共軸多滑片波環轉子機的製作方法

2023-06-14 08:25:21

專利名稱：共軸多滑片波環轉子機的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械領域的一種旋轉活塞變容積機械《共軸多滑片波環轉子機》。它實質上是本發明人92234322.5#中國專利《波環型線滑片式轉子機》(專利證號153179#，以下簡稱原波環機)的改進與發展，是一種性能更為完善，並已開發成功的實用機型。
滑片式轉子機是眾多旋轉活塞機械中沿用歷史最為悠久的一種。它無論從整機結構或製造工藝看都是十分簡潔的。只是它在四百多年的發展歷程中一直未能罷脫摩擦損耗大、機械效率低；密封線長、洩漏較大；容積利用率低等缺陷的困擾。因而通常只能在中低壓力和中低轉速下用作壓縮機或泵，無法在更廣闊的技術條件與應用領域內與往復式活塞機競爭。
現在的滑片式轉子機雖然在某種範圍內還有一定的優勢，在當前市場上還能有一席之地。比如附

圖1,a是一種多滑片空氣壓縮機(也用於真空泵)；圖1,b是一種滾動活塞機，常見於小型空調或電冰箱內氟利昂壓縮機。它們實際上與拉梅裡在1588年討論過的兩種機型基本相同，見圖2a；b。它們同樣也沒有能克服上面提到的拉梅裡滑片機型的基本缺點。何況，目前已徑受到螺杆壓縮機與蝸旋壓縮機等機種的強勁挑戰。可見，若滑片式轉子機仍無突破性進展的話，也許很快就會進入淘汰機型的行例。
然而，本發明人堅信「科學的美在於簡潔」。簡單，高效的機械自會有其長盛不衰的生命力。我們認為，只要對拉梅裡滑片機作目標明確的改進，使其在性能上有質的飛躍，特別是在節能降耗、提高轉速等方面有所突破，就會有新的滑片機來佔領市場。《波環型線滑片式轉子機》就是這一思路的初步成果。它在改變滑片與型面貼接機理，改善滑片受力狀態，減少機械損耗，提高容積利用率等方面有了較大的突破。但是在我們的試製實踐中發現，原波環機方案還是有不少缺點，經過一次又一次的失敗、修改、提高最後形成現在介紹給大家的《共軸多滑片波環轉子機》方案。
附圖3是《共軸多滑片波環轉子機》的原理圖。儘管它與通常的滑片式轉子機一樣，也是由定子(3-4)、轉子(3-5)、滑片(3-7)、端蓋(3-1及3-6)等部件構成，但它卻有許多不同於一般滑片式轉子機的新穎獨到的內涵，具體如下1．本機型與原波環機一樣，旋轉活塞的內腔型面曲線(3-14)採用「環行正弦波曲線」ρ=R+h(1+Cosnα)，而不是一般滑片機常用的旋輪線或圓。但這次我們僅推薦大家將波形參數n選為3。其曲線的矢徑(即滑片長度)的極坐標方程為ρ=R+h(1+Cos3α)式中R為定子半徑，h為滑片伸出參量，α為極角即轉子轉角。理論計算證明將波形參數定為3是單轉子機型的最佳選擇。
2．波環活塞(3-5)套在直徑為2R的圓柱形定子(3-4)的外部，同軸外切設置。外轉內靜，即外周的波環活塞為轉子(故稱波環轉子)，中央的圓柱為定子。這將帶來一系列獨到的優點。
3．一般滑片機只有一個新月形工作室，本機型波環曲線(3-14)與內切的定子圓配合形成三個跨度各為120°的新月形工作室(3-8，以後簡稱弓形腔)。這些工作室被伸出定子的滑片所分隔。當波環轉子旋轉時它們就各自輪流發生容積變化。以用於各種流體的壓縮、泵送、抽取或以流體為介質的能量或熱量的傳輸。
4．與原波環機不同，本機型採用三副滑片，它們相互成60°交角並通過同一軸線(圖3中0點)。與拉梅裡滑片機不同，波環機的滑片必須經過定子圓心並貫穿定子。我們由波環曲線的創成公式ρ=R+h(1+Cos3α)可知，任何通過中心軸0的直線上的兩條相位差180°的矢徑之和嚴格等於2(R+h)。所以波環機的滑片都必須通過中心，而且長度應該相等。為了保證各組滑片能互不幹擾、各自獨立地自由運行，我們將原波環機的定長滑片分解為保留兩端滑片，中間用兩根推桿(3-11)聯繫、立體交叉設置的辦法來實現這一要求。在同一直徑上的兩個滑片為一組，各個滑片組的長度都等於2(R+h)。每一滑片組相當於原波環機的一個定長滑片。它同樣能保證既被轉子型面所驅動，又時時與轉子型面相貼接。起到將新月形工作室密閉分隔的作用。
5．與此相應本機圓柱形定子沿直徑方向開有三組六個滑片槽(3-15)，彼此相隔60°，同一直徑上的兩個滑片槽間沿直徑方向開有上下兩組通孔，中間放置推桿。不同直徑上的推桿孔互相錯開。在某些應用中，這些推桿孔可作為定子中部儲油室向滑片槽提供機油的通道。
6．本機型在很多應用場合與一般滑片機一樣，運轉中應有源源不斷的機油供給各嚙合面和密封線，以作潤滑，密封，冷卻之用。本機圓柱形定子中央被用作機油貯存室(3-3)。機油由通道(3-10)引入。
7．本機外轉內靜的特點還可以使波環轉子與其外周的冷卻翅(3-12)聯成一體。環繞轉子的冷卻翅可設計為螺旋形的。運轉時能強迫周圍空氣流動，加強冷卻效果。
8．本機的流體輸入輸出基本上都是全方位的，一般在任何轉角下都在持續進行。通常進出口處無需定時啟閉的聯動機構。這不僅簡化了結構，對減少噪音也有相當的作用。
圖3是按空氣壓縮機用途繪製的。進氣道(3-2)開在波環轉子的一個側面上，經由一塊端蓋上的進氣道吸人空氣。而排氣孔(3-9)設在另一蓋板上。排氣口上設有鋼珠彈簧構成的單向限壓閥(3-13)，以便積蓄一定壓力後再排氣，且保證排出的氣體不能返回工作室。當然，也可改成簧片閥或其它單向氣閥。當這種機型作其他用途時就不一定需要單向閥了。
下面我們簡要敘述共軸多滑片波環轉子機的變容積工作過程設波環轉子(3-5)在動力驅動下順時針方向旋轉(反之一樣)。這時波環轉子的型面與定子圓柱所圍成的三個弓形腔將順次通過各個滑片。我們考察其中某一個弓形腔的變化比如圖3頂視圖中右側的那一個弓形腔。此時它的主體部分被水平向右的滑片分成前後兩個工作室(3-17；3-16)。我們這兒的前與後是以旋轉的前進方向為準的。隨著轉子的旋轉，前方工作室(3-17)將繼續擴大；而後方工作室(3-16)則還在不斷縮小；這時跨過前一滑片(即右下五點鐘位置的那一片)的弓形腔前部尖端則在該滑片前方生成了一個新的前方工作室。之後，(3-17)將作為右下滑片的後方工作室而開始縮小；此後，右水平滑片的後方工作室(3-16)將完全消失。緊接著，當波環曲線最短矢徑部份越過右水平滑片後，後一弓形腔的尖端部份將在它的前方產生新的前方工作室，並不斷擴大。這時作為右下滑片的後方工作室的3-17也會像3-16一樣很快消失。這種過程是在三個弓形腔內同時交替進行的。它們總是這樣滑片前方的工作室不斷擴大；同時滑片後方的工作室則不斷縮小。而後在波環曲線最短矢徑越過滑片頂端時完成後方工作室的最終消失和新前方工作室生成的交替。而前方工作室則在波環曲線的最大矢徑通過兩個滑片間的中心位置時達到最大值，並轉化為前一滑片的後方工作室，繼而開始縮小。如此循環重複。顯然，波環轉子每轉一周，三個弓形腔順次掃過六個滑片，共完成十八次完整的從無到有、從小到大、而又從大到小、直至消失的變容積過程。因而本機的理論排量V=18n×Vo式中n為轉速、Vo為單個工作室的最大容積，它可簡單地用數學計算或實際測量的方法來確定。這就是本機由單純旋轉直接產生容積變化的全過程。
這裡特別要指出的是，波環轉子機運轉過程中滑片緊貼型面的機理與拉梅裡機型完全不同它既不靠滑片參與旋轉運動的離心力；也不靠背部安裝彈簧的彈性力，而是靠滑片組的確定長度始終與在此位置過中心的直線和型面曲線相交所截取的長度相等的幾何方法來保證的。當然，型面曲線必須是本發明人專門為此設計的「環行正弦波曲線」，只有這樣才能保證處處、時時、任何角度都附合上述要求。這種利用型面的幾何尺寸來驅動滑片作約束運動並始終與型面貼接的設計，大大減小了滑片與型面間的磨擦損耗。也為提高滑片機的轉速創造了條件。
另外，本設計將滑片增加為三組的道理是因原波環機運轉時儘管波環轉子本身的重心可永遠嚴格與轉軸重合。但單一滑片的往復運動還是會給轉子機帶來微小的震動的。改用三副滑片後，雖然每個滑片都在運動，但它們的共同重心則無論轉子在什麼轉角、那個位置都能保證永遠與轉軸重合(這當然也必須與環行正弦波曲線相配合才行)。這就保證了本機運行中不會發生任何微小的振動。增加為三副滑片的另一好處是大大提高了轉子機的容積利用效率，從原波環機每轉一周六次變容，增加為每轉十八次變容。這就在不增加整機體積的前提下將排氣量幾乎提高了三倍。與其他滑片機每轉一周只一次變容相比，其容積利用效率高的更多。
本機型與原機型不同，相鄰的兩個滑片的間隔已經由180°縮短為60°，這不僅消除了原機變容過程中所具有的60°轉角的間歇。而且使滑片兩側工作室的功能由全過程均相反，變為有一定轉角範圍為相同工況的方式。這就消除了不少滑片機型都可能發生的進排氣口竄通的現象。也減少了工作介質在相鄰工作室間的洩漏。
綜上所述，共軸多滑片波環轉子機不僅完全保存了拉梅裡滑片機結構與工藝都十分簡潔的優點，更實現了一系列獨到的改進簡化運動方式，以改善受力狀況；改變滑片與型面貼接機理，以減少磨擦、降低功耗；增加滑片，以提高容積利用效率；減少運轉中重心偏移，以消除機震；實現全方位進排氣，免除定時啟閉機構，以降低氣動噪聲；基於以上效果還能大大提高本機的運行轉速。
正因為如此，共軸多滑片波環轉子機的應用範圍必將大大超過現有滑片機。除了因其面容比仍比較大，用於旋轉發動機時機尚不成熟以外，幾乎適用於活塞機的其它所有應用場合。下面我們推薦幾種最具特色的，近期即可開發成功的應用1．鑑於本機型可以設計為無內壓縮過程運行；滑片的厚度可設計得較大；外轉子可傳遞較大的扭矩，特別適用於大流量高壓油泵或液壓馬達。
2．將本機型進氣道集中一處，很容易開發成高速大流量真空泵。
3．鑑於本機型體積小、排量大、振動小、噪音低、再大排量的機器亦無需樁基的特點，最適合於開發作道路、橋棧工程中風動工具的流動空壓機站，以及其它小型多用途移動空壓機。
4．同樣的理由我們還可以將波環空氣壓縮機和波環膨脹機聯合運用開發冰箱用空氣介質制冷機或家用空氣介質空調機。
權利要求
1．一種由波環轉子、圓柱形定子、共軸設置的三組滑片、以及兩面端蓋等部件組成的旋轉活塞機一《共軸多滑片波環轉子機》，其特徵是轉子型面採用「環行正弦波曲線」，與圓柱形定子共軸外切設置，圍成三個新月形工作室，它們被伸出定子的三組滑片密閉分隔，形成由旋轉直接產生可變容積的工作機構。
2．權利要求1所述的波環轉子機，其特徵是它的波環轉子的內腔型面曲線採用「環行正弦波曲線」，它與圓柱形定子外切同軸設置，外轉內靜，其外周與環繞它的冷卻翅聯成一體。
3．權利要求1所述的波環轉子機，其特徵是它的轉子型面曲線採用波形參數為3的「環行正弦波曲線」，其矢徑的極坐標方程為ρ=R+h(1+COS3α)式中R為定子半徑，h為滑片伸出參量，α為轉子轉角。
4．權利要求1所述的波環轉子機，其特徵是它的圓柱形定子的直徑為2R，其外圈每隔60°沿徑向開有滑片槽，同一直徑上的兩個滑片槽間開有上下兩組推桿孔，不同直徑上的推桿孔互相錯開，它與波環轉子內切放置，位居中央。
5．權利要求1所述的波環轉子機，其特徵是它的每副滑片組由分置兩端的兩片滑片及中間的兩根推桿組成，各滑片組的長度相等，它們沿定子圓的直徑方向共軸、立交放置，且貫穿整個定子。
6．權利要求1所述的波環轉子機，其特徵是它的新月形工作室是由轉子波環曲線型面和定子圓柱面圍成，共有三個，它們被伸出定子的滑片密閉分隔。
全文摘要
《共軸多滑片波環轉子機》是一種直接由旋轉產生可變容積的活塞機。它由波環轉子,圓柱形定子,共軸設置、立體交會的三組滑片,以及兩面端蓋等部件組成。本機中以「環行正弦波曲線」為型面的轉子與定子滑片組的配合,以全新的運轉機理工作。大大降低了摩擦損耗、增加了容積效率、提高了運行轉速、減小了振動和噪聲。可廣泛用於各種流體的壓縮、泵送或抽取,以及以流體為介質的能量或熱量的傳輸等用途。
文檔編號F04C2/00GK1221075SQ9712533
公開日1999年6月30日 申請日期1997年12月21日 優先權日1997年12月21日
發明者徐侃峰, 徐浩冠 申請人:徐浩冠