Способ работы пневмодвигателя казанцева

 

Сущность изобретения: рабочую среду подают в штоковую камеру пневмодвигателя. Отработанный газ выпускают в атмосферу из поршневой камеры. Во время хода поршня в сторону штоковой камеры ее соединяют с поршневой. После завершения рабочего хода поршня подачу газа в пневмодвигатель прекращают. Сообщают штоковую камеру с поршневой на время завершения рабочего хода поршня в сторону штоковой камеры. Затем поршневую камеру сообщают с атмосферой и перекрывают канал, соединяющий камеры. Затем возобновляют подачу газа из ресивера в штоковую камеру. 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к пневмодвигателям паровозов.

Известен способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, который состоит в том, что в камеру сгорания вводят рабочую среду и воспламеняют ее при минимальном объеме поршневой камеры, а при максимальном объеме этой камеры отработанный газ выпускают в атмосферу. Недостаток этого способа состоит в том, что давление газа в камере сгорания за время рабочего хода чрезвычайно не равномерно и в том, что не задействуют штоковую камеру.

Известен способ работы поршневого двигателя возвратно-поступательного действия, состоящий в том, что газ сжимают во внешней системе и через рессивер подают к распределителю, с помощью которого сжатый газ распределяют поочередно в штоковую или поршневую камеры пневмодвигателя. Этот способ позволяет выравнить давление на поршень на протяжении цикла. Однако расход газа на каждый цикл составляет сумму объемов штоковой и поршневой камер.

Известен способ работы поршневого двигателя возвратно-поступательного движения, состоящий в том, что газ сжимают во внешней системе и через рессивер подают к распределителю, с помощью которого сжатый газ распределяют поочередно в штоковую или поршневую камеры пневмодвигателя. Отработанный газ из штоковой или поршневой камеры, через добавочный распределитель, подают в исполнительные цилиндры других устройств. Этот способ позволяет экономить энергию отработанного газа, но при наличии дополнительных цилиндров. Однако расход газа на каждый цикл составляет сумму объемов штоковой и поршневой камер.

Известен способ работы поршневого пневмодвигателя возвратно-поступательного действия, состоящий в том, что сжатый газ от рессивера подают в штоковую камеру, а отработанный газ выпускают в атмосферу через поршневую камеру. При этом во время хода поршня в сторону штоковой камеры ее соединяют с поршневой. Этот способ сокращает расход сжатого газа на величину объема штоковой камеры. (Прототип).

Недостаток этого способа состоит в том, что он позволяет выбрасывать в атмосферу объем газа, равный объему поршневой камеры за каждый цикл, т. е. он обуславливает низкий КПД пневмодвигателя.

Целью изобретения является повышение КПД пневмодвигателя за счет более полного использования энергии сжатого газа.

Эта цель достигается благодаря тому, что после завершения рабочего хода поршня в сторону поршневой камеры, подачу рабочей среды в пневмодвигатель прекращают, затем сообщают штоковую камеру с поршневой на время, пока завершится рабочий ход в сторону штоковой камеры, после чего поршневую камеру сообщают с атмосферой и перекрывают канал, соединяющий штоковую камеру с поршневой, а после этого возобновляют подачу рабочей среды в штоковую камеру пневмодвигателя. Предлагаемая последовательность работы поршневого пневмодвигателя в известных аналогах не обнаружена. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию "Новизна".

Анализ известных технических решений в области поршневых пневмодвигателей возвратно-поступательного движения позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение в два и более раз повышает КПД работы поршневого пневмодвигателя в сравнении с прототипом. Это представляет собой определенный шаг в развитии техники, т. е. обуславливает предложенному решению соответствие критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлено графическое изображение циклов работы пневмодвигателя в системе координат: ход поршня (х); сила, приложенная к поршню (F); на фиг. 2 - схема пневмодвигателя для реализации описанного способа.

В пневмодвигателе перекрывают канал 4, соединяющий штоковую камеру 5 с поршневой камерой 6 и открывают канал 7, соединяющий поршневую камеру 6 с атмосферой, после чего рабочую среду подают в штоковую камеру 5 пневмодвигателя, а отработанный газ выпускают в атмосферу из поршневой камеры 6. При этом рабочая среда давит на поршень 8 силой F_шт. (см. график 1). После завершения рабочего хода поршня 8 в сторону поршневой камеры 6, подачу газа в пневмодвигатель прекращают. Затем открывают канал 4 и запирают канал 7. Каналом 4 сообщают штоковую камеру 5 с поршневой камерой 6 на время, пока завершится рабочий ход поршня 8 в сторону штоковой камеры 5. При этом ходе поршня 8 давление в камере 6 Р_п равно давлению в камере 5. Но в силу разницы рабочих площадей поршня 8, сила F_п, приложенная к поршневой площади поршня, превышает силу, приложенную к штоковой площади поршня во столько раз, во сколько раз поршневая площадь S_п превышает шток оковую площадь S_шт.поршня 8 (отношение S_п/S_шт, есть редукция (i) пневмодвигателя). С помощью этой разнице сил осуществляют ход поршня 8 в обратную сторону, т. е. от L до 0. Однако в связи с тем, что при ходе поршня 8 в сторону штоковой камеры 5, суммарный объем камер штоковой Q_шт и поршневой Q_пвозрастает, а так как притока рабочей среды при этом ходе нет, то давление Р_п в камерах падает и, следовательно, пропорционально ему уменьшается сила F_пх, с помощью которой перемещают поршень 8 от L до 0. После завершения рабочего хода поршня 8 в сторону штоковой камеры 5, канал 7 открывают и поршневую камеру 6 сообщают с атмосферой, а канал 4, соединяющий штоковую камеру 5 с поршневой 6, перекрывают, а после этого возобновляют подачу газа из рессивера в штоковую камеру 5 пневмодвигателя, т. е. цикл повторяют.

Параметры пневмодвигателя определяют по формулам Q_сх. = S_шт. ˙х - S_шт.˙ (L - x); Р_пх. = Р_шт. ˙ Q_шт./Q_сх; F_пх. = = (S_п - S_шт) ˙ Р_пх; А = А_шт. - А_п; КПД = КПД_шт. - КПД_п, где S_шт - рабочая площадь поршня 8 в штоковой камере 5; S_п - рабочая площадь поршня 8 в поршневой камере 6; Q_шт - объем штоковой камеры 5; Q_сх - объем суммы штоковой 5 и поршневой 6 камер в координате Х; Р_шт - давление в штоковой камере; Р_пх - давление в поршневой камере 6 и штоковой камере 5, при координате Х;
F_шт - сила, приложенная к поршню 3 при ходе его в сторону поршневой камеры 6 (см. график 1);
F_пх - результат сил, приложенных к поршню 8 при ходе его в сторону штоковой камеры 5, в координате Х (см. графики 2 и 3);
А_шт - работа штоковой камеры 5, при ходе поршня 8 в сторону поршневой камеры 6 (определяется площадью, заключенной между графиком 1 и осью 0-L);
А_п - работа поршневой 6 и штоковой 5 камер, при ходе поршня 8 в сторону штоковой камеры 5 (определяется площадью, заключенной между осью 0-L и графиком 2 или графиком 3);
КПД_шт - КПД штоковой камеры 5, при движении поршня 8 в сторону поршневой камеры;
КПД_п - КПД совместной работы поршневой 6 и штоковой 5 камер, при движении поршня 8 в сторону штоковой камеры, когда нет подачи рабочей среды в пневмодвигатель.

Примечание: 1. Параметры, с целью упрощения расчетов, Q_шт; Р_шт; F_шт; S_шт; А_шт; и L, приняты равными единице;
2. КПД_шт, с целью упрощения определения эффективности предлагаемого способа, условно принят равным 100% .

При этом формулы примут вид
Q_сх = Х + i - iх; P_пх= ;
F_пх= ; A= 1+lni;
КПД = 100% + lni ˙ 100% . где i = S_п/S_шт - редукция пневмодвигателя;
х - координата поршня 8 в интервале от 0 до L;
L = 1 - полный ход поршня 8.

Площадь, заключенная между графиками 1 и 2, определяет работу (А) пневмодвигателя имеющего редукцию i = 4, а между графиками 1 и 3 - определяют работу пневмодвигателя имеющего редукцию i = 7. Т. о. площади, заключенные между графиками 1 и 2; 1 и 3, характеризуют динамометрические параметры пневмодвигателей за время цикла. Работа цикла пневмодвигателя, имеющего редукцию i = 4, превышает работу его штоковой камеры, принятой за единицу работы, в 2,38 раз, а пневмодвигателя имеющего редукцию i= 7 - в 2,94 раза, т. е. А= А_шт.+ А_п= 1 + ln 4= 2,38; А = 1 + ln 7= 2,94. Т. к. за время цикла рабочую среду подают в пневмодвигатель только на время движения поршня 8 в сторону поршневой камеры (см. график 1), то обратный ход поршня 8 осуществляется без дополнительного притока рабочей среды. Из этого следует, что КПД с использованием предложенного способа работы поршневого пневмодвигателя выше, чем у прототипа, в первом примере в 2,38 раз и составит к нему 238% , а во втором примере - 294% , не беря во внимание потери на трение, тепловые потери и пр. (56) Патент ФРГ N 1298752, кл. В 06 В 1/18, 1970.

Формула изобретения

Способ работы пневмодвигателя, заключающийся в том, что рабочую среду подают в штоковую камеру пневмодвигателя, а отработанный газ выпускают в атмосферу из поршневой камеры, при этом во время хода поршня в сторону штоковой камеры ее соединяют с поршневой, отличающийся тем, что после завершения рабочего хода поршня в сторону поршневой камеры подачу газа в пневмодвигатель прекращают, затем сообщают штоковую камеру с поршневой на время, пока завершится рабочий ход поршня в сторону штоковой камеры, после чего поршневую камеру сообщают с атмосферой и перекрывают канал, соединяющий штоковую камеру с поршневой, а после этого возобновляют подачу газа из ресивера в штоковую камеру пневмодвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1