Поршневая машина

 

Машина предназначена для преобразования энергии рабочего тела (газ, пар, жидкость) в механическую работу или наоборот. Машина содержит корпус 3, по меньшей мере, одну призматическую пружину 1, крышку 4, снабженную клапанами 5 и 10, эластичный призматический баллон 2, поршень 6 с шатуном 11, связанные с направляющей опорой 7. Поршень 6 соосно закреплен на торце призматической пружины 1, в которой установлен эластичный призматический баллон 2, открытый торец которого вместе с другим торцом призматической пружины 1 герметично закреплен на корпусе 3 при помощи крышки 4, а дно эластичного призматического баллона 2 герметично закреплено на поршне 6. При этом направляющая опора 7, кинематически связанная с шатуном 11, обеспечивает бесконтактное движение поршня 6 по геометрической оси призматической пружины 1. Изобретение обеспечивает повышение надежности и долговечности машины, упрощение условий эксплуатации. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к энергетике, а именно к машинам для преобразования энергии рабочего тела (газ, пар, жидкость) в механическую работу и наоборот, а более конкретно к поршневым машинам.

Для преобразования энергии рабочего тела (газ, пар или жидкость) в механическую работу, например в возвратно-поступательное движение поршня, или наоборот широко используются поршневые машины, например гидроцилиндры, поршневые двигатели, компрессоры, насосы и т.д.

Наиболее близкой к изобретению является поршневая машина, содержащая корпус с по меньшей мере одной торцевой крышкой, размещенную в корпусе по меньшей мере одну пружину, соосно установленный в ней эластичный баллон, концы которого закреплены на торцах пружины, клапаны, установленные в крышке, поршень со штоком и направляющую опору (US 5158005 А, кл. F 01 В 19/00, опубл. 27.10.1992).

Недостатками этого изобретения являются трение, возникающее как между телескопическими цилиндрами, так и между внутренним цилиндром и гибким эластичным баллоном, что приводит к быстрому износу этих деталей; ограниченный ход подвижного телескопического цилиндра и необходимость высокоточной обработки взаимно контактирующих поверхностей цилиндров.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков и обеспечение повышения надежности и долговечности машины, упрощение условий ее эксплуатации.

Эта задача решается за счет того, что в поршневой машине, содержащей корпус c по меньшей мере одной торцевой крышкой, размещенную в корпусе по меньшей мере одну пружину, соосно установленный в ней эластичный баллон, концы которого закреплены на торцах пружины, клапаны, установленные в крышке, поршень со штоком и направляющую опору, один торец пружины при помощи крышки герметически закреплен на корпусе, к другому торцу пружины соосно с ней прикреплен поршень со штоком с образованием герметичной камеры с возможностью преобразования энергии рабочего тела в движение поршня по геометрической оси пружины. Причем пружина и баллон могут иметь призматическую форму, цилиндрическую форму или форму усеченного конуса. Пружина и баллон могут иметь форму части тора, а поршень может быть установлен с возможностью перемещения по геометрической оси пружины при помощи направляющей опоры вращения. Причем пружина может быть выполнена составной. Эластичный баллон может быть выполнен в виде сильфона, а внутренняя поверхность пружины иметь возможность облегания его при деформировании.

В варианте выполнения предусмотрен дополнительный эластичный баллон, в котором установлена пружина совместно с внутренним эластичным баллоном с образованием герметичной камеры с возможностью подачи в эту камеру охлаждающей и смазывающей жидкости.

Промежуточная зона между корпусом и пружиной может быть заполнена охлаждающей и смазывающей жидкостью.

Вариант выполнения предусматривает использование привода движения поршня, при этом клапаны установлены с возможностью регулирования давления рабочего тела.

Баллон может быть изготовлен из эластичного материала и армирован винтообразно расположенными относительно оси баллона прочными нитями, например кордом.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения крышка имеет форму стакана, расположенного в корпусе, а между внешней поверхностью крышки и внутренней поверхностью корпуса расположена пружина с баллоном. Баллон может быть установлен в пружине и закреплен в предварительно напряженном состоянии.

Пружина является основной деталью предлагаемой поршневой машины. Она служит как для восприятия давления рабочего тела и обеспечения равномерного удлинения и укорачивания эластичного баллона, так и для создания рабочего усилия, обеспечивающего перемещение поршня при работе машины в режиме двигателя или гидроцилиндра. Жесткость пружины следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить прочность камеры давления при максимальном перемещении поршня. Предлагаемая машина позволяет использовать потенциальную энергию упругой деформации пружины для обеспечения обратного хода поршня.

Для мощных поршневых машин, в которых используются рабочие тела высокого давления или необходимо получить большое усилие давления, предпочтение нужно отдать прорезным призматическим пружинам (фиг.1, фиг.2).

Для машин, работающих в режиме компрессора, предпочтительнее использовать призматические пружины (фиг.3), многоугольные плоские элементы которых работают на совместный изгиб и кручение, однако, в отличие от прорезных пружин собраны из отдельных плоских элементов, расстояние между которыми устанавливается во время сборки пружины при помощи вставных прокладок. Они позволяют не только обеспечить практически любую жесткость пружины при достаточной прочности, но и обеспечивают получение разных осесимметричных конфигураций внутренней поверхности пружины, что очень важно при использовании армированных высокопрочными нитями (корд) или металлических, эластичных цилиндрических баллонов (сильфонов). Использование эластичного баллона в поршневой машине обеспечивает максимальную герметичность камеры давления без необходимости использования принудительной системы смазки трущихся поверхностей и без высокоточной обработки поверхностей отдельных деталей машины. Эластичный баллон изготавливается из упругого, легкодеформируемого материала, например резины, и может иметь форму стакана или трубы. Принцип действия поршневой машины позволяет использовать материалы с невысокими прочностными характеристиками, так как стенки эластичного баллона являются промежуточным звеном для передачи высокого давления рабочего тела к стенкам призматической пружины, что способствует возникновению сравнительно низких напряжений в стенках эластичного баллона. Для этого толщина стенок эластичного баллона выбирается таким образом, чтобы при максимальном ходе поршня она была величиной того же порядка, что и расстояние между витками винтовой пружины или кольцевыми элементами прорезной пружины при их максимально раскрытом положении. Для поршневых машин, работающих в режиме компрессора, толщину стенок эластичного баллона нужно принимать равной примерно половине расстояния между кольцевыми элементами пружины при ее максимальном раскрытии, так как с этого момента радиальные деформации эластичного баллона становятся значительными и могут привести к разрушению баллона. В предлагаемой машине оба конца пружины и эластичного баллона закреплены совместно таким образом, что создают условия для их совместного деформирования и тем самым позволяют в зоне контакта эластичного баллона с внутренней полостью пружины практически исключить их взаимные смещения. Это позволяет уменьшить износ и существенно увеличить долговечность эластичного баллона. Крышка камеры давления, оснащенная клапанами для обеспечения впуска и выпуска рабочего тела, герметически закрывает открытый торец эластичного баллона и совместно с пружиной прикрепляет его к корпусу машины. В корпусе машины имеется полость, в которой с зазором устанавливается пружина с эластичным баллоном. Поршень и шатун выполнены как одно целое и соосно закреплены на подвижном торце пружины. К ним крепится также донная часть эластичного баллона. Направляющая опора закрепляется на корпусе машины и обеспечивает движение поршня по геометрической оси пружины.

Использование предварительно напряженной составной призматической пружины позволяет при неизменной жесткости пружины существенно увеличить прочность камеры давления. Установка винтовой пружины, между витками которой в начальный момент отсутствует зазор, внутрь прорезной пружины необходимой жесткости позволяет за счет увеличения количества витков на длине пружины обеспечить минимальный размер межвиткового расстояния при максимальном ходе поршня и тем самым существенно уменьшить рабочие напряжения, действующие в стенках эластичного баллона. Это позволяет снизить требования к прочностным характеристикам эластичных баллонов.

Для увеличения возможности упругой деформации эластичного баллона, уменьшения величины усилия, необходимого для достижения максимально большого хода поршня с обеспечением равномерной укладки эластичного баллона при обратной деформации пружины, удобно пользоваться эластичным баллоном, имеющим форму сильфона, шаг которого равен шагу пружины в недеформированном состоянии. Такое исполнение позволяет не только существенно увеличить максимальный ход поршня и долговечность эластичного баллона, но и использовать металлические цилиндрические баллоны, имеющие форму сильфона. Это позволяет использовать поршневую машину и в тяжелых эксплуатационных условиях, когда на эластичный баллон действуют высокие температуры или большие динамические давления или он работает в агрессивных средах, где практически невозможно использовать эластичные баллоны из органических материалов.

Для уменьшения трения и износа эластичного баллона, а также охлаждения подвижных звеньев поршневой машины в зону между эластичным баллоном и стенками корпуса машины подается смазывающая жидкость. Можно на внутренней поверхности пружины проделать винтовую канавку для улучшения процесса смазки эластичного баллона. Это позволяет увеличить долговечность основных деталей поршневой машины и создает условия для использования ее при интенсивных режимах эксплуатации.

Для исключения использования уплотнений в системе смазки - охлаждения предпочтительно использовать второй эластичный баллон с установленными в нем пружиной и еще одним эластичным баллоном. В этом случае концы внешнего баллона герметично закрепляются на торцах призматической пружины с образованием совместно с внутренним эластичным баллоном закрытой камеры, в которую подается охлаждающая смазывающая жидкость. Это позволяет избежать потерь охлаждающей смазывающей жидкости и обеспечивает надежную систему охлаждения.

Можно на внутреннюю поверхность пружины нанести антифрикционное покрытие, например графит. Это позволяет существенно уменьшить силы трения между пружиной и эластичным баллоном и тем самым увеличить долговечность эластичного баллона. Для увеличения контактной прочности последнего его можно армировать винтообразно расположенными относительно продольной оси баллона прочными нитями (кордом), такое расположение армировки позволяет обеспечить сравнительно высокую прочность эластичного баллона при его достаточной эластичности, что создает условия для использования рабочих тел высокого давления.

Для уменьшения касания стенок эластичного баллона со стенками пружины удобно эластичный баллон изготовить в виде усеченного конуса, вершина которого находится со стороны поршня. Это позволит уменьшить силы трения в зоне наибольших перемещений эластичного баллона и увеличит его долговечность.

Для получения высокой степени сжатия рабочего тела в камере давления крышку цилиндра удобно изготовить в форме стакана (фиг.3), длина которого равна рабочей длине пружины в ее недеформированном состоянии, а наружный диаметр стакана меньше диаметра цилиндра, вписанного в полость пружины, и позволяет в промежуточную зону, образующуюся между наружной поверхностью крышки и полостью пружины, установить эластичный баллон.

Поршневая машина может быть изготовлена с эластичным баллоном трубчатой формы. Тогда подвижной торец эластичного баллона должен иметь фланец, который при помощи поршня герметично закрепляется к подвижному торцу пружины (фиг.3).

Для увеличения долговечности эластичного баллона, изготовленного из определенных марок резины, например из изопренного каучука, следует эластичный баллон закрепить в пружине в предварительно напряженном состоянии. То же применимо и для баллонов, имеющих форму сильфонов.

Наличие клапанов позволяет поршневую машину предложенной конструкции использовать в режиме насоса или компрессора.

Описанные усовершенствования позволяют снизить точность изготовления деталей и тем самым существенно уменьшить трудоемкость производства, обеспечить высокую герметичность камеры давления, улучшить условия смазки взаимно перемещающихся поверхностей деталей машины, обеспечить возможность осуществления движения поршня по дуге окружности и облегчить обслуживание машины. При этом существенно упрощается изготовление машин большой мощности, а также упрощается ремонт машины, который сводится к замене эластичного баллона.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена поршневая машина, общий вид; на фиг.2 - вариант выполнения поршневой машины с цилиндром, имеющим форму отсеченного тора; на фиг. 3 - поршневая машина с двумя пружинами (прорезной и винтовой) и крышкой, имеющей форму стакана.

Поршневая машина содержит по меньшей мере одну пружину 1 (призматическую, цилиндрическую, коническую, торообразную и др.), один из торцов которой имеет фланец, позволяющий закрепить ее при помощи болтов на корпусе 3 и герметично закрыть крышкой 4 с установленными на ней впускным 5 и выпускным 10 клапанами. В полости пружины 1 соосно установлен эластичный баллон 2, имеющий форму стакана, открытый торец которого герметично закреплен совместно с пружиной 1 при помощи крышки 4 на корпусе 3. Дно эластичного баллона 2 и подвижный торец пружины 1 закреплены на поршне 6 герметично и без создания начальных напряжений в пружине 1 и в эластичном баллоне 2. Поршень 6 с шатуном 11 установлены подвижно и связаны с направляющей опорой 7, которая неподвижно закреплена на корпусе 3 поршневой машины. Корпус 3 с пружинной 1 образуют полость 8, позволяющую легко осуществить охлаждение и смазку пружины 1 и эластичного баллона 2.

На фиг.2 показан вариант выполнения поршневой машины, когда пружина 1 и эластичный баллон 2 имеют форму отсеченного тора, а направляющая опора 7 является элементом вращающейся пары.

Поршневая машина в режиме двигателя работает следующим образом. Через впускной клапан 5 в эластичный баллон 2 под давлением подается рабочее тело. Эластичный баллон 2, расширяясь, создает двигательное усилие на подвижном торце пружины 1, которая, деформируясь, перемещает закрепленный на них поршень 6. Поршень 6, двигаясь по дуге, перемещается по геометрической оси пружины 1. При обратном ходе поршня 6 открывается выпускной клапан 10 и упругое усилие, действующее со стороны эластичного баллона 2 и пружины 1, возвращает поршень 6 в начальное положение. При этом рабочее тело вытесняется из баллона 2 через выпускной клапан 10 (фиг.2).

На фиг. 3 схематично изображена поршневая машина с крышкой 4, имеющей форму стакана. Пружина 1 является составной и включает одну прорезную пружину и одну винтовую 9 пружину, а минимальный размер камеры давления определяется произведением длины крышки - стакана 4 на площадь поперечного сечения, образующегося между внешней поверхностью крышки - стакана 4 и внутренней поверхностью деформированного эластичного баллона 2.

При использовании поршневой машины в режиме компрессора или насоса работа осуществляется в обратном порядке с использованием привода (на чертежах не показан), обеспечивающего движение поршня и шатуна и сжатие баллона и пружины.

Настоящее изобретение может быть использовано в устройствах для преобразования энергии сжатого рабочего тела в механическую работу и наоборот для преобразования механической работы, совершаемой машиной, в энергию сжатого рабочего тела.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, содержащая корпус с, по меньшей мере, одной торцевой крышкой, размещенную в корпусе, по меньшей мере, одну пружину, соосно установленный в ней эластичный баллон, концы которого закреплены на торцах пружины, клапаны, установленные в крышке, поршень со штоком и направляющую опору, отличающаяся тем, что один торец пружины при помощи крышки герметически закреплен на корпусе, к другому торцу пружины соосно с ней прикреплен поршень со штоком с образованием герметичной камеры с возможностью преобразования энергии рабочего тела в движение поршня по геометрической оси пружины.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина и баллон имеют призматическую форму.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина и баллон выполнены цилиндрическими.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина и баллон имеют форму усеченного конуса.

5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина и баллон имеют форму части тора, а поршень установлен с возможностью перемещения по геометрической оси пружины при помощи направляющей опоры вращения.

6. Машина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что пружина выполнена составной.

7. Машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что эластичный баллон выполнен в виде сильфона, а внутренняя поверхность пружины выполнена с возможностью облегания его при деформировании.

8. Машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что промежуточная зона между корпусом и пружиной заполнена охлаждающей и смазывающей жидкостью.

9. Машина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что она снабжена приводом движения поршня, а клапаны установлены с возможностью регулирования давления рабочего тела.

10. Машина по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что баллон изготовлен из эластичного материала и армирован винтообразно расположенными относительно оси баллона прочными нитями, например, кордом.

11. Машина по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что крышка имеет форму стакана, расположенного в корпусе, а между внешней поверхностью крышки и внутренней поверхностью корпуса расположена пружина с баллоном.

12. Машина по любому из пп.1-11, отличающаяся тем, что баллон установлен в пружине и закреплен в предварительно напряженном состоянии.

13. Машина по любому из пп.1-12, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным эластичным баллоном, в котором установлена пружина совместно с внутренним эластичным баллоном с образованием герметичной камеры с возможностью подачи в эту камеру охлаждающей и смазывающей жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3