Сферическая Машина Голубева В. И. («СМГ»)

Особенности кинематики, геометрии и компоновки

Кинематическая схема устройства, определяющая особенности перемещения рабочего органа, может быть отнесена к разновидности пространственного сферического механизма кулисного типа («СМГ»). При этом роль пространственной сферической кулисы играет рабочий орган, выполненный в виде шарового слоя, снабженного меридиональными направляющими, взаимодействующими с установленными на корпусе (стойке) с возможностью поворота и некоторого азимутального перемещения ползунами. Направляющие кулисы совместно с сопряженными стенками корпуса образуют рабочие полости, а установленные по экватору корпуса ползуны играют роль поршней, разделяющих каждую рабочую полость на две рабочие камеры. При перемещении полюса кулисы (рабочего органа) по окружности любым механизмом перемещения (например, косым кривошипом) каждая рабочая камера изменяет свой объем от минимального до максимального. Таким образом, могут быть осуществлены рабочие циклы сферической машины. Так как число меридиональных рабочих полостей лежит обычно в пределах 6–12, то число рабочих камер будет составлять 12–24, при этом одноименные рабочие процессы проходят в диаметрально противоположных рабочих камерах, что уравновешивает силы рабочего давления, т.е. они являются внутренними силами и не передаются на корпус. Так как центр масс рабочего органа лежит в центре сферы, он не меняет своего положения при работе, а относительно небольшая процессирующая масса (из–за отклонения оси рабочего органа при движении полюса по окружности) принципиально полностью уравновешивается противовесами на кривошипном валу. Стенки поршней силовым образом не взаимодействуют со стенками рабочих камер — реактивную силу воспринимают оси поршней.

Рабочий объем зависит от угла наклона полюсной оси рабочего органа y=(13–15)° и его среднего радиуса Rср т.е. радиуса сферы, проходящей через центры давления рабочего тела на поршни–перемычки и может быть определен, в свою очередь, в зависимости от конструкции (назначения) машины оценочно пределами:
V_раб = (0,5-2) R_ср³;
Так, например, при рабочем органе с Rср=200мм, рабочий объем машины может лежать в пределах от 4л до 16 л. При этом меньший объем характерен для «силовых» машин типа ДВС, а больший объем — для пластинчатых машин, например, продувочных и наддувочных насосов.

К важным особенностям устройств типа «СМГ» можно отнести большой габаритный диапазон, т.е. возможность выполнения как сверхминиатюрных устройств, например, гидродвигателя с диаметром рабочего органа порядка 1 мм (микроприводы), так и достаточно больших устройств, с диаметром рабочего органа более 1 м (первыу ступени поршневых компрессоров большой производительности.

Дополнительно можно отметить роль массы рабочего органа в качестве маховика, а также относительно малый гироскопический момент, что может играть важную роль в космосе, например, при маневрировании.

Ротативная Машина Голубева В. И. плоского типа («РМГ»)

Особенности кинематики, геометрии и компоновки

Кинематическая схема устройств с Ротативной Машиной Голубева В. И. плоского типа («РМГ») является, как уже отмечалось, «разверткой» пространственного механизма Сферическая Машина Голубева В. И. «СМГ» на плоскость. При этом новый механизм представляет собой механизм плоскопараллельного перемещения рабочего органа (т.н. механизм параллельных кривошипов) в виде жесткого блока пересекающихся своими осями цилиндров и размещенных в них замыкателей–поршней. В процессе перемещения любые точки блока и замыкателей описывают окружности равного радиуса с равными и противоположными угловыми скоростями. Возможность синхронного и согласованного по фазе перемещения замыкателей–поршней обеспечивается механизмом синхронизации, при этом фазы движения замыкателей–поршней определяются углами пересечения осей цилиндров. Относительные линейные перемещения замыкателей–поршней и цилиндров можно рассматривать как сложение двух равных по величине и угловой скорости, но разных по знаку векторов с круговой поляризацией в линейно–поляризованный вектор, причем векторы одного направления вращения синфазны (это рабочий орган — блок цилиндров), а векторы противоположного направления осей вращения имеют фазовый сдвиг, определяемый углами пересечения осей цилиндров.

Иначе говоря, подвижные элементы машины совершают чисто вращательные движения с постоянной угловой скоростью, что позволяет говорить о принципиальной возможности полного уравновешивании устройства. Более того, кинематическое взаимодействие замыкателей–поршней и стенок цилиндров теоретически отсутствует, а на практике определяется точностью изготовления механизма синхронизации.

Конструктивное выполнение рабочего органа может иметь вид плоского кольцевого тела («шайбы») с тангенциально или радиально расположенными рабочими камерами (с внешним или внутренним пересечениями, преимущественно с равными углами, осей цилиндров). Число рабочих камер предпочтительно четное, от 8 и более (обычно 12–16), при этом одинаковые рабочие процессы происходят в диаметрально разнесенных и одинаково ориентированных рабочих камерах. Выполнение рабочего органа с тангенциально расположенными рабочими камерами возможно для всех видов рабочих машин, но нежелательно для ДВС, для которых предпочтительно выполнение рабочего органа с радиальным расположение рабочих камер. Это связано с возникновением опрокидывающего момента в рабочем органе первого типа при пропуске вспышки в одной из параллельных рабочих камер. При реализации машины в виде, например, насоса, гидродвигателя или паровой машины, вероятность «пропуска» отсутствует. Возможны и более сложные и интересные компоновочные схемы с комбинациями в одном рабочем органе тангенциальных и радиальных рабочих камер, а также расположенных под произвольным углом.

«РМГ» допускает (при некотором увеличении габаритов, прежде всего в радиальном направлении) выполнение рабочих камер и замыкателей–поршней в виде круговых цилиндров с хорошо отработанными элементами уплотнений в виде поршневых колец. Это обстоятельство позволяет создавать устройства на горячем газе с высоким давлением в рабочем цикле, например дизельные ДВС, в том числе типа HCCI.

Качественный анализ «распределенного» по поверхности механизма перемещения в виде многих кривошипов и эксцентриков показывает, что (учитывая примерно квадратичную зависимость механических потерь от диаметра вала) эти суммарные потери приблизительно равны (и меньше), чем у эквивалентного от подшипников коленчатого вала, воспринимающего соизмеримые нагрузки. При этом поверхность отвода тепла пропорциональна «дроблению» механизма.

Рабочий объем машины зависит от величины эксцентриситета кривошипов «Э» («ход поршня» — S=4Э), среднего радиуса рабочего органа Rср=( Rмакс- Rмин)/2, отношения «хода поршня» к его диаметру (или эквивалентному по площади, диаметру для некруглых поршней) — S/d. При конструктивно принимаемых рабочий объем может быть определен оценочно пределами:
V_раб= (40-50)Э R_ср/S/d;
Так, например, при Э=12, Rср=200 мм, S/d=2 («короткоходный») рабочий объем машины может лежать в пределах от 1,6л до 2л, в зависимости от «плотности упаковки» и рабочего давления.

При фиксированных эксцентриситете и размерах рабочих камер, увеличение среднего радиуса и, соответственно, числа рабочих полостей приводит к увеличению общего рабочего объема примерно в 1,5 раза быстрее, чем увеличивается средний радиус. Иначе говоря, «выгодно» выполнять «РМГ» с максимально малыми рабочими камерами (т.е. с увеличением «дробления» общего рабочего объема) и максимально возможным Rср, что приводит к росту «выбрасываемой» площади из центра, которая пропорциональна квадрату среднего радиуса.

Представляется интересным и такая особенность возможного выполнения «РМГ», как, в общем случае, возможность произвольной формы «РМГ», например, с одним «разрывом» или даже с несколькими, если удается реализовать механизм синхронизации. Появляется также принципиальная возможность выполнения машины с размерами, позволяющими разместить ее по периферии объекта, например, поворотной платформы.

Сопоставляя свойства «РМГ» со свойствами традиционной элементной базы можно утверждать, что возможно использование массы рабочего органа «РМГ» в качестве маховика. Наиболее эффективно использование предлагаемого устройства для создания объемных устройств, интегрированных с редукторами циклоидного типа с блоком цилиндров в качестве ведущего звена и маховика.



Наверх


карта сайта