Результат интеллектуальной деятельности: МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к области машин объемного действия, предназначенных для сжатия и перемещения жидкостей или жидкостей и газов одновременно, к которым предъявляются высокие требования к равномерности подачи жидкости.

Известна машина объемного действия, содержащая цилиндр с дифференциальным поршнем, образующим в цилиндре рабочие надпоршневую и подпоршневую полости, по крайнем мере, одна из которых заполнена жидкостью (см., например, патент РФ №118371, МКИ F04B 19/06 от 20.07.2012).

Известна также машина объемного действия, содержащая цилиндр с дифференциальным поршнем, образующим в цилиндре рабочие надпоршневую и подпоршневую полости, по крайнем мере, одна из которых заполнена жидкостью, содержащие всасывающие и нагнетательные клапаны, соединенные с линиями всасывания и нагнетания рабочей среды (см. кн. Т.М.Башта «Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем». М.: Машиностроение, 1974, стр. 60, рис. 15а).

Недостатком известных конструкций является недостаточно равномерная подача жидкости, особенно при одновременном сжатии и перемещении жидкостей и газов.

Задачей изобретения является повышение равномерности подачи жидкости при любом режиме работы машины - сжатии и перемещении только жидкостей или сжатии и перемещении жидкости и газа одновременно.

Данный технический результат достигается тем, что в известной конструкции машины объемного действия рабочая полость, заполненная жидкостью, соединена через обратный самодействующий клапан с дополнительным цилиндром, имеющим подпружиненный поршень и соединенным через золотник с линией нагнетания жидкости. При этом золотник может быть выполнен в виде размещенного в отверстии подвижного стрежня, на один торец которого опирается пружина сжатия, а к другому торцу подведен канал от одной из двух рабочих полостей, которая заполнена жидкостью.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение цилиндропоршневой группы машины объемного действия для случая, когда обе рабочие полости (надпоршневая и подпоршневая) работают с жидкостью.

На фиг. 2 изображено аналогичное сечение для случая, когда надпоршневая полость работает с жидкостью, а подпоршневая - с газом.

На фиг. 3 изображены индивидуальные графики зависимости подачи жидкости из подпоршневой и надпоршневой полостей, а также из полости дополнительного цилиндра в жидкостную линию нагнетания для случая, когда обе рабочие полости работают с жидкостью.

На фиг. 4 изображен суммарный график подачи машины в случае работы обеих рабочих полостей с жидкостью.

На фиг. 5 и 6 показаны соответственно графики индивидуальной работы одной из полостей, работающей с жидкостью, и полости дополнительного цилиндра и график суммарной подачи машины жидкости, когда одна рабочая полость работает с жидкостью, а другая - с газом.

Машина объемного действия, предназначенная для сжатия и перемещения только жидкости (фиг. 1), состоит из цилиндра 1 с дифференциальным поршнем 2, который образует в цилиндре 1 рабочие надпоршневую 3 и подпоршневую 4 полости, и которые содержат всасывающие 5 и 6 и нагнетательные 7 и 8 самодействующие клапаны, соединяющие полости 3 и 4 с линиями всасывания 9 и 10 и линиями нагнетания 11 и 12. Надпоршневая полость 3 соединена через обратный клапан 13 с дополнительным цилиндром 14, имеющим подпружиненный пружиной 15 поршень 16 и соединенным каналом 17 с нагнетательной жидкостной линией 11 через золотник 18, выполненный в виде размещенного в отверстии 19 подвижного стрежня, на один (верхний по рисунку) торец которого опирается пружина сжатия 20, а к другому (нижнему по рисунку) торцу подведен канал 21 от подпоршневой полости 4, которая, как и полость 3, заполнена жидкостью. Каналы 22 и 23 служат для слива утечек жидкости назад в линию всасывания 9. Поскольку рабочим веществом для полостей 3 и 4 является жидкость, линии всасывания этих полостей (9 и 10) и линии нагнетания (11 и 12) объединены. Дроссельная шайба 24 служит для создания гарантированного перепада давления между полостью 3 и линией нагнетания 11 в процессе нагнетания жидкости из полости 3.

Машина объемного действия, изображенная на фиг. 2, отличается от изображенной на фиг. 1 тем, что подпоршневая полость 4 служит для сжатия и подачи потребителю газа, в связи с чем управление золотником 18 осуществляется через канал 25, соединяющим надпоршневую полость 3, заполненную жидкостью, с нижним торцом золотника 18, который в данном случае имеет канавку 26, соединяющую при нижнем (по рисунку) положении золотника 18 дополнительный цилиндр 14 с линией нагнетания жидкости 11.

В обеих конструкциях (фиг. 1 и 2) привод возвратно-поступательного движения поршня 2 осуществляется кривошипно-шатунным механизмом (на рисунках условно не показан).

На фиг. 3-6 - линия абсцисс - угол поворота коленчатого вала φ из нижней мертвой точки (НМТ) положения поршня 2, линия ординат - объемная «мгновенная» (по углу поворота) производительность машины по жидкости Q.

При этом:

- линия a-b-c-d-e - воображаемая линия подачи полости 3 для обычного исполнения поршневого насоса (поршень 2 идет вверх);

- линия a-b-f-d-e - фактическая подача полости 3 (поршень 2 идет вверх);

- линия a-s-e - линия всасывания полости 4, когда она заполняется жидкостью (фиг. 1, поршень 2 идет вверх);

- линия g-h-k - линия наполнения полости дополнительного цилиндра 14 из полости 3 (поршень 2 идет вверх);

- линия е-u-m - линия опорожнения цилиндра 14 в линию нагнетания 11 (поршень 2 идет вниз);

- линия е-r-m - линия подачи жидкости полости 4 в линию нагнетания 12 (фиг. 1, поршень 2 идет вниз);

- линия e-w-m - линия суммарной подачи жидкости цилиндром 14 и полостью 4 в линии нагнетания 11 и 12 (фиг. 1, поршень 2 идет вниз);

- линия е-р-m - линия всасывания полости 3 (поршень 2 идет вниз).

На фиг. 4 показана суммарная подача жидкости машиной (фиг. 1) по углу поворота.

На фиг. 5 и 6 показаны уже обозначенные выше линии, отличие состоит в том, что на этих рисунках изображены графики работы машины, показанной на фиг. 2, в которой полость 4 работает с газом, в связи с чем, если для машины, изображенной на фиг. 1, общий график нагнетания жидкости характеризуется линией a-b-f-d-e-w-m, то для машины, изображенной на фиг. 2, общий график подачи жидкости характеризуется линией a-b-f-d-e-u-m.

Машина объемного действия работает следующим образом (фиг. 1).

При ходе поршня 2 вверх из НМТ, объем полости 3 уменьшается, жидкость в ней сжимается, ее давление повышается до давления нагнетания (давление в линии нагнетания 11), при этом клапан 6 закрывается, клапан 7 открывается, и начинается подача жидкости в линию нагнетания 11.

В связи с тем, что поршень 2 движется из НМТ с ускорением (в НМТ его скорость равна нулю), то по мере его «разгона» подача жидкости увеличивается (линия а-b на фиг. 3), что ведет к увеличению гидравлического сопротивления шайбы 24, и на ней возникает существенный перепад давления (перед шайбой 24 в полости 3 давление жидкости больше давления нагнетания за шайбой 24, равного давлению в линии нагнетания 11). Возросшее давление в полости 3 приводит к появлению перепада давления на клапане 13 (за ним в цилиндре 14 давление равно давлению в линии нагнетания 11, оставшееся от предыдущего цикла), клапан в точке е (фиг. 3) открывается, и жидкость из полости 3 начинает поступать одновременно в линию нагнетания 11 и в цилиндр 14. Усилие заневоленной пружины 15 подобрано таким образом, что оно равно произведению повышенного давления в полости 14 на площадь поршня 16. При этом золотник 18 перекрывает канал 17, т.к. на его нижнем торце давление мало (равно давлению всасывания, которое происходит в полости 4, с которой он соединен каналом 21), а на верхний торец давит пружина 20, в связи с чем золотник 18 занимает нижнее положение, как показано на фиг. 1.

В связи с тем, что поток жидкости из полости 3 разделился обратно пропорционально гидравлическим сопротивлениям клапана 13 и клапана 7 совместно с шайбой 24, часть потока из полости 3 продолжает двигаться в линию нагнетания 11 (линия b-f-d на фиг. 3), а часть попадает в цилиндр 14 и остается в нем (линия g-h-k, фиг. 3). Этот процесс длится до тех пор, пока скорость поршня не начинает падать в связи с характеристикой кривошипно-шатунного привода, в точке d скорость течения жидкости из полости 3 снижается, гидравлическое сопротивление шайбы 24 уменьшается, и давление в полости 3 становится меньше, чем в цилиндре 14, в связи с чем клапан 13 закрывается, и жидкость в цилиндре 14 остается при давлении нагнетания.

Во время поворота коленчатого вала на угол а-е (180 градусов) при ходе поршня 3 вверх в подпоршневой полости 4 происходит процесс всасывания - клапан 5 открыт, клапан 8 закрыт, и в этой полости жидкость находится под низким давлением. Текущее поступление жидкости в полость 4 характеризуется линией a-s-e.

После прохода верхней мертвой точки (ВМТ) поршень 2 начинает движение вниз, объем полости 3 увеличивается, давление жидкости в ней падает, клапан 7 закрывается, клапан 6 открывается, начинается процесс всасывания.

В то же время в полости 4 в связи с уменьшением ее объема давление жидкости повышается, клапан 5 закрывается, клапан 8 открывается, и начинается нагнетание жидкости в линию нагнетания 12 (линия е-r-m на фиг. 3). Повышенное давление в полости 4 через канал 21 подается на нижний торец золотника 18, который под действием этого давления совершает движение вверх, сжимая пружину 20, и открывает канал 17, через который жидкость под давлением нагнетания попадает в линию нагнетания 11 (линия е-u-m) и смешивается с жидкостью, текущей через линию нагнетания 12, в связи с чем общий поток жидкости при ходе поршня 2 вниз является суммой двух потоков и характеризуется суммой подачи цилиндра 14 и полости 4, т.е. линией e-w-m.

Затем цикл работы повторяется.

Машина, изображенная на фиг. 2, работает аналогично вышеописанной с той разницей, что подпоршневая полость 4 работает с газом, а управляющее давление на золотник 18 подается из надпоршневой полости 3 через канал 25, а сам золотник 18 соединяет цилиндр 14 с линией нагнетания 11 через канавку 26, когда поршень 2 идет вниз, и тогда жидкость из цилиндра 14 поступает в жидкостную линию нагнетания 11 при отсутствии подачи жидкости из полости 3, в которой в это время идет процесс всасывания. Таким образом, и в случае работы машины одновременно с жидкостью и газом (режим насос-компрессора), подача жидкости потребителю осуществляется непрерывно (фиг. 6).

При стационарном режиме работы машины наличие дроссельной шайбы 24 не обязательно, т.к. повышенное гидравлическое сопротивление на нагнетании полости 3 может быть достигнуто увеличением гидравлического сопротивления нагнетательного клапана 7, что может быть сделано конструктивно путем уменьшения его проходного сечения.

Величиной гидравлического сопротивления клапан 7 и дроссельной шайбы 24, характеристикой пружины 15, размерами цилиндра 14 всегда, при любом режиме работы машины (насос или насос-компрессор) можно добиться высокой равномерности подачи жидкости, недоступной для машин объемного действия с одним дифференциальным поршнем, что хорошо видно из графиков на фиг. 4 и 6. Предложенная конструкция позволяет повысить равномерности подачи жидкости при любом режиме работы машины - сжатии и перемещении только жидкостей, или сжатии и перемещении жидкости и газа одновременно.