Устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа

Изобретение относится к области точного приборостроения, к приводам микроманипуляторов и может быть использовано для малого регулируемого перемещения (и микро-перемещения, нано-перемещения) рабочего органа, различных объектов, например, держателей, при разработке микро- и нано-инструментов, для создания малошумящих микромоторов.

Известно устройство для малых прямолинейных перемещений рабочих органов, содержащее гидродвигатель с поршнем, соединенный с рабочим органом и с нерегулируемым насосом, снабженным предохранительным клапаном через регулятор расхода. На поршне гидродвигателя выполнена кольцевая канавка, связанная каналами в штоке с насосом через дросселирующую щель дифференциального золотника, торцевые полости которого соединены, соответственно, с рабочей полостью гидродвигателя и с кольцевой канавкой на поршне гидродвигателя. Устройство обеспечивает малое равномерное перемещение рабочего органа со скоростью порядка 0,5 см/мин. (RU 2537334).

Недостатками данного устройства являются невозможность осуществления микроперемещений рабочего органа, малая точность перемещений рабочего органа, малая скорость перемещения рабочего органа, необходимость использования сложной громоздкой системы, включающей, в том числе, насос и гидродвигатель для создания переменного давления и осуществления движения рабочего органа, узкая область применения устройства.

Известно устройство для точного позиционирования (малых перемещений рабочего органа - поршня), которое содержит два сообщающихся сосуда различного сечения, заполненные упругой средой (жидкостью) и закрытые подвижными поршнями, и привод, создающий усилие на одном из поршней. По крайней мере, один из сосудов снабжен одним средством изменения его подпоршневого объема, выполненным в виде перемещаемого внутрь его сильфона или в виде размещенной в его стенке или поршне мембраны малого диаметра. В данном устройстве возвратно-поступательного движения рабочего органа реализуется перемещение рабочего органа - поршня - за счет изменения давления упругой среды при помощи мембраны, при этом требуется внешний источник переменного управляемого давления (RU 2475354).

Недостатками данного устройства являются недостаточная точность малых перемещений при движении рабочего органа, необходимость использования внешнего источника переменного управляемого давления, способного обеспечить возвратно-поступательного движение рабочего органа, узкая область применения способа и устройства малых перемещений рабочего органа.

Известно устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащее корпус, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочий орган, в частности, поршень, разделяющий корпус на две рабочие камеры, подключенные через систему клапанов к источнику с рабочим телом, и узел изменения давления рабочего тела, выполненный в виде пар неподвижных электродов, подключенных к источнику электрической энергии через выключатели, которые соединены с блоком управления, к входу которого подключены датчики положения рабочего органа (Дудышев В.Д., Завьялов С.Ю. Способ преобразования электрогидравлического удара. RU 2157893 F01B 29/10, F03C 5/00, F04F 1/16, опубл. 20.10.2000).

Недостаток этого устройства состоит в том, что в нем в результате электрических импульсов с образованием парогазовой смеси в системе накапливается тепловая энергия, рассеяние которой устройством не предусмотрено. В результате нагрева конструкции может произойти выход из строя данного устройства. Выходом для обеспечения охлаждения является снижение частоты перемещения поршня. Полезная механическая работа при этом становится существенно меньше, производительность устройства падает. В данном устройстве не обеспечивается надежная защита от перегрева. Кроме того, для данного устройства характерны следующие недостатки - повышенный шум при его работе, низкая точность перемещений рабочего органа, включая невозможность гарантировать точность малых перемещений рабочего органа, узкая область применения устройства.

Известно устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащее корпус, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочий орган, в частности, поршень, рабочую камеру, подключенную к источнику с рабочим телом, и узел изменения давления рабочего тела, выполненный в виде неподвижных электродов, подключенных к источнику электрической энергии через выключатели, которые соединены с блоком управления, к входу которого подключены датчики положения рабочего органа, а внутри рабочей камеры между парами электродов установлены нагревательные элементы. (RU 2230934).

Недостатком данного устройства является то, что в нем в результате электрических импульсов с образованием парогазовой смеси в системе накапливается тепловая энергия, рассеяние которой устройством не предусмотрено. В результате нагрева конструкции может произойти выход из строя данного устройства, в данном устройстве не обеспечивается надежная защита от перегрева. Кроме того, для данного устройства характерны следующие недостатки - повышенный шум при его работе, низкая точность перемещений рабочего органа, включая невозможность гарантировать точность малых перемещений рабочего органа, узкая область применения устройства.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип техническим решением является устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, содержащее корпус, рабочую камеру, заполненную газом, выполненную с отводом в виде трубки, проводник электрического тока, расположенный в рабочей камере с возможностью соединения с генератором импульсов электрического тока (RU 2616678).

Недостатком данного устройства является неэффективное преобразование энергии источника электрического поля в энергию возвратно-поступательного движения рабочего органа, связанную с тем, что это преобразование происходит за счет движения упругой мембраны, амплитуда возможных колебаний которой мала.

В предлагаемом устройстве для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа изменение давления газа в рабочей камере осуществляется за счет пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещенном в рабочей камере. Устройство снабжено подвижным элементом (рабочим органом) - поршнем (на котором может быть укреплен шток). Повышение давления газа, обусловленное протеканием электрического тока в проводнике внутри рабочей камеры, быстро приводит в движение поршень (и укрепленный на нем шток). Понижение давления газа, обусловленное прекращением действия импульса электрического тока в проводнике внутри рабочей камеры, также быстро приводит в движение поршень.

Задачей предполагаемого изобретения является осуществление, в том числе и малых перемещений рабочего органа, контролируемого возвратно-поступательного движения рабочего органа, повышение точности перемещения рабочего органа, существенное снижение уровня шума при работе, повышение эффективности использования устройства для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа, расширение области применения устройства.

Технически задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем корпус, рабочую камеру, заполненную газом, выполненную с отводом в виде трубки, проводник электрического тока, расположенный в рабочей камере с возможностью соединения с генератором импульсов электрического тока, в отводе размещен рабочий орган в виде поршня (выполненного с возможностью закрепления на нем штока) с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения. Техническим результатом данного технического решения является повышение точности перемещения рабочего органа, повышение эффективности возвратно-поступательного движения, расширение области применения устройства, существенное снижение уровня шума.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 представлена схема устройства.

На фиг. 2 представлена типичная экспериментальная зависимость давления газа Р в рабочей камере от времени t (в наших экспериментах использовался воздух) для проводника из сплава никеля при воздействии импульса тока длительностью τ=5,7 сек и амплитудой I=0,5 А.

Устройство включает (фиг. 1) корпус 1; отвод 2, поршень 3 (со штоком); проводник тока 4; источник (генератор) электрического тока (импульсного тока) 5. Внутренний объем корпуса 1 и отвода 2, сообщающегося с внутренним объемом корпуса, образуют рабочую камеру устройства.

В предлагаемом устройстве изменение давления газа в рабочей камере, перемещающее поршень, осуществляется за счет пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещенном в рабочей камере. Перемещение поршня возможно регулировать изменением амплитуды электрического тока в проводнике внутри рабочей камеры, вызывающем соответствующее изменение давления газа.

При быстром включении определенной величины электрического тока в проводнике график зависимости изменения давления газа в рабочей камере устройства от времени имеет два характерных участка. На начальном участке давление резко увеличивается, имеется скачок давления. Затем давление нарастает значительно медленнее. При выключении тока (при прекращении действия электрического импульса) давление резко падает.

Для реализации работы предлагаемого устройства нами был создан работающий макет. Устройство представляло собой рабочую камеру с отводом, содержащим тефлоновый поршень диаметром около 8 мм. Боковая поверхность поршня покрывалась смазкой для уменьшения трения и предотвращения просачивания воздуха внутрь рабочей камеры. Для реализации работы предлагаемого устройства в рабочую камеру устройства (образованную внутренней полостью корпуса 1 - запаянной стеклянной трубки диаметром 8 мм - и внутренним объемом отвода 2) помещался металлический проводник 4 с возможностью соединения с источником электрического тока 5. В качестве проводников от источника тока использовались провода меди. Внутри рабочей камеры использовался провод сплава никеля диаметром 100 мкм. В качестве источника электрического тока использовался генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса электрического тока.

В начале эксперимента в стеклянной трубке устанавливалось атмосферное давление воздуха. Пропускание импульса электрического тока по проводнику 4 приводило к изменению давления газа в рабочей камере. При подаче импульса тока в проводник давление резко увеличивается и заставляет поршень двигаться поступательно. При окончании действия импульса резко уменьшающееся давление заставляет двигаться поршень в обратном направлении. При подаче импульсов тока амплитудой 300 мА и длительностью 1,5 с поршень массой 2 г совершал возвратно-поступательное движение с амплитудой 9 мм. Движение поршня может происходить и в течение всего времени изменения давления, и только в течение начального и конечного времени при наиболее резком изменении давления. Изменяя, например укорачивая, длительность токового импульса, можно добиваться максимального коэффициента полезного действия устройства.

Предлагаемое устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа возможно применить для создания двигателя (микродвигателя). Движения поршня возможно преобразовать во вращательное движения вала двигателя при помощи известных способов, например, с помощью кривошипно-шатунного механизма или шотландского (с треугольным шатуном) механизма. При этом основные параметры такого двигателя определяются амплитудой, длительностью и частотой следования генерируемых электрических импульсов. Другими словами, использование параметров электрических импульсов открывают широкие возможности для регулировки мощности, частоты вращения вала, крутящего момента такого двигателя, и, как следствие - его коэффициента полезного действия.

Устройство возможно использовать для создания малошумящих двигателей, в том числе поршневых микро- и наномоторов, с удобным, простым и эффективным управлением.

Литература

1. Патент РФ №2537334 B23Q 5/06. Устройство для малых прямолинейных перемещений гидрофицированных рабочих органов / Бундур М.С., Пересадько Ю.В., Щербак А.П. Опубликован 10.01.2015. Бюл. №1.

2. Патент РФ №2475354 B25J 7/00, F01B 25/02, H02N 2/02. Устройство для точного позиционирования / Аганин В.А., Ицексон Е.Л., Хайкин Р.З. и др. Опубликован 20.02.2013. Бюл. №5.

3. Патент РФ №2157893 F01B 29/10, F03C 5/00, F04F 1/16. Способ преобразования электрогидравлического удара / Дудышев В.Д., Завьялов С.Ю. Опубликован 20.10.2000.

4. Патент РФ №2230934, F04B 9/00, 2004. Устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа / Прангишвили И.В., Пащенко Ф.Ф., Круковский Л.Е., Бусыгин Б.П. Опубликован 20.06.2004.

5. Патент РФ №2616678, F15B 15/02. Способ малых перемещений рабочего органа устройства мембранного типа и устройство для его осуществления / Куницын В.Е., Усманов Н.Н., Салецкий A.M., Зимин А.И. Опубликован 10.04.2017. Прототип.