Поршневой двигатель

 

Использование: для создания экономичных автомобильных компрессоров, нефтедобывающих насосов, аварийных питательных насосов паровых котлов, гидроусилителей, дозаторов для химических производств, подпиточных насосов и погружных насосов. Сущность изобретения: поршневой двигатель содержит размещенные в рабочем цилиндре 1 поршень 2 со штоком 3, распределительное устройство, включающее фиксатор и переключающий золотник 6, кинематически связанный двухпозиционным прерывистым механизмом 5 зацепления со штоком 3 цилиндра 1 и подключенный двумя линиями связи к камерам привода перестановки подпружиненного с одной стороны запоминающего золотника 9, две рабочие линии которого подключены к полостям рабочего цилиндра 1, а также по меньшей мере один поршневой компенсатор 15, подключенный к линии связи, причем он снабжен перепускным клапаном 13, включенным между линиями связи переключающего золотника 6, механизм 5 зацепления которого установлен соосно штоку 3 рабочего цилиндра 1. Фиксатор выполнен в виде двух поясков 7, установленных по краям переключающего золотника 6 с образованием торцовых камер, подключенных каждая к одной из линий связи. При этом привод перестановки выполнен в виде поршня 11, опертого на пружину 12 запоминающего золотника 9. 1 ил.

Изобретение относится к возвратно-поступательным двигателям, в частности к гидравлическим двигателям объемного вытеснения, которые могут быть использованы в качестве привода возвратно-поступательных механизмов при наличии перепада давления рабочей среды (пар, газ, жидкость), компрессоров, насосов и т.д.

Известны различные типы двигателей : электрические, внутреннего сгорания, паро- и газотурбинные, паровые, гидравлические и т.д. Вместе с тем в ряде случаев встречается избыток гидравлической энергии, который использовать с помощью существующих типов двигателей не представляется возможным. Примеры: система охлаждения автомобильных двигателей рассчитана на работу при температурах воздуха от -40 до +40^оС при постоянном расходе охлаждающей жидкости, хотя подавляющее большинство автомобилей эксплуатируется при температурах воздуха до 25^оС, т.е. имеется постоянный избыток гидравлической энергии, расходуемый бесполезно; на судах с двубортной паросиловой уставкой в конденсатно-питательной системе, как правило, имеется двойной вращающийся резерв мощности по питательной воде для немедленного резервирования, кроме того, далеко не всегда установки работают на 100% мощности, т.е. также постоянно имеется в наличии избыток гидравлической энергии, который бесполезно расходуется; практически любая циркуляционная система охлаждения имеет резерв гидравлической энергии, т.к. она рассчитана на максимальную тепловую нагрузку, которая в большинстве случаев остается гипотетической.

Известны гидроприводы исполнительных механизмов. Эти устройства не имеют автоматического переключения подачи рабочей среды по окончании рабочего хода в одном направлении и без создания дополнительной системы переключения управляющего золотника не могут быть использованы для непрерывной работы в качестве двигателя (МКИ GO5); паровые машины. Эти механизмы имеют один переключающий золотник, который в конце рабочего хода переключается на реверс подачи рабочей среды, кратковременно перекрывая подачу рабочей среды полностью. При использовании в качестве рабочей среды пара или газа движение поршня в этот момент обеспечивается за счет продолжающегося расширения рабочей среды, а в случае использования в качестве рабочей среды жидкости двигатель в этот момент остановится, т.к. жидкость не расширяется (FO2C).

Известна (заявка ФРГ N 053703529) поршневая машина. В этом изобретении используется свойство плоской пружины занимать фиксированные выпуклые положения и неустойчивое среднее. За счет этого происходит "запоминание" положения единственного в этой машине переключающего золотника и переброс его в противоположное крайнее положение.

Однако плоская пружина, чтобы иметь достаточно большой ресурс, должна быть тонкой. В противном случае усталость металла неизбежно приведет к поломке пружины и остановке двигателя. Малая толщина пружины не может обеспечить переброс достаточно большого золотника, что накладывает ограниченная на мощность и быстродействие двигателя. Применение спиральных сжатых пружин с подшипниками в упорах и коромыслом в опорной точке вызывает необходимость применения системы смазки, проведения излишних профилактических работ, а также неоправданно усложняет конструкцию самого двигателя и не позволяет его применять в неблагоприятных условиях.

Прототипом предлагаемого изобретения является двигатель, содержащий рабочий цилиндр, прерывистый механизм зацепления, переключающий золотник, запоминающий золотник, механический фиксатор и два компенсатора.

Недостатками известного технического решения являются возврат в среднее положение переключающего золотника за счет действия пружин после снятия усилия толкателя с зацепа при реверсе в движении поршня рабочего цилиндра, что не обеспечивает надежности в работе двигателя (например, при поломке или разрегулировке одной из пружин). Применение механического фиксатора для удержания запоминающего золотника в крайних положениях неизбежно приводит к появлению сил трения, а следовательно, к повышенному износу этого узла и применению системы смазки.

Кроме того, отсутствие строго определенного исходного положения перед пуском запоминающего золотника не гарантирует пуска двигателя после остановки, так как принципиально возможна остановка двигателя с перекрытыми окнами запоминающего золотника.

Целью изобретения является повышение надежности пуска и работы, сокращение и даже устранение эксплуатационного обслуживания.

Поставленная цель достигается путем изменения положения и взаимосвязей золотниковой системы по отношению к корпусу двигателя и иным конструктивным выполнением ее.

В поршневом двигателе двойного действия, содержащем рабочий цилиндр, поршень со штоком и распределительное устройство потока рабочей среды, дополнительно установлен запоминающий золотник с подпружиненным гидроприводом, поршневым компенсатором, перепускным клапаном с подпружиненным гидроприводом, причем распределительное устройство выполнено в виде расположенного по оси штока переключающего золотника с двумя фиксирующими поясками, связанного со штоком рабочего цилиндра посредством зацепа, который закреплен жестко на торце штока переключающего золотника со стороны штока рабочего цилиндра.

Надежность пуска повышается за счет того, что запоминающий золотник после остановки двигателя автоматически занимает исходное перед пуском положение, так как при перекрытии подачи рабочей среды (останов двигателя) автоматически открывается перепускной клапан и усилием сжатой пружины гидропривод запоминающего золотника возвращается в крайнее правое (пусковое) положение.

Надежность работы распределительного устройства обеспечивается непрерывностью силового воздействия гидравлического давления на золотники в течение всей работы двигателя в отличие от прототипа, где управление золотниками осуществляется импульсно, т.е. в предлагаемом техническом решении пока подается рабочая среда (пока двигатель работает), сохраняется непрерывность автоматического управления золотниками.

Заменены механические связи между гидравлическими элементами, что уменьшает трение до минимума и позволяет отказаться от системы смазки.

На чертеже показан предлагаемый двигатель.

Поршневой двигатель состоит из рабочего цилиндра 1 с рабочим поршнем 2, штоком 3 и толкателем 4 зацепа, двухпозиционного прерывистого механизма зацепления штока рабочего цилиндра с переключающим золотником 6, расположенного соосно штоку и включающего толкатель 4 зацепа, жестко связанный со штоком цилиндра, и зацеп 5, жестко связанный с переключающим золотником 6, переключающего золотника 6 с двумя фиксаторами, выполненными в виде поясков 7 на краях переключающего золотника с образованием торцовых камер 8,запоминающего золотника 9 с подпружиненным гидроприводом 10, выполненным в виде гидроцилиндра с поршнем 11, подпружиненным со стороны золотника цилиндрической спиральной пружины 12, перепускного подпружиненного клапана 13 с гидроприводом 14, поршневого компенсатора 15,трубопроводов или сверлений в корпусе для организации потоков рабочей среды и клапанов 16 подачи и слива рабочей среды.

Двигатель преобразует потенциальную энергию (перепад давлений) рабочей среды в механическую работу движения рабочего поршня за счет автоматического переключения подачи рабочей среды в правую и левую полости рабочего цилиндра 1 запоминающим золотником 9, при этом одновременно переключается и слив рабочей среды.

Запоминающий золотник 9 управляется подпружиненным гидроприводом 10, рабочая среда на который подается через переключающий золотник 6. Переключение последнего производится зацепом 5, который в конце рабочего хода рабочего поршня 2 перемещается толкателем 4 зацепа. Фиксаторы предназначены для надежного удержания переключающего золотника в соответствующем крайнем положении при работе двигателя.

Перепускной подпружиненный клапан 13 и пружина 12 гидропривода запоминающего золотника 9 предназначены для автоматического перепуска рабочей среды между полостями гидропривода 10 запоминающего золотника и возврата его в крайнее правое положение после остановки двигателя, а следовательно, для обеспечения надежного пуска двигателя после его остановки даже в случае остановки переключающего золотника 6 в положении с перекрытыми окнами.

Поршневой компенсатор 15 предназначен для устранения чрезмерного роста давления в кольцевой полости левого фиксатора при перекрытии окон переключающего золотника 6 во время движения золотника 6 влево в конце хода рабочего поршня 2 влево и предотвращения поломки переключающего золотника 6. При движении переключающего золотника вправо рост давления предотвращается незначительным смещением поршня 11 гидропривода запоминающего золотника Обозначение трубопроводов: сплошная линия - напорный трубопровод; штрихпунктирная линия - сливной трубопровод; пунктирная линия - трубопроводы с изменением направления движения рабочей среды;
основной силовой поток показан утолщенными линиями;
импульсные (управляющие) потоки показаны тонкими линиями.

На схеме показано исходное положение двигателя перед пуском после остановки. Оно определяется закрытым положением клапана 16 подачи рабочей среды на двигатель;
произвольным положением рабочего поршня 2 и зацепа 5;
произвольным положением переключающего золотника 6;
открытым положением перепускного подпружиненного клапана 13;
крайним правым положением запоминающего золотника 9.

Принципиально может быть три варианта исходного положения, отличающиеся только положением переключающего золотника 6: правое, левое и положение, при котором его окна перекрыты.

Пуск двигателя производится открытием (автоматически, дистанционно или вручную) клапана 16 подачи рабочей среды при открытом сливе. При этом
автоматически закрывается напорным давлением перепускной подпружиненный клапан (13);
в зависимости от положения переключающего золотника 6 происходит переброска запоминающего золотника 9 или же он остается в крайнем правом положении, если окна переключающего золотника 6 перекрыты или он сдвинут вправо), что существа процесса не меняет (примем для рассмотрения самый сложный случай, когда окна переключающего золотника 6 перекрыты);
рабочая среда через окна запоминающего золотника 9 поступает в правую полость рабочего цилиндра 1 и поршень 2 начинает двигаться влево;
толкатель 4 зацепа, двигаясь вместе с поршнем 2 влево, в конце рабочего хода перемещает зацеп 5, а следовательно, и переключающий золотник 6 в крайнее левое положение;
рабочая среда, пройдя через окна переключающего золотника 6, удерживает его при помощи правого фиксатора в крайнем левом положении и перебрасывает запоминающий золотник 9 при помощи подпружиненного гидропривода 10 в крайнее левое положение, переключая подачу рабочей среды в левую полость рабочего цилиндра;
толкатель 4 зацепа, двигаясь вместе с поршнем 2 вправо, в конце рабочего хода перемещает зацеп 5 вместе с переключающим золотником 6 в крайнее правое положение;
рабочая среда, пройдя через окна переключающего золотника 6, удерживает его при помощи левого фиксатора в крайнем правом положении и при помощи подпружиненного гидропривода 10 перебрасывает запоминающий золотник 9 в крайнее правое положение, переключая подачу рабочей среды в правую полость рабочего цилиндра 1;
сливы рабочей среды переключаются одновременно с ее подачей.

Далее рабочие циклы повторяются.

Предлагаемый двигатель сохраняет все положительные свойства гидравлических приводов и паровых машин и приобретает универсальность к рабочей среде (пар, газ, жидкость).

Двигатель может быть изготовлен в едином корпусе, исключающем протечки рабочей среды, в форме цилиндра любого диаметра, в зависимости от требуемой мощности из неметаллических материалов, может быть помещен в условия воздействия агрессивных сред, может быть установлен в любом положении, не имеет системы смазки, не имеет вращающихся масс, что позволяет ему мгновенно останавливаться при перегрузках без поломок, имеет большую удельную мощность (зависит от площади поршня и перепада давления рабочей среды), имеет большой диапазон скоростей (от самых малых до самых больших), имеет равномерную постоянную подачу при работе на жидкости, может использоваться во взрывопожароопасных помещениях.

Предлагаемый двигатель может быть использован для создания компрессора на автомобилях с жидкостным охлаждением, включая легковые, при этом появляется возможность заменить существующие навесные непрерывно работающие, а следовательно, и неэкономичные компрессоры, сэкономив при этом до 2% горючего; на базе такого компрессора возможно создание пневматической тормозной системы легкового автомобиля, отличающейся большей надежностью по сравнению с существующей гидравлической;
создания нефтедобывающих насосов для обедненных скважин и замены металлоемких современных "качалок" с одновременным подъемом давления пласта за счет слива воды в скважину;
создания компрессора на любое давление всасывания, т.е. компрессора снятия давления, которого пока не существует и который крайне необходим, например, для обеспечения живучести подводных лодок;
создания гидроусилителей непрерывного действия; подпиточных насосов, используемых в качестве аварийных питательных насосов паровых котлов, а также при перекачке вредных и радиоактивных жидкостей, особенно в необитаемых помещениях;
создания дозаторов для химических производств с постоянной скоростью подачи компонентов;
создания надежных погружных насосов;
утилизации излишков гидравлической энергии, в настоящее время расходуемых бесполезно.

Формула изобретения

ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий размещенные в рабочем цилиндре поршень со штоком, распределительное устройство, включающее фиксатор и переключающий золотник, кинематически связанный двухпозиционным прерывистым механизмом зацепления со штоком цилиндра и подключенный двумя линиями связи к камерам привода перестановки подпружиненного с одной стороны запоминающего золотника, две рабочие линии которого подключены к полостям рабочего цилиндра, а также по меньшей мере один поршневой компенсатор, подключенный к линии связи, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона применения и повышения надежности, он снабжен перепускным клапаном, включенным между линиями связи переключающего золотника, механизм зацепления которого установлен соосно со штоком рабочего цилиндра, а фиксатор выполнен в виде двух поясков, установленных по краям переключающего золотника с образованием торцевых камер, подключенных каждая к одной из линий связи, при этом привод перестановки выполнен в виде поршня, опертого на пружину запоминающего золотника.

РИСУНКИ

Рисунок 1