Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение
Владельцы патента RU 2775456:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" (RU)
Изобретение относится к области машиностроения. Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение содержит корпус, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами. Во внутренней полости корпуса установлены неподвижная втулка, оснащенная на внутренней поверхности винтовыми пазами, а на внешней поверхности выступом и охватывающая выходной вал, и пружина сжатия, упирающаяся одним концом в поршень, а другим в выступ неподвижной втулки. Кинематическая связь поршня и выходного вала выполнена в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с пазами выходного вала. Пазы выходного вала имеют винтовую форму. Толкатель кинематически связан с неподвижной втулкой посредством роликов и винтовых пазов втулки. В стенке корпуса выполнено сквозное отверстие в области полости, образованной основанием корпуса и поршнем. Обеспечивается увеличение угла поворота выходного вала устройства без увеличения длины прямолинейного хода поршня. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройствам преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и может быть использовано во многих отраслях машиностроения, в том числе для дистанционного управления запорной арматурой.
В настоящее время управление регулирующими органами зачастую осуществляется вручную. В ряде производств ручное управление органами регулирования не допускается. Поэтому возникла необходимость создания устройства преобразования движения, обеспечивающего дистанционное управление запорной арматурой, например, запорным клапаном.
Известен механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот [авторское свидетельство СССР №1753112, МПК5 F16H 25/08, приор. 13.11.1989 г., опубл. 07.08.1992 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого установлен цилиндрический ползун (поршень), кинематически связанный с валом.
Ползун оснащен замкнутой канавкой на цилиндрической поверхности. На корпусе установлены седла со сферической рабочей поверхностью, в которых размещены шарики для взаимодействия с канавкой, имеющей дугообразный профиль, соответствующий образующей шарика. При вращении вала, оснащенного шлицами, ползун также вращается и совершает возвратно-поступательные движения благодаря его возможности осевого перемещения по шлицам вала и возможности качания кулачковой канавки по шарикам.
К недостаткам механизма можно отнести ограниченный угол поворота вала (в пределах одного оборота), не позволяющий использовать его для дистанционного управления запорной арматурой, что существенно ограничивает область применения.
Известен механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и вращательного движения в возвратно-поступательное (варианты) [патент РФ №2115851, МПК6 F16H 25/12, приор. 23.05.1995 г., опубл. 20.07.1998 г.], содержащий корпус, во внутренней полости которого размещен толкатель (поршень), кинематически связанный с цилиндрическим кулачком (выходной вал), оснащенный на внешней поверхности пазами.
Пазы выполнены криволинейными заданной конфигурации. Кинематическая связь толкателя и кулачка выполнена в виде конических или иной формы роликов, соответствующих форме пазов и принадлежащие расположенному соосно с кулачком толкателю, имеющему возможность возвратно-поступательного движения относительно корпуса при перемещении роликов по пазам кулачка.
К недостаткам известного механизма можно отнести ограниченный угол поворота кулачка (в пределах одного оборота) и отсутствие возможности фиксированной остановки толкателя в конечных точках движения на заданный период времени, что ограничивает область его применения.
Известно устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот [а.с. СССР №1618950, МПК5 F16H 25/08, приор. 30.03.1988 г., опубл. 07.01.1991 г.], содержащее цилиндр (корпус), во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами.
На внутренней цилиндрической поверхности поршня выполнены расположенные диаметрально противоположно два продольных паза. На внутренней поверхности корпуса и внешней цилиндрической поверхности поршня выполнены замкнутые синусоидальные пазы. Кинематическая связь корпуса с поршнем выполнена в виде установленного между корпусом и поршнем кольца с двумя расположенными диаметрально противоположно радиальными отверстиями и двух шариков, установленных в соответствующих отверстиях кольца и в соответствующих синусоидальных пазах корпуса и поршня. Кинематическая связь вала с поршнем выполнена в виде стакана с двумя продольными пазами, расположенными на его внешней цилиндрической поверхности соответственно продольным пазам поршня, установленного соосно с валом и жестко соединенного с ним, и шариков, установленных в соответствующих пазах стакана и поршня.
Достоинством данного устройства является возможность обеспечения различного характера движения вала в зависимости от формы пазов.
Недостатком известного устройства является ограниченный угол поворота вала (в пределах одного оборота) и отсутствие возможности фиксированной остановки вала в конечных точках движения на заданный период времени, что существенно ограничивает область применения.
Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемое изобретение, заключается в увеличении угла поворота выходного вала устройства без увеличения длины прямолинейного хода поршня.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение содержит корпус, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами, согласно изобретению во внутренней полости корпуса установлены неподвижная втулка, оснащенная на внутренней поверхности винтовыми пазами, а на внешней поверхности выступом, и охватывающая выходной вал, и пружина сжатия, упирающаяся одним концом в поршень, а другим в выступ неподвижной втулки, кинематическая связь поршня и выходного вала выполнена в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с пазами выходного вала, причем пазы выходного вала имеют винтовую форму, кроме того толкатель кинематически связан с неподвижной втулкой посредством роликов и винтовых пазов втулки, а в стенке корпуса выполнено сквозное отверстие в области полости, образованной основанием корпуса и поршнем.
Кроме того, с целью обеспечения дополнительного поворота выходного вала, винтовые пазы неподвижной втулки и выходного вала выполнены с разными углами наклона и в противоположные стороны.
Кроме того, с целью снижения ударных воздействий на поршень в крайних положениях движения, поршень и выходной вал оснащены демпферами, расположенными по оси устройства между основанием корпуса и поршнем и между валом и толкателем соответственно.
Таким образом, выполнение кинематической связи поршня с выходным валом в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с винтовыми пазами выходного вала и неподвижной втулки, позволяет увеличить угол поворота выходного вала устройства на величину более 360° без увеличения длины прямолинейного хода поршня, за счет чего расширяется область его применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства преобразования движения в исходном положении;
на фиг. 2 - продольный разрез устройства преобразования движения в сработанном состоянии;
на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 4 - развертка по винтовым пазам на неподвижной втулке;
на фиг. 5 - развертка по винтовым пазам на выходном валу.
Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого расположены поршень 2, толкатель 3, неподвижная втулка 4, выходной вал 5 и пружина сжатия 6. В стенке корпуса 1 выполнены сквозное отверстие 7 у основания корпуса 1 и сквозные отверстия 8 в центре корпуса.
Поршень 2, оснащенный манжетой, образует с основанием и стенкой корпуса 1 полость 9, сообщенную через отверстие 7 в стенке корпуса 1 с системой высокого давления воздуха (не показано). Поршень 2 со стороны полости 9 оснащен демпфером 10, а с другой стороны в поршне 2 выполнено центральное глухое отверстие 11, внутри которого в стенке поршня 2 равномерно распределены и зафиксированы три оси с роликами 12.
Толкатель 3, выполненный в виде полого цилиндра, в основании которого выполнено радиальный паз 13, установлен в отверстии поршня 2 с возможностью вращения на роликах 12, расположенных в пазу 13 толкателя 3. В стенке у свободного края толкателя 3 выполнены сквозные отверстия для установки двух осей с парой роликов 14 на каждой. За счет роликов 14 толкатель 3 кинематически связан с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5.
Неподвижная втулка 4 установлена в корпусе 1 со стороны свободного края и оснащена выступом, плотно прилегающим к его стенке. На внутренней поверхности втулки 4 выполнены два сквозных диаметрально противоположных винтовых паза (фиг. 4). Пазы втулки 4 выполнены прямоугольной формы с углом наклона α2=33,5°. Во внутренней полости неподвижной втулки 4 установлены подшипники 15.
Выходной вал 5 установлен во внутренней полости неподвижной втулки 4 с возможностью вращения на подшипниках 15. Один конец вала 5 выходит за пределы корпуса 1, а на другом конце зафиксирован демпфер 16. На цилиндрической поверхности вала 5 выполнены два глухих диаметрально противоположных винтовых паза (фиг. 5). Пазы вала 5 выполнены прямоугольной формы с углом наклона α1=44,5° в противоположную сторону относительно пазов втулки 4.
Кинематическая связь толкателя 3 с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5 осуществляется за счет взаимодействия роликов 14 толкателя 3 с неподвижной втулкой 4 и выходным валом 5 в области винтовых пазов (фиг. 3).
Пружина 6 охватывает неподвижную втулку 4 и упирается одним концом в выступ втулки 4, а вторым в торец поршня 2.
Работает устройство следующим образом
Устройство фиксируют с помощью вала 5 на объекте управления (не показано), к отверстию 7 корпуса 1 подключают систему высокого давления воздуха (не показано), что приводит к герметизации полости 9. Через отверстие 7 в стенке корпуса 1 в него подают сжатый воздух, наполняющий герметичную полость 9, за счет чего поршень 2 поступательно перемещается до упора в демпфер 16. При движении поршня 2 воздух из внутренней полости корпуса 1 под поршнем 2 выходит через отверстия 8 в стенке корпуса 1. Одновременно толкатель 3, перемещаясь поступательно вместе с поршнем 2, поворачивается на роликах 12 за счет перемещения роликов 14 по пазам неподвижной втулки 4 на угол α2 (фиг. 4). Поворачиваясь, толкатель 3 роликами 14 передает поворот на угол α2 выходному валу 5, и одновременно, за счет взаимодействия роликов 14 с пазами выходного вала 5, дополнительно поворачивает выходной вал 5 на угол α1 (фиг. 5). Таким образом, полный поворот выходного вала 5, при полной длине прямолинейного хода поршня 2, составляет угол α=α1+α2. Вращаясь, выходной вал 5 поворачивает объект управления. По завершению работы через отверстие 7 в стенке корпуса 1 перестают подавать сжатый воздух, при этом давление воздуха в полости 9 снижается до атмосферного. Поршень 2 за счет пружины 6 перемещается в верхнее положение до упора демпфера 10 в основание корпуса 1. Толкатель 3, перемещаясь за поршнем 2, поворачивается на угол α2 в обратную сторону за счет взаимодействия роликов 14 с винтовыми пазами неподвижной втулки 4. Поворачиваясь, толкатель 3 одновременно поворачивает выходной вал 5 на угол а в обратную сторону. Поворот выходного вал 5 возвращает объект управления в исходное положение.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
• средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для устройств преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и может быть использовано во многих отраслях машиностроения, в том числе для дистанционного управления запорной арматурой;
• для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
• средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить увеличение угла поворота выходного вала устройства без увеличения длины прямолинейного хода поршня.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «Промышленная применимость».
1. Устройство преобразования прямолинейного возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение, содержащее корпус, выполненный в виде стакана, во внутренней полости которого установлен поршень, кинематически связанный с выходным валом, оснащенным на внешней поверхности пазами, отличающееся тем, что во внутренней полости корпуса установлены неподвижная втулка, оснащенная на внутренней поверхности винтовыми пазами, а на внешней поверхности выступом и охватывающая выходной вал, и пружина сжатия, упирающаяся одним концом в поршень, а другим в выступ неподвижной втулки, кинематическая связь поршня и выходного вала выполнена в виде толкателя, установленного в поршне с возможностью вращения и оснащенного на свободном конце роликами, взаимодействующими с пазами выходного вала, причем пазы выходного вала имеют винтовую форму, кроме того толкатель кинематически связан с неподвижной втулкой посредством роликов и винтовых пазов втулки, а в стенке корпуса выполнено сквозное отверстие в области полости, образованной основанием корпуса и поршнем.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что винтовые пазы неподвижной втулки и выходного вала выполнены с разными углами наклона и в противоположные стороны.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поршень и выходной вал оснащены демпферами, расположенными по оси устройства между основанием корпуса и поршнем и между валом и толкателем соответственно.
