения поршней с приводным валом выполнены с угловым смещением по направлению вращения приводного вала обеспечивается разнофазное перемещение поршней, что, в конечном итоге, создает возможность привода машины в действие без предварительного запуска и исключения необходимости выполнения корпуса в виде маховика. При работе поршневой машины в режиме насоса или компрессора обеспечивается минимальная пульсация потока рабочего тела.In addition, since the spline connections of the pistons with the drive shaft are made with angular displacement in the direction of rotation of the drive shaft, the pistons move in different phases, which ultimately makes it possible to drive the machine without first starting and eliminating the need to make the case in the form of a flywheel. When the piston machine is in pump or compressor mode, a minimum pulsation of the flow of the working fluid is ensured.

На фиг.1 схематично представлен вариант выполнения заявляемой поршневой машины.Figure 1 schematically shows an embodiment of the inventive piston machine.

Заявляемая поршневая машина состоит из корпуса 1, поршней 2, 3 и приводного вала 4. На поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки 5, 6 и продольные пазы 7, 8. Приводной вал 4 представляет собой полый цилиндр. Во внутренней полости приводного вала 4 выполнены продольные пазы 9, 10, и она разделена перегородкой 11 на две части. При этом пазы 9 и 10 изготовлены с угловым смещением относительно друг друга. В корпусе 1 закреплены поводки 12, 13, которые частично погружены в замкнутые винтовые канавки 5, 6 поршней 2, 3. Поршни 2, 3 через толкатели 14, 15, находящиеся в пазах 7, 8 и 9, 10, кинематически связаны с приводным валом 4. Внутренние полости корпуса 1 и приводного вала 4 разделены поршнями 2, 3 на четыре рабочих цилиндра I, II, III, IV.The inventive piston machine consists of a housing 1, pistons 2, 3 and a drive shaft 4. Closed screw grooves 5, 6 and longitudinal grooves 7, 8 are made on the surface of the pistons. The drive shaft 4 is a hollow cylinder. In the inner cavity of the drive shaft 4, longitudinal grooves 9, 10 are made, and it is divided by a partition 11 into two parts. In this case, the grooves 9 and 10 are made with angular displacement relative to each other. In case 1, leads 12, 13 are fixed, which are partially immersed in closed screw grooves 5, 6 of pistons 2, 3. Pistons 2, 3 through pushers 14, 15 located in grooves 7, 8 and 9, 10 are kinematically connected with the drive shaft 4. The internal cavity of the housing 1 and the drive shaft 4 are divided by pistons 2, 3 into four working cylinders I, II, III, IV.

В корпусе 1 и приводном валу 4 выполнены радиальные и продольные каналы 17, 18, 19, 20, обеспечивающие подачу и выталкивание рабочего тела в цилиндры и из них. В совокупности эти каналы образуют золотник, который управляет подачей и вытеснением рабочего тела в цилиндры I; II; III; IV и из них по заданному циклу.In the housing 1 and the drive shaft 4, radial and longitudinal channels 17, 18, 19, 20 are made, providing the supply and pushing of the working fluid into and out of the cylinders. Together, these channels form a spool, which controls the supply and displacement of the working fluid in the cylinders I; II; III; IV and of them according to a given cycle.

Для передачи крутящего момента с приводного вала 4 или на него на приводном валу фиксируется шкив или зубчатое колесо 21.To transmit torque from or onto the drive shaft 4, a pulley or gear 21 is fixed to the drive shaft.

В режиме мотора заявляемая поршневая машина работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением, например, гидравлического масла, через золотниковое устройство в каналы 17 и 19 оно поступает в цилиндр I и III и давит на поршни 2 и 3, что вызывает их поступательное движение вдоль оси цилиндров и слив масла из цилиндров II и IV. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок 5, 6, нарезанных на наружной поверхности поршней 2, 3, на поводки 12, 13, что вызывает проворот поршней относительно оси цилиндров. За счет того, что поршни 2, 3 через толкатели 14, 15 связаны с приводным валом 4, приводной вал 4 начинает вращательное движение. Вследствие наличия смещения в положении поршней 2, 3 относительно друг друга за счет углового смещения продольных пазов 9 и 10, выполненных в водиле, поршень 3 достигает крайнего правого положения раньше поршня 2, останавливается, а за счет того, что поршень 2 продолжает поступательное движение и вызывает вращательное движение приводного вала 4, поводок 13 перемещается в реверсивную ветвь канавки 5 поршня 3, и он начинает движение в обратную сторону навстречу поршню 2. Одновременно через золотниковое устройство масло под давлением начинает поступать в цилиндр IV, и поршень 3 включается в рабочий цикл вращения приводного вала 4. При достижении поршнем 2 крайнего правого положения также происходит его остановка, и за счет продолжения рабочего цикла в цилиндре IV уже поводки 12 переходят на реверсивную ветвь канавки 5 поршня 2, и поршень 2 начинает движение в обратную сторону. Одновременно масло через золотниковое устройство под давлением подается в цилиндр II (рабочий цикл) и вытесняется из цилиндра I. При достижении поршнем 3 крайнего левого положения за счет продолжающегося рабочего цикла в цилиндре II, а, следовательно, продолжающегося вращательного движения приводного вала 4, происходит переход поводков 13 на ветвь канавки 6, имеющей начальное направление, поршень 3 изменяет направление движения, в цилиндр III под давлением подается масло и начинается рабочий цикл и слив масла из цилиндра IV, что обеспечивается золотниковым устройством. При достижении поршнем 2 крайнего левого положения за счет перехода поводков 12 на ветвь канавки 5, имеющей начальное направление, поршень 2 изменяет направление движения и цикл повторяется. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение водила, которое может быть, например, через шкив 21 передано для привода исполнительного механизма.In motor mode, the inventive piston machine operates as follows. When the working fluid is supplied under pressure, for example, of hydraulic oil, through the spool device into the channels 17 and 19, it enters the cylinder I and III and presses on the pistons 2 and 3, which causes them to move along the axis of the cylinders and drain the oil from cylinders II and IV. With the translational movement of the pistons, the lateral surface of the helical grooves 5, 6, cut on the outer surface of the pistons 2, 3, acts on the leads 12, 13, which causes the pistons to rotate about the axis of the cylinders. Due to the fact that the pistons 2, 3 through the pushers 14, 15 are connected with the drive shaft 4, the drive shaft 4 begins to rotate. Due to the displacement in the position of the pistons 2, 3 relative to each other due to the angular displacement of the longitudinal grooves 9 and 10 made in the carrier, the piston 3 reaches the extreme right position before the piston 2, stops, and due to the fact that the piston 2 continues to translate and causes a rotational movement of the drive shaft 4, the leash 13 moves into the reverse branch of the groove 5 of the piston 3, and it starts moving in the opposite direction towards the piston 2. At the same time, through the spool device, the oil starts to pressurize under pressure fall into the cylinder IV, and the piston 3 is included in the duty cycle of the rotation of the drive shaft 4. When the piston 2 reaches the extreme right position, it also stops, and due to the continuation of the duty cycle in the cylinder IV, the leads 12 already move to the reversing branch of the groove 5 of the piston 2, and the piston 2 begins to move in the opposite direction. At the same time, oil is supplied under pressure to the cylinder II (duty cycle) through the slide valve and is forced out of cylinder I. When the piston 3 reaches its leftmost position due to the continued duty cycle in cylinder II, and, consequently, the continued rotational movement of the drive shaft 4, a transition occurs leads 13 to the branch of the groove 6, having an initial direction, the piston 3 changes the direction of movement, oil is supplied into cylinder III under pressure and the duty cycle begins and the oil is drained from cylinder IV, which is ensured by lotnikovym device. When the piston 2 reaches its extreme left position due to the transition of the leads 12 to the branch of the groove 5 having an initial direction, the piston 2 changes the direction of movement and the cycle repeats. Thus, the reciprocating movement of the pistons, caused by the pressure on them of the working fluid, is converted into rotational motion of the carrier, which can, for example, be transmitted through the pulley 21 to drive the actuator.

В случае приложения вращательного движения к приводному валу 4 поршни 2, 3 начинают совершать принудительные вращательное и возвратно-поступательное движения, что обеспечивает перекачку рабочего тела и его нагнетание, т.е. поршневая машина переходит в режим гидронасоса или компрессора. При этом устройство работает как четырехцилиндровая машина с поршнями двухстороннего действия, что обеспечивает отсутствие холостых ходов - максимальный КПД, минимальную пульсацию рабочего тела и возможность создания высоких давлений рабочего тела.In the case of applying rotational motion to the drive shaft 4, the pistons 2, 3 begin to make forced rotational and reciprocating movements, which ensures pumping of the working fluid and its injection, i.e. the piston machine enters the hydraulic pump or compressor mode. At the same time, the device operates as a four-cylinder machine with double-acting pistons, which ensures the absence of idling - maximum efficiency, minimum pulsation of the working fluid and the possibility of creating high pressures of the working fluid.

Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.Thus, by introducing a new set of essential features, it is possible to solve the technical problem posed by the current state of the art.

Claims

1. A piston machine, comprising a housing with a cylindrical cavity, a piston located therein, made integrally with a pusher having axial movement inside the hollow drive shaft, a closed helical groove in which leashes are located, made in which the cylindrical cavity of the housing and the drive shaft is made in such a way that they form a single cylindrical cavity in which at least two pistons are placed, on the cylindrical surface of which are made screwed-in grooves, leashes are located in closed helical grooves of the pistons, while the parts of the leads protruding beyond the helical grooves are fixed in the housing, the cylindrical cavity is divided by a partition and pistons into four cylinders, the pistons and the drive shaft are interconnected by a spline connection that allows the pistons to move freely along the axis of the shaft and the joint rotational movement of the pistons and the drive shaft around the axis of the shaft, the spline connection of the second piston with the drive shaft is made with an angular offset from ositelno splined connection of the first piston in the direction of rotation of the drive shaft, the housing and the drive shaft are provided with holes and cavities forming the spool unit allowing the supply of the working body in the cylinder and the displacement of its cylinder at a given cycle.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the number of pistons can be three or more.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the number of closed helical grooves made on the pistons can be two or more.

4. The machine according to claim 1, characterized in that the helical groove is made in the form of a sinusoid.