專利名稱：共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械領(lǐng)域的一種旋轉(zhuǎn)活塞變?nèi)莘e機械--共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機。它實質(zhì)上是本發(fā)明人92234322.5#中國專利，波環(huán)型線滑片式轉(zhuǎn)子機(專利證號153179#，以下簡稱原波環(huán)機)的改進(jìn)與發(fā)展，是一種性能更為完善，并已開發(fā)成功的實用機型。
滑片式轉(zhuǎn)子機是眾多旋轉(zhuǎn)活塞機中沿用歷史最為悠久的一種。它無論從整機結(jié)構(gòu)或制造工藝看都是十分簡潔的。只是它在四百多年的發(fā)展歷程中一直未能擺脫摩擦損耗大，機械效率低；密封線長、泄漏較大；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(zhuǎn)速下用作壓縮機或泵，無法在更廣闊的技術(shù)條件與應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)與往復(fù)式活塞機競爭。
現(xiàn)在的滑片式轉(zhuǎn)子機雖然在某種范圍內(nèi)還有一定的優(yōu)勢，在當(dāng)前市場還能有一席之地。比如附


圖1是一種多滑片空氣壓縮機(也用于真空泵)；圖2是一種滾動活塞機，常見于小型空調(diào)或電冰箱內(nèi)氟利昂壓縮機。它們實際上與拉梅里在1588年討論過的兩種機型的基本相同，見圖3及圖4。它們同樣也沒有能克服上面提到的拉梅里滑片機型的基本缺點。何況，目前已經(jīng)受到螺桿壓縮機與蝸旋壓縮機等機種的強勁挑戰(zhàn)。可見，若滑片式轉(zhuǎn)子機仍無突破性進(jìn)展的話，也許很快就會進(jìn)入淘汰機型的行例。
然而，本發(fā)明人堅信“科學(xué)的美在于簡潔”。簡單，高效的機械自會有其長盛不衰的生命力。我們認(rèn)為，只要對拉梅里滑片機作目標(biāo)明確的改進(jìn)，使其在性能上有質(zhì)的飛躍，特別是在節(jié)能降耗、提高轉(zhuǎn)速等方面有所突破，就會有新的滑片機來占領(lǐng)市場。波環(huán)型線滑片式轉(zhuǎn)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(tài)，減少機械損耗，提高容積利用率等方面有了較大的突破。但是在我們的試制實踐中發(fā)現(xiàn)，原波環(huán)機方案還是有不少缺點，經(jīng)過一次又一次的失敗、修改、提高最后形成現(xiàn)在介紹給大家的共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機方案。
附圖5與6是共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機的原理圖。盡管它與通常的滑片式轉(zhuǎn)子機一樣，也是由定子(4)、轉(zhuǎn)子(5)、滑片(7)、端蓋(1及6)等部件構(gòu)成，但它卻有許多不同于一般滑片式轉(zhuǎn)子機的新穎獨到的內(nèi)涵，具體如下1.本機型與原波環(huán)機一樣，旋轉(zhuǎn)活塞的內(nèi)腔型面曲線(14)采用“環(huán)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(shù)n選為3。其曲線矢徑的極坐標(biāo)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。理論計算證明將波形參數(shù)定為3是單轉(zhuǎn)子機型的最佳選擇。
2.波環(huán)活塞(5)套在直徑為2R的圓柱形機芯(4)的外部，同軸外切設(shè)置。外轉(zhuǎn)內(nèi)靜，即外周的波環(huán)活塞為轉(zhuǎn)子(故稱波環(huán)轉(zhuǎn)子)，中央的圓柱為定子，這將帶來一系列獨到的優(yōu)點。
3.一般滑片機只有一個新月形工作室，本機型波環(huán)曲線(14)與內(nèi)切的定子圓配合形成三個跨度各為120°的新月形工作室(8，以后簡稱弓形腔)。這些工作室被伸出定子的滑片所分隔。當(dāng)波環(huán)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時它們就各自輪流發(fā)生容積變化。以用于各種流體的壓縮、泵送、抽取或以流體為介質(zhì)的能量或熱量的傳輸。
4.與原波環(huán)機不同，本機型采用三副滑片，它們相互成60°交角并通過同一軸線(見圖6)。與拉梅里滑片機不同，波環(huán)機的滑片必須經(jīng)過定子圓心并貫穿定子。我們由波環(huán)曲線的創(chuàng)成公式ρ＝R+h(1+Cos3α)可知，任何通過中心軸的直線上的兩條相位差180°的矢徑之和嚴(yán)格等于2(R+h)。所以波環(huán)機的滑片都必須通過中心，而且長度應(yīng)相等。為了保證各組滑片能互不干擾、各自獨立地自由運行，我們將原波環(huán)機的定長滑片分解為保留兩端滑片，中間用兩根推桿(11)聯(lián)系、立體交叉設(shè)置的辦法來實現(xiàn)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于2(R+h)。每一滑片組相當(dāng)于原波環(huán)機的一個定長滑片。它同樣能保證既被轉(zhuǎn)子型面所驅(qū)動，又時時與轉(zhuǎn)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(yīng)本機圓柱形定子沿直徑方向開有三組六個滑片槽(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(yīng)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(yīng)用場合與一般滑片機一樣，運轉(zhuǎn)中應(yīng)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可用作機油貯存室(3)。機油由通道(10)引入。
7.本機外轉(zhuǎn)內(nèi)靜的特點還可以使波環(huán)轉(zhuǎn)子與其外周的冷卻翅(12)聯(lián)成一體。環(huán)繞轉(zhuǎn)子的冷卻翅可設(shè)計為螺旋形的。運轉(zhuǎn)時能強迫周圍空氣流動，加強冷卻效果。
8.本機的流體輸入基本上都是全方位的，一般在任何轉(zhuǎn)角下都在持續(xù)進(jìn)行。通常進(jìn)出口處無需定時啟閉的聯(lián)動機構(gòu)。這不僅簡化了結(jié)構(gòu)，對減少噪音也有相當(dāng)?shù)淖饔谩?br> 作為實施例，圖5-與圖6是按空氣壓縮機用途繪制的。進(jìn)氣道(2)開在波環(huán)轉(zhuǎn)子的一個側(cè)面上，經(jīng)由一塊端蓋上的進(jìn)氣道吸入空氣。而排氣孔(9)設(shè)在另一蓋板上。排氣口上設(shè)有單向限壓閥(13)，以便積蓄一定壓力后再排氣，且保證排出的氣體不能返回工作室。當(dāng)然，當(dāng)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(huán)轉(zhuǎn)子機的變?nèi)莘e工作過程
設(shè)波環(huán)轉(zhuǎn)子(5)在動力驅(qū)動下順時針方向旋轉(zhuǎn)(反之一樣)。這時波環(huán)轉(zhuǎn)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(6)中右側(cè)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后兩個工作室(17；16)。我們這兒的前與后是以旋轉(zhuǎn)的前進(jìn)方向為準(zhǔn)的。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，前方工作室(17)將繼續(xù)擴大，而后方工作室(16)則還在不斷縮??；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。之后17將作為右下滑片的后方工作室而開始縮??；此后，右水平滑片的后方工作室(16)將完全消失。緊接著，當(dāng)波環(huán)曲線最短矢徑部份越過右水平滑片后，后一弓形腔的尖端部份將在它的前方產(chǎn)生新的前方工作室，并不斷擴大。這時，作為右下滑片的后方工作室的17也會像16一樣很快消失。這種過程是在三個弓形腔內(nèi)同時交替進(jìn)行的。它們總是這樣滑片前方的工作室不斷擴大；同時滑片后方的工作室則不斷縮小，而后在波環(huán)曲線最短矢徑越過滑片頂端時完成后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(huán)曲線的最大矢徑通過兩個滑片間的中心位置時達(dá)到最大值，并轉(zhuǎn)化為前一滑片的后方工作室，繼而開始縮小。如此循環(huán)重復(fù)。顯然，波環(huán)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)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?nèi)莘e過程。因而本機的理論排量V＝18nVo式中n為轉(zhuǎn)速、Vo為單個工作室的最大容積，它可簡單地用數(shù)學(xué)計算或?qū)嶋H測量的方法來確定。這就是本機由單純旋轉(zhuǎn)直接產(chǎn)生容積變化的全過程。
這里特別要指出的是波環(huán)轉(zhuǎn)子機運轉(zhuǎn)過程中滑片緊貼型面的機理與拉梅里機型完全不同。它既不靠滑片參與旋轉(zhuǎn)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軸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(dāng)然，型面曲線必須是本發(fā)明人專門為此設(shè)計的“環(huán)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(qū)動滑片作約束運動并始終與型面貼接的設(shè)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(zhuǎn)速創(chuàng)造了條件。
另外，本設(shè)計將滑片增加為三組的道理是原波環(huán)機運轉(zhuǎn)時盡管波環(huán)轉(zhuǎn)子本身的重心可永遠(yuǎn)嚴(yán)格與轉(zhuǎn)軸重合。但單一滑片的往復(fù)運動還是會給轉(zhuǎn)子機帶來微小的震動的。改用三副滑片后，雖然每個滑片都在運動，但它們的共同重心則無論轉(zhuǎn)子在什么轉(zhuǎn)角、那個位置都能保證永遠(yuǎn)與轉(zhuǎn)軸重合(這當(dāng)然也必須與環(huán)行正弦波曲線相配合才行)。這就保證了本機運行中不會發(fā)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(zhuǎn)子機的容積利用效率，從原波環(huán)機每轉(zhuǎn)一周六次變?nèi)?，增加為每轉(zhuǎn)十八次變?nèi)?。這就在不增加整機體積的前提下將排氣量幾乎提高三倍。與其他滑片機每轉(zhuǎn)一周只一次變?nèi)菹啾?，其容積利用效率高的更多。
與原機型不同，相鄰的兩個滑片的間隔已經(jīng)由180°縮短為60°。這不僅消除了原機變?nèi)葸^程中所具有的60°轉(zhuǎn)角的間歇，而且使滑片兩側(cè)工作室的功能由全過程均相反，變?yōu)橛幸欢ㄞD(zhuǎn)角范圍內(nèi)為相同工況的方式。這就消除了不少滑片機型都可能發(fā)生的進(jìn)排氣口竄通的現(xiàn)象。也減少了工作介質(zhì)在相鄰工作室間的泄漏。
綜上所述，共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機不僅完全保存了拉梅里滑片機結(jié)構(gòu)與工藝都十分簡潔的優(yōu)點，更實現(xiàn)了一系列獨到的改進(jìn)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；消除運轉(zhuǎn)中重心偏移，以減小機震；實現(xiàn)全方位進(jìn)排氣，免除定時啟閉機構(gòu)，以降低氣動噪聲；基于以上效果還能大大提高本機的運行轉(zhuǎn)速，這正符合旋轉(zhuǎn)活塞機的基本要求。
正因為如此，共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機的應(yīng)用范圍必將大大超過現(xiàn)有滑片機。除了因其面容比仍比較大，用于旋轉(zhuǎn)發(fā)動時機尚不成熟以外，幾乎適用于活塞機的其它所有應(yīng)用場合。
以下對附圖作一說明
圖1是一種多滑片轉(zhuǎn)子機的原理圖。圖2是一種滾動活塞機的原理圖。圖3和圖4是1588年拉梅里討論過的兩種相應(yīng)的滑片機簡圖。圖5和圖6是共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機的主視剖面圖與頂視圖。這兩幅圖中的另件按序號依次為1.上蓋，2.進(jìn)氣口，3.中心腔(貯油室)，4.圖柱形機芯，5.波環(huán)活塞，6.下蓋，7.滑片，8.弓形腔，9.排氣孔，10.機油入口，11.推桿，12.冷卻翅，13.單向閥，14.環(huán)行正弦波曲線，15.滑片槽，16.后方工作室，17.前方工作室。
下面我們推薦幾種最具特色的，近期即可開發(fā)成功的應(yīng)用1.鑒于本機型可以設(shè)計為無內(nèi)壓縮過程運行，滑片的厚度可設(shè)計得較大；外轉(zhuǎn)子可傳遞較大的扭矩，特別適用于大流量高壓油泵或液壓馬達(dá)。
2.將本機型進(jìn)氣集中一處，很容易開發(fā)成高速大流量真空泵。
3.鑒于本機型體積小、排量大、振動小、噪音低、再大排量的機器亦無需樁基的特點，最適合于開發(fā)作道路、橋棧工程中風(fēng)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(huán)空氣壓縮機和波環(huán)膨脹機聯(lián)合運用開發(fā)冰箱用空氣介質(zhì)制冷機或家用空氣介質(zhì)空調(diào)機。
作為應(yīng)用實例，附圖5與6是按可變?nèi)莘e旋轉(zhuǎn)活塞機最典型也是最廣泛的應(yīng)用---空氣壓縮機繪制的。發(fā)明者本人的試制實踐也是從波環(huán)空氣壓縮機入手的。實踐證明本文所述的改進(jìn)與有益效果是確實存在的。因而把它用作高壓液壓泵和抽氣真空泵也將是現(xiàn)實可行的。
權(quán)利要求1.一種由波環(huán)轉(zhuǎn)子、圓柱形定子、共軸設(shè)置的三組滑片、以及兩面端蓋等部件組成的旋轉(zhuǎn)活塞機——共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征是轉(zhuǎn)子型面采用“環(huán)行正弦波曲線”，與圓柱形定子共軸外切設(shè)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(zhuǎn)直接產(chǎn)生可變?nèi)莘e的工作機構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述的波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征是它的波環(huán)轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔型面曲線采用“環(huán)行正弦波曲線”，它與圓柱形定子外切同軸設(shè)置，外轉(zhuǎn)內(nèi)靜，其外周與環(huán)繞它的冷卻翅聯(lián)成一體。
3.權(quán)利要求1所述的波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征是它的轉(zhuǎn)子型面曲線采用波形參數(shù)為3的“環(huán)行正弦波曲線”，其矢徑的極坐標(biāo)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。
4.權(quán)利要求1所述的波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征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(huán)轉(zhuǎn)子內(nèi)切放置，位居中央。
5.權(quán)利要求1所述的波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征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(quán)利要求1所述的波環(huán)轉(zhuǎn)子機，其特征是它的新月形工作室是由轉(zhuǎn)子波環(huán)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。
專利摘要共軸多滑片波環(huán)轉(zhuǎn)子機,是一種直接由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生可變?nèi)莘e的活塞機。它由波環(huán)轉(zhuǎn)子,圓柱形定子,共軸設(shè)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(huán)行正弦波曲線”為型面的轉(zhuǎn)子與定長滑片組的配合,以全新的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、減小了振動和噪聲?？蓮V泛用于各種流體的壓縮、泵送或抽取,以及以液體為介質(zhì)的能量或熱量的傳輸?shù)扔猛尽?br> 文檔編號F04C2/00GK2363089SQ9723099
公開日2000年2月9日 申請日期1997年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月21日
發(fā)明者徐侃峰, 徐浩冠 申請人:徐浩冠