CC BY
117
МАШИНОВЕДЕНИЕ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 621.839.36
Г.Ю. Волков, Д.А. Курасов
Курганский государственный университет
ПЛАНЕТАРНО-РОТОРНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ
Аннотация. В статье выполнен анализ существующих схем планетарно-роторных гидромашин с некруглыми и круглыми зубчатыми колесами. Предложены новые схемы, в которых центральные колеса внешнего и внутреннего зацепления имеют одинаковое число зубьев. Новые гидромашины предназначены для использования в гидро- и пневмосистемах в качестве насоса и двигателя.
Ключевые слова: планетарно-роторная гидромашина, некруглые зубчатые колеса, число зубьев, насос.
G.Y. Volkov, D. A. Kurasov Kurgan State University
EPICYCLIC ROTARY PUMP
Abstract. This article analyzes the existing designs of epicyclic rotaiy hydraulic units with non-circular and circular toothed wheels. The work offers new designs in which the central wheels of external and internal toothing have the equal number of teeth. New hydraulic units are designed to be used in hydraulic and pneumatic systems as the pump and the motor.
Index terms: epicyclic rotary hydraulic unit, fractional gears, number of teeth, pump.
В машиностроении широко используются гидравлические и пневматические машины объёмного вытеснения. Наибольшее давление рабочей среды (до 100 МПа) обеспечивают поршневые гидромашины. Их недостатки: небольшой полезный объём, сложность конструкции и высокая стоимость. Более простую конструкцию и меньшую стоимость имеют роторные шестерённые гидромашины (насосы). Они создают давление 15-25 МПа, имеют ограниченную производительность и малый ресурс, надёжно работают только на рабочих средах, обладающих смазочными свойствами. Для вытеснения вязких сред, в том числе суспензий, используются винтовые насосы. Они обеспечивают большие давления при малой производительности. Достаточно большую производительность при давлении 15-25 МПа имеют шиберные (лопаточные) насосы и двигатели. Возможности шиберных гидромашин ограничены трением скольжения в кинематической паре, образуемой лопаткой с неподвижным корпусом.
К объёмным гидромашинам относятся также роторные насосы и двигатели, содержащие планетарный механизм, в котором работают переменные объёмы, заключенные между центральными зубчатыми колёсами и плавающими сателлитами. Центральные колёса могут быть как круглыми, так и некруглыми. Принципиальными достоинствами планетарно-роторных гидромашин являются большой полезный объем рабочих полостей, отсутствие нагруженных пар скольжения, нечувствительность к износу зубьев. Причинами, по которым подобные гидромашины пока не нашли широкого применения,
являются сложность изготовления зубчатых колес с внутренними и некруглыми зубьями, а также отсутствие оптимальных конструкторских решений.
Первая планетарно-роторная гидромашина была запатентована в 1913 году в Германии (ЭБ 288340) (рисунок 1). В ней центральное колесо 2 с внутренними зубьями выполнено некруглым, его центроида имеет три «волны» (N=3). Центральное колесо 1 с внешними зубьями является круглым, т.е. его центроида имеет одну волну (М=1). При этом количество плавающих сателлитов - четыре (К=4). Каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в торцовых крышках, жестко связанных с неподвижным центральным колесом, имеющим внутренние зубья. В подобной конструкции, известной по патенту (ЭБ 19621051), N=2, М=1, К=3.
Рисунок 1 - Роторная гидромашина (N=3, M=1, K=4)
Гидромашина (ви 861734) также имеет N=2, М=1, К=3, но в ней неподвижным является центральное колесо с внутренними зубьями, в котором выполнены каналы подвода и отвода рабочей среды.
В 1971 г. польскими инженером Б. Сенявски была разработана (ви 484710, ЭБ 2258242) гидромашина (рисунок 2) с двумя некруглыми центральными колесами (N=4, М=3, К=7). В ней каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в торцовых крышках, связанных с неподвижным центральным колесом, имеющим внешние зубья. В подобной гидромашине (ви 1403993), предложенной тем же автором, оставлено центральное колесо с внутренними зубьями. В дальнейшем появились и другие конструкции гидромашин с некруглыми центральными колесами при различных сочетаниях N М (Ри 2116513, Ри 2137943, ви 484710, ви 1403993, WO 0166948, ив 6230823, ЭБ 3542913, CN 1367318, CN 2069495, CN 201486743).
В 1995-2002 гг. российский исследователь Ан И-Кан [1] обобщил сведения о параметрических соотношениях известных на тот период планетарно-роторных гидромашин с некруглыми центральными колесами. Принципиальные условия работоспособности механизма:
N /М = Ям, (1)
К = N + М, (2)
где N М - числа волн колес с внутренними и внешними зубьями;
Тм- числа зубьев соответствующих колес; К - число сателлитов.
Условия, по данным автора [1], вытекающие из ограничений, связанных с интерференцией и соседством сателлитов:
1 < N - М < 3 (3)
Тк < (Т - 2м)/2; (4)
где Тк - число зубьев сателлита.
Рисунок 2 - Роторная гидромашина (N=4, M=3, K=7)
Технологические трудности, связанные с изготовлением некруглых колес, побуждали инженеров искать конструкции планетарно-роторных гидромашин, состоящих только из круглых зубчатых звеньев (GB 1158638, SU 699229, US 4229152, RU 2445512). Сложность этих конструкций обусловлена необходимостью обеспечить синхронизацию вращения круглой центральной шестерни и мнимого водила.
В работе китайского исследователя Zhang Quan (WO 0166948 [2]) приведено большое количество новых схем планетарно-роторных гидромашин и сводная таблица (таблица 1) возможных, с точки зрения автора [2], сочетаний параметров M, N. В этой таблице символом »
обозначены осуществимые варианты, а символом » -неосуществимые. Данные ограничения согласуются с формулами (3, 4) Ан И-Кана [1].
Работа, выполненная авторами настоящей статьи, показывает, что те варианты, для которых N = М, обозначенные в таблице 1 как невозможные (^ ), возможны и представляют существенный практический интерес.
Вариант N=1, М=1, К=2 (РЫ 2513057) [3] показан на рисунке 3. Роторная гидромашина содержит круглое колесо 1 с внешними зубьями, неподвижное круглое колесо 2 с внутренними зубьями, два плавающих сателлита 3. Оси взаимного вращения колес 1 и 2 смещены относительно геометрических осей их центроид на расстояние е. При этом колеса 2 и 3 имеют одинаковое число зубьев. Технический результат - увеличение рабочего объема, упрощение конструкции и повышение надежности гидромашины.
Рисунок 3 - Роторная гидромашина (N=1, M=1, K=2) [3]
Вариант N=2, М=2, К=4 [4] показан на рисунке 4. Роторная гидромашина планетарного типа содержит два эллип-
Таблица 1 - Возможные сочетания параметров M, N согласно [2]
\м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ
2 Ъ Ж
3 Ъ Ъ Ж
4 Ъ Ъ Ъ Ж
5 Ъ Ъ Ъ Ж
6 Ъ Ъ Ъ Ъ Ж
7 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ж
8 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ж
9 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ж
10 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ж
11 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ
12 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ
13 Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ Ъ
4
ВЕСТНИК КГУ, 2014. № 2
тических центральных колеса 1, 2 и плавающие сателлиты 3. Оба центральных колеса имеют одинаковое число зубьев. Технический результат - разгрузка опор вала ротора.
Возможен также вариант N=3, М=3, К=6, показанный на рисунке 5, и другие варианты: N=4, М=4, К=8; N=5, М=5, К=10 и т.д. Однако смысла в увеличении числа волн свыше N=M=2 пока не видно.
Рисунок 4 - Роторная гидромашина (N=2, M=2, K=4) [4]
Рисунок 5 - Роторная гидромашина (N=3, М=3, К=6)
Работоспособность предлагаемых конструкций обеспечивается особой, нестандартной формой зубьев колес планетарного механизма. Изготовление соответствующих некруглых зубчатых колес в настоящее время реально с использованием 2Д-технологий (лазерная, гидрообразив-ная, электро-эррозионная резка листового материала).
Новые планетарно-роторные гидромашины могут применяться в насосах для перекачки нефти и мазута, в насосах для воды (буровых и пожарных), в насосах-дозаторах для различных жидкостей, в насосах и двигателях гидроприводов, в пневмодвигателях, в вакуумных насосах низкого вакуума.
Список литературы
1 Синтез, геометрические и прочностные расчеты планетарных
механизмов с некруглыми -зубчатыми колесами роторных гидромашин: автореф. дис. ... б-ра техн. наук. Томск, 2001. 35 с.
2 WO 0166948. A positive-displacement machine of gear type / Zhang
Quan, опубл. 13.09.01.
3 Пат. 2513057 РФ. Роторная гидромашина /Волков Г.Ю.,
№ 2011137057/11; заявл. 11.07.2012; опубл. 20.04.2014, Бюл. № 11. 14 с.
4 Заявка на полезную модель № 2014113740. Роторная гидромашина /
Волков Г.Ю., Курасов Д.А.; заявл. 08.04.13.
УДК 631.3.004.67:620.179.18
А.А. Иванов, С.Г. Тютрин
Курганский государственный университет
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СВЕТОВОДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ИЗ ОЛОВЯННОЙ ФОЛЬГИ
Аннотация. Описаны результаты эксперимента по инструментальному контролю усталостных датчиков из оловянной фольги в процессе их циклического деформирования. Применен оптоэлектронный световодный преобразователь для бесконтактного контроля поверхности. Работа нацелена на обеспечение объективности результатов экспресс-диагностики уровня циклических напряжений деталей при малых затратах на изготовление датчиков.
Ключевые слова: оптоэлектронный световодный преобразователь, усталостный датчик.
A.A. Ivanov, S.G. Tyutrin Kurgan State University
THE USE OF OPTOELECTRONIC LIGHTGUIDE TRANSFORMER IN MONITORING FATIGUE LIFE GAUGES MADE OF TIN FOIL
Abstract. The article describes the experimental results of instrumental control of tin foil fatigue life gauges under cyclic deformation. The optoelectronic lightguide transformer was used for noncontact surface gauging. The paper focuses on ensuring objective results during fast testing the elements' cyclic stresses with low cost sensors.
Index terms: optoelectronic lightguide transformer, fatigue life gauge.
ВВЕДЕНИЕ
Предложенные в работе [1] усталостные датчики представляют собой фрагменты алюминиевой фольги, которые наклеиваются на контролируемую поверхность детали, деформируются вместе с нею, в результате чего в датчике накапливаются повреждения, появляются дислокации, микротрещины и другие проявления усталости, по которым, используя калибровочную кривую, можно определить размах действовавших циклических напряжений в реальных условиях эксплуатации.
Исследование [2], по сути, является прямым продолжением работы [1]. В нем рассмотрены эффекты образования следов скольжений и увеличения шероховатости поверхности алюминиевой фольги при использовании ее в качестве усталостного датчика в широком диапазоне температур (до +400°С). Предложено контроли-
