Пневматичний двигун

Реферат: Пневматичний двигун містить корпус і розташований усередині нього виконавчий механізм, виконаний у вигляді робочої камери зі змінюваним об'ємом з поршнем, кінематично пов'язаний з валом відбору потужності двигуна за допомогою механізму перетворення руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності, і розділяє камеру на робочі порожнини, з'єднані через впускні й випускні клапани, що містять рухливі робочі елементи, із джерелом стисненого робочого середовища і атмосферою відповідно; та газорозподільний механізм. UA 75874 U (12) UA 75874 U UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме до машин об'ємної дії, зокрема до створення поршневих пневматичних двигунів (пневмодвигунів), які являють собою пристрій, що перетворює потенційну енергію стисненого середовища в механічну роботу. Корисна модель може бути використана в силових приводах різних механізмів і інструментів, наприклад, у гірській промисловості, на транспорті, у верстатобудуванні, в енергетиці, авіації (як стартери), автомобілебудуванні. Пневматичні двигуни мають низку переваг перед двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). Вони прості в експлуатації, екологічні, оскільки їм не потрібне паливо, що спалюється, і вони не виділяють шкідливих вихлопних газів, що робить їх незамінними при використанні для приводу машин і механізмів пожежонебезпечних і вибухонебезпечних виробництв, у першу чергу, на підприємствах гірничодобувної промисловості, хімічних виробництв, харчової промисловості. При роботі пневмодвигуна відбувається процес розширення повітря, внаслідок чого пневмодвигун охолоджується, тому можливо його використання при високій температурі навколишнього середовища або у відносно агресивному середовищі. При цьому, пневмодвигуни можуть працювати в стані перевантаження протягом тривалого періоду без ризику виходу з ладу. Пневматичні двигуни мають також низку переваг перед електричними двигунами, які, в основному, знаходять застосування в тих самих галузях, що й пневматичні двигуни. Пневмодвигуни конструктивно простіше, компактніше, легше електродвигунів, вони прості в обслуговуванні й у цілому, значно надійніше електродвигунів. Завдяки своїм безумовним перевагам, пневмодвигуни знаходять усе більш широке застосування в автомобілебудуванні, що обумовлене, крім іншого, їхньою економічністю (низкою вартістю палива) - для заправлення автомобіля використовується звичайне атмосферне повітря. Однак, не зважаючи на ці переваги, широкому застосуванню пневмодвигунів, і особливо на транспорті й в енергетиці, перешкоджає їхня низька ефективність (ККД), і порівняно мала потужність у порівнянні із ДВЗ. Тому, розробка й створення високоефективних пневматичних двигунів належить до одного з найважливіших напрямків розвитку сучасної науки й техніки. Відомі поршневі пневматичні двигуни, у загальному випадку, засновані на взаємодії таких основних конструктивних вузлів: - виконавчий механізм, що перетворює енергію стисненого робочого середовища в корисну механічну роботу, виконаний у вигляді робочої камери (або декількох камер) зі змінюваним об'ємом - пневмоциліндром двосторонньої дії, у порожнині якого, з можливістю зворотнопоступального руху, розміщений поршень із шатуном, що розділяє пневмоциліндр на робочі порожнини. Пневмоциліндр зв'язаний, через впускні й випускні клапани, із джерелом стисненого робочого середовища й атмосферою, відповідно; - механізм перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності, що містить кривошипно-шатуновий механізм, який з'єднаний із шатуном поршня; - газорозподільний механізм, призначений для керування фазами впуску й випуску стисненого робочого середовища, що складається із впускних і випускних вузлів газорозподілу (клапанів) і їх приводів. Відомі різні способи підвищення потужності й, відповідно, ефективності пневматичних поршневих двигунів. Відомий поршневий пневматичний двигун (авторське свідоцтво SU 663858. 1979 p.), що включає подачу стисненого повітря в нагнітальну робочу порожнину пневмоциліндра і наступний випуск повітря з неї при положенні поршня в районі нижньої "мертвої точки" (НМТ). Для підвищення ефективності, перед подачею стисненого повітря в робочу порожнину, у нього додають 3-4 % суміші водню й кисню й пропускають отриману суміш через каталітичну окисну камеру. При цьому температура повітря піднімається на 170-220 °C, що приводить до збільшення його об'єму в 1,6-1,8 разу. Це дозволяє пропорційно зменшити витрату повітря при незмінній потужності двигуна або підвищити потужність двигуна без збільшення витрати повітря. Однак це не забезпечує досягнення достатньої потужності, необхідної для сучасного транспорту і силових установок, при одночасному забезпеченні ефективності такого двигуна. До того ж, наявність додаткової технологічної камери ускладнює конструкцію двигуна й знижує його економічність. Додатковим недоліком даного двигуна є також його механізм газорозподілу, що реалізує неефективне скидання відпрацьованого газу, тому, що для повного звільнення камери зі змінюваним об'ємом для наступного циклу, потрібен додатковий час знаходження поршня в 1 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 НМТ або збільшення перерізу випускного клапана. Але навіть у такому випадку, повітря, що залишилося в камері, при зворотному ходу поршня стискується, що приводить до додаткового зниження ККД двигуна. Відомий також поршневий пневматичний двигун (патент UA № 62513, 2003 р.). у якому пневмоциліндр обладнаний впускною порожниною, з'єднаною з його нагнітальною порожниною пружинним клапаном. Крім того, пневмоциліндр обладнаний додатковою порожниною змінюваного об'єму, поєднану отвором з його нагнітальною порожниною. Регулювання об'єму додаткової порожнини здійснюється за допомогою додаткового поршня, який є додатковою ланкою газорозподільного механізму двигуна, що включає пружинний клапан, кінематично пов'язаний з вільним кінцем штока поршня пневмоциліндра. На відміну від відомих рішень, приміром, патент UA № 22052, 2000 р., у якому накопичувальна порожнина має фіксований об'єм, тому що розташована безпосередньо в пневмоциліндрі, така додаткова порожнина дозволяє змінювати в необхідному діапазоні ступінь стиснення робочого середовища в накопичувальній порожнині. І, згідно з винаходом, отримувати оптимальну потужність двигуна при різних режимах його роботи (потужності, кількості обертів, витрати робочого середовища). Однак недоліком відомого технічного рішення є ненадійна робота пристрою в цілому, обумовлена порушенням герметичності впускної і нагнітальної порожнин, через наявність поршневих клапанів, які самі по собі є елементами ненадійності роботи, а також через наявність пружини клапана, параметри якої погіршуються з часом. По тій самій причині, у даному пристрої не може бути забезпечене оптимальне керування фазами впуску й випуску стисненого робочого середовища, що знижує ККД двигуна. Крім того, газорозподільний механізм, що реалізує скидання відпрацьованого газу в області НМТ, аналогічно вищеописаному пневмодвигуну, за Авторським свідоцтвом SU № 663858, знижує ефективність роботи пневмодвигуна. При цьому, даний пристрій відрізняє складність конструкції, трудомісткість у виготовленні. Усе перелічене не дозволяє говорити про ефективність даної конструкції пневматичного двигуна. Як зазначалося вище, газорозподільний механізм (далі - ГРМ). призначений для керування фазами впуску й випуску стисненого робочого середовища, є невід'ємною частиною конструкції будь-якого пневмодвигуна. І має вирішальне значення для забезпечення його максимально ефективної роботи в заданих умовах (необхідної потужності, щільності, витрати робочого середовища, робочого тиску, замкнений або відкритий цикл подачі/випуску робочого середовища, і багато чого іншого). Саме тому розробкам ГРМ для пневмодвигунів приділяється особлива увага конструкторів. Відомий, вже згаданий вище, поршневий пневматичний двигун (патент UA № 22052), у якому виконавчий механізм виконаний у вигляді пневмоциліндра з поршнем, пов'язаним із кривошипно-шатуновим механізмом (далі - КПІМ). ГРМ даного двигуна містить розподільний вал з кулачками, на кінці якого закріплена шестірня, кінематично пов'язана із шестірнею КПІМ, встановленою на одному кінці колінвала, на іншому кінці якого закріплений маховик. Над кулачками розподільного вала ГРМ розміщені штовхачі, з'єднані через штанги з коромислами, за допомогою яких і відбувається управління клапанами, що перекривають впускні й випускні отвори пневмоциліндра. Складність і громіздкість кінематичному ланцюга ГРМ у даному пристрої, який включає цілий ряд механізмів, що по-різному рухаються, трансформацію одного виду руху в інше, знижує надійність роботи пневмодвигуна в цілому, а також, збільшує втрати потужності, затрачуваної на привід системи газорозподілення, що, відповідно, знижує ККД двигуна. До того ж, дана система газорозподілення, що заснована на стандартних видах клапанів, не забезпечує можливість у динаміці (під час роботи двигуна) зменшувати або збільшувати їхню пропускну здатність, залежно від обертів і необхідного навантаження на двигун. Що, у свою чергу, приводить до невиправданих додаткових витрат стисненого середовища, і як наслідок, до зниження ефективності роботи пневмодвигуна. На практиці (традиційно), у ГРМ сучасних поршневих пневмодвигунів застосовують клапанний газорозподіл, у якому використовують стандартні широко відомі види клапанів: золотникові, електромагнітні, кулачкові та ін. Кожному з цих видів клапанів властиві свої недоліки, які перешкоджають їхньому використанню для конкретного виду двигуна або умов його роботи. Так, для використання електромагнітних клапанів необхідне використання джерела електроенергії. Крім того, їх відрізняє висока гучність при відкритті клапана. 2 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Кулачкові клапанні механізми характеризуються підвищеною гучністю, високими відповідними навантаженнями в місці контакту кулачків і штовхачів клапанів. Крім того, дуже велика інерційність такого механізму газорозподілу, обмежує максимальні оберти колінчатого вала двигуна, а отже, його потужність. Золотниковий клапан представляє додатковий вузол тертя, недостатньо врівноважений, що приводить до прискореного зношування тертьових поверхонь, що спричиняє часті виходи золотникового механізму з ладу. Наслідком чого є низька експлуатаційна надійність поршневого пневмодвигуна в цілому. У цілому, усі перераховані найбільш часто застосовувані на практиці клапани являють собою, у загальному випадку, пристрій, що направляє потік рідини або газу шляхом зворотнопоступального зсуву рухливого робочого його елемента щодо вікон (пропускних отворів) у поверхні, до якої він прилягає. Що обумовлює їхній загальний недолік, пов'язаний з тим, що такі системи мають певну інерційність, самі по собі є додатковими вузлами тертя у двигуні, зазнають значних механічних навантажень і підлягають швидкому зношуванню. Що, відповідно, знижує техніко-експлуатаційні показники пневмодвигуна. Відомий також пневматичний двигун (патент UA № 49714, 2010 p.), що містить, аналогічно відомим двигунам, виконавчий механізм, виконаний у вигляді пневмоциліндра, у порожнині якого, з можливістю зворотно-поступального руху, розміщений поршень, з'єднаний із шатуном і колінвалом. У верхній частині пневмоциліндра розташовані незалежні порожнини, впускна й випускна, із впускними й випускними пружинними клапанами, відповідно. На відміну від описаних вище відомих технічних рішень, ГРМ даного двигуна додатково містить обертовий розподільний вал із закріпленими на ньому кулачками, що управляють клапанними пружинами. Одночасно, розподільний вал кінематично пов'язаний з колінвалом КШМ. Згідно з описом даного винаходу, така схема ГРМ дозволяє оптимально, у динамічному режимі розподіляти фази впуску робочого середовища при проходженні поршнем робочого ходу від верхньої "мертвої точки" до нижньої "мертвої точки" у пневмоциліндрі, що підвищує ККД двигуна в цілому. Дійсно, керування пружинами клапанів НРМ за допомогою жорстко закріплених на валу кулачків, приводить до більшої врівноваженості й надійності всього кінематичного ланцюга, що пов'язує газорозподільні клапани з колінвалом, на відміну, приміром, від вищеописаного відомого технічного рішення по патенту UA № 22052, у якому дія на клапани відбувається через штовхачі з коромислами. Однак, даний пристрій також має всі перераховані вище недоліки пневмодвигунів, виконаних на основі пневмоциліндрів. з використанням стандартних видів клапанів у їхніх газорозподільних механізмах. Загальними недоліками яких, у цілому, є: - використання енергоємних допоміжних елементів, які знижують загальну ефективність пристрою; - наявність численних вузлів тертя, що знижує ККД двигуна; - значна вага і матеріалоємність. Задачею корисної моделі, що заявляється, є підвищення ефективності пневматичного двигуна за рахунок удосконалення його функціональних вузлів і максимального зниження втрат потужності на подолання сил тертя в робочих вузлах, при значному зниженні ваги й габаритів двигуна. Поставлена задача досягається тим, що пневматичний двигун містить корпус і розташований усередині нього виконавчий механізм, що перетворює енергію стисненого робочого середовища в механічну роботу, виконаний у вигляді робочої камери зі змінюваним об'ємом з поршнем, що рухається усередині неї, кінематично пов'язаним з валом відбору потужності двигуна за допомогою механізму перетворення руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності. Поршень розділяє камеру на робочі порожнини, з'єднані через впускні й випускні клапани, що містять рухливі робочі елементи, із джерелом стисненого робочого середовища й атмосферою відповідно. Пневматичний двигун містить також газорозподільний механізм, що управляє фазами впуску й випуску стисненого робочого середовища, і включає кінематичний ланцюг, що пов'язує рухливі робочі елементи впускних і випускних клапанів з валом відбору потужності двигуна. Відповідно технічному рішенню, що заявляється, робоча камера зі змінюваним об'ємом жорстко закріплена в корпусі двигуна й виконана у вигляді двох розташованих опозитно однакових подовжених об'ємних порожніх тіл з опуклими верхніми поверхнями, прямолінійні бічні поверхні яких з'єднані між собою округлими перемичками так, що між ними утворений 3 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 порожній циліндричний простір, у якому герметично встановлений з можливістю обертання вал, що розділяє камеру на дві робочі порожнини. Поршень виконаний у вигляді плаского елемента, домірного довжині робочої камери, і встановленого, з можливістю ковзання по її внутрішній поверхні, у тілі вала так, що поперечна його вісь збігається з віссю вала. Поршень може бути виконаний у вигляді прямокутника із прямолінійними або округлими меншими сторонами, або ромба, або кола. При цьому, внутрішні поверхні робочих порожнин камери зі змінюваним об'ємом виконані однаковими і відповідними до геометричної форми застосовуваного виду поршня. Вал, із встановленим у ньому поршнем, одним своїм кінцем вільно закріплений у корпусі двигуна, а іншим своїм кінцем жорстко з'єднаний з валом хрестовини, встановленої з можливістю додаткового обертання на пальці в площині, що проходить через вісь вала хрестовини, кожний кінець якої рухливо з'єднаний, з можливістю обертання, з відповідним поворотним важелем, кожний з яких жорстко встановлений на валу відбору потужності двигуна. Впускні й випускні клапани газорозподільного механізму двигуна виконані однаковими, у вигляді трубчастого корпусу, у бічній поверхні якого виконаний наскрізний отвір, а всередині якого розташований співвісний з корпусом рухливий робочий елемент клапана, виконаний у вигляді обертового вала, у бічній поверхні якого виконаний наскрізний отвір. Запропоноване також альтернативне вирішення конструкції кожного з впускних і випускних клапанів, які виконані однаковими, у вигляді трубчастого корпусу, у бічній поверхні якого виконаний отвір, а всередині якого розташований співвісний з корпусом рухливий робочий елемент клапана, виконаний у вигляді обертового трубчастого (порожнистого) вала, у бічній поверхні якого виконаний отвір. Впускні й випускні клапани газорозподільного механізму двигуна розташовані попарно на кожній з бічних поверхонь робочих порожнин камери зі змінюваним об'ємом, і розміщені усередині клапанних головок, жорстко закріплених між бічними сторонами цих порожнин. При цьому, рухливі робочі елементи всіх клапанів жорстко закріплені на індивідуальних приводних валах, які розташовані за межами клапанних головок і кінематично пов'язані між собою і з одним з кінців вала відбору потужності двигуна. Пневматичний двигун, що заявляється, також містить щонайменше один додатковий аналогічний виконавчий елемент із аналогічною камерою зі змінюваним об'ємом, вал якої аналогічним чином пов'язаний з валом відбору потужності двигуна за допомогою додаткового аналогічною перетворювача руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності двигуна. При цьому, обидва перетворювачі розташовані послідовно на валу відбору потужності двигуна із зсувом у 90° відносно один одного, а між ними на валу встановлений маховик. А індивідуальні приводні вали рухливих робочих елементів усіх впускних і випускних клапанів обох камер зі змінюваним об'ємом кінематично пов'язані між собою та з одним із кінців вала відбору потужності двигуна. Перевага заявленого технічного рішення робочої камери зі змінюваним об'ємом полягає в ефективному використанні всього простору робочої камери (обох її робочих порожнин) одночасно по обидва боки поршня, що здійснює коливальні рухи під дією комбінації енергії стисненого робочого середовища й середовища з атмосферним тиском, або вакуумованого середовища (перепаду тиску), передаючи робоче зусилля на механізм перетворення руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності. Тобто, коли в одній з робочих порожнин камери відбувається впуск стисненого робочого середовища, зусилля якого переміщає поршень від однієї бічної поверхні цієї порожнини до іншої її бічної поверхні, у той самий час відбувається випуск середовища в опозитно розташованій робочій порожнині камери під дією того самого поршня, що переміщається. Таким чином, при відхиленні поршня в будь-якому напрямку, виконується корисна робота (впуск і випуск середовища) в обох робочих порожнинах камери по обидві сторони поршня. Функціонально відбувається суміщення двох циклів за один робочий хід поршня в одному проміжку часу, що відповідає повороту вала відбору потужності пневмодвигуна на 180°. Таким чином, одна робоча камера із двома опозитно розташованими робочими порожнинами і одним поршнем, що рухається, по виконуваній функції по суті, є еквівалентом класичної поршневої групи (застосовуваної у відомих технічних рішеннях пневматичних двигунів), яка складається із чотирьох циліндрів, з однієї робочою порожниною у кожному, і чотирьох поршнів, відповідно. Заявлена схема виконавчого механізму пневматичного двигуна дозволяє також виключити втрати робочого середовища, що мають місце у відомих технічних рішеннях, завдяки високому ступеню герметичності робочих порожнин камери зі змінюваним об'ємом, обумовленою її цілісністю, меншою відносною довжиною дотичних елементів і відсутністю додаткових впускних 4 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 і випускних ємностей. Що, у свою чергу, дозволяє додатково підвищити ККД двигуна, що заявляється. Технічне рішення заявленого механізму перетворення коливального руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності, конструктивно значно простіше стандартно застосовуваного у відомих пристроях кривошипно-шатунового механізму, він компактніше й має значно меншу вагу. В цілому, наявність у заявленій схемі пневмодвигуна кінематично пов'язаних вузлів, між якими відбувається трансформація того самого виду руху - обертального (коливального, як різновиду обертального), дозволяє значно знизити втрати потужності на подолання сил тертя, у порівнянні з відповідними втратами у відомих технічних рішеннях, у вузлах яких є присутнім зворотно - поступальний рух, і, як наслідок, знакозмінні і ударні навантаження. Заявлені альтернативні технічні вирішення клапанів газорозподільного механізму пневмодвигуна, засновані на використанні робочого елемента (з вирізаними отворами), що обертається в нерухомому корпусі (з вирізаними отворами) клапана, дозволило значно підвищити надійність і ефективність роботи двигуна, за рахунок цілої низки переваг, а саме: - висока точність подання і відведення стисненого робочого середовища, завдяки тому, що сполучення отворів в нерухомому корпусі і робочому елементі, що обертається, відбувається завдяки безпосередньому його обертанню від вала приводу системи газорозподілу, не трансформованому в поступальний рух класичних клапанів; - забезпечення необхідної герметичності, при осьовому обертанні пари робочого вузла клапана; - більша пропускна здатність при малих габаритах; - можливість їх розміщення безпосередньо в головці камери, що зменшує шкідливий об'єм; - мінімальні втрати потужності, затрачуваної на привід заявлених видів систем газорозподілу для подолання сил тертя при обертанні, які значно менше сил тертя в конструктивних парах, що рухаються поступально або витрат потужності, необхідної для передачі обертання між кулачками й штовхачами пружинних клапанів, що мають місце у відомих рішеннях пневмодвигунів; - можливість динамічного (під час роботи двигуна) регулювання фаз впуску/випуску стисненого середовища, тобто, зменшення або збільшення пропускної здатності клапана, залежно від обертів і необхідного навантаження на двигун. При цьому, регулювання пропускного перерізу може здійснюватися простим лінійним зсувом обертового робочого елемента клапана (за допомогою його приводного валу) щодо його нерухливого корпуса, причому, без зупинки двигуна; - можливість роботи клапана без застосування мастильних засобів (масел), що забезпечується за рахунок підбору матеріалу виготовлення пар тертя або використання конденсату, у тому числі, природного конденсату робочого середовища; - відсутність шуму і вібрації при роботі клапана; - відсутність періодичного сервісного регулювання пропускних отворів клапана, необхідної в стандартних видах клапанів. Зазначені переваги заявленої конструкції клапанів значно підвищують, у порівнянні з відомими, надійність, довгостроковість і ефективність їх роботи при будь-яких навантаженнях, при одночасному зменшенні втрат потужності, затрачуваної на привід ГРМ із їхнім використанням. Переваги альтернативних технічних рішень виконання клапанів, які забезпечують можливість, як впуску, так і випуску робочого середовища, полягає в тому, що це дозволить створювати на їхній основі різні модифікації заявленого пневмодвигуна з конкретними заданими техніко-експлуатаційними характеристиками: потужність двигуна, щільність робочого середовища і його витрата, замкнутий або відкритий цикл впуску/випуску робочого середовища, осьовий або радіальний спосіб впуску/випуску робочого середовища, крутний момент, частота обертання вала відбору потужності. Із усього вищеописаного випливає, що технічне рішення пневматичного двигуна, що заявляється, дозволяє значно підвищити його техніко-експлуатаційні й техніко-економічні показники, у порівнянні з відомими рішеннями. Тобто, сукупність ознак технічного рішення, що заявляється, необхідна й достатня для досягнення поставленої мети корисної моделі. Принцип дії пневмодвигуна, що заявляється, пояснюється наступними графічними зображеннями, де представлений варіант двигуна, у якому: - поршень робочої камери зі змінюваним об'ємом виконаний у вигляді кола; - як клапан ГРМ використаний клапан трубчастого вала (див. опис нижче), який одночасно служить каналом для подачі й відводу робочого середовища. 5 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На кресленнях представлені: Фіг. 1 - схема загального виду пристрою; Фіг. 2 - схема пристрою, вид збоку; Фіг. 3 - схема пристрою, вид зліва Фіг. 2; Фіг. 4, 5, 6, 7 - можливі схеми виконання форми поршня у вигляді, відповідно, прямокутника з округлими меншими сторонами; кола; прямокутника із прямолінійними меншими сторонами; ромба; Фіг. 8 - можливі форми виконання внутрішньої поверхні робочих порожнин камери зі змінним об'ємом, відповідні до геометричної форми застосовуваного виду поршня; Фіг. 9-12 - схеми клапана ГРМ, з виконаними наскрізними отворами у бічних поверхнях його корпуса та робочого елемента; Фіг. 13-16 - схема клапана ГРМ, з виконаними отворами у бічних поверхнях його корпуса та робочого елемента. Заявлений пневматичний двигун містить виконавчий механізм, виконаний у вигляді робочої камери зі змінюваним об'ємом, яка жорстко закріплена в корпусі двигуна (на схемі не показано), і виконана у вигляді двох опозитно розташованих однакових подовжених об'ємних порожніх тіл 1 і 2 (див. Фіг. 1-3) з опуклими верхніми поверхнями, прямолінійні бічні поверхні яких з'єднані між собою округлими перемичками 3 так, що між ними утворений порожній циліндричний простір, у якому герметично встановлений з можливістю обертання вал 4, що розділяє камеру на дві робочі порожнини 5 і 6. У тілі вала 4 установлений поршень 7, виконаний у вигляді плаского елемента, домірного довжині робочої камери, і встановленого, з можливістю ковзання по її внутрішній поверхні, так, що поперечна його вісь збігається з віссю вала 4. Поршень 7 може бути виконаний у вигляді прямокутника, із прямолінійними (див. Фіг. 6) або округлими (див. Фіг. 4) меншими сторонами, або ромба (див. Фіг. 7), або кола (див. Фіг. 5). При цьому внутрішні поверхні робочих порожнин 5 і 6 камери зі змінюваним об'ємом виконані однаковими й відповідними до геометричної форми застосовуваного виду поршня (див. Фіг. 8). Пневмодвигун, що заявляється, містить також механізм перетворення коливального руху валу 4 з поршнем 7 в обертовий рух вала відбору потужності (див. Фіг. 1, 2), виконаний у вигляді Z-перетворювача (названий авторами по асоціації зовнішнього вигляду його конструкції з латинською буквою Z, див. Фіг. 2), який містить вал 8, жорстко з'єднаний одним своїм кінцем з валом 4, а іншим своїм кінцем вільно закріплений у корпусі двигуна (на схемі не показано). На валу 8 установлена хрестовина 9 з можливістю обертання на пальці 10. у площині, що проходить через вісь вала 8. Додатково кожний кінець хрестовини 9 рухливо з'єднаний (з можливістю обертання) з відповідним поворотним важелем 11, кожний з яких жорстко встановлений на валу 12 відбору потужності двигуна. Пневмодвигун, що заявляється, містить також газорозподільний механізм (ГРМ див. Фіг. 13), виконаний у вигляді системи впускних 13, 14, 15, 16 і випускних 17, 18, 19, 20 клапанів, розташованих попарно на кожній з бічних поверхонь робочих порожнин 5 і 6 камери зі змінюваним об'ємом, і розміщених усередині клапанних головок 21, жорстко закріплених між бічними сторонами цих порожнин. Усі види клапанів виконані у вигляді нерухомого корпуса з розташованим усередині нього обертовим робочим елементом, жорстко закріпленим на індивідуальному приводному валу (див. Фіг. 9-16). Протилежні кінці приводних валів усіх газорозподільних клапанів розташовані за межами клапанних головок 21 (див. Фіг. 1, 3) і кінематично поєднані між собою за допомогою зубчастої пасової передачі 22 і, через допоміжний натяжний ролик 23 і конічні шестірні 24, кінематично поєднані з валом 12 відбору потужності двигуна. Використання у ГРМ заявленого пневмодвигуна зубчастої пасової передачі значно спрощує і здешевлює його конструкцію, на відміну від використання шестеренного приводу, який вийшов би громіздким і дорогим. Заявлений пневмодвигун може містити додатковий аналогічний виконавчий механізм, виконаний у вигляді аналогічної робочої камери 25 з поршнем 26, який коливається усередині неї і встановлений у тілі вала 27. Додатковий аналогічний Z-перетворювач із хрестовиною 28, що перетворює коливальні рухи вала 27 поршня в обертовий рух вала 12 відбору потужності двигуна, жорстко закріплений на валу 12 послідовно з першим Z-перетворювачем із зсувом у 90° відносно один одного (див. Фіг. 1, 2). Між обома Z-перетворювачами на валу 12 установлений маховик 29. На зображеннях альтернативних вирішень виконання газорозподільного клапана (авторами назв видів клапанів є автори корисної моделі, що заявляється) пневмодвигуна (Фіг. 9-16). представлені: Клапан прорізаного вала 6 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Опис зображень (Фіг. 9-12): Фіг. 9 - загальний вид клапана в момент його відкритого стану; Фіг. 10 - розріз за А-А Фіг. 9; Фіг. 11 - загальний вид клапана в момент його закритого стану; Фіг. 12 - розріз за А-А Фіг. 11. Клапан прорізаного вала виконаний у вигляді трубчастого корпусу 1, у бічній поверхні якого виконано два, розташованих діаметрально відносно один одного, отвори 2 і 3. Усередині корпусу розташований обертовий робочий елемент 4, у вигляді співвісного з корпусом пала, жорстко закріпленого на індивідуальному приводному валу 5. У тілі обертового елемента 4, виконаний наскрізний отвір 6. Принцип роботи клапана прорізаного вала полягає в тому, що відкритий стан клапана наступає при сполученні отворів 2, 3 і 5 при обертанні робочого елемента 4 (Фіг. 9, 10). І закритий стан клапана наступає, відповідно, коли ці отвори не сполучені (Фіг. 11, 12). При використанні клапана прорізаного вала можлива радіальна подача робочого середовища (через отвори в корпусі) і радіальний її випуск. Тобто, установка таких клапанів можлива, як на випуск, так і на впуск робочого середовища в камеру пневмодвигуна. Установка клапана прорізаного вала в ГРМ пневмодвигуна є переважною для випадків, коли, згідно заданих техніко-експлуатаційних показниках двигуна, потрібна компактна система газорозподілу з радіальною подачею/відводом робочого середовища. Клапан трубчастого вала Опис зображень (Фіг. 13-16): Фіг. 13 - загальний вид клапана в момент його відкритого стану; Фіг. 14 - розріз за А-А Фіг. 13; Фіг. 15 - загальний вид клапана в момент його закритого стану; Фіг. 16 - розріз за А-А Фіг. 15. Клапан трубчастого вала виконаний у вигляді трубчастого корпуса 1, у бічній поверхні якого виконаний отвір 2. Усередині корпуса розташований обертовий робочий елемент 3, у вигляді співвісного з корпусом 1 трубчастого (порожнистого) вала, жорстко закріпленого на індивідуальному приводному валу 4. У бічній поверхні обертового елемента 3, виконаний отвір 5. Принцип роботи клапана трубчастого вала полягає в тому, що відкритий стан клапана наступає при сполученні отворів 2 і 5 при обертанні робочого елемента 3 (Фіг. 13, 14). І закритий стан клапана наступає, відповідно, коли ці отвори не сполучені (Фіг. 15, 16). Установка таких клапанів можлива, як на випуск, так і на впуск робочого середовища в камеру пневмодвигуна. Основною відмінністю даної схеми клапана від попереднього полягає в тому, що в ньому робочий елемент 3 одночасно служить каналом для подачі й відводу робочого середовища. Тобто, при використанні клапана трубчастого вала можлива осьова подача/відвід робочого середовища й радіальний її впуск/випуск. Додатковою перевагою клапана трубчастого вала є його компактність і простота в монтажі, завдяки торцевій подачі робочого середовища. У порівнянні з клапаном прорізаного вала, установка клапана трубчастого вала в ГРМ пневмодвигуна є переважною для випадків, коли, згідно заданих техніко-експлуатаційних показниках двигуна, установити радіальну подачу/відвід робочого середовища неможливо або недоцільно. Пристрій, що заявляється, працює в такий спосіб. У вихідному стані одна половина поршня 7 розташована на одній з бічних поверхонь робочої порожнини 5 камери зі змінюваним об'ємом, з відкритим впускним клапаном 13 (Фіг. 3). Одночасно, його друга половина знаходиться на діагонально розташованій бічній поверхні робочої порожнини 6. Випускний клапан 19 робочої порожнини 6 перебуває в закритому стані. Робоче середовище (стиснене повітря) подається в робочу порожнину 5 через відкритий впускний клапан 13, а в робочу порожнину 6 через відкритий впускний клапан 16. Зусилля стисненого середовища діє на поршень 7 (закріплений на обертовому валу 4) і переміщає його до відповідних протилежних бічних поверхонь робочих порожнин 5 і 6. При цьому в робочій порожнині 6, під дією половини поршня, що переміщається в ній, відбувається випуск робочого середовища через відкритий клапан 19, а в робочій порожнині 5 відбувається випуск робочого середовища через відкритий клапан 18. При цьому, може відбуватися скидання відпрацьованого робочого середовища в атмосферу або примусове вакуумування цієї порожнини у випадку, коли у двигуні передбачена система замкненого циклу подачі/відводу робочого середовища. 7 UA 75874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таким чином, поршень, під час свого руху в одному напрямку, одночасно виконує корисну роботу (впуск і випуск робочого середовища) у двох робочих порожнинах 5 і 6 камери зі змінюваним об'ємом. Зворотний хід поршня відбувається під дією стисненого середовища, що подавалося через відкритий клапан 15 у порожнину 6 і через відкритий клапан 14 у порожнину 5. Зусилля стисненого середовища впливає на кожну половину поршня й переміщає його до відповідних протилежних бічних поверхонь робочих порожнин 5 і 6. При цьому в робочій порожнині 5, під дією другої половини, що переміщається в ній, поршня, відбувається випуск повітряного середовища через відкритий клапан 17, а в робочій порожнині 6 відбувається випуск повітряного середовища через відкритий клапан 20. У результаті, поршень робить коливальний рух відносно осі вала 4. Одночасно коливальний рух робить вал 4, з жорстко закріпленим у ньому поршнем, яке передається на вал 8 хрестовини 9 Z-перетворювача, кожний кінець якої рухливо з'єднаний з відповідним важелем 11. Завдяки чому, у результаті відхилення вала 8 на розрахунковий кут 2а, хрестовина 9 відхиляє поворотний важіль 11 на кут 180° і передає крутний момент на вал 12 відбору потужності пневмодвигуна. Тобто коливальні переміщення вала 4 поршня 7 на розрахунковий кут 2 передається на вал 8, і відповідно на палець 10. При цьому хрестовина 9, яка шарнірно встановлена на пальці 10 і в поворотному важелі 11, обертається відносно осі вала відбору потужності 12, описуючи в просторі конус вершиною 2. Край хрестовини 9, закріплений шарнірно в поворотному важелі 11, описує коло, при цьому обертання передається поворотному важелю 11, а від нього - валу відбору потужності 12. У крайніх положеннях поршня 7 (розташування на одній з бічних поверхонь робочої камери) хрестовина 9 і поворотний важіль 11 перебувають у площині, перпендикулярній осі вала 4 поршня 7. При проходженні цього положення хрестовиною 9 і поворотним важелем 11, змінюється напрямок руху поршня 7. Тобто, коли поршень повертається на кут 2 в одному і у протилежному напрямку, відбувається повне обертання вала відбору потужності 12. У даному пристрої вісь симетрії хрестовини щодо вала відбору потужності двигуна може розташовуватися під кутом від 5° до 85° (кут ). Але, для забезпечення максимальної плавності обертання вала відбору потужності 12, найбільш оптимальним значення цього кута є 45°. Отже, рух поршня в камері зі змінюваним об'ємом тільки в одному напрямку приводить до повороту вала відбору потужності двигуна на 180°. Діапазон кутового переміщення вала 8 і. відповідно, об'єм камери, визначається кутом між віссю обертання вала відбору потужності 12 і віссю хрестовини 9. Керування фазами взаємного розташування отворів впускних і випускних клапанів відбувається за рахунок відповідного зсуву (+\-) кроку зубів пасової передачі 22 щодо кроку зубів на приводних валах клапанів 13-20. розташованих за межами клапанних головок 15. Обертання приводним валам клапанів передається від вала відбору потужності 12 через кінематичний ланцюг: конічні шестірні 24, допоміжні натяжні ролики 23, зубчаста пасова передача 22. При цьому фази взаємного розташування отворів впускних і випускних клапанів залежать від кута повороту вала відбору потужності 12. На практиці, переважним є наявність у пристрої пневмодвигуна, як мінімум, одного додаткового аналогічного виконавчого механізму, що містить робочу камеру 25 з поршнем 26 (Фіг. 1, 2, 3). Коливальні рухи поршня 26 передаються через вал 27 на вал хрестовини 28 додаткового Z-перетворювача, що перетворює коливальні рухи вала поршня 27 в обертовий рух вала 12 відбору потужності двигуна. Наявність другого виконавчого механізму дозволить виключити деякі негативні явища, які можуть спостерігатися при роботі двигуна, а саме: - нерівномірність зусилля на вихідному валу пневмодвигуна, і, відповідно, несталість кутової швидкості вала відбору потужності; - наявність позиції, у якій зусилля на поршень не передається на вал відбору потужності, у зв'язку з тим, що вектор зусилля від поршня проходить через вісь обертання поворотного важеля Z-перетворювача, і, відповідно, крутний момент на валу відбору потужності буде дорівнювати нулю ("мертва точка"). Саме завдяки тому, що обидва Z-перетворювачі розташовані послідовно на валу відбору потужності 12 зі зсувом в 90° відносно один одного (див. Фіг. 1, 2), у момент, коли один Zперетворювач перебуває в "мертвій точці", то другий перебуває в точці з максимальним крутним моментом, що передається на вал відбору потужності 12 від поршня 7. Додатково плавна робота двигуна в цілому забезпечується наявністю маховика 29, встановленого між двома Z-перетворювачами. 8 UA 75874 U 5 10 15 Згідно з динамічними дослідженнями математичної моделі заявленого пристрою пневмодвигуна, проведеними авторами, розрахунковий термодинамічний ККД від порівняльних характеристик тиску і витрати робочого середовища до потужності (кВт), отриманої на вихідному валу двигуна, становить 80 %. Використання заявленого технічного рішення при створенні пневматичних двигунів дозволить значно зменшити вагу й розміри пневматичного двигуна до 40 %, без втрат продуктивності і потужності, у порівнянні із класичними циліндропоршневими пневматичними двигунами. Створення пневмодвигунів з підвищеними техніко-експлуатаційними й економічними характеристиками, на основі заявленої конструкції, дозволить поєднувати їх в один агрегат з поршневим компресором, насосом, електричним генератором з розміщенням їх в одному корпусі. Що, у свою чергу, дозволить значно розширити область застосування ефективних, економічних і екологічно чистих двигунів у різних галузях промисловості, особливо, для приводу машин і механізмів пожежо- і вибухонебезпечних виробництв, а також, у харчовій, хімічній промисловості. Потреба тільки гірських підприємств у пневматичних двигунах становить кілька десятків тисяч на рік. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Пневматичний двигун, що містить корпус і розташований усередині нього виконавчий механізм, що перетворює енергію стисненого робочого середовища в механічну роботу, виконаний у вигляді робочої камери зі змінюваним об'ємом з поршнем, що рухається усередині неї, кінематично пов'язаний з валом відбору потужності двигуна за допомогою механізму перетворення руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності, і розділяє камеру на робочі порожнини, з'єднані через впускні й випускні клапани, що містять рухливі робочі елементи, із джерелом стисненого робочого середовища і атмосферою відповідно; газорозподільний механізм, що управляє фазами впуску й випуску стисненого робочого середовища і включає кінематичний ланцюг, що пов'язує рухливі робочі елементи впускних і випускних клапанів з валом відбору потужності двигуна, який відрізняється тим, що робоча камера зі змінюваним об'ємом виконана у вигляді двох розташованих опозитно однакових подовжених об'ємних порожніх тіл з опуклими верхніми поверхнями, прямолінійні бічні поверхні яких з'єднані між собою округлими перемичками так, що між ними утворений порожній циліндричний простір, у якому герметично встановлений з можливістю обертання вал, що розділяє камеру на дві робочі порожнини, а поршень виконаний у вигляді плаского елемента, домірного довжині робочої камери, і встановленого з можливістю ковзання по її внутрішній поверхні, у тілі вала так, що поперечна його вісь збігається з віссю вала, який одним своїм кінцем вільно закріплений у корпусі двигуна, а іншим своїм кінцем жорстко з'єднаний з валом хрестовини, встановленої з можливістю додаткового обертання на пальці в площині, що проходить через вісь вала хрестовини, кожний кінець якої рухливо з'єднаний, з можливістю обертання, з відповідним поворотним важелем, кожний з яких жорстко встановлений на валу відбору потужності двигуна, при цьому впускні й випускні клапани розташовані попарно на кожній з бічних поверхонь робочих порожнин камери зі змінюваним об'ємом, і розміщені усередині клапанних головок, жорстко закріплених між бічними сторонами цих порожнин, а рухливі робочі елементи всіх клапанів жорстко закріплені на індивідуальних приводних валах, які розташовані за межами клапанних головок і кінематично пов'язані між собою і з одним із кінців вала відбору потужності двигуна. 2. Пневматичний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що робоча камера зі змінюваним об'ємом жорстко закріплена в корпусі двигуна. 3. Пневматичний двигун за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що поршень виконаний у вигляді прямокутника із прямолінійними або округлими меншими сторонами або ромба, або кола. 4. Пневматичний двигун за пп. 1-3, який відрізняється тим, що внутрішні поверхні робочих порожнин камери зі змінюваним об'ємом виконані однаковими і відповідними до геометричної форми застосовуваного виду поршня. 5. Пневматичний двигун за пп. 1-4, який відрізняється тим, що впускні і випускні клапани виконані однаковими, у вигляді трубчастого корпусу, у бічній поверхні якого виконаний отвір, а всередині якого розташований співвісний з корпусом рухливий робочий елемент клапана, виконаний у вигляді обертового трубчастого вала, у бічній поверхні якого виконаний отвір. 6. Пневматичний двигун за пп. 1-4, який відрізняється тим, що впускні і випускні клапани виконані однаковими, у вигляді трубчастого корпусу, у бічній поверхні якого виконаний 9 UA 75874 U 5 10 15 наскрізний отвір, а всередині якого розташований співвісний з корпусом рухливий робочий елемент клапана, виконаний у вигляді обертового вала, у бічній поверхні якого виконаний наскрізний отвір. 7. Пневматичний двигун за пп. 1-6, який відрізняється тим, що містить щонайменше один додатковий аналогічний виконавчий елемент із аналогічною камерою зі змінюваним об'ємом, вал якої аналогічним чином пов'язаний з валом відбору потужності двигуна за допомогою додаткового аналогічного перетворювача руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності двигуна. 8. Пневматичний двигун за п. 7, який відрізняється тим, що обидва перетворювачі руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності двигуна розташовані послідовно на валу відбору потужності двигуна із зсувом у 90° відносно один одного. 9. Пневматичний двигун за пп. 7, 8, який відрізняється тим, що індивідуальні приводні вали рухливих робочих елементів усіх впускних і випускних клапанів обох камер зі змінюваним об'ємом кінематично пов'язані між собою та з одним із кінців вала відбору потужності двигуна. 10. Пневматичний двигун за пп. 7-9, який відрізняється тим, що на валу між перетворювачами руху поршня в обертовий рух вала відбору потужності двигуна встановлений маховик. 10 UA 75874 U 11 UA 75874 U 12 UA 75874 U 13 UA 75874 U 14 UA 75874 U 15 UA 75874 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 16