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

Особенности кинематики, геометрии и компоновки

Кинематическая схема устройства "Cферическая Машина Голубева", 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» ("сферические двигатели", "сферические насосы") 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.

Известно объемное устройство [1], содержащее корпус с опорными элементами и рабочий орган установленный в корпусе с возможностью сферического движения. При этом рабочий орган снабжен меридиональными полостями, в которых размещены с образованием рабочих камер замыкатели (поршни, или перемычки в [1]), установленные с помощью опорных элементов. Устройство содержит элементы подвода и отвода рабочего тела, а также элементы привода рабочего органа, обеспечивающие движение конца условной полюсной оси рабочего органа по замкнутой траектории, например, окружности. Такими элементом может быть шарнир на рабочем органе, установленный на косом кривошипе.

Кинематический анализ устройства показывает, что для движения рабочего органа необходима определенная азимутальная подвижность замыкателей, зависящая от угла качания рабочего органа и азимутального угла между меридиональными полостями, примерно ± (1,5 — 2,5) % от радиуса рабочего органа.

Недостатком известного устройства является выполнение упомянутой азимутальной подвижности замыкателей за счет увеличения зазоров как между замыкателями и стенками меридиональных полостей так и между замыкателями и опорными элементами (осями). При этом приходиться ограничиваться относительно малым углом качания рабочего органа (до 100), что уменьшает удельные габаритные характеристики устройства при одновременном ухудшении рабочих характеристик за счет увеличения утечек рабочего тела и действия динамических сил, вызываемых перекладкой замыкателей в процессе работы.

Эти же недостатки (кроме малого угла качания рабочего органа), присущи и вариантам выполнения известного устройства [2], [3]. В варианте [2] замыкатели азимутально не перемещаются (перемещаются только элементы уплотнения) и поэтому замыкатели установлены в меридиональных полостях с заведомо большим зазором, что приводит к увеличению утечек и увеличению потерь на трение из–за перекоса замыкателей при их повороте. В варианте [3] (прототипе) замыкатели установлены на опорных элементах (осях) с заведомо большим кольцевым зазором. При азимутальном перемещении замыкателей наличие кольцевого зазора приводит к увеличению потерь на трение за счет некоторого заклинивания замыкателей между стенками меридиональной полости и опорным элементом, а также (особенно при работе с газообразным рабочим телом) к резкому изменению положения замыкателей при изменении направления перепада давления в рабочих камерах, т.е. к возникновению вредных динамических сил.

Техническим результатом предлагаемого решения является минимизация потерь на трение и минимизация вредных динамических сил, что приводит к уменьшению вибраций, увеличению надежности и долговечности устройства.

Для этого в устройстве, содержащем корпус с опорными элементами, рабочий орган, снабженный меридиональными полостями и установленный с возможностью сферического движения, а так же замыкатели, размещенные в меридиональных полостях с образованием рабочих камер и установленные на опорных элементах с возможностью азимутального перемещения (отметим, что рабочий орган может быть помещен или между стенками корпуса, или охватывать только внутреннюю стенку корпуса, или охватываться только внешней стенкой корпуса, а опорный элемент может быть выполнен в виде оси, проходящей через замыкатель, или замыкатель может быть снабжен одной или двумя цапфами, опирающимися на расточки в корпусе). Имеются так же элементы привода рабочего органа и элементы подвода и отвода рабочего тела. Технический результат достигается тем, что установка замыкателей на опорных элементах выполнена с обеспечением непрерывного взаимодействия замыкателей с опорными элементами в процессе азимутального перемещения замыкателей. Такой функциональный признак может быть реализован с помощью различных вариантов технических решений.

Например, установка каждого замыкателя может быть выполнена при помощи размещенной в замыкателе азимутальной (т.е. поперечной меридиональной полости), направляющей, взаимодействующей с ползуном, установленным с возможностью поворота на опорном элементе.

При этом каждый ползун может быть выполнен в виде призматического тела, цилиндрическая и плоские поверхности которого, покрыты антифрикционным материалом.

Возможен так же вариант выполнения каждого ползуна в виде ролика, при этом ролик может быть бочкообразным, или может состоять из средней и двух боковых частей, в этом случае направляющая выполняется с возможностью контакта одной стороной со средней частью ролика, а другой стороной — с боковыми частями, причем все части ролика устанавливаются с возможностью независимого вращения.

В следующем варианте ползун может быть образован плоскими участками опорного элемента, при этом замыкатель снабжается участками поверхности вращения, диаметр которой соответствует ширине меридиональной полости. (Т.е. на протяжении упомянутых участков возможен поворот вокруг замыкателя меридиональной полости без потери контакта с замыкателем).

В следующем варианте направляющая может быть выполнена в виде пластины («рессоры»), установленной концами в замыкателе, а каждый ползун — в виде двух вкладышей, размещенных в расточке опорного элемента. При этом средняя часть пластины размещена между вкладышами, а расточка снабжена окнами (проемами) для прохода концов пластины.

В следующем варианте установка каждого замыкателя может быть выполнена при помощи непосредственного размещения замыкателя с возможностью поворота на опорном элементе, при этом замыкатель выполнен в виде эксцентрика, центральная ось которго смещена в меридиональном направлении и проведена через центр сферического движения рабочего органа, а диаметр эксцентрика соответствует ширине меридиональной полости.

В следующем варианте установка каждого замыкателя может быть выполнена при помощи непосредственного размещения замыкателя с возможностью поворота на опорном элементе, при этом замыкатель выполнен в виде пары соосных эксцентриков, центральные оси которых симметрично разнесены ( относительно опорного элемента) в меридиональном направлении и проведены через центр сферического движения рабочего органа, а диаметры эксцентриков соответствуют ширине меридиональной полости.

В следующем варианте установка каждого замыкателя может быть выполнена при помощи серьги, шарнирно закрепленной одним концом на опорном элементе, а вторым концом — на пальце, закрепленном на замыкателе. При этом ось пальца смещена в меридиональном направлении и проведена через центр сферического движения рабочего органа.

В следующем варианте установка каждого замыкателя может быть выполнена при помощи размещенного на опорном элементе с возможностью поворота двухплечего рычага, на каждом конце которого размещен упор, а замыкатель состоит из двух одинаковых, соединенных между собой упругой связью (например, цилиндрическими пружинами) частей (половинок). Каждая часть снабженна кронштейном с пяткой, взаимодействующей со «своим» упором по сферической поверхности. При этом центр сферической поверхности размещен на геометрической оси, проходящей через центр сферического движения рабочего органа и середину меридиональной полости при ее крайнем положении.

Для возможности самоустановки замыкателей упоры выполнены в виде плоско–выпуклых линз (вкладышей), установленных плоской поверхностью на концах рычага с возможностью перемещения.

Реализация объемного устройства представлена в виде компрессора с самодействующими клапанами и в варианте с замыкателями, установленными при помощи направляющих и призматических ползунов, установленных на опорных элементах с возможность поворота.

На фиг. 1 изображен продольный разрез (Б–Б) компрессора с частичным видом и рабочего органа и частичным разрезом замыкателя. На фиг. 2 изображен поперечный разрез (А–А) компрессора. На фиг. 3 представлен вариант установки замыкателя при помощи направляющей и ползуна в виде ролика. На фиг. 5 — вариант выполнения замыкателя с элементами тела вращения и установки его при помощи направляющей и выполненного в виде призматического ползуна опорного элемента. На фиг. 6 — вариант установки замыкателя при помощи направляющей в виде пластины и ползуна в виде поворотных вкладышей. На фиг. 7 — вариант выполнения и установки замыкателя на основе эксцентрика. На фиг. 8 — вариант выполнения и установки замыкателя на основе двух эксцентриков. На фиг. 9 — вариант установки замыкателя при помощи серьги. На фиг. 10 — вариант установки замыкателя при помощи двухплечего рычага с упорами на концах.

Предлагаемое устройство (компрессор) содержит корпус 1 с установленными по экваториальному разъему опорными элементами 2 в виде полых осей. Рабочий орган 3 снабжен меридиональными полостями 4 с параллельными стенками. Меридиональные полости разделены установленными в них замыкателями 6 на рабочие камеры 7 и 8. Рабочий орган 3 установлен в корпусе 1 с возможностью сферического движения по его сферической поверхности 9. Отдельные варианты реализации азимутальной подвижности замыкателей 6 с обеспечением их непрерывного взаимодействия с опорными элементами 2 представлены на фиг. 3 -10. В частности, в предлагаемом устройстве установка замыкателей 6 (фиг. 1, фиг. 3) выполнена при помощи направляющих 10, взаимодействующих с призматическими ползунами 11, установленными с возможностью поворота на опорных элементах 2. Привод рабочего органа 3 может быть выполнен любым механизмом, обеспечивающим перемещение конца полюсной оси 12 рабочего органа 3 по замкнутой кривой ( преимущественно — по окружности), например при помощи вала с косым кривошипом 14 и противовесами 15. Вал 13 и рабочий орган 3 установлены на подшипниках качения 16 и 17 соответственно. Для работы устройства в качестве компрессора установлены всасывающие клапаны 18 и нагнетательные клапаны 19, объединенные коллектором 20. Подача воздуха осуществлена через каналы 21 в торцах корпуса 1, а отвод — через каналы 22.

На фиг. 3 более подробно представлен вариант установки снабженного антифрикционным самосмазывающимся покрытием 23 замыкателя 6 при помощи призматического ползуна 11, также снабженного антифрикционными самосмазывающимися покрытиями 24 и 25 на поверхностях, взаимодействующих соответственно, с направляющей 10 и опорным элементом 2.

На фиг. 4 представлен вариант установки замыкателя 6 при помощи ползуна в виде ролика 26, установленного на опорном элементе 2 и взаимодействующего с направляющей 10. (Вариант выполнения ролика из трех частей не показан).

На фиг. 5 представлен вариант установки замыкателя 6, снабженного участками поверхности вращения 27, взаимодействующими с меридиональными стенками 5. При этом установка замыкателя 6 выполнена при помощи опорного элемента 2, снабженного призматическим участком, образующим ползун 11, взаимодействующий с направляющей 10.

На фиг. 6 представлен вариант установки замыкателя 6 при помощи выполненной в виде пластины (« рессоры») направляющей 10 установленной концами в замыкателе 3, взаимодействующей с ползуном 11, выполненным в виде двух вкладышей, размещенных с возможностью поворота в опорном элементе 2. Опорный элемент 2 снабжен осевой расточкой 28 с окнами 29 для прохода концов направляющей 10. При этом поверхность взаимодействия ползуна 11 (вкладышей) с опорным элементом 2 может иметь сферическую форму для самоустановки ползуна 11 относительно направляющей 10.

На фиг. 7 представлен вариант установки замыкателя при выполнении замыкателя 6 в виде эксцентрика и его установки на опорном элементе 2 с возможностью поворота. При этом, центральная ось 30 эксцентрика (т.е. ось участков поверхности вращения 31) смещена в меридиональном направлении и проведена через центр 32 (Фиг. 1, 2) сферического движения рабочего органа 3.

На фиг. 8 представлен вариант установки замыкателя при выполнении замыкателя 6 в виде пары эксцентриков 33, 34, соосно установленных на опорном элементе 2 с возможностью поворота. При этом, центральные оси 35, 36 эксцентриков (т.е. оси участков поверхностей вращения 37 и 38) смещены в меридиональном направлении и проведены через центр 32 сферического движения рабочего органа 3.

На фиг. 9 представлен вариант установки замыкателя 6 при помощи серьги 39, шарнирно закрепленной одним концом на опорном элементе 2, а вторым концом — на пальце 40, закрепленном на замыкателе 6. При этом ось 41 пальца 40 смещена в меридиональном направлении и проведена через центр 32 сферического движения рабочего органа 3.

На фиг. 10 представлен вариант установки замыкателя при выполнении замыкателя 6 из двух одинаковых частей 42 и 43, соответственно снабженных кронштейнами 44 и 45, и пятками 46 и 47. При этом на опорном элементе 2 установлен двухплечий рычаг 48, на концах которого размещены упоры 49, 50, взаимодействующие с пятками 46, 47 по сферическим поверхностям 51, 52. Центры 53, 54 сферических поверхностей 51, 52 размещены на пересечении линии равнодействующей силы давления рабочего тела с геометрической осью 55, 56, проходящей через центр 32 сферического движения рабочего органа 3 и середину меридиональной полости 4 при ее крайних положениях (см. фиг.1). (При этом положения центров 53, 54 в зависимости от конструкции замыкателя, могут находиться за его пределами). Части 42 и 43 соединены между собой упругой связью, например, цилиндрическими пружинами 57.

Для самоустановки упоры 49, 50 выполнены в виде плосковыпуклых линз 58, плоскими поверхностями установленных на концах рычага 48 с возможностью перемещения.

Устройство (компрессор) работает следующим образом. При перемещении конца полюсной оси 12 по окружности при помощи вала 13 и косого кривошипа 14, рабочий орган 3 совершает сферическое движение при котором условные оси 55 — 56, проходящие через середины меридиональных полостей 4 описывают узкие вытянутые в меридиональном направлении «восьмерки», а рабочие камеры 7 и 8 поочередно изменяют свой объем, причем одинаковые процессы происходят в диаметрально противоположных рабочих камерах, что уравновешивает силы давления рабочего тела на рабочий орган 3. Циркуляция смещенных из–за наклона рабочего органа 3 его «полюсных масс» и появление, соответственно, центробежных сил уравновешивается циркуляцией масс противовесов 15 сколь угодно точно. При увеличении объемов рабочих камер, воздух через каналы 21 в торцах корпуса 1 и открытые всасывающие клапаны 18 заполняет рабочие камеры, а при уменьшении объема рабочих камер вытесняется через нагнетательные клапаны 19 в коллектор 20 и далее, через канал 22 поступает потребителю. При достаточном объеме коллектора 20 и с учетом большого числа рабочих камер, равномерность подачи сжатого воздуха может быть обеспечена без внешнего ресивера. В процессе сферического движения рабочего органа замыкатели 6 призматического вида поворачиваются по оси опорных элементов 2. Дополнительно замыкатели 6 любого вида требуют определенной азимутальной подвижности. Это следует из кинематического анализа, который показывает, что перемещение меридиональной полости 4 относительно замыкателя 6 можно условно разделить на две фазы. В первой фазе, когда меридиональная полость 4 находиться в крайнем положении, (плоскость проходящая продольно через середину меридиональной полости 4 совпадает с плоскостью, проходящей через полюсную ось 15 и ось вала 13), ее перемещение носит преимущественно поворотный характер вокруг условной оси 55 -56, проходящей через середину меридиональной полости 4 и центр 32 сферического движения рабочего органа 3. При этом упомянутая ось 55 — 56 может выходить за пределы замыкателя 6, а поворот меридиональной полости 4 и, соответственно, жестко связанных ее меридиональных стенок 5 приводит к необходимости некоторого азимутального смещения замыкателя 6 в сторону поворота меридиональной полости 4. Величина азимутального смещения определяется углом между условной осью, проходящей через середину замыкателя 6 (обычно расположенной в плоскости экватора корпуса 1) и осью 55 — 56, т.е. определяется углом наклона полюсной оси 12 относительно оси вала 13, при этом азимутальные смещения замыкателей 6 попарно противоположны. Во второй фазе, когда меридиональная полость 4 находиться в среднем положении (при этом плоскость, проходящая через середину меридиональной полости 4 нормальна плоскости, проходящей через полюсную ось 12 и ось вала 13), ее перемещение носит преимущественно сферически–поступательный характер, а азимутальное смещение проходит через ноль, когда ось 55 — 56 совпадает с осью, проходящей через середину замыкателя 6 (экватор корпуса 1). Так как рабочий орган 3 выполнен в виде твердого тела и установлен шарнирно на кривошипе 14, то в процессе работы замыкатели 6 знакопеременно смещаются в азимутальном направлении от некоторого своего среднего положения относительно корпуса 1. При этом на замыкатели 6 действуют знакопеременные силы давления рабочего тела, вызывающие, при установке их с существенным зазором на опорных элементах 2, появление сил заклинивания и меридиональных вибраций замыкателей 6. Уменьшение сил заклинивания и исключение вибраций требует непрерывности кинематического взаимодействия замыкателей 6 с опорными элементами 2, а через них — и с корпусом 1. Иначе говоря, необходимо поддерживать непрерывное контактирование между замыкателями 6 и опорными элементами 2 в процессе азимутальнго перемещения замыкателей 6.

При этом:

• (фиг. 1, 2, 3) замыкатель 6 и направляющая 10 перемещается азимутально относительно призматического ползуна 11 под действием знакопеременных сил давления меридиональных стенок 5 на замыкатель 6, т.е. сил, возникающих из–за особенностей сферического движения объединеных в рабочий орган 3 меридиональных полостей 4 относительно замыкателей 6. Одновременно каждый ползун 11 дополнительно качается на опорном элементе 2, « отслеживая» положение своей меридиональной полости 4. Наличие антифрикционных самосмазывающихся покрытий 23, 24, 25 (фиг. 3) характерно для компрессоров с минимальным содержанием масла в сжимаемом воздухе;
• (фиг. 4) замыкатель 6 и направляющая 10 перемещается азимутально и качается относительно ползуна в виде ролика 26, при этом ролик 26 может быть бочкообразным. Такая форма ролика способствует самоустановке замыкателя 6. Вариант (не показан) ролика 26 из трех «независимых» частей способствует исключению ходовых зазоров между роликом 26 и направляющей 10, так как появляется возможность взаимодействия ползуна (составного ролика 26) с заданным натягом;
• (фиг. 5) замыкатель 6 и направляющая 10 перемещается только азимутально относительно ползуна 11 (т.е. опорного элемента 2), а меридианальная полость 4 своими стенками 5 обкатывается (качается) вокруг поверхностей 27 замыкателя 6;
• замыкатель 6 и направляющая («рессора») 10 перемещается азимутально между двумя вкладышами, образующими ползун 11, в свою очередь, качающийся в осевой расточке 28 опорного элемента 2. Замыкатель 6, соединеный с выходящими через окна 29 концами направляющей 10, получает возможность азимутального перемещения и качания;
• (фиг.7) кинематика замыкателя 6 соответствует сферической кинематике эксцентрика, поворачивающегося вокруг опорного элемента 2. При этом центральная ось 30 и, соответственно, участки поверхности вращения 31 замыкателя 6 азимутально перемещаются за счет поворота вокруг опорного элемента 2, одновременно меридиональные стенки 5 обкатываются вокруг поверхностей вращения 31 в соответствии с движением рабочего органа 3;
• (фиг. 8) кинематика замыкателя 6 соответствует сферической кинематике пары эксцентриков 33, 34, поворачивающихся вокруг опорного элемента 2 при азимутальном перемещении замыкателя 6 навстречу друг другу, а при «отслеживании» поворота меридиональной полости 4 — поворачивающихся в одну сторону, при этом меридиональные стенки 5 обкатываются вокруг участков поверхностей вращения 37 и 38 с соответствующими осями 35, 36;
• (фиг. 9) замыкатель 6 азимутально перемещается за счет поворота серьги 39 вокруг опорного элемента 2 и пальца 40 с осью 41, причем угол поворота определяется как необходимой величиной азимутального смещения замыкателя 6, так и его соответствием положению своей меридиональной полости 4;
• (фиг. 10) замыкатель 6, состоящий из двух одинаковых частей 42 и 43 (одна из них, например, 42 максимально нагружена силами давления рабочего тела), азимутально перемещается за счет их совместного поворота на нагруженном кронштейне 44 и его пятке 46 вокруг сферической поверхности 52 с центром 54, т.е. на соответствующем упоре 50, находящемся на конце двухплечего рычага 48. При этом, одновременно рычаг 48 поворачивается на опорном элементе 2, позволяя замыкателю 6 «отслеживать» поворот своей меридиональной полости 4. В данном случае, ненагруженная часть 43 замыкателя 6, его кронштейн 45 с пяткой 47 также проворачивается вокруг сферической поверхности 51 упора 49, но в противоположном направлении относительно части 42 и без силового взаимодействия. Уменьшающееся при этом расстояние между частями 42 и 43 выбирается цилиндрическими пружинами 57. При смене направления сил давления рабочего тела, нагруженной становиться часть 43, кронштейн 45 с пяткой 47, опирающейся на сферическую поверхность 50 упора 49 на другом конце двухплечего рычага 48, и процесс повторяется. В процессе работы пятки 46 и 47 самоустанавливаются за счет подвижности линз 58 на плоских поверхностях упоров 49, 50.
  

Предлагаемое выполнение объемного устройства с установкой замыкателей, обеспечивающей их беззазорное азимутальное перемещение, позволяет уменьшить механические потери и влияние динамических сил, действующих на рабочие элементы, причем предпочтительность вариантов установки и формы замыкателей зависит от конкретной реализации объемного устройства. Так, например:

• фиг. 3, 4 пневмо–гидроустройства с относительно малыми утечками рабочего тела;


• фиг. 5, 7, 8 — пневмо–гидроустройства с увеличенными утечками рабочего тела и повышенным числом оборотов, за счет исключения действия сил инерции поворота замыкателя;


• фиг. 6, 9 — гидро–пневмоустройства и устройства на горячем газе, с большим давлением рабочего тела, особенно в начальный момент (например, ДВС);


• фиг. 10 — прежде всего ДВС, так как здесь механические потери минимальны в начальный момент высокого давления рабочего тела, а для такой установки замыкателей характерно минимальное относительное перемещение нагруженных элементов (пятки и сферической поверхности упора) по сравнению с другими вариантами установки замыкателей.

Источники информации:
   
1. А.с. СССР №918450 «Машина Голубева В.И.».
2. А.с. СССР №1232830 «Машина Голубева В. И. с качающимся рабочим органом».
3. А.с. СССР №1232831 «Машина Голубева В. И. с качающимся рабочим органом».


Наверх


карта сайта