Автономный гидрообъемный привод

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: свободнопоршневой двигатель выполнен совмещенным с плунжерным гидронасосом, причем плунжеры гидронасоса жестко соединены с поршнями двигателя, а в качестве гидромотора используется ролико-лопастная машина, у которых установлены конкретные предельные конструктивные соотношения, обеспечивающие достижения оптимальных величин технико-экономических характеристик. 1 ил, 1 табл.

Изобретение относится к транспортной, сельскохозяйственной и другим отраслям промышленности, где имеются движущиеся средства передвижения и перемещения и, в частности, используется для привода в движение самоходных машин и механизмов, в т.ч. морской и речной.

Общеизвестны гидрообъемные приводы для транспортных средств, содержащие регулируемый гидронасос, вал которого кинематически жестко связан с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания (ДВС), регулятор объема подаваемой жидкости, распределитель гидромоторов, гидролиний высокого и низкого давления, предохранительных и обратных клапанов и гидроаккумулятора.

Недостатками этого гидрообъемного привода являются большие габариты и масса, суммарное КПД является относительно низким. Для улучшения показателей установок прибегают к объединению ДВС с насосом гидрообъемной передачи в свободно поршневых схемах двигателях насосах.

Известно изобретение по патенту США 3848415 МКИ F 02 В 71/04 публикация 1974 г. в котором свободно-поршневой двигатель гидронасос ( СПДГН) работает на гидравлическую турбину привода нагрузки, например, колеса транспортного средства [1] Настоящая установка имеет хороший диапазон регулирования, но малоэкономична из-за низкого КПД гидротурбины.

Известно устройство по авт. свид. СССР 527524 МКИ F 02 В 71/04 публ. 1976 г. в котором СПДГН работает на гидрообъемный мотор регулируемого рабочего объема [2] Настоящее изобретение имеет хороший диапазон регулирования, но имеет сложную схему гидравлической машины.

Известна силовая установка для транспортного средства с использованием СПДГН в комбинации с простой нерегулируемой объемной гидромашиной [3] (Патент США 3089305 НКИ 60-595 публ. 1963 г. прототип).

Недостатком этой установки является относительно малый диапазон регулирования, который осуществляется дросселированием потока рабочей жидкости. Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона бесступенчатого экономического регулирования.

Достигается указанный технический результат использованием автономного гидрообъемного привода, содержащего свободно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, гидронасос, нерегулируемый реверсивный гидромотор и гидромагистрали с элементами клапанного и дроссельного регулирования, у которого свободно-поршневой двигатель выполнен совмещенным с плунжерным гидронасосом, где плунжеры гидронасоса жестко соединены с поршнями двигателя, причем диаметр в плунжера по отношению к максимальному диаметру D поршня двигателя выбран в пределах 0,015 ≅ d/D ≅ 0,5, площадь сечения S₁ поршневого цилиндра двигателя по отношению к площади сечения S₂ плунжерного цилиндра выбрана в пределах 2 ≅ S₁/S₂ ≅ 55, а длина l₁ плунжера по отношении к длине l₂ двигателя-гидронасоса выбрана в пределах 0,01 ≅ l₁/l₂ ≅ 0,1.

В качестве гидромотора используется ролико-лопастная машина, у которой внутренний диапазон d₁ корпуса по отношению к наружному диаметру d₂ выбран в пределах 0,3 ≅ d₁/d₂ ≅ 0,9, диаметр d₃ свободно вращающихся роликов по отношению к диаметру d₄ лопастного вала выбран в пределах 0,01 ≅ d₃/d₄ ≅ 2, высота же l₃ лопасти по отношению к ее длине l₄ выбрана в пределах 0,01 ≅ l₃/l₄ ≅ 25, а отношение площади S₃ сечения входного отверстия к площади S₄ лопасти выбрано в пределах 0,05 ≅ S₃/S₄ ≅ 0,5.

Для того, чтобы детально представлять гидрообъемный привод на фиг. 1 дана его общая схема.

Автономный гидрообъемный привод (фиг. 1) состоит из линейного свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания 1, объединенного с гидронасосом 2, с корпусом 3, блоком поршней 4, роль гидронасоса выполняют плунжеры 5, которые жестко соединены с наружными торцами поршней 6 ДВС. Привод также включает в себя гидроаккумулятор 7, гидрораспределитель 8 и два ролико-лопастных гидромотора 9 и 9' соединенные гидромагистралями с питающим баком 10, при этом плунжерные цилиндры 11 гидронасоса 2 соединены всасывавшей линией 12 через обратные клапаны 13 и 13' с гидробаком 10, а через обратные клапаны 13^'' и 13^''' с напорной линией 14 с гидроаккумулятором 7 и с гидрораспределителем 8, сливной гидролинии 15, соединенной с напорной линией 14 через предохранительный клапан 16 и обратный клапан 17, гидрораспределитель 18 соединен с гидромоторами 9 исполнительными линиями 18 и 18', которые соединены между собой предохранительными клапанами 19 и 19^' обратные клапаны 20, 20^', 20^'', 20^''' соединяют исполнительные линии 18 и 18^' со сливной линией 15, в которой установлен фильтр 21 перед баком 10.

Автономный гидрообъемный привод работает следующим образом. Блок поршней 4, который расположен в корпусе 3 ДВС 1, совершает рабочий ход в обе стороны. При движении блока поршней 4 вправо плунжер 5 гидронасоса 2 засасывает рабочую жидкость из бака 10 через обратный клапан 13 в полость плунжерного цилиндра 11 гидронасоса 2 жидкость заполняет полость под действием образующегося вакуума и давления столба жидкости в баке 10. При движении блока поршней 4 влево рабочая жидкость из полости плунжерного цилиндра 11 через обратный клапан 13^'' подается по напорной линии 14 к гидроаккумулятору 7, который уменьшает перепады давления в напорной линии 14, и к гидрораспределителю 8 и предохранительному клапану 16, отрегулированному на давление, превышающее рабочее, который в случае перегрузки соединяет напорную линию 14 со сливной линией 15, восстанавливая нормальное рабочее давление в напорной линии 14. В зависимости от положения, в котором он установлен гидрораспределитель 8 в гидрообъемном приводе происходит следующее. В положении "А" соединяются между собой напорная 14, сливная 15 и исполнительные 18 и 18^' гидролинии. В этом случае рабочая жидкость поступает из напорной линии 14 в сливную 15 и через фильтр 21 сливается в бак 10, при этом исполнительные линии 18 и 18' соединяются между собой, что обеспечивает свободное вращение гидромоторов 9. Независимо от гидронасоса 2 создается два независимых круга циркуляции.

В положении "Д" распределителя 8 рабочая жидкость поступает по исполнительной линии 18 к гидромоторам 9, а затем по линии 18^' через распределитель 8 в сливную линию 15.

При положении "С" гидрораспределителя 8 рабочая жидкость из напорной гидролинии 14 через предохранительный клапан 16 поступает в сливную линию 15 и стекает в бак 10, а движение рабочей жидкости в исполнительных линиях 18 и 18^' перекрывается и гидромоторы 9 не вращаются. Для использования гидромоторов 9 и 9^' в качестве дополнительных тормозов между исполнительными гидролиниями 18 и 18^' установлены дроссели 22 и 22^' обеспечивающие регулирование потока рабочей жидкости.

При переключении распределителя 8 в положение "3" изменяется направление вращения гидромоторов 9 и 9^' на противоположное.

В случае принудительного вращения одного из гидромоторов, например, 9 с большей частотой вращения, чем у другого гидромотора 9^' открывается обратный клапан 20 и рабочая жидкость из сливной линии 15 поступает к гидромонитору 9 для предотвращения разрыва потока рабочей жидкости.

Таким образом с изменением частоты ходов блока поршней 4 двигателя 1 изменяется объем подачи и скорость подачи рабочей жидкости, что позволяет расширить возможность бесступенчатого регулирования числа оборотов и мощности гидромоторов 9 и 9^'.

Как показали проведенные исследования, указанный технический результат достигается только при взаимосвязанном использовании всей совокупности существенных признаков заявленных объектов. Это подтверждается, в частности, следующими примерами их практической реализации, при описании которых нецелесообразно повторять в каждом примере общую для них информацию, отраженную в формуле и описании изобретения. Целесообразно привести при описании примеров практического выполнения заявленных объектов только количественную информацию, отличающую один пример от другого, которую целесообразно для удобства сопоставления изложить в виде таблицы. Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр ε, характеризующий расширение диапазона скорости и мощности при бесступенчатом регулировании движения механизмов в процессе экспериментального осуществления примеров заявляемого технического решения и прототипа.

Нижние (пример 1 таблицы) и верхние (пример 2) значения заявляемых пределов были получены на основании статистической обработки экспериментальных данных преимущественно исходя из условия приближения параметра e к единице (e= 1,02, e=1,03), а также с учетом других известных обстоятельств, накладывающих ограничения на заявляемые пределы. В оптимальном примере 3 практической реализации заявляемых объектов было достигнуто наиболее высокое значение параметра (e₃=4,6).

При выходе за нижние (пример 5) и верхние (пример 6) значения заявляемых пределов указанный технический результат, как следует из таблицы, не достигается (ε₅=0,97, ε₆=0,98). В произвольном примере 4 при использовании значений существенных параметров внутри заявляемых пределов было получено промежуточное значение технического результата (ε₄=3,2).

Достижение указанного технического результата обеспечило дополнительные преимущества использования заявляемого объекта. Так при отсутствии шатунов, поршневых пальцев в нем не возникают боковые усилия и уменьшается трение, расходуемое на нагревание, поэтому рабочая температура системы охлаждения не превышает 60^oС. Свободное движение поршней облегчает регулировку ходов и повышает долговечность двигателя. Стоимость изготовления не высокая, т.к. элементарно проста конструкция, которая при изготовлении не требует применения специальных и дорогих материалов. Удельная масса двигателя не превышает 0,25 кг/кВт.

Преимущество применения гидромотора ролика-лопастного типа заключается в простоте конструкции, малой себестоимости, увеличении срока работы, т.к. не имеет трущихся пар, и масса его на единицу мощности в 12 раз ниже, чем у электромотора. Рабочее давление гидромотора составляет Р 10-25 МПа, а передаваемый момент М 650-2000 Нм.

Формула изобретения

Автономный гидрообъемный привод, содержащий свободно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, гидронасос, нерегулируемый реверсивный гидромотор и гидромагистрали с элементами регулирования, отличающийся тем, что свободно-поршневой двигатель выполнен совмещенным с плунжерным гидронасосом, причем плунжеры гидронасоса жестко соединены с поршнями двигателя, а диаметр d плунжера по отношению к максимальному диаметру D поршня двигателя выбран в пределах 0,015 ≅ d/D ≅ 0,5, при этом площадь S₁ сечения цилиндра двигателя по отношению к площади S₂ сечения цилиндра плунжера выбрано в пределах 2 ≅ S₁ / S₂ ≅ 55, а длина l₁ плунжера по отношению к длине l₂ двигателя выбрана в пределах 0,01 ≅ l₁ / l₂ ≅ 0,1, причем в качестве гидромотора используется ролико-лопастная машина, у которой внутренний диаметр d₁ корпуса по отношению к наружному диаметру d₂ выбран в пределах 0,3 ≅ d₁ / d₂ ≅ 0,9, диаметр d₃ свободно-вращающихся роликов по отношению к диаметру d₄ лопастного вала выбран в пределах 0,01 ≅ d₃/d₄ ≅ 2,0, высота l₃ лопасти лопастного вала по отношению к ее длине l₄ выбрана в пределах 0,01 ≅ l₃ / l₄ ≅ 25, а отношение площади S₃ сечения входного отверстия гидромотора по отношению к площади S₄ лопасти выбрано в пределах 0,05 ≅ S₃ / S₄ ≅ 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2