Радіально-поршневий ексцентриковий гідромотор

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к радиально пяти-поршневым (в одном ряду) эксцентриковым гидромоторам, и может найти применение в термопластавтоматах, ковочных манипуляторах, литейных машинах, листогиба х, экскаваторах и други х машинах, где требуе тся вращательное движение рабочих органов. Известен радиально-поршневой эксцентриковый гидромотор [1], содержащий корпус с пятью радиальными расточными, в одном ряду, в каждой из которых установлены поршни, шарнирно соединенные с шатунами, имеющими утолщенные основания с опорной поверхностью, опирающейся на цилиндрическую поверхность эксцентрикового кулачка приводного вала и содержащей полость гидростатической разгрузки, соединенную (через жиклер или непосредственно) каналами в шатуне и поршне с рабочей камерой. Наличие полости гидростатической разгрузки приводит к резкому уменьшению потери энергии на преодоление сил трения по сопряженным поверхностям шатуна и эксцентрикового кулачка при вращении вала. Недостатками известного гидромотора являются большие радиальные размеры, низкие надежность и КПД. обусловленные неоптимальными соотношениями геометрических размеров шатунно-поршневой группы, что приводит к большим объемным потерям в виде утечек по зазорам уплотнительного пояска опорной поверхности шатуна в результате его перекоса под действием сил трения по сферической головке и опорной поверхности шатуна. Для уменьшения утечек конструкция усложнена установкой в канале шатуна специального жиклера с отверстием малого сечения, который ограничивает поступление в полость гидростатической разгрузки рабочей жидкости из рабочей камеры. Однако отверстие малого сечения жиклера чувствительно к загрязнению и для повышения надежности требует дополнительного усложнения конструкции установкой перед жиклером специального фильтра, который зачастую устанавливается на жиклере. Известен также гидромотор [2], содержащий корпус с радиальными расточками, в каждой из которых установлены поршни, шарнирно соединенные с шатунами, имеющими утолщенное основание с опорной поверхностью, опирающейся на цилиндрическую поверхность эксцентрикового кулачка приводного вала и содержащей полость гидростатической разгрузки, соединенную каналами в шатуне и поршне с рабочей камерой. Для стабилизации шатуна полость гидростатической разгрузки выполнена двухкамерой, причем обе камеры лежат симметрично относительно продольной оси шатуна и соединены с рабочей камерой каналами в шатуне и поршне через жиклеры. Такие гидромоторы позволяют улучшить стабилизацию шатуна, следствием чего является уменьшение объемных потерь. Недостатками известного гидромотора являются Недостаточно высокие КПД, надежность и большие радиальные размеры, обусловленные теми же факторами, что и у вышеупомянутого гидромотора, а большая ширина опорной поверхности шатуна приводит к увеличению диаметра эксцентрикового кулачка, т.е. к усложнению конструкции и еще большему повышению радиальных размеров гидромотора. В качестве прототипа выбран радиально-поршневой эксцентриковый гидромотор [3], содержащий корпус с радиальными расточками, в каждой из которых установлены поршни, шарнирно соединенные с шатунами, которые имеют утолщенное основание с опорной поверхностью, опирающейся на цилиндрическую поверхность эксцентрикового кулачка приводного вала и содержащей полость гидростатической разгрузки, соединенную каналами в шатуне и поршне с рабочей камерой. Полость гидростатической разгрузки на опорной поверхности шатуна отличается от вышеприведенных тем, что в . каналах, соединяющих полость гидростатической разгрузки с рабочей камерой, отсутствует жиклер. Недостатками известного гидромотора является низкие КПД и надежность, обусловленные повышенными объемными потерями в виде утечек рабочей жидкости по уплотнительным пояскам полости гидростатической разгрузки шатуна в результате перекоса шатуна под действием сил трения в шарнирном соединении поршень-шатун и по опорной поверхности, взаимодействующей с эксцентриковым кулачком, установленные без учета оптимизации геометрических размеров шатунно-поршневой группы. Целью настоящего изобретения является повышение КПД, надежности и уменьшение радиальных размеров гидромотора. Поставленная цель достигается тем, что в радиально-поршневом эксцентриковом гидромоторе, содержащем корпус с пятью радиально-расположенными расточками в одном ряду, в каждой из которых с образованием рабочей камеры установлены поршень и шатун, соединенные с образованием сферического шарнира, причем шатун снабжен опорной поверхностью с камерой гидростатической разгрузки, ограниченной уплотнительным пояском и соединенной каналами в шатуне и поршне с рабочей камерой для взаимодействия с цилиндрической поверхностью эксцентрикового кулачка приводного вала, согласно изобретению, геометрические размеры элементов шатуна и поршня выбирают из следующи х соотношений dcф = (0,7 ± 0,05) D n, где dСф - диаметр сферы шарнирного соединения поршень - шатун; Dn - диаметр поршня; Lпр - приведенная длина шатуна; А и В - соответственно, длина и ширина опорной поверхности шатуна; δ - суммарная ширина уплотнительного пояска камеры гидростатической разгрузки опорной поверхности шатуна, при этом диаметр эксцентрикового кулачка и величину эксцентриситета выбирают из условия где Dэ - диаметр эксцентрикового кулачка; е - эксцентриситет. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез продольного пятипоршневого эксцентрикового гидромотора, а на фиг.2 -шатун в перекошенном под действием сил трения состоянии (показана образовавшаяся по уплотнительным пояскам опорной поверхности шатуна щель, способствующая повышенным утечкам через нее, и приведены обозначения геометрических параметров поршневой группы). Гидромотор состоит из корпуса 1 с пятью радиальными расточками, в которых расположены поршни 2, шарнирно соединенные со сферической головкой шатуна 3, имеющего утолщенное основание а (фиг.2) с опорной поверхностью, на которой выполнена полость гидростатической разгрузки b, соединенная каналами в шатуне с и поршне d с рабочей камерой К и опирающаяся на цилиндрическую поверхность эксцентрикового кулачка 4 приводного вала с осью вращения О. Каждая полость гидростатической разгрузки b по периметру имеет уплотнительный поясок шириной о, который может быть выполнен сплошным (фиг.2), так и составным, состоящим из двух продольных поясков, разделенных канавкой, соединенной с полостью гидростатической разгрузкой b любым из известных способов. Цилиндрические расточки под поршни закрыты крышками 5. Гидромотор работает следующим образом. Подводимая под давлением рабочая жидкость через распределитель и каналы (на чертеже условно не показанными), поступает в рабочие камеры К. Под действием усилия давления рабочей жидкости поршень 2 перемещается к центру гидромотора О, воздействует на шатун 3, который, в свою очередь передает усилие и движение поршня через опорную поверхность на эксцентриковый кулачок4. Эксцентриковый кулачок вращается вокруг оси О. При этом опорная поверхность шатуна скользит по наружной цилиндрической поверхности эксцентрикового кулачка. Силы трения, возникающие на опорной поверхности шатуна и в сферическом шарнире поршень-шатун, препятствуют перемещению шатуна в результате чего нарушается равновесное его состояние, возникает перекос и открытие щели д. Рабочая жидкость из рабочей камеры К по каналам d и с поступаете полость гидростатической разгрузки b, а затем через образовавшуюся щель g по уплотнительному пояску d сливается в картер гидромотора в виде утечек (потерь). В процессе экспериментальных испытаний установлено, что существуют такие геометрические соотношения элементов гидромотора, при которых происходит наименьшее открытие щели g (наименьшие объемные потери) и достигаются наименьшие радиальные размеры гидромоторов. Оптимизация геометрических параметров шатунно-поршневой группы основывается на следующих положениях. Уменьшение диаметра dCф , сферического соединения' поршень-шатун приводит к уменьшению радиального размера гидромотора. Однако существенное уменьшение dсф , способствует снижению надежности в результате увеличения удельного давления между сопряженными сферическими поверхностями, выдавливанию масляного слоя и образованию задиров по этим поверхностям. Увеличение размера d^ уменьшает удельные давления и улучшает условия (надежность) работы. Недостаток в данном случае заключается в том, что при этом увеличиваются радиальные размеры гидромотора и уменьшается прочность поршня в связи с уменьшением размера m (фиг.2). Оптимальным соотношением является dcф = (0,7±0,05)Dn. Улучшение стабилизации положения шатуна при вращении и выбор оптимальной ширины В основывается на следующи х предпосылках. При вращении эксцентрикового кулачка 4 относительно оси вращения О шатун 3 (фиг.2) совершает колебательное движение относительно оси у (вокруг центра О2). Во время рабочего ходапри подаче рабочей жидкости под давлением в рабочую камеру К поршень 2 перемещается вниз, а ось шатуна отклоняется от оси у на угол β. В сферическом шарнире возникает сила трения Fv направленная против часовой стрелки. На опорной поверхности шатуна возникает сила трения F2, которая направлена почасовой стрелке относительно центра сферы или центра колебания шатуна О2 . В этом случае уравнение моментов имеет следующий вид где F1 , F 2 - силы трения; - длина шатуна; Lnp - приведенная длина шатуна. Соотношение (1) является условием равновесного состояния шатуна, которое сохраняется вплоть до максимального угла наклона, равного Затем движение оси шатуна меняет направление в сторону уменьшения угла β. При этом, вектор силы трения F1 в сферическом шарнире, оставаясь по величине равным F1, направлен в противоположную сторону. В этом случае уравнение моментов отличается от (1) и имеет вид где Мр - реактивный момент где R - реактивная сила, действующая вдоль правого (по чертежу) уплотнительного пояска опорной поверхности шатуна; h - плечо действия силы R относительно центра сферы. Перекос шатуна и образование щели d, имеет место когда сумма моментов в левой части уравнение (3) больше реактивного момента Мр. Увеличение реактивного момента можно достичь увеличением плеча h, т.е. увеличением ширины В опорной'поверхности шатуне. Однако, это приводит к увеличению D3 - диаметра эксцентрикового кулачка. Оптимальным соотношением размера В является Уменьшение потерь энергии на преодоление сил трения и выбор оптимальных размеров шатуннопоршневой группы основывается на следующи х предпосылках. Момент силы трения между опорной поверхностью шатуна и эксцентрикового кулачка определяются из выражения Из равенства (6)следует, что с увеличением диаметра D3 увеличивается момент трения Мтр, а с уменьшением D3 - момент трения уменьшается. Минимальный предел Dэ лимитируется зазором Δ > 0, когда устройство работоспособно. При соотношении Δ< Ο устройство неработоспособно. Оптимальным соотношением размера D3 является D3 = (2 ± 0,1)D n при сохранении условия (5). Оптимальный размер эксцентриситета е и приведенной длины шатуна L пр установлен в процессе конструктивных проработок. Было установлено, что оптимальным соотношением является: для эксцентриситета е = (0,4 ± 0,025)Dn, для приведенной длины шатуна Lnp = =(2±0,1)D n. Такое соотношение размеров Lпр и е обеспечивает угол наклона b max, равный 10-11°. Увеличение эксцентриситета е приводит к уменьшению диаметра поршня 6П и к увеличению радиальных размеров гидромотора, а уменьшение - к увеличению 6П, увеличению ширины опорной поверхности В и увеличению диаметра эксцентрикового кулачка D3. Увеличение приведенной длины шатуна Lnp приводит к увеличению радиальных размеров гидромотора. Допуская эпюру распределения давления в полости гидростатической разгрузки шатуна в виде усеченной пирамиды гидростатической разгрузки шатуна в виде усеченной пирамиды (Дьячков Б.И. Высоко-моментные гидромоторы однократного действия. М., "Ма шиностроение", 1980, с .40, рис.28), исходя из равенства усилий, действующи х со стороны поршня и камеры гидростатической разгрузки при максимальном угле β наклона шатуна, длина А опорной поверхности шатуна при заданной ширине В устанавливается из соотношения А = -(1.15±0,05)Dn. Приведенные соотношения размеров диаметра сферического шарнирного соединения поршень-шатун, диаметра эксцентрикового кулачка, эксцентриситета, приведенной длины шатуна, ширина и длина опорной поверхности шатуна, ширины уплотнительного пояска для принятого диаметра поршня в радиальном пятипоршневом (в одном ряду) эксцентриковом гидромоторе позволяют повысить КПД гидромотора за счет стабилизации положения шатуна и уменьшения объемных потерь по уплотнительным пояскам камеры гидростатической разгрузки шатунов, увеличения надежности и уменьшения механических потерь на преодоление сил трения по сферической поверхности поршень-шатун и по поверхностям скольжения опорная поверхность шатуна - эксцентриковый кулачок, а также уменьшить радиальные размеры гидромотора. Таким образом, использование предлагаемого технического решения обеспечивает снижение потребляемой энергии за счет повышения КПД; увеличение эксплуатационной надежности и расширение сферы применения; снижение материалоемкости за счет сокращения радиальных размеров.