RU2549747C1

RU2549747C1 - Axial piston machine

Info

Publication number: RU2549747C1
Application number: RU2014123291/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Соколов
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-04-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: machine contains a casing with installed hollow drive shaft on roll bearings. Along axis in the casing the cylindrical cavities are made, in them two coaxial pistons are installed. On the external pistons surface the longitudinal slots and closed longitudinal screw grooves are made. In the screw grooves draw-bars projecting from them are located. The projecting parts of the draw-bars are secured in the driven shaft with possibility of rotation in it. Side surfaces of the draw-bars are free and rest against roll bearings. On the internal cylindrical surface of the casing the longitudinal slots are made, they correspond to slots in the pistons. Balls are located in slots, they create spline joint movable in axial direction and excluding pistons rotation. On one piston end surface an open cylindrical cavity is made, in it the cylindrical shoulder corresponding to this cavity is installed, the shoulder is made at end of the second piston. The cylindrical cavity acts as intermediate cylinder, and shoulder acts as piston. In the casing channels are made, in them suction and discharge valves are installed, and pistons have channels and valves ensuring work body transfer and discharge.

EFFECT: machine is compact, with low materials content, simple design, workable, has high efficiency, low pulsation of work body, and is dynamically balanced.

2 dwg

Description

Заявляемая осевая поршневая машина относится к области машиностроения, более конкретно - к поршневым насосам, компрессорам, и может быть использована для перекачки жидкостей или нагнетания газов.The inventive axial piston machine relates to mechanical engineering, and more particularly to piston pumps, compressors, and can be used for pumping liquids or pumping gases.

Аналогом заявляемого изобретения является поршневая машина, патент RU №2267012 C1, содержащая полый приводной вал, являющийся одновременно корпусом. В цилиндрической полости приводного вала-корпуса размещены поршни, на наружной поверхности которых выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие поршни с приводным валом-корпусом. Приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга. Поршни надеты на неподвижную центральную ось, при этом проворот поршней относительно оси ограничен шлицевым соединением. Цилиндрическая полость вала корпуса разделена перегородкой и поршнями, которых, как минимум, два на четыре цилиндра. В оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.An analogue of the claimed invention is a piston machine, patent RU No. 2267012 C1, containing a hollow drive shaft, which is simultaneously a housing. Pistons are placed in the cylindrical cavity of the drive shaft-housing, on the outer surface of which a closed helical groove is made, in which leashes are placed kinematically connecting the pistons to the drive shaft-housing. The drive leads of the pistons are fixed in the housing with an offset relative to each other. Pistons are mounted on a fixed central axis, while the rotation of the pistons relative to the axis is limited by a spline connection. The cylindrical cavity of the shaft of the housing is divided by a partition and pistons, which are at least two into four cylinders. Holes and cavities are made in the axis and body, forming a spool device, which provides the supply of the working fluid to the cylinders and its displacement from the cylinders according to a given cycle.

Поршневая машина-аналог работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением в цилиндры поршни начинают перемещаться вдоль оси. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок, нарезанных на наружной поверхности поршней, на поводки, что вызывает вследствие невозможности проворота поршней (за счет наличия шлицевого соединения их с неподвижной осью) вращательное движение корпуса. Так как поводки поршней зафиксированы в валу-корпусе со смещением, один из поршней достигает крайнего правого положения раньше, останавливается, а за счет того, что второй поршень продолжает поступательное движение, вращательное движение вала-корпуса продолжается, поводок первого поршня переходит в реверсивную ветвь его винтовой канавки, и он начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство рабочее тело под давлением начинает поступать в цилиндр, в котором поршень совершает реверсивное движение, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. При достижении вторым поршнем крайнего положения происходит его остановка, и за счет продолжения рабочего цикла первым поршнем уже поводки второго поршня переходят на реверсивную ветвь канавки, и второй поршень начинает движение в обратную сторону. Одновременно через золотниковое устройство начинается подача под давлением рабочего тела в цилиндр за вторым поршнем, и он включается в рабочий цикл вращения вала-корпуса. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение вала-корпуса, которое может быть использовано для привода исполнительного механизма.An analog piston machine operates as follows. When the working fluid is supplied under pressure to the cylinders, the pistons begin to move along the axis. During the translational movement of the pistons, the lateral surface of the helical grooves cut on the outer surface of the pistons acts on the leads, which, due to the impossibility of turning the pistons (due to their spline connection with the fixed axis), rotates the case. Since the piston leads are displaced in the shaft housing, one of the pistons reaches its extreme right position earlier, stops, and due to the fact that the second piston continues to move forward, the rotary shaft shaft continues to move, the lead of the first piston goes into its reverse branch helical grooves and it begins to move in the opposite direction. At the same time, through the spool device, the working fluid begins to flow under pressure into the cylinder, in which the piston reverses, and it is included in the duty cycle of rotation of the shaft-housing. When the second piston reaches its extreme position, it stops, and due to the continuation of the working cycle by the first piston, the leashes of the second piston are already transferred to the reverse branch of the groove, and the second piston begins to move in the opposite direction. At the same time, through the spool device, the pressure starts to flow into the cylinder after the second piston, and it is included in the rotation cycle of the shaft-housing. Thus, the reciprocating movement of the pistons, caused by the pressure on them of the working fluid, is converted into rotational movement of the shaft-housing, which can be used to drive the actuator.

Аналог может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное, и наоборот.The analogue 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.

Недостатком аналога является то, что в нем поршни динамически не уравновешены, вследствие чего в нем возникают вибрации, а также то, что для управления процессом перекачки и нагнетания рабочего тела используется сложная золотниковая система с каналами малого сечения - высоким сопротивлением движению рабочего тела.The disadvantage of the analogue is that the pistons are not dynamically balanced in it, as a result of which vibrations occur in it, and also that a complex spool system with small cross-section channels is used to control the pumping and pumping of the working fluid - high resistance to movement of the working fluid.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является осевая поршневая машина, которая содержит корпус, полый приводной вал, цилиндрические полости корпуса и приводного вала выполнены таким образом, что образуют единую цилиндрическую полость, в которой размещены два поршня, которые делят цилиндрическую полость на три цилиндра, на наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок части поводков зафиксированы в корпусе, поршни соединены с приводным валом шлицевым соединением, состоящим из толкателей, помещенных в пазах, выполненных в каждом поршне и приводном вале, обеспечивающим свободное перемещение поршней вдоль оси вала и передачу крутящего момента между ними, на поршнях винтовые канавки и шлицевое соединение выполнены таким образом, что при вращении приводного вала поршни движутся поступательно в противоположные стороны, в корпусе размещены всасывающий и нагнетательный клапаны, в поршнях имеются каналы и клапаны, обеспечивающие перекачку и нагнетание рабочего тела (RU2336420, 20.10.2008).Closest to the claimed invention is an axial piston machine, which contains a housing, a hollow drive shaft, 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 two pistons are placed, which divide the cylindrical cavity into three cylinders, on the outer piston surfaces are made closed longitudinal helical grooves in which the leashes are located, protruding beyond the helical grooves of the part of the leashes are fixed in the housing, the pistons are connected to water shaft spline connection, consisting of pushers placed in grooves made in each piston and drive shaft, providing free movement of the pistons along the axis of the shaft and transmission of torque between them, on the pistons the screw grooves and spline connection are made so that when the drive rotates the pistons move in opposite directions, the suction and discharge valves are located in the housing; the pistons have channels and valves that allow pumping and pumping of the working fluid (R U2336420, 10.20.2008).

Недостатком прототипа является наличие сложного движения поршней, состоящего из вращательного и возвратно-поступательного движений, что конструктивно усложняет уплотнения между цилиндрами и поршнями, а также снижает их надежность и долговечность. Организация уплотнений поршней в среднем цилиндре требует увеличения их длины, а следовательно, веса и габаритов машины. Кроме этого, в парах трения приводной вал - поводки, поршни - поводки возникает трение скольжения, которое увеличивает энергетические потери в этих кинематических парах, что снижает КПД привода.The disadvantage of the prototype is the presence of a complex movement of the pistons, consisting of rotational and reciprocating movements, which structurally complicates the seal between the cylinders and pistons, and also reduces their reliability and durability. The organization of piston seals in the middle cylinder requires an increase in their length, and consequently, the weight and dimensions of the machine. In addition, in friction pairs of the drive shaft - leads, pistons - leads there is sliding friction, which increases energy losses in these kinematic pairs, which reduces the efficiency of the drive.

Технической задачей заявляемого устройства является исключение из сложного движения поршней (возвратно-поступательного и вращательного) вращательного движения, снижение потерь на трение в кинематических парах, а также его веса и габаритов.The technical task of the claimed device is the exclusion from the complex movement of the pistons (reciprocating and rotational) rotational motion, reducing friction losses in kinematic pairs, as well as its weight and dimensions.

Технический результат - повышение КПД, надежности, долговечности и герметичности между цилиндрами и поршнями, а также снижение материалоемкости и габаритов поршневой машины.EFFECT: increased efficiency, reliability, durability and tightness between cylinders and pistons, as well as reduced material consumption and dimensions of the piston machine.

Поставленная задача решается тем, что в осевой поршневой машине, содержащей корпус, в котором размещен полый приводной вал, по оси в корпусе выполнены цилиндрические полости, в которых размещены два соосных поршня, на наружной поверхности поршней выполнены продольные пазы и замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок, в корпусе выполнены каналы, в которых размещены всасывающий и нагнетательный клапаны, а в поршнях имеются каналы и клапаны, обеспечивающие перекачку и нагнетание рабочего тела, отличие от прототипа: приводной вал установлен в корпусе на подшипниках качения, и в нем зафиксированы с возможностью вращения выступающие части поводков, при этом боковые поверхности выступающих частей поводков свободны и опираются на подшипники качения, на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнены продольные пазы, соответствующие пазам, изготовленным на поршнях, в этих пазах размещены шарики, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение, исключающее вращение поршней, при этом на одном из поршней с торцевой поверхности выполнена открытая цилиндрическая полость, в которую вставлен соответствующий этой полости цилиндрический выступ, выполненный на торце второго поршня, при этом цилиндрическая полость выполняет функцию промежуточного рабочего цилиндра, а выступ - поршня.The problem is solved in that in an axial piston machine containing a housing in which the hollow drive shaft is placed, cylindrical cavities are made along the axis in the housing, in which two coaxial pistons are placed, longitudinal grooves and closed longitudinal helical grooves are made on the outer surface of the pistons, which are leashes protruding beyond the helical grooves, channels are made in the housing in which the suction and discharge valves are placed, and in the pistons there are channels and valves that allow pumping and pumping the working fluid, unlike the prototype: the drive shaft is mounted on the rolling bearings in the housing, and the protruding parts of the leads are fixed for rotation, while the lateral surfaces of the protruding parts of the leads are free and rest on the rolling bearings, longitudinal grooves are made on the inner cylindrical surface of the housing corresponding to the grooves made on the pistons, in these grooves are placed balls forming an axially movable spline connection, which excludes the rotation of the pistons, while on one m of the pistons is formed with an open end surface of cylindrical cavity into which is inserted into a corresponding cavity of the cylindrical protrusion formed on the end face of the second piston, wherein the cylindrical cavity performs the function of an intermediate of the working cylinder, and the projection - the piston.

Благодаря новой совокупности признаков заявляемого изобретения поршни осевой поршневой машины совершают только лишь возвратно-поступательное движение, что конструктивно упрощает уплотнения между цилиндрами и поршнями, способствует их большей герметичности, надежности и долговечности вследствие значительного сокращения протяженности и скорости перемещений уплотнений относительно неподвижных стенок цилиндров. Кроме этого, применение подшипников качения в качестве опор приводного вала и поводков, а также шариков в подвижном шлицевом соединении значительно снижает потери на трение в этих кинематических парах, энергетические потери в них, а следовательно, обеспечивает повышение КПД заявляемой машины. Помимо этого размещение среднего цилиндра в первом поршне и использование соответствующего этому цилиндру цилиндрического выступа, выполненного на торце второго поршня для организации средней цилиндропоршневой группы, обеспечивает снижение веса и габаритов заявляемой машины.Thanks to the new set of features of the claimed invention, the pistons of the axial piston machine only reciprocate, which structurally simplifies the seals between the cylinders and pistons, contributes to their greater tightness, reliability and durability due to a significant reduction in the length and speed of movement of the seals relative to the stationary walls of the cylinders. In addition, the use of rolling bearings as bearings of the drive shaft and leads, as well as balls in a movable splined joint, significantly reduces friction losses in these kinematic pairs, energy losses in them, and therefore, increases the efficiency of the claimed machine. In addition, the placement of the middle cylinder in the first piston and the use of a cylindrical protrusion corresponding to this cylinder, made at the end of the second piston to organize the middle cylinder-piston group, reduces the weight and dimensions of the claimed machine.

На фигурах 1 и 2 схематично представлена заявляемая осевая поршневая машина при различных положениях поршней.In figures 1 and 2 schematically presents the inventive axial piston machine at different positions of the pistons.

Заявляемая осевая поршневая машина состоит из корпуса 1, в котором выполнены цилиндрические полости 2, 3. В корпусе размещены полый приводной вал 4, установленный на подшипниках качения 5, и поршни 6, 7. На поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки 8, 9 и продольные пазы 10, 11. В замкнутых винтовых канавках 8 и 9 размещены поводки 12 и 13, выступающие за пределы винтовых канавок. Выступающие части поводков 12 и 13 зафиксированы в приводном валу 4 таким образом, что они могут вращаться в нем, при этом боковые поверхности поводков свободны и опираются на подшипники качения 14, 15, 16. На цилиндрической поверхности полости 2 выполнены продольные пазы 17, а полости 3 - продольные пазы 18, соответствующие пазам, изготовленным на поршнях 6 и 7, в этих пазах размещены шарики 19, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение, исключающее вращение поршней. На торцевой поверхности поршня 6 выполнена цилиндрическая полость 20, в которую вставлен соответствующий этой полости цилиндрический выступ 21, выполненный на торце поршня 7, при этом цилиндрическая полость выполняет функцию промежуточного рабочего цилиндра II, а цилиндрический выступ 21 - поршня. В корпусе 1 изготовлены всасывающий канал 22 и нагнетательный канал 23, в которых размещены соответственно всасывающий 24 и нагнетательный 25 клапаны, а в поршнях 6 и 7 изготовлены соответственно каналы 26 и 27. В канале 26 установлен всасывающий клапан 28, а в канале 27 - нагнетательный клапан 29.The inventive axial piston machine consists of a housing 1 in which cylindrical cavities 2, 3 are made. A hollow drive shaft 4 mounted on rolling bearings 5 and pistons 6, 7 are placed in the housing. Closed helical grooves 8, 9 and longitudinal are made on the surface of the pistons grooves 10, 11. In the closed helical grooves 8 and 9, leashes 12 and 13 are located that extend beyond the helical grooves. The protruding parts of the leads 12 and 13 are fixed in the drive shaft 4 so that they can rotate in it, while the lateral surfaces of the leads are free and rely on rolling bearings 14, 15, 16. On the cylindrical surface of the cavity 2, longitudinal grooves 17 are made, and the cavities 3 - longitudinal grooves 18 corresponding to the grooves made on the pistons 6 and 7, balls 19 are placed in these grooves, forming an axially movable splined joint, preventing the pistons from rotating. A cylindrical cavity 20 is made on the end surface of the piston 6, into which a cylindrical protrusion 21 corresponding to this cavity is inserted, made on the end of the piston 7, while the cylindrical cavity serves as an intermediate working cylinder II, and the cylindrical protrusion 21 is a piston. In the housing 1, a suction channel 22 and a discharge channel 23 are made, in which valves 24 and a discharge 25 are placed, respectively, and channels 26 and 27 are made in the pistons 6 and 7, respectively. A channel 28 is installed in a channel 26 and a discharge valve is installed in a channel 27 valve 29.

Внутренние полости корпуса 1 и поршня 6 образуют единую цилиндрическую полость, которая поршнями 6, 21, 7 и клапанами 28, 29 разделяется на рабочие цилиндры I, II, III.The internal cavity of the housing 1 and piston 6 form a single cylindrical cavity, which is divided by pistons 6, 21, 7 and valves 28, 29 into working cylinders I, II, III.

Заявляемая осевая поршневая машина работает следующим образом. При приложении крутящего момента к приводному валу 4, вызывающего его вращение, приводной вал 4 через поводки 12 и 13 воздействует на берега замкнутых винтовых канавок 8, 9, поршней 6, 7, и поводки 12 и 13 начинают перемещаться в них, при этом вследствие фиксации поршней от проворота шариками 19, находящимися в продольных пазах 10, 11 поршней 6, 7 и продольных пазах 17, 18 корпуса 1, вращательное движение приводного вала 4 преобразуется в поступательное движение поршней 6 и 7. Винтовые канавки 8, 9 выполнены таким образом, что поршни двигаются поступательно в разные стороны, в иллюстрируемом случае (фиг. 1) поршни 6, 7 расходятся. За счет вытеснения поршнем 6 рабочего тела из цилиндра I происходит его перетекание из цилиндра I через всасывающий клапан 28 и канал 26 в рабочий цилиндр II. Помимо этого, так как объем рабочего цилиндра II больше объема рабочего цилиндра I вследствие того, что объем рабочего цилиндра II определяется перемещением двух поршней - поршня 6 и поршня 7, в рабочем цилиндре II будет возникать разряжение, вызывающее засасывание рабочего тела через всасывающие клапаны 24 и 28 в него. Одновременно поршнем 7 происходит вытеснение рабочего тела из рабочего цилиндра III через нагнетательный клапан 25, т.е. из поршневой машины в нагнетательную систему, например в трубопровод.The inventive axial piston machine operates as follows. When torque is applied to the drive shaft 4, causing it to rotate, the drive shaft 4 through the leads 12 and 13 acts on the shores of the closed helical grooves 8, 9, pistons 6, 7, and the leads 12 and 13 begin to move in them, while due to fixation from the rotation of the pistons by balls 19 located in the longitudinal grooves 10, 11 of the pistons 6, 7 and the longitudinal grooves 17, 18 of the housing 1, the rotational movement of the drive shaft 4 is converted into the translational movement of the pistons 6 and 7. The helical grooves 8, 9 are made so that pistons move forward in On the other hand, in the illustrated case (Fig. 1), the pistons 6, 7 diverge. Due to the displacement by the piston 6 of the working fluid from cylinder I, it flows from cylinder I through the suction valve 28 and channel 26 into the working cylinder II. In addition, since the volume of the working cylinder II is greater than the volume of the working cylinder I due to the fact that the volume of the working cylinder II is determined by the movement of two pistons - piston 6 and piston 7, a vacuum will occur in the working cylinder II, causing the working fluid to be sucked through the suction valves 24 and 28 into it. At the same time, the piston 7 displaces the working fluid from the working cylinder III through the discharge valve 25, i.e. from a piston machine to a discharge system, for example, to a pipeline.

При достижении поршнями 6, 7 крайних положений (фиг. 2) происходит переход поводков 12, 13 в реверсивные ветви винтовых канавок 8, 9, и поршни 6, 7 меняют направление поступательного движения и начинают двигаться навстречу друг другу. При движении поршней 6, 7 навстречу друг другу происходит вытеснение рабочего тела из рабочего цилиндра II через канал 27 и нагнетательный клапан 29 в рабочий цилиндр III. Так как объем рабочего тела, вытесняемого из рабочего цилиндра II, больше объема рабочего цилиндра III, то часть рабочего тела будет вытесняться через нагнетательный клапан 25 из поршневой машины. Одновременно в рабочем цилиндре I происходит всасывание рабочего тела через всасывающий клапан 24. После достижения поршнями 6, 7 крайнего положения происходит переход поводков 12, 13 в ветви винтовых канавок прямого хода, и цикл повторяется.When the pistons 6, 7 reach the extreme positions (Fig. 2), the leads 12, 13 move into the reversible branches of the screw grooves 8, 9, and the pistons 6, 7 change the direction of translational motion and begin to move towards each other. When the pistons 6, 7 move towards each other, the working fluid is displaced from the working cylinder II through the channel 27 and the discharge valve 29 into the working cylinder III. Since the volume of the working fluid displaced from the working cylinder II is larger than the volume of the working cylinder III, part of the working fluid will be displaced through the discharge valve 25 from the piston machine. At the same time, in the working cylinder I, the working fluid is sucked through the suction valve 24. After the pistons 6, 7 reach the extreme position, the leads 12, 13 move in the branches of the screw grooves of the forward stroke, and the cycle repeats.

Таким образом, происходит перекачка и нагнетание рабочего тела в заявляемой осевой поршневой машине, т.е. она может работать в режимах насоса или компрессора и отвечает поставленной технической задаче.Thus, the pumping and injection of the working fluid in the inventive axial piston machine, i.e. it can operate in pump or compressor modes and meets the technical task.

Claims

An axial piston machine comprising a housing in which a hollow drive shaft is placed, cylindrical cavities are made in the housing along the axis, in which two coaxial pistons are placed, longitudinal grooves and closed longitudinal helical grooves are made on the outer surface of the pistons, in which leashes protruding beyond screw grooves, channels are made in the housing in which the suction and discharge valves are located, and in the pistons there are channels and valves that provide for pumping and forcing the working fluid, characterized in that the drive shaft is mounted on the rolling bearings in the housing, and the protruding parts of the leads are rotatably fixed in it, while the lateral surfaces of the protruding parts of the leads are free and supported by rolling bearings, longitudinal grooves are made on the inner cylindrical surface of the housing, corresponding to grooves made on the pistons, in these grooves are placed balls forming an axially movable splined joint, excluding the rotation of the pistons, while on one of the pistons from the end surface An open cylindrical cavity is filled into which a cylindrical protrusion corresponding to this cavity is inserted, made at the end of the second piston, while the cylindrical cavity serves as an intermediate working cylinder, and the cylindrical protrusion serves as a piston.