Неполноповоротные гидродвигатели

200 

Описание

Неполноповоротные гидродвигатели

1 Основные типы неполнопоротных гидродвигателей

         Неполноповоротный гидродвигатель является объемным двигателем преобразующим энергию потока масла подаваемого под давлением во вращательное  движение ведомого звена (вала) на фиксированный угол. Данный тип гидродвигателей используется для привода различных транспортных устройств (поворотных столов, шаговых транспортеров, промышленных роботов), работа которых сводится к периодическому повороту на угол до 3600 Основные конструктивные схемы неполноповоротных гидродвигателей показаны на Рис 1.

1

         На Рис 1а показан неполноповоротный гидродвигатель лопастного типа (НГЛ), состоящий из корпуса, ротора с лопастью и разделительного сегмента который  вместе с лопастью разделяет внутреннюю полость корпуса на две рабочие камеры. При подаче масла под давлением в левую камеру вал с лопастью вращается против часовой стрелки, а при подаче в правую возвращается в исходное положение. Основным преимуществом НГЛ по сравнению с остальными типами неполноповоротных гидродвигателей  является компактность конструкции, позволяющая встраивать его в ограниченное пространство различных машин и технологического оборудования, устанавливая непосредственно на ведущем валу приводимого механизма.  Основным недостатком лопастного неполноповоротного гидродвигателя является ограниченный угол поворота для увеличения которого необходимо встраивать в привод повышающую передачу, что снижает передаваемый крутящий момент, а также  ограничение давления масла из-за сложности уплотнения поворотной лопасти и резделительного сектора, имеющих прямоугольную форму. На Рис 1б, в показана конструкция двух типов  неполноповоротных гидродвигателей со встроенной зубчато – реечной передачей (НГсВП).  У этих гидродвигателей поворот выходного вала осуществляется за счет преобразования поступательного движения поршней во вращательное посредствам зубчато – реечную передачи. Такая конструкция позволяет получить угол поворота 3600 и боле, в зависимости от величины хода гидроцилиндра, при использовании традиционных уплотнений поршня и штока, что позволяет использовать  высокое давление масла. На 1б показана конструкция НГсЗП содержащая два поршня соединенных общим штоком, выполненным за одно с зубчатой рейкой, которая постоянно находится  в зацеплении с зубчатым колесом.  На Рис 1в показана конструкция НГсЗП содержащая две  штоково – поршневые  группы, обе зубчатые рейки которых постоянно находится  в зацеплении с зубчатым колесом, что позволяет создать на выходном валу гидродвигателя увеличенный крутящий момент. Но из-за значительных  габаритов такая конструкция  НГсЗП  имеет определенные ограничения при компоновке в составе привода конкретного механизма. При использовании неполноповоротных гидродвигателей , показанных на Рис 1а – 1в в качестве шагового привода, например поворотных столов или транспортеров их выходной вал соединяется с ведущим валом механизма через обгонную муфту, наличие которой позволяет осуществлять его поворот только при одном направлении вращения.  На Рис 1г показан неполноповоротный гидродвигатель, выполненный на основе гидроцилиндра со встроенной винтовой парой (НГсВП).   Он состоит из расположенного в корпусе приводного гидроцилиндра, на штоке которого выполнена ходовая резьба, находящаяся в постоянном контакте с ответной гайкой, закрепленной посредствам шлицевого соединения в отверстии выходного вала гидродвигателя , который установлен в его корпусе на радиально – упорных подшипниках. Этот тип неполноповоротного гидродвигателя при малых габаритных размерах позволяет развивать большой крутящий момент при малой скорости вращения выходного  вала. Основными  недостатками НГсВП является низкий КПД, вызванный наличием винтовой пары и сложность  его конструкции.

2

       На Рис 2 показан общий серийно изготавливаемых неполноповоротных гидродвигателей. На Рис 2а показан лопастной неполноповоротный гидродвигатель, на Рис 2б двухпоршневой неполноповоротный гидродвигатель со встроенной зубчато – реечной передачей, на Рис 2в четырехпоршневой неполноповоротный гидродвигатель со встроенной зубчато – реечной передачей, на Рис 2г неполноповоротный гидродвигатель выполненный на основе гидроцилиндра со встроенной винтовой передачей.

2 Область применеия неполноповолротных гидродвигателей

       Неполноповоротные гидродвигатели в настоящее время широко используются в различных областях машиностроения в качестве привода поворотных механизмов в том числе:

  • в трубогибочных станках для привода поворотной балки,
  • в зажимных приспособлениях для привода поворота ходового винта,
  • в автоматических манипуляторах для привода поворота его различных механизмов,
  • в поворотных столах и шаговых транспортерах,
  • в качестве привода механизмов автоматического управления клапанами газовых турбин,
  • в приводе вспомогательных судовых механизмов.

        Причина такого широкого использования неполноповоротных гидродвигателей являются преимущества, которыми они обладают по сравнению остальными типами электромеханического и гидравлического привода заключающиеся в следующем:

  • минимальном количестве и массе подвижных деталей, что существенно улучшает динамику работы приводимого механизма,
  • возможности создавать привод механизма с простой кинематикой, из – за отсутствия передаточных механизмов
  • возможность создания больших крутящих моментов,
  • возможность изменения скорости поворота выходного вала.

       Рассмотрим несколько примеров использования  неполноповоротных гидродвигателей в машиностроении.

3

            На Рис 3 показана конструкция револьверной головки  с приводом поворота от неполноповоротного гидродвигателя лопастного типа. Она со стоит из основания 1, на правом торце которого закреплен диск 3 с торцевым зубом, находящейся в зацеплении с аналогичным диском 4, закрепленном на торце корпуса 2 револьверной головки, при этом, во внутренней полости образованной основанием 1 и корпусом 2 расположен гидроцилиндр,  содержащий корпус 9, крышки  5, 7, 8, и поршень 6, выполненный за одно с двусторонним штоком, который скреплен  с крышками 5 и 7 и образует две рабочие полости гидроцилиндра 10 и 11. Конструкция гидроцилиндра такова, что его поршень 8 посредствам двухстороннего штока, будучи соединен с левого торца с крышкой 5 и основанием 1 неподвижен в осевом направлении, а корпус 9 гидроцилиндра, будучи соединен посредствам крышки 8 с корпусом 2, имеет возможность вместе с последнем перемещаться в осевом направлении.  В центральном отверстии поршня 6, закрытого с обоих сторон крышками  5 и 7, расположен неполноповоротный гидродвигатель лопастного типа (НГЛ), содержащий ротор состоящий из вала 12 соединенного посредствам шпоночного соединения со втулкой 14, на которой посредствам болтов 16 и штифтов 17 закреплена лопасть  15, имеющая возможность поворачиваться внутри отверстия в поршне 6 на фиксированный угол, а также ограничительный сектор 20 закрепленный в отверстии поршня 8  посредствам болтов 18 и штифтов 19. Поверхность отверстия поршня 8, наружная поверхность втулки 14 и боковые поверхности лопасти 15 и разделительного сектора 20 образуют в НГЛ две рабочие полости 38 и 39. Поворот корпуса 2 револьверной головки из одного фиксированного положения в другое равен углу поворота лопасти 15. На правом конце вала 12 на шпонке установлена шестерня 21, зафиксированная  в осевом направлении ограничительной шайбой 21 и гайкой 23, имеющая возможность зацепляться с зубчатым колесом 24 внутреннего зацепления, имеющим одинаковое с шестерней число зубьев, при этом, на левом конце вала 12 закреплен торцевой кулачок 25, воздействующий посредствам толкателей 26, 27 на конечные выключатели 28, 29. Угол поворота лопасти 15 равен целому числу шагов шестерни 21 (зубчатого колеса 24):

ФормулаГде:

  • α, угол поворота лопасти,
  • m, модуль зацепления зубчатых колес,
  • Za, число зубьев зубчатых колес соответствующее углу поворота лопасти,
  • Rд, радиус делительной окружности зубчатых колес.

В отверстиях основания 1  расположены подпружиненные толкатели 31 и 32, при этом первый имеет коническую поверхность в месте контакта со вторым, а правый конец толкателя 31 под действием пружины имеет возможность контактировать с левым торцем корпуса 9 гидроцилиндра, а толкатель 32 своим верхнем концом имеет возможность воздейсьтвовать на конечный выключатель 33.  Подвод масла в рабочие полости гидроцилиндра осуществляется через систему каналов 34, 35, а подвод масла в рабочие полости НГЛ производится через систему каналов  36, 37.

       Поворот револьверной головки производится следующим образом. Перед поворотом корпуса 2 револьверной головки, выполняется его расфиксация с основанием 1. Для этого масло под давление по системе каналов 34 подается в рабочую полость 11 гидроцилиндра, а из его рабочей полости 10 идет на слив через систему каналов 35, что приводит к тому что корпус 9 гидроцилиндра вместе с корпусом 2 револьверной головки смещается вправо и зубчатые венцы шестерни 21 и зубчатого колеса 24 входят в зацепление, а торцевые зубья дисков 3 и 4 разъединяются. При этом толкатель 31 под действием пружины перемещается вправо, а толкатель 32 под действием пружины опускается вниз, что приводит к србатыванию конечного включателя 33, который дает команду на включение НГЛ в результате чего масло под давлением через систему каналов 36 поступает в рабочую полость 38, а из рабочей полости 39 идет на слив. Поскольку шестерня 21, жестко связанная с валом 12, и зубчатое колесо 24, закрепленное на корпусе 2 револьверной головки, находятся в зацеплении, то вместе с валом 12 вращается и корпус 2, при этом его поворот на одну позицию соответствует повороту лопасти 15 до упора в разделительный сектор 20. По окончании поворота торцевой кулачок воздействует  на толкатель 25, который включает конечный выключатель 28 и последний дает команду на подачу масла через систему каналов 35 в рабочую полость 10 и слив масла по системе каналов 34 из рабочей полости 11, что приводит к перемещению поршня 2 вместе с корпусом 9 гидроцилиндра и корпусом 2 револьверной головки влево. В конце хода корпуса 2 диски 3 и 4 зацепляются посредствам торцевых зубьев, а шестерня 21 выходит из зацепления с шестерней 24, и таким образом, угловое положение корпуса 2 револьверной головки точно фиксируется. В конце хода корпус 9 гидроцилиндра нажимает на толкатель 31, который, преодолевая усилие пружины, своей конусной поверхностью перемещает вверх толкатель 32 и последний при этом  включает  конечный выключатель 33, который подает команду на включение НГЛ. В результате чего масло под давлением через систему каналов 37 поступает в рабочую полость 39, а из рабочей полости 38 идет на слив. Поскольку шестерня 21 свободна вал 15 с втулкой 14 и лопастью 20 совершает холостой поворот в обратном направлении и занимает исходное положение. В конце поворота торцевой кулачок воздействует  на толкатель 25, который включает конечный выключатель 28 и последний дает сигнал в систему управления станком об окончании цикла поворота револьверной головки.

4

        На Рис 4 показана конструкция гидравлического привода делительного стола выполненного на основе неполноповоротного гидродвигателя лопастного типа (НГЛ). Он состоит из корпуса 1, в рабочей полости  которого,  образованной его центральным отверстием, закрытым с торцев крышкой 4 и основанием 5  расположены сектор 2 и лопасть 3, а крышка 4 и основание 5 оснащены гидроцилиндрами сцепления, верхний из которых содержит стакан 6, поршень 10, поводок 8 и гидромуфту с дисками сцепления 12, а нижний – стакан 7, поршень 11, поводок 9 и гидромуфту с дисками сцепления 13. Сектор 2 выполнена за одно целое с входным валом 20, а лопасть 3 жестко соединен с выходным валом 21, на конце которого установлена шестерня 19. Подвод масло от гидросистемы осуществляется через систему отверстия а и б, в которых установлены обратные клапаны 14 – 17. В секторе 2 выполнен угловой паз 18, определяющий  угол поворота выходного вала 21. Сектор 2 и лопасть 3 разделяют внутреннюю полость гидроповоротника на две рабочие камера Б и В, при этом, рабочая камера Б соединена каналами в секторе 2, основании 5, корпусе 1, крышке 4 и стакане 6 с входным отверстием а, рабочая камера В – каналами в лопасти 3, валу 21, основании 5 с входным отверстием б.

         Делительный стол работает следующим образом. В отверстие а из гидросистемы подается под давлением масло, которое попадая в рабочую полость стакана 6 верхнего гидроцилиндра, перемещает вниз его поршень 10, который при этом сжимает  диски сцепления 12, и таким образом,  заневоливает лопасть 3 относительно корпуса 1. Одновременно масло  из отверстия а по каналам в стакане 6, крышке 4, корпусе 1, через клапан 15  в основании 5 поступает в полость Б и поворачивает сектор 2 до упора плоскости паза 18 в лопасть 3. После этого, давление масла в гидросистеме  растет, в результате чего, срабатывает реле давления (на Рис 4 не показано), которое дает команду на соединение отверстия а со сливом и подвод масла к отверстию б. При этом, масло из отверстия б через отверстия в стакане 7 поступает в рабочую полость нижнего гидроцилиндра и перемещает вверх поршень 11, который сжимает диски сцепления 13 и заневоливает сектор 2 относительно основания 5, жестко связанного с корпусом 1 гидроповоротника.  Одновременно масло из отверстия б поступает по каналам в основании 5, клапан 16 и каналы в лопасть 3 в полость В. В результате этого, происходит поворот лопасти 3 вместе с выходным валом 21 до упора в торец паза 18 сектора 2. Слив масла из полости Б происходит  через клапан 14, а из полости В через клапан 17. Величина угла поворота выходного вала 21 определяется величиной углового паза 18 в секторе 2.

5

        На Рис 5 показана конструкция тисков с гидравлическим приводом, выполненным в виде неполноповоротного гидродвигателя лопастного типа.  Эти тиски состоят их корпуса 1, закрепленного на основании 2 посредствам болтов 3 и гаек 4, в котором размещаются гидравлический механизм зажима и механизм регулировки, связанные между собою винтом 5. Механизм зажима представляет собою неполноповоротный лопастной гидродвигатель состоящий из стакана 6, крышки 7, ротора 9 с лопастью 10 и с гайкой 11 установленной на подшипниках 8, осевой зазор в которых регулируется прокладками, установленными под крышку 15, а также сегментный  разделитель 12, неподвижно закрепленный в стакане 6 посредствам штифтов 13 и болтов 14.  Механизм регулировки  предназначенный для настойки требуемого расстояния между зажимными губками неподвижной 22 и подвижной 23 в зависимости от размера зажимаемой детали. Он содержит корпус 16 с закрепленными посредствам болтов 24  направляющими планками 17, которые входят в продольные пазы корпуса 1, валика 19 установленного на подшипниках скольжения 18 в поперечной расточке корпуса 16 с закрепленным на  нем червяком 20, зацепляющимся с червячным колесом 21, установленным на винте 5 посредствам резьбы выполненной в его отверстии.

6

           На Рис 6 показана конструкция поворотно – делительного  стола с приводом от неполноповоротного гидродвигателя со встроенной зубчато – реечной передачей.  Он содержит массивный угольник 1 в центральном отверстии которого на подшипниках 4 установлен вал 3 с закрепленной на нем планшайбой 2, при этом на левой нерабочей плоскости угольника 1 закреплен неполноповоротный гидродвигатель 7 со встроенной зубчатой передачей. Последний состоит из корпуса 8, в горизонтальной расточке которого установлены две гильзы 9, с размещенными в них поршнями 10, соединенными между собою штоком рейкой 11, зацепляющейся с зубчатым колесом 13, при этом, последнее через звездочку обгонной муфты 12 соединена с валом 3. Для точной фиксации положения планшайбы 2 в ней выполнены отверстия в которых установлены втулки 16 с коническим отверстием, а в угольнике закреплен фиксирующий гидроцилиндр 17 с коническим хвостовиком выполненным на его штоке, который имеет возможность контактировать с ответными коническим отверстиями втулок 16.

         Поворот планшайбы осуществляется следующим образом. Масло под давление подается в правую рабочую полость гидродвигателя, а из левой идет на слив, в результате оба поршня 10 и шток – рейка 11 перемещаются влево, и поворачивает зубчатое колесо 13 против часовой стрелки,  а последнее, при таком направлении вращения, заклинивает ролики обгонной муфты 12 и передает вращение  ее звездочке, которая поворачивается вместе с валом 3 и планшайбой 2. После поворота планшайбы 2 на требуемый угол обе полости гидродвигателя соединяются между собой, что позволяет планшайбе иметь некоторую свободу в угловом положении. После этого включается гидроцилиндр фиксации 17 и его шток своим конусным хвостовиком входит в конусное отверстие соответствующей втулки 16 фиксируя планшайбу 2, которая, имея некоторую угловую свободу, занимает точное фиксированное положение.   Затем масло под давлением подается в левую рабочую полость гидродвигателя в результате чего поршни 10 и шток – рейка 11 перемещаются вправо и вращают зубчатое колесо 13 по часовой стрелке, но поскольку, при таком направлении вращения зубчатого колеса, обгонная муфта 12 расклинивается, вращение валу 3 и планшайбе 2 не передается, а гидродвигатель в конце хода занимает свое исходное положение.

3 Лопастные неполноповоротные гидродвигатели.

            Существует два основных типа лопастных неполноповоротных гидродвигателей, крышечные и катушечные, которые отличаются по способу образования рабочих полостей. Крышечные ЛНГ отличаются тем, что боковые поверхности их рабочих камер образованы торцевыми поверхностями крышек 2 и 3 (см. Рис 7), а в катушечных ЛНГ боковые поверхности рабочих камер образованы щеками внутренней проточки ротора 9 (см. Рис. 12). В крышечных ЛНГ внутренний диаметр рабочей камеры зависит от диаметра выходного конца вала, который соединяется с ведущим валом приводного механизма. В катушечных ЛНГ выходной конец выла на внутренний диаметр рабочей камеры не влияет поскольку не связан с внутренней проточкой ротора, образующей рабочую камеру. Поэтому при одном и том же давлении масла подаваемого в рабочие полости гидродвигателя и одинаковых габаритных размерах катушечный ЛНГ способен развивать больший крутящий момент. Оба типа ЛНГ могут выполняться как однолопастными, так и многолопастными (см. Рис. 11 и 13). Крутящий момент, развиваемый многолопастными ЛНГ, по сравнению с однолопастными, увеличивается приблизительно пропорционально количеству лопастей. Независимо от количества лопастей ЛНГ могут быть однокамерными и многокамерными (см. Рис. 14), при этом однокамерные имеют только одну рабочую полость а многокамерные несколько. Максимальный угол поворота однолопастного неполноповоротного гидродвигателя составляет 300 град.

3.1 Крышечные лопастные неполноповоротные гидродвигатели.

     В данном разделе полной версии статьи приведены примеры конструктивного исполнения крышечных лопастных неполноповоротных гидродвигателей с описанием их работы (см. таб.)

 

3.2 Катушечные лопастные неполноповоротные гидродвигатели.

В данном разделе полной версии статьи приведены примеры конструктивного исполнения катушечных лопастных неполноповоротных гидродвигателей с описанием их работы (см. таб.)

Неполноповоротные гидродвигатели с зубчато – реечной передачей.

       Неполноповоротный гидрдвигатель с зубчато – реечной передачей (НГсЗП) принципиально отличаются от ЛНГ тем, что вместо ротора с установленными на нем лопастью(ями), он содержит штоко – поршневую(ые) группу(ы), на штоке(ах) которой(ых) установлена рейка, зацепляющаяся с зубчатым колесом закрепленным на выходном валу гидродвигателя. Такая его конструкция содержащая традиционные механизмы (гидроцилиндр и зубчатую передачу) позволяет встраивать дополнительные устройства расширяющие область применения гидродвигателя. Рассмотрим несколько конструкций НГсЗП.

       В данном разделе полной версии статьи приведены примеры конструктивного исполнения неполноповоротных гидродвигателей с зубчато – реечной передачей с описанием их работы (см. таб.)

 

Неполноповоротные гидродвигатели на основе гидроцилиндра
со встроенной винтовой парой.

         Неполноповоротные гидродвигатели выполненные на основе гидроцилиндра со встроено винтовой парой (НГсВП) отличаются от рассмотренных ранее НГсЗП способом преобразования поступательного движения штоко – поршневой группы во вращательное движение выходного вала, который построен на использовании способности гайки, при определенном угле наклона резьбовой пары, преобразовывать поступательное перемещение парного винта во вращательное движение. Преимуществом неполноповоротных гидродвигателей данного типа является возможность создания больших крутящих моментов на выходном валу, без увеличения габаритных размеров и давления масла, увеличение которого пропорционально отношению длины окружности резьбы к ее шагу. Однако наличие встроенной в гидродвигатель резьбовой пары в определенной степени снижает его КПД. Рассмотрим несколько конструкций НГсВП.
В данном разделе полной версии статьи приведены примеры конструктивного исполнения неполноповоротных гидродвигателей на основе гидроцилиндра со встроенной винтовой передачей с описанием их работы (см. таб.)

      В статье приведены основные расчеты неполноповоротных гидродвигателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатьев Н П Основы проектирования, часть 2 Проектирование механизмов и систем. Учебное пособие Азов 2011г.
2. Муратов В А Гидроцилиндры. М Машиностроение 1966г

Для приобретения полной версии статьи добавьте её в корзину,

Стоимость полной версии статьи 200 рублей.