Работающий на текучей среде двигатель с улучшенным тормозным действием
Изобретение касается двигателя, приводимого в действие текучей сжатой средой. В двигателе вращающийся ротор 20 приводится в движение путем нагружения сжатой средой. Сжатая среда расширяется в рабочей области 40 полости 18 двигателя. Тормозной элемент 22 для торможения ротора 20 расположен аксиально рядом с последним. Элемент 22 и ротор 20 аксиально подвижны относительно друг друга и образуют подпружиненную пару 48, 50 трения. Для достижения более высокого тормозного действия с помощью более сильных пружин 52 предусмотрена камера 60 сжатия, протяженность которой в поперечном сечении больше, чем протяженность в поперечном сечении полости 18 в рабочей области 40. Камера 60, по меньшей мере, с одной стороны аксиально ограничена элементом 22. Давление в камере 60 и соответственно между элементом 22 и расположенной рядом с ним торцевой стороной ротора 20 создает силу для разъединения пары 48, 50, преодолевая усилие пружин. Камера 60 расположена так, что сжатая среда при нагружении двигателя 20, попадает в камеру 60. Подаваемая к ротору 20 сжатая среда воздействует на элемент 22, который непосредственно прилегает к торцевой поверхности 50 ротора 20, чтобы создать усилие для разделения пары трения. Давление в камере 60 создает дополнительную силу для разделения пары трения, противоположную пружинной силе. Изобретение направлено на улучшение тормозного действия. 21 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение касается двигателя, приводимого в действие текучей сжатой средой. В частности, изобретение касается двигателя, у которого расположенный в полости двигателя ротор может приводиться в движение сжатой средой, и у которого аксиально подвижный подпружиненный тормозной элемент для торможения ротора образует пару трения с торцевой стороной ротора.
Работающие на текучей среде двигатели предпочтительным образом приводятся в движение сжатым воздухом или гидравлической жидкостью. Для привода используется работа, совершаемая при разжимании используемой сжатой среды.
Известным типом двигателя является пластинчатый двигатель. Он включает вращающийся в полости двигателя ротор с радиальными пластинами. При вращении ротора изменяются объемы практически изолированных пластинами и стенками полости двигателя промежуточных камер. Введенная в эти промежуточные камеры сжатая среда при этом расширяется и таким образом приводит в движение ротор.
Такого рода двигатели оказались очень надежными в использовании во множестве случаев, например, в подъемных устройствах. Для многих целей применения необходимо тормозное устройство, которое может подтормаживать пластинчатый ротор и останавливать его при отсутствии подачи сжатой среды. В частности, при использовании в подъемных устройствах таким образом можно избежать падения груза.
Во множестве известных подъемных устройств тормозное устройство хотя и связано с двигателем через вал, но находится как отдельная часть вне полости двигателя, т.е. вне пространства, в которой расширяется сжатая среда.
В EP 1099040 описан пластинчатый двигатель, приводимый в движение сжатым воздухом. В цилиндрическом статоре двигателя эксцентрически установлен с возможностью вращения пластинчатый ротор. Двигатель приводится в движение путем подвода сжатого воздуха, который разжимается при увеличении образованных между пластинами камер. На валу двигателя предусмотрено отдельное тормозное устройство. Для смазки двигателя в пластинчатом роторе имеются продольные отверстия, которые наполнены смазочным материалом пастообразной консистенции.
В DE 1102488 показан пневматический двигатель для подъемных устройств, приводной вал которого тормозится до остановки фрикционным тормозом при прекращении или отсутствии подвода приводящего двигатель в действие сжатого воздуха. Для этого на выступающем конце вала двигателя имеется тормозной диск, который имеет центрально расположенный силовой цилиндр и при натяжении пружины прижимается к противоизносному кольцу корпуса двигателя. Сжатый воздух, подводимый через впуск, подводится в силовой цилиндр тормозного диска, благодаря чему он поднимается над противоизносным кольцом, преодолевая сопротивление пружин, и таким образом делает возможной работу двигателя.
В WO95/02762 показан гидравлический двигатель. Ротор вращается в полости двигателя. Ротор может перемещаться в осевом направлении и прижимается пружинами с коническим участком к неподвижно закрепленной на корпусе фрикционной поверхности. Полость двигателя соединена с конической парой трения через каналы с расположенными в них клапанами. Во время работы сжатая среда попадает из полости двигателя в пару трения и обеспечивает аксиальное смещение ротора, которое приводит к разделению пары трения и таким образом к отпусканию тормоза.
В WO97/02406 показан пластинчатый ротор со встроенным тормозным устройством. Пластинчатый ротор может приводиться в движение в полости двигателя сжатым воздухом. Тормозной элемент может передвигаться и, будучи аксиально подпружиненным, расположен непосредственно рядом с пластинчатым ротором. Пластинчатый ротор образует, таким образом, пару трения с тормозным элементом на своей торцевой стороне. Пара трения расположена в полости двигателя, так что действующий там во время работы сжатый воздух действует на тормозной элемент и передвигает его против действия пружин, так что тормоз отпускается. Эта конструкция зарекомендовала себя на практике исключительно положительным образом. В частности, она позволяет получить компактную конструкцию.
Задачей изобретения является предложить двигатель, у которого простым способом еще больше улучшается тормозное действие по сравнению с известными конструкциями.
Эта задача решается с помощью двигателя по пункту 1. Зависимые пункты ссылаются на предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Соответствующий изобретению двигатель имеет внутреннюю полость (камеру) двигателя и вращающийся в ней ротор. Последний приводится в движение сжатой средой. В то время как понятием полость двигателя называется в первую очередь вся закрытая снаружи внутренняя область двигателя, часть (или соответствующий участок аксиальной длины полости двигателя), в которой расширяется или разжимается сжатая среда (для гидравлических сжатых сред более точным является понятие «разжимается», но в дальнейшем для упрощения будет использоваться понятие «расширение») и таким образом приводит в движение ротор, здесь называется рабочей областью. Внутренняя полость двигателя предпочтительным образом является цилиндрической, т.е. она имеет - по меньшей мере, на отдельных участках - одинаковое поперечное сечение по своей продольной оси, предпочтительным образом (но не обязательно) круглое сечение. Ротор представляет собой предпочтительным образом пластинчатый ротор; но эта схема может точно так же использоваться для других работающих с текучей средой расширительных двигателей с другими видами роторов.
Аксиально рядом с ротором расположен тормозной элемент для торможения ротора. Тормозной элемент и ротор являются аксиально подвижными относительно друг друга, т.е. либо ротор может передвигаться в направлении к (неподвижному) тормозному элементу, либо тормозной элемент подвижен по отношению к аксиально неподвижному ротору, либо оба элемента являются аксиально подвижными. Один или оба элемента имеют пружины, которые прижимают элементы друг к другу, так что они образуют подпружиненную пару трения. Так как тормозной элемент не может вращаться вокруг оси, пара трения вызывает торможение при достаточном трении вплоть до остановки ротора.
Пара трения предпочтительным образом образуется на одной или обеих торцевых поверхностях ротора. При этом речь не идет об исключительно радиально расположенных поверхностях, а возможны различные формы, например двухсторонний конус.
Приводящие к изобретению предпосылки включают в себя теорию о том, что тормозное действие зависит от силы трения и тем самым от коэффициента трения материалов в паре трения и приложенной силы пружины. Поэтому, благодаря хорошей регулируемости, особенно предпочтительным является повышение силы пружины. Впрочем, повышение силы пружины ограничивается тем, что сжатая среда во время работы двигателя должна быть в состоянии отключить тормоз. Для максимального возможного здесь усилия решающими являются давление среды, с одной стороны, и эффективная поверхность, с другой стороны. Чтобы получить более высокое усилие при постоянном давлении, здесь предлагается увеличить поверхность.
Поэтому в соответствии с изобретением предусмотрена специальная камера сжатия. Камера сжатия выполнена таким образом, что ее протяженность в поперечном сечении больше, чем протяженность поперечного сечения полости двигателя в его рабочей области, то есть относительно продольной оси она, по меньшей мере, частично выступает дальше наружу. Сравнить здесь следует, с одной стороны, поперечное сечение полости двигателя в том месте, в котором сжатая среда благодаря расширению приводит в движение ротор (рабочая область), особенно предпочтительно, по меньшей мере, в его аксиально средней области, а с другой стороны, наружную протяженность камеры сжатия, также при рассмотрении в поперечном сечении. Для предпочтительного случая кругло цилиндрической полости двигателя это означает, что в качестве протяженности поперечного сечения следует рассматривать внутренний диаметр края (обрамление) полости двигателя. Камера сжатия выполнена предпочтительным образом в виде кольцевой камеры, причем ее наружный диаметр в этом случае больше, чем диаметр полости двигателя. Камера сжатия располагается, таким образом, радиально за рабочей областью полости двигателя, так что предоставляется поверхность значительно большей площади.
Камера сжатия, по меньшей мере, с одной стороны ограничивается, по меньшей мере, одним из элементов пары трения (тормозной элемент/ротор). Возникающее в камере сжатия давление действует на этот элемент или соответственно эти элементы и создает усилие, действующее на тормозной элемент и/или на ротор. Камера сжатия при этом расположена так, что прилагаемое усилие приводит к разъединению пары трения, то есть направлено против усилия пружины. Таким образом, создавая давление в камере сжатия, можно получать разъединение пары трения между тормозным элементом и ротором, так что затормаживание ротора прекращается.
Камера сжатия в соответствии с изобретением расположена так, что сжатая среда во время работы двигателя попадает в камеру сжатия. То есть когда подводится сжатая среда, чтобы привести в движение ротор, она попадает также в камеру сжатия и обеспечивает разъединение пары трения и вместе с тем отпускание тормоза. Сжатая среда может при этом при ее соответствующем подводе попадать непосредственно в камеру сжатия. Точно так же возможно попадание сжатой среды через соединение из рабочей области полости двигателя в камеру сжатия.
Создаваемая в соответствии с изобретением камера сжатия может при этом действовать дополнительно к камере сжатия, уже расположенной непосредственно на паре трения (т.е. между тормозным элементом и расположенной рядом с ним торцевой стороной ротора). Впрочем, при достаточных размерах она может и одна создавать усилие, необходимое для отпускания тормоза.
С помощью соответствующего изобретению двигателя получается конструкция, у которой, с одой стороны, достигаются большие усилия торможения, а с другой стороны, автоматическое отпускание фрикционного тормоза благодаря подаваемой во время работы двигателя сжатой среде. Благодаря большой в поперечном сечении протяженности камеры сжатия, предоставляется дополнительная, относительно большая поверхность для действия сжатой среды. Так, даже при больших значениях тормозной мощности нельзя отказываться от преимуществ конструкции по WO97/02406, у которой автоматическое отпускание тормоза происходит при нагружении ротора. Тем не менее из-за дополнительной камеры сжатия эта конструкция не становится намного дороже. Никакие дополнительные подвижные части не требуются, а аксиальная общая длина конструкции может даже оставаться неизменной. Таким образом, возможно изготовление компактного, недорогого двигателя с описанными преимуществами.
Согласно одному существенному усовершенствованию предусмотрено подключение камеры сжатия таким образом, что у реверсивного двигателя остается обеспеченной функция камеры сжатия при работе в двух направлениях. В принципе, двигатель имеет, в первую очередь, подключение для текучей среды, к которому подводится сжатая среда, и выпуск, через который отводится расширенная среда. В случае реверсивного двигателя (т.е. двигателя, который может работать, вращаясь в двух направлениях) предусмотрены два различных подключения для текучей среды (при использовании двигателя в подъемном устройстве называемых «сторона подъема» и «сторона опускания»), причем сжатая среда, в зависимости от выбранного направления вращения, подается в одно или другое подключение для текучей среды.
Чтобы обеспечить подачу воздуха в камеру сжатия для правильного отпускания тормоза во время работы и выпуск воздуха из камеры сжатия для западания тормоза при прерывании работы, камера сжатия может быть различным способом соединена с подключениями для текучей среды (или соответственно подключением для текучей среды, если двигатель имеет только один таковой).
С одной стороны, возможно соединение по текучей среде камеры сжатия с подключением для текучей среды предпочтительным образом с помощью прямой, не имеющей клапанов подающей линии. Такое не имеющее клапанов соединение должно изготавливаться только с одним из двух подключений для текучей среды, во избежание шунтирования.
Двигатель может быть выполнен таким образом, что его конструкция не будет симметричной относительно обоих подключений для текучей среды, так что при работе на первом подключении для текучей среды он будет иметь более высокую производительность (у подъемных устройств это была бы сторона подъема), чем при работе на втором подключении для текучей среды (сторона опускания). Возможно соединение камеры сжатия как со стороной подъема, так и со стороной опускания. При этом предпочтительным является соединение со стороной опускания.
Одно из подключений для текучей среды может соединяться через дроссельный элемент для ограничения расхода с подводом текучей среды. При этом камера сжатия может быть соединена с соответствующей подающей линией после дроссельного элемента. Для уменьшения инерционного движения (после отключения) двигателя более предпочтительным, однако, является соединить камеру сжатия с подводом для текучей среды перед дроссельным элементом, так чтобы возможный обратный подпор на дроссельном элементе не привел к замедленному выпуску воздуха из камеры сжатия и вместе с тем к инерционному движению двигателя.
В качестве другой альтернативы камера сжатия может быть соединена с обоими подключениями для текучей среды, причем во избежание шунтирования в соединении предусмотрен, по меньшей мере, один клапан. Предпочтительным образом здесь применяется переключающий клапан, так что камера сжатия при подаче воздуха всегда соединена с подключением, на котором давление максимально, а при выпуске воздуха всегда с одним из подключений, так что при выпуске воздуха из обоих подключений через управляющий клапан обеспечивается немедленный выпуск воздуха.
Согласно одному другому варианту осуществления камера сжатия соединена с рабочей областью полости двигателя. Здесь создается избыточное давление при работе в обоих направлениях. Соединение при этом представляет собой предпочтительным образом прямое, не имеющее клапанов соединение, например ответвляющийся канал, трубопровод или даже намеренно предусмотренную неплотность подгонки. При соединении камеры сжатия с рабочей областью полости двигателя (вместо соединения с подключениями для текучей среды) без каких-либо дополнительных затрат функция тормоза сохранятся даже при реверсивности двигателя.
При этом предпочтительным является, чтобы камера сжатия была соединена трубопроводом только с одним отверстием, ведущим к полости двигателя. Таким образом даже без клапанов гарантируется, что шунтирование не произойдет (т.е. сжатая среда течет от впуска непосредственно через камеру сжатия к выпуску, не приводя в движение двигатель).
Если предусмотрен трубопровод для подачи сжатой среды от полости двигателя в камеру сжатия, предпочтительным является, чтобы он был подключен к соединительному отверстию, которое расположено с торцевой стороны рядом с ротором. Особенно предпочтительным является, если это отверстие выполнено в тормозном элементе. Как описано, трубопровод может представлять собой предпочтительным образом прямую, не имеющую клапанов линию. Для расположения соединительного отверстия предпочтительным является, чтобы оно, если смотреть в аксиальном направлении, располагалось в той же четверти полости двигателя, что и (первое) подключение для текучей среды. Особенно предпочтительным является отверстие, расположенное в области +/-30° от подключения для текучей среды (измерено соответственно от центра подключения и отверстия). Оказалось, что даже у реверсивных двигателей с двумя подключениями для текучей среды расположение соединительного отверстия вблизи одного из подключений для текучей среды является достаточным для бесперебойной работы в обоих направлениях. Если двигатель имеет предпочтительное направление (у подъемных устройств это обычно сторона подъема), то целесообразно расположить соединительное отверстие в области соответствующего предпочтительного подключения для текучей среды. В случае нагруженных подъемных устройств при опускании груза создается компрессия для выхода текучей среды, так что это способствует обеспечению необходимого для отпускания тормоза давления. У двигателя без предпочтительного направления оказалось целесообразным расположить соединительное отверстие в центре, т.е. на одинаковом расстоянии от подключений для текучей среды для обоих направлений вращения.
Другим преимуществом расположения соединительного отверстия с торцевой стороны рядом с ротором оказались хорошие пусковые свойства. Минимальное временное замедление, которое возникает благодаря действию сжатой среды прежде всего на находящуюся у рабочей области двигателя поверхность тормозного элемента, а затем только при пуске двигателя также в камере сжатия, позволяет осуществлять постепенное, ступенчатое управление двигателем.
Согласно одному усовершенствованию изобретения подгонка тормозного элемента относительно стенок полости двигателя такова, что сжатая среда, проходя между ними обоими, попадает в камеру сжатия. То есть здесь может быть намеренно оставлен зазор или соответственно неплотность, чтобы соединить камеру сжатия с рабочей областью полости двигателя. Таким образом можно - без необходимости наличия специальных каналов - обеспечить соединение простым способом. Необходимое поперечное сечение и так уже мало, так как при работе поток не проходит постоянно через соединение, а давление в камере сжатия поддерживается статически постоянным.
Согласно одному усовершенствованию изобретения камера сжатия образована между тормозным элементом (или соединенным с ним при аксиальном перемещении элементом), с одной стороны, и корпусом (или неподвижно расположенным относительно корпуса элементом), с другой стороны. Таким образом, при подаче сжатой среды тормозной элемент смещается относительно корпуса.
Предпочтительной является камера сжатия, выполненная в виде кольцевой камеры. Кольцевая камера относительно большого диаметра имеет то преимущество, что действие силы происходит равномерно, и таким образом опасность возможного опрокидывания смещенного благодаря этому элемента мала. Путем свободного выбора шага диаметров ступенчатого поршня в рамках осуществимых мощностей двигателя могут быть реализованы тормозные моменты необходимой величины.
Согласно одному усовершенствованию изобретения предлагается предусмотреть стенку, которая окружает, по меньшей мере, рабочую область полости двигателя и тормозной элемент. Эта стенка имеет в продольном сечении, по меньшей мере, одну ступень. В предпочтительном случае цилиндрической рабочей области стенка включает в себя, предпочтительным образом, два составленных вместе цилиндрических участка различного диаметра, которые соединены ступенью. Установленный внутри окруженной стенкой области тормозной элемент также имеет соответствующую ступень. Тогда камера сжатия образована между расположенными радиально поверхностями ступеней. Так можно очень простым конструктивным образом образовать камеру сжатия, которая при нагружении приводит к аксиальному смещению тормозного элемента.
Ниже варианты осуществления изобретения описаны более подробно с помощью чертежей.
Фиг.1 - вид продольного сечения первого варианта осуществления пластинчатого двигателя;
фиг.2 - вид поперечного сечения пластинчатого двигателя, показанного на фиг.1, вдоль линии A … A`,
фиг.3 - вид поперечного сечения пластинчатого двигателя, показанного на фиг.1, вдоль линии B … B` и
фиг.4a, 4b - принципиальные схемы отпускания тормоза у пластинчатого двигателя, сравнимого с показанным на фиг.1;
фиг.5 - схематичное представление пневматической схемы двигателя, показанного на фиг.1, с управлением;
фиг.6 - вид продольного сечения второго варианта осуществления пластинчатого двигателя;
фиг.7-10 - схематичное представление пневматической схемы пластинчатого двигателя, показанного на фиг.6, с управлением при разных видах соединений.
На фиг.1 показан двигатель (пластинчатый двигатель) 10 согласно первому варианту осуществления в продольном сечении. Корпус 12 включает в себя статор 14 двигателя, а также расположенную на торце крышку 16 и другую расположенную на торце крышку 19 с тормозной накладкой 21.
Статор 14 двигателя ограничивает внутреннюю полость 18 двигателя. В альтернативном варианте (не показан) можно также отказаться от отдельного статора двигателя, а внутренняя полость 18 двигателя может быть образована стенкой корпуса. Во внутренней полости 18 двигателя расположены пластинчатый ротор 20 и тормозной элемент 22.
Статор 14 двигателя включает в себя ступень (уступ) 24, которая образована между двумя круглоцилиндрическими участками разного диаметра. Первый участок 26 имеет больший внутренний диаметр, чем второй примыкающий к нему участок.
Пластинчатый ротор 20 расположен в области второго участка с меньшим внутренним диаметром. Как известно специалисту по пластинчатым двигателям, пластинчатый ротор 20 расположен внутри этой области эксцентрически. Как показано на фиг.1, ось 28 вращения, которая на одном конце имеет коренную шейку 30, а на другом конце выходную шейку 32, смещена по отношению к центральной продольной оси статора 14 двигателя вниз. Это видно также на поперечном сечении, показанном на фиг.2.
Как видно также на фиг.2, пластинчатый ротор 20 имеет множество смещаемых в радиальном направлении, подпружиненных наружу пластин 34. Пластины прилегают к статору 14 двигателя и таким образом ограничивают промежуточные камеры 36. Пластины предусмотрены по всей аксиальной длине рабочей области 40 (см. фиг.1) двигателя 10.
По периметру рабочей области 40 статор 14 двигателя имеет первый впуск 42 сжатого воздуха, второй впуск 44 сжатого воздуха и выпуск 46. При работе в предпочтительном направлении (вращение влево на фиг.2) сжатый воздух подается через впуск 42 сжатого воздуха. При вращении пластинчатого ротора 20 сжатый воздух расширяется в увеличивающихся при вращении промежуточных камерах 36 между пластинами 34 до тех пор, пока он не начнет отводиться через выпуск 46 под действием остаточного давления.
При работе в противоположном направлении вращения (правое вращение на фиг.2) сжатый воздух подается через впуск 44 сжатого воздуха. Как видно на фиг.2, выпуск 46 расположен не симметрично между впусками 42, 44 сжатого воздуха, а на большем расстоянии от первого впуска 42 сжатого воздуха. Это приводит к тому, что настраиваемое посредством этого впуска 42 сжатого воздуха первое направление вращения становится предпочтительным направлением (например, у подъемного устройства: направление подъема), при котором развиваемая двигателем 10 мощность выше, чем при противоположном направлении.
Как показано на фиг.1, тормозной элемент 22 расположен аксиально непосредственно рядом с пластинчатым ротором 20. Вместе с расположенной на поверхности тормозной накладкой 48 он образует пару трения с торцевой поверхностью 50 пластинчатого ротора 20. Пружинные элементы 52, из которых на фиг.1 показаны только два, действуют на тормозной элемент 22 и нагружают его в аксиальном направлении усилием, которое прижимает элементы пары 48, 50 трения друг к другу. Тормозной элемент удерживается цапфой 51, так что он может аксиально передвигаться, но не может прокручиваться относительно корпуса 12. Другая пара трения образована между аксиально смещаемым пластинчатым ротором 20 и оснащенной тормозной накладкой 21 крышкой 19, так что пластинчатый ротор 20 тормозится с двух сторон.
Соответственно предусмотренной в статоре 14 двигателя ступени 24, находящийся в статоре 14 двигателя тормозной элемент 22 также оснащен ступенью 54. Между аксиальными поверхностями ступенчатой части тормозного элемента 22 и ступенью 24 статора 14 двигателя образуется камера 60 сжатия. Камера 60 сжатия имеет, как видно на фиг.3, форму замкнутой кольцевой камеры. Как следует из сравнения фиг.2 и фиг.3, камера 60 сжатия в направлении, поперечном центральной продольной оси статора 14 двигателя, имеет большую протяженность, чем рабочая область 40 двигателя 10. Камера 60 сжатия проходит до радиуса R2 (фиг.3), в то время как рабочая область 40 статора 14 двигателя имеет лишь только меньший внутренний диаметр R1 (фиг.2).
Подключение камеры 60 сжатия происходит в первом варианте осуществления через трубопровод 62, который представляет собой канал внутри тормозного элемента 22. Он соединяет камеру 60 сжатия с отверстием 64 в обращенной к пластинчатому ротору 20 поверхности тормозного элемента 22. Трубопровод 62 представляет собой непосредственное, не имеющее клапанов соединение только одного отверстия 64 с камерой 60 сжатия.
На фиг.5 показан в схематичной форме двигатель 10 со своим пневматическим подключением. Подключение здесь для наглядности показано существенно уменьшенным; поэтому другие функции управления, такие как, например, аварийное выключение и предохранение от перегрузок подъемного устройства, здесь не показаны.
Внутренняя полость 18 двигателя своим первым впуском 42 сжатого воздуха подключена к стороне h подъема управляющего клапана 70, а своим вторым впуском 44 сжатого воздуха к стороне s опускания. Пластинчатый ротор 20 тормозится показанной символически парой трения между тормозной накладкой 48 и торцевой поверхностью 50. Тормоз отпускается при подводе сжатого воздуха к промежуточной камере 72 между тормозным элементом 22 и торцевой поверхностью 50, которая представлена на фиг.4b и описана ниже, а также - через канал 62 - в камеру 60 сжатия, причем давление, создаваемое в обеих камерах 60, 72 сжатия, действует на тормозной элемент 22 против действия пружины 52. Выпуск 46 двигателя подключен к глушителю 74 шума.
Клапан 70 управления имеет в представленном примере рычаг 76 управления, который может смещаться в среднем положении холостого хода в рабочий режим “опускание s” или в противоположном направлении в рабочий режим “подъем h”, причем в скользящем клапане 80 путем смещения относительно подключений реализуются различные функции клапана между подводом Р сжатого воздуха и подключением R для выпуска воздуха (соединенным с глушителем 74 шума) с одной стороны, и подводящим подключением A для стороны подъема и подводящим подключением B для стороны опускания с другой стороны.
В показанном холостом ходе подключения A и B находятся в состоянии выпуска воздуха, т.е. соединены с R. В рабочем режиме “подъем» (левая функция клапана на фиг.5) подключение для впуска сжатого воздуха стороны А подъема соединен с подводом Р сжатого воздуха, в то время как на стороне опускания происходит выпуск воздуха (соединение B-R при крестообразном положении клапана 80). Подвод A соединен с выходом клапана стороны h подъема путем параллельного включения дроссельного элемента 82 с обратным кланом 84, причем обратный клапан 84 действует так, что в режиме подъема сжатый воздух может течь через обратный клапан 84 к стороне подъема, так что дроссель 82 не ограничивает поток текучей среды, а действует наряду с клапаном 84 как дополнительное соединение.
В рабочем режиме “опускание” (правая функция клапана на фиг.5) сторона s опускания непосредственно связана с подводом Р сжатого воздуха, в то время как на стороне h опускания через дроссельный элемент 82 происходит выпуск воздуха (соединение A-R, причем обратный клапан 84 закрыт). Дроссельный элемент при этом ограничивает расход (объемный поток) сжатой среды. Он может быть выполнен очень простым способом как узкое место в магистрали, например, в виде перфорированной пластины. В рабочем режиме “опускание” дроссельный элемент 82 служит для ограничения скорости опускания, так как в этом рабочем режиме к двигателю, с одной стороны, через подключение 44 для сжатого воздуха подводится сжатый воздух, который расширяется вплоть до выхода из выпуска 46. Но с другой стороны, двигатель благодаря уменьшающейся нагрузке на подъемное устройство действует как компрессор, который с уменьшением промежуточных камер 36 между пластинами сжимает воздух от выпуска 46 к подключению 42 для сжатого воздуха (сторона подъема). Этот сжатый воздух направляется в клапане управления к подключению h и выпускается через дроссельный элемент 82. При этом благодаря ограничению расхода (объемного потока) на дроссельном элементе 82 возникает обусловленное обратным напором тормозное действие, которое приводит к заторможенному опусканию груза.
Во время работы двигателя 10 при нагружении одного из двух впусков 42, 44 сжатого воздуха сжатым воздухом происходит автоматическое отпускание тормоза, в то время как при уменьшающейся подаче сжатого воздуха пластинчатый ротор 20 между тормозной накладкой 48 тормозного элемента 22 и тормозной накладкой 21 неподвижной крышки 19 автоматически останавливается. Этот механизм показан ниже на схематичных изображениях фиг.4a, 4b. При этом необходимо указать на то, что изображение на фиг.4a, 4b является схематичным и служит для того, чтобы пояснить общий принцип действия. Поэтому некоторые детали опущены и, в частности, размеры зазора изображены преувеличенно большими.
На фиг.4a показан заторможенный двигатель 10. Пластинчатый ротор 20 заторможен наложением тормозного элемента 22. Таким образом, двигатель 10 остановлен усилием пружинных элементов 52.
Для пуска двигателя подводится сжатый воздух через впуск 42 сжатого воздуха. Как видно на фиг.2, сжатый воздух попадает в промежуточную камеру 36 между пластинами. Так как пластинчатый ротор 20 остановлен, сначала вращения пластинчатого ротора 20 не происходит. Вместо этого давление в промежуточной камере 36 (а вскоре также благодаря неплотностям пластин на всей поверхности) действует на аксиально смещающийся тормозной элемент 22, так что он начинает отпускаться от пластинчатого ротора 20 против действия усилия пружинных элементов 52, так что образуется камера 72 сжатия (см. фиг.4b).
Впрочем, через пружинные элементы 52 на тормозной элемент 22 действует такое усилие, что одного только давления, действующего на поверхность фрикционной накладки 48, не хватило бы, чтобы полностью отпустить тормоз.
Впрочем, одновременно сжатый воздух попадает также в камеру 60 сжатия. Это может происходить двумя различными способами. С одной стороны, в месте посадки (подгонки) между статором 14 двигателя и тормозным элементом 22 могут оставаться неплотности, через которые сжатая среда попадет в камеру 60 сжатия (пунктирные стрелки на фиг.4a). В предпочтительной конструкции, показанной на фиг.1, при этом предусмотрены приемные элементы для уплотнительных элементов 65. Если в этом месте уплотнительный элемент не используется, то уплотнения на этом месте нет, и получается изображенный на фиг.4a пунктирными стрелками путь сжатой среды в камеру 60 сжатия.
Альтернативно или дополнительно к этому сжатая среда попадает также через отверстие 64 в тормозном элементе 22 и подключенный к нему трубопровод 62 в камеру 60 сжатия. Правда, отверстие 64 в состоянии покоя (фиг.4a) сначала закрыто. Но сжатая среда во время работы все-таки попадает туда, так как, с одной стороны, прилегание между пластинчатым ротором 20 и тормозным элементом 22 не полностью уплотнено. С другой стороны, впуск сжатой среды уже обусловливает первое перемещение тормозного элемента 22, так что затем отверстие 64 освобождается. В предпочтительном варианте осуществления (на фиг.1 ввиду малых размеров не различимо) при изготовлении пластинчатого ротора 22 на его торцевой поверхности 50 внутри может быть также оставлено слегка возвышающееся кольцо, которое при соприкосновении с тормозным элементом 22 будет служить для того, чтобы отверстие 64 не закрывалось полностью (не изображено).
Расположение отверстия 64 видно при одновременном рассматривании фиг.1 и фиг.2. В радиальном направлении оно расположено, как видно на фиг.1, внутри поверхности, обращенной тормозным элементом 22 к рабочей области 40 полости двигателя, т.е. не на самом краю. Положение отверстия 64 относительно впусков 42, 44 сжатого воздуха и выпуска 46 видно на фиг.2. Здесь отверстие 64 расположено в области впуска 42 сжатого воздуха стороны подъема. Как показали испытания, расположение в области этого впуска сжатого воздуха оказалось оптимальным. Поэтому предпочтительно, чтобы отверстие 64, как показано на фиг.2, располагалось в той же четверти (квадранте) полости двигателя, что и впуск 42 сжатого воздуха. Особенно предпочтительно, если угол между центром впуска 42 сжатого воздуха и центром отверстия 64 не превышает 30°.
Это расположение отверстия 64 имеет особые преимущества для работы в направлении подъема (сжатый воздух на впуске 42 сжатого воздуха). Но, как показали испытания, при нагруженном подъемном устройстве, даже при подаче сжатого воздуха через впуск 44 сжатого воздуха, происходит достаточный подъем давления в области отверстия 64, так что камера 60 сжатия наполняется достаточно быстро, потому что при опускании груза - так сказать, под действием насоса - в области отверстия 64 возникает более высокое давление, чем во впуске 44 сжатого воздуха.
Сжатая среда действует на радиальные поверхности тормозного элемента 22, а именно с одной стороны на внутреннюю, входящую в пару 48, 50 трения поверхность, а с другой стороны на дополнительную кольцевую поверхность, образованную на ступени 54. В целом действующая на тормозной элемент 22 сила равна произведению давления сжатой среды на площадь. Благодаря соответствующему уплотнению (уплотняющая посадка 66 на фиг.1) предотвращается попадание сжатой среды также за тормозной элемент 22. Таким образом становится возможным отпускание тормозного элемента 22 за счет одного только давления сжатой среды.
Отведение тормозного элемента 22 - и пуск двигателя 10 - происходит всегда постепенно даже при быстром нагружении впуска 42 сжатого воздуха. Так, сначала за счет одного только давления на торцевой стороне пластинчатого ротора 20 тормозной элемент 22 немного сдвигается и тем самым уменьшает тормозное действие. Только с (небольшим) временным запаздыванием сжатый воздух поступает также в камеру 60 сжатия, так что тормозное действие может быть тогда полностью устраняться.
При работе тормозной элемент 22 дистанцирован от пластинчатого ротора 20, пока подается сжатая среда. При отключении сжатой среды тормоз снова автоматически входит в контакт за счет усилия пружинных элементов 52.
Благодаря камере 60 сжатия, таким образом, происходит увеличение поверхности, на которой давление сжатой среды может действовать на тормозной элемент 22. Тем самым становится возможным с помощью соответствующих более сильных пружин 52 получить желаемое повышенное тормозное усилие.
На фиг.6 изображен второй вариант осуществления пластинчатого ротора 100, который при испытаниях показал особые преимущества. Двигатель 100 согласно второму варианту осуществления в значительной степени соответствует двигателю 10 согласно первому варианту осуществления. Он имеет преимущественно те же элементы, что и двигатель 10. Поэтому эти элементы обозначены теми же самыми ссылочными позициями. Поэтому касательно этих элементов можно сослаться на приведенное выше описание. Далее речь будет идти исключительно о различиях между вариантами осуществления.
Двигатель 100 не имеет, в отличие от двигателя 10, отверстия 64 в торцевой поверхности тормозного элемента 22 и соответственно также канала 62, соединяющего внутреннюю полость 18 двигателя с камерой 60 сжатия. Вместо этого камера 60 сжатия закрывается от внутренней полости 18 двигателя подгонкой и, в частности, уплотнительными элементами 65.
У двигателя 100 подача и выпуск воздуха из камеры 60 сжатия происходят через внешний подающий трубопровод (не изображенный на фиг.6). Этот подающий трубопровод может, как изображено на фиг.7-10 и поясняется ниже, присоединяться различными способами.
При этом предметом здесь является работа двигателя подъемного устройства в рабочем режиме “опускание” с соответствующей нагрузкой. При этом должно гарантироваться, что при прерывании режима опускания (т.е. переключении скользящего клапана 80 из положения «опускание» в среднее положение) при подвешенном грузе произойдет непосредственное торможение, и по возможности не произойдет инерционного движения двигателя. При этом в описанном выше первом варианте осуществления в случае недостаточного соединения камеры 60 сжатия с внутренней полостью 18 двигателя может произойти слишком медленный выпуск воздуха из камеры 60 сжатия и соответственно запаздывающее срабатывание тормоза. Во избежание этого в различных типах подключения, показанных на фиг.7-10, предусмотрены внешние подача и выпуск воздуха для камеры 60 сжатия.
В первом типе подключения, показанном на фиг.7, камера 60 сжатия соединена непосредственно со стороной подъема (впуск 42 сжатого воздуха). В режиме подъема оттуда происходит подача воздуха в камеру 60 сжатия, а при обратном переключении на холостой ход точно так же из нее выпускается воздух. В режиме опускания отпускание тормоза происходит сначала главным образом за счет подачи воздуха в камеру 72 сжатия, а затем за счет подачи воздуха в камеру 60 сжатия благодаря возникающему перед дроссельным элементом 82 обратному напору. При прерывании рабочего режима “опускание” скользящий клапан 80 передвигается в среднее положение и таком образом обеспечивается выпуск воздуха перед стороной подъема и опускания. При этом выпуск воздуха из камеры 60 сжатия происходит через сторону подъема, как только обратный напор перед дроссельным элементом 82 уменьшается.
Для случаев, когда обратный напор перед дроссельным элементом 82 оказывается слишком большим, так что происходит инерционное движение двигателя после прерывания рабочего режима “опускание”, как альтернативно показано на фиг.8, камера 60 сжатия может также подключаться перед дроссельным элементом 82, так что выпуск воздуха происходит непосредственно при переключении скользящего клапана 80.
Альтернативно и в настоящее время предпочтительно камера 60 сжатия (как показано на фиг.9) соединяется со стороной опускания. Тогда в рабочем режиме “подъем” подача воздуха происходит через сторону опускания, как только тормоз слегка отпустится за счет нарастания давления в камере 72 сжатия. В режиме опускания при прерывании и переключении скользящего клапана 80 в среднее положение происходит непосредственный выпуск воздуха, так как на стороне опускания нет дроссельного элемента, а на стороне опускания в среднем положении воздух выпускается непосредственно через выпуск 46.
В качестве другого возможного типа подключения на фиг.10 изображено подключение камеры 60 сжатия как к стороне подъема, так и к стороне опускания. Во избежание шунтирования здесь предусмотрен переключающий клапан 86. В рабочем режиме “подъем” происходит подача воздуха в камеру 60 сжатия непосредственно со стороны подъема, причем клапан 86 предотвращает шунтирование к стороне подъема. В рабочем режиме “опускание” выпуск воздуха, напротив, осуществляется со стороны опускания, причем в свою очередь клапан 86 предотвращает шунтирование к стороне подъема. При прерывании режима “опускание” происходит выпуск воздуха из камеры 60 сжатия через сторону подъема или опускания, на обеих при среднем положении скользящего клапана 80 происходит непосредственный выпуск воздуха.
Изобретение, как понятно специалисту, не ограничивается показанными и описанными вариантами осуществления. В частности, возможными являются следующие модификации:
- в конструкции двигателя, показанного на фиг.1, предусмотрен ступенчатый, цельный статор 14 двигателя. Альтернативно корпус двигателя может также иметь другую конструкцию, позволяющую получить внутреннюю полость двигателя;
- в то время как выше был описан пластинчатый ротор, приводимый в движение сжатым воздухом, специалисту понятно, что принцип изобретения может быть прямо применен также к другим типам двигателей (например, шестеренный двигатель) и другим рабочим средам (например, гидравлическая жидкость);
- в то время как выше было указано, что камера 60 сжатия подключается соответственно через канал 62 или через внешний подающий трубопровод, оба типа подключения могут также комбинироваться;
- схематично показанное на фиг.5 и фиг.7-10 рычажное управление может быть заменено другими типами управления, например пневматическим управлением, с помощью которого скользящий клапан 80 передвигается в соответствующие положения переключения.
1. Двигатель с внутренней полостью (18) двигателя, расположенным в нем с возможностью вращения ротором (20), причем ротор выполнен с возможностью приведения в движение путем нагружения сжатой средой, причем сжатая среда разжимается в рабочей области (40) полости двигателя, и тормозным элементом (22) для торможения ротора (20), который расположен аксиально непосредственно рядом с ротором (20), причем тормозной элемент (22) и ротор (20) аксиально подвижны относительно друг друга и образуют подпружиненную пару трения, по меньшей мере, между торцевой поверхностью (5) ротора (20) и тормозным элементом (22), отличающийся камерой (60) сжатия, протяженность которой в поперечном сечении больше, чем протяженность поперечного сечения полости (18) двигателя в его рабочей области (40), причем камера (60) сжатия, по меньшей мере, с одной стороны аксиально ограничена тормозным элементом (22), так что давление в камере (60) сжатия создает силу для разделения пары трения, преодолевая пружинную силу, и причем камера (60) сжатия расположена так, что сжатая среда при работе двигателя проходит в камеру (60) сжатия, так что подаваемая к ротору (20) сжатая среда воздействует на тормозной элемент (22), который непосредственно прилегает к торцевой поверхности (50) ротора (20), чтобы создать усилие для разделения пары трения, причем давление в камере (60) сжатия создает дополнительную силу для разделения пары трения, противоположную пружинной силе.
2. Двигатель по п.1, в котором у полости (18) двигателя предусмотрены первое подключение (42) для текучей среды, второе подключение (44) для текучей среды и выпуск (46), которые расположены по периметру рабочей области (40) полости двигателя на расстоянии друг от друга, причем двигатель (10) выполнен с возможностью приведения во вращательное движение в первом направлении при подаче текучей среды к первому подключению (42), а во втором направлении при подаче текучей среды ко второму подключению (44), причем камера (60) сжатия соединена с первым подключением (42) и/или вторым подключением (44) так, что при работе двигателя (10) сжатая среда проходит в камеру (60) сжатия.
3. Двигатель по п.2, в котором соединение камеры (60) сжатия либо с первым, либо со вторым подключением (42, 44) для текучей среды представляет собой не имеющую клапанов подающую линию.
4. Двигатель по п.2, в котором подводящая линия (А) через дроссельный элемент (82) для ограничения расхода сжатой среды соединена с одним из подключений (42) для текучей среды, причем камера (60) сжатия перед дроссельным элементом (82) соединена с подводящей линией (А).
5. Двигатель по п.3, в котором подводящая линия (А) через дроссельный элемент (82) для ограничения расхода сжатой среды соединена с одним из подключений (42) для текучей среды, причем камера (60) сжатия перед дроссельным элементом (82) соединена с подводящей линией (А).
6. Двигатель по п.2, в котором камера (60) сжатия соединена с обоими подключениями (42, 44) для текучей среды, причем во избежание шунтирования в соединении предусмотрен, по меньшей мере, один клапан (86).
7. Двигатель по одному из пп.1, 3 или 6, в котором у полости двигателя (18) предусмотрены первое подключение (42) для текучей среды, второе подключение (44) для текучей среды и выпуск (46), которые расположены по периметру рабочей области (40) полости двигателя на расстоянии друг от друга, причем двигатель (10) выполнен с возможностью приведения во вращательное движение в первом направлении при подаче текучей среды к первому подключению (42) и во втором направлении при подаче текучей среды ко второму подключению (44), причем камера (60) сжатия соединена прямым, не имеющим клапанов соединением (62, 64) с рабочей областью (40) полости (18) двигателя, так что при работе в обоих направлениях вращения сжатая среда попадает в камеру (60) сжатия.
8. Двигатель по п.2, в котором у полости двигателя (18) предусмотрены первое подключение (42) для текучей среды, второе подключение (44) для текучей среды и выпуск (46), которые расположены по периметру рабочей области (40) полости двигателя на расстоянии друг от друга, причем двигатель (10) выполнен с возможностью приведения во вращательное движение в первом направлении при подаче текучей среды к первому подключению (42) и во втором направлении при подаче текучей среды ко второму подключению (44), причем камера (60) сжатия соединена прямым, не имеющим клапанов соединением (62, 64) с рабочей областью (40) полости (18) двигателя, так что при работе в обоих направлениях вращения сжатая среда попадает в камеру (60) сжатия.
9. Двигатель по п.7, в котором подгонка тормозного элемента (22) относительно стенки (14) полости (18) двигателя такова, что сжатая среда может попадать в камеру (60) сжатия, проходя между тормозным элементом (22) и стенками (14).
10. Двигатель по п.8, в котором подгонка тормозного элемента (22) относительно стенки (14) полости (18) двигателя такова, что сжатая среда может попадать в камеру (60) сжатия, проходя между тормозным элементом (22) и стенками (14).
11. Двигатель по п.7, в котором предусмотрен, по меньшей мере, один трубопровод (62) для подачи сжатой среды из рабочей области (40) в камеру (60) сжатия, причем трубопровод (62) подключен к соединительному отверстию (64), которое расположено на торцевой стороне рядом с ротором (20) в тормозном элементе (22).
12. Двигатель по п.8, в котором предусмотрен, по меньшей мере, один трубопровод (62) для подачи сжатой среды из рабочей области (40) в камеру (60) сжатия, причем трубопровод (62) подключен к соединительному отверстию (64), которое расположено на торцевой стороне рядом с ротором (20) в тормозном элементе (22).
13. Двигатель по п.11 или 12, в котором трубопровод (62) имеет только одно соединительное отверстие (64).
14. Двигатель по п.11 или 12, в котором в рабочей области (40) предусмотрено, по меньшей мере, одно подключение (42) для текучей среды для подвода сжатой среды для нагружения ротора (20), причем соединительное отверстие (64), если смотреть в аксиальном направлении, расположено в той же самой четверти полости (18) двигателя, что и первое подключение (42) для текучей среды.
15. Двигатель по п.13, в котором в рабочей области (40) предусмотрено, по меньшей мере, одно подключение (42) для текучей среды для подвода сжатой среды для нагружения ротора (20), причем соединительное отверстие (64), если смотреть в аксиальном направлении, расположено в той же самой четверти полости (18) двигателя, что и первое подключение (42) для текучей среды.
16. Двигатель по одному из пп.1, 3-5 или 6, в котором камера (60) сжатия образована между тормозным элементом (22) и корпусом (12, 14).
17. Двигатель по п.2, в котором камера (60) сжатия образована между тормозным элементом (22) и корпусом (12, 14).
18. Двигатель по п.1 или 17, в котором камера (60) сжатия представляет собой кольцевую камеру, которая аксиально ограничена тормозным элементом (22), причем кольцевая камера (60) имеет наружный диаметр (R2), который больше, чем поперечная протяженность (R1) рабочей области (40) полости двигателя.
19. Двигатель по п.16, в котором камера (60) сжатия представляет собой кольцевую камеру, которая аксиально ограничена тормозным элементом (22), причем кольцевая камера (60) имеет наружный диаметр (R2), который больше, чем поперечная протяженность (R1) рабочей области (40) полости двигателя.
20. Двигатель по одному из пп.1, 17 или 19, в котором предусмотрена стенка (14), окружающая рабочую область (40) полости двигателя и тормозной элемент (22), причем стенка (14) в продольном сечении имеет, по меньшей мере, одну ступень (24), причем камера (60) сжатия образована в области ступени (24).
21. Двигатель по п.16, в котором предусмотрена стенка (14), окружающая рабочую область (40) полости двигателя и тормозной элемент (22), причем стенка (14) в продольном сечении имеет, по меньшей мере, одну ступень (24), причем камера (60) сжатия образована в области ступени (24).
22. Двигатель по п.18, в котором предусмотрена стенка (14), окружающая рабочую область (40) полости двигателя и тормозной элемент (22), причем стенка (14) в продольном сечении имеет, по меньшей мере, одну ступень (24), причем камера (60) сжатия образована в области ступени (24).
