SE507637C2 - Förfarande och anordning för dämpning av flödespulsationer vid hydrostatiska hydraulmaskiner av deplacementtyp samt anordning för utövande av förfarandet - Google Patents

Description

507 637 2 genom påverkan av den dynamiska delen av flödespulsationerna, d v s det flöde som fordras för att komprimera oljan i cylin- dern då denna ansluts till högtryckssidan. Man har därvid försökt förse ventilskivan med krypspår eller åstadkomma en förskjutning av den njurformiga öppningen i ventilskivan för åstadkommande av en förkompression och man har även försökt förskjuta den njurformiga öppningen långt och låta en backven- til ansluta cylindern till högtryckssidan vid rätt tillfälle för att därvid uppnå en väsentlig förbättring gentemot tidigare använda ventilskivor för motordrift. Vid optimering av förkom- pressionen genom förskjutning av den njurformiga öppningen eller genom användning av krypspår för ett bestämt driftsfall kan man nå ungefär lika goda resultat med bägge dessa åtgärder.

Om man använder förkompression vid varierande driftsfall måste ventilskivan utformas vridbar eller också måste cylindervolymen anslutas till den njurformiga öppningen med hjälp av t ex en backventil då trycket är detsamma som det på högtryckssidan.

Erfarenheten visar att krypspår är känsligare för variatio- ner i driftsfallet än förkompression med vridbar ventilskiva, som alltså är effektivare men besvärligare. Om man däremot opti- merar krypspåret för relativt stora effekter blir fördelarna med den vridbara ventilskivan framför allt märkbara vid lägre effektuttag där dock flödespulsationerna är betydligt lägre. Om man i stället använder en backventil för att ansluta cylindern till den njurformiga öppningen vid rätt cylindertryck erhålls möjlighet till uppnående av bättre resultat vid samtliga drifts- fall, även i det fall krypspåret eller förkompressionen opti- merats. Med en ideal backventil ernår man mycket goda resultat vid simuleringsförsök men när en mer verklighetstrogen modell av backventilen används uppkommer problem genom att ventilen måste vara mycket snabb för att kunna fungera riktigt bra.

Som exempel på tidigare kända konstruktioner, vid vilka åtgärder av det ovannämnda slaget föreslagits, kan nämnas GB-A-549 323, som hänför sig till en maskin av oktyp med ventil- arrangemang i ventilskivan, DE-B-2 038 086, som hänför sig till en axialkolvmaskin av vickskivetyp med utjämningskanaler i ven- tilskivan, US-A-3 362 342, som också visar en axialkolvmaskin av vickskivetyp med tryckutjämningskanal mellan hög- och låg- 507 637 3 tryckssidan, GB-A-1 143 681, som visar en axialkolvmaskin av vickskivetyp med särskilt konstruerade portar i cylindertrumman samt krypspår i ventilskivan, DE-A-1 528 367, som likaså är en axialkolvmaskin av vickskivetyp med utanför ventilskivan beläg- na ventilförsedda tryckutjämningskanaler samt DE-B-1 211 943 som visar ventilförsedda tryckutjämningskanaler i. en ventil- skiva för en axialkolvmaskin av vickskivetyp, och DE-B-1 058 370, som likaså visar en axialkolvmaskin av vickskivetyp med tryckutjämningskanaler i ventilskivan.

Föreliggande uppfinning avser nu att föreslå en sådan vidareutveckling av de tidigare kända åtgärderna vid hydrosta- tiska hydraulmaskiner av deplacementtyp att man på ett effek- tivare sätt kan dämpa flödespulsationerna och särskilt utöva en dämpande verkan på de lägre övertonerna i pulsationerna. Detta uppnås nu enligt uppfinningen i huvudsak medelst ett förfaran-Q de, som utmärker sig av att hjälpkompressionsförbindelsen upp- rättas under förmedling av en av minst en strypning avgränsad hjälpvolym av arbetsmedium, vilken volym vid axialkolvmaskiner har en storlek av minst 0,5 gånger den enskilda kolvkammarens volym.

Uppfinningen hänför sig också till en anordning för utövan- de av detta förfarande, och det för denna anordning väsentligen utmärkande är därvid att hjälpkompressionsförbindelsen innefat- tar en av minst en strypning avgränsad hjälpvolym av arbets- medium, vilken vid axialkolvmaskiner uppgår till minst 0,5 gånger den enskilda kolvkammarens volym. Olika 'varianter' av denna anordning har angivits i de osjälvständiga anordnings- kraven.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig 1 visar en schematisk planvy av en ventilskiva till en axialkolvmaskin med antydd port till en cylinder i en underliggande cylindertrumma samt anslutning till en förkompressionsvolym enligt uppfinningen, fig 2 visar i a-f olika rotationslägen av cylinderportar med annan kontur vid en cylindertrumma till en axialkolvmaskin, fig 3 visar en annan utföringsform av uppfinningen med en annorlunda placerad kanal i ventilskivan för upprättande av en förbindelse med en förkom- pressionsvolym enligt uppfinningen, varvid fig 3a-h visar olika 507 637 4 lägen av ventilskivan vid övergång från lågtryck till högtryck med maskinen arbetande som pump respektive motor, fig 4 a och b visar diagram över den dämpningsverkan på flödespulsationerna som uppnås med förkompressionsvolymen enligt uppfinningen i jämförelse med en konventionell motorskiva utan respektive med krypspår och fig 5 visar en längdsektion genom en axialkolv- maskin och åskådliggör en möjlig placering av förkompressions- volymen i en hålighet i cylindertrummans lagringsaxel.

Principen för föreliggande uppfinning skall beskrivas i det följande under hänvisning till fig 1. I denna figur visas en ändvy av en ventilskiva 1 vid en axialkolvmaskin med sedvan- liga två diametralt motstående, approximativt njurformiga ventilöppningar 2, 3, förbundna med lågtryckssidan respektive högtryckssidanmzi ett hydrauliskt kretslopp. Ventilskivan är i föreliggande fall avsedd att användas vid en såsom pump arbe- tande men icke närmare visad axialkolvmaskin med ett antal i omkretsled fördelade cylindrar 14, vilka vid den mot ventil- skivan vända änden av cylindertrumman 15 står i förbindelse med den sistnämnda med hjälp av en port 4, vilken lämpligen också har njurliknande form.

Enligt uppfinningen är nu denna öppning eller port 4, som på ritningen åskådliggjorts i det ögonblick den befinner sig vid det mellan de båda ventilöppningarna 2 och 3 belägna stäng- da partiet av ventilskivan 1 vid övergång från lågtrycksöpp- ningen 2 till högtrycksöppningen 3, vid ett ställe företrädes- vis vid sin radiellt yttre långsida utformad med en radiellt utåt riktad urtagning 5, i detta fall i huvudsak med formen av ett U. Vid detta ställe ungefär mitt emellan ventilöppningarna 2 och 3 .i ventilskivan 1 utmynnar också en i den sistnämnda upptagen kanal 6 vilken kanalmynning är dimensionerad på lämp- ligt sätt i förhållande till storleken av urtagningen 5. Kana- len 6 står i sin tur i förbindelse med en förkompressionsvolym 7 med en storlek, som närmare skall behandlas längre fram.

Förkompressionsvolymen är anordnad på lämpligt ställe i maskinen, främst i något dödutrymme eller en kammare 7 i den- samma, såsom inuti den centrala lageraxeln 16 till cylinder- trumman 15, vilket visas i fig 5. Denna volym 7 står i sin tur via en med en strypning 8 försedd ledning 9 och eventuellt en 5107 637 5 växelventil 10 i förbindelse med hydraulsystemets högtrycks- sida, exempelvis via en ledning 11.

Av ovanstående beskrivning av fig 1 är det uppenbart att när varje cylinderport 4 lämnar lågtrycksöppningen 2 i ventil- skivan 1 och rör sig i riktning mot högtrycksöppningen 3 kommer den just i övergångsögonblicket att med urtagningen 5 succes- sivt frilägga mynningen av den med förkompressionsvolymen 7 under högt tryck förbundna kanalen 6 och därmed åstadkomma en förkomprimering av mediet i den tillhörande cylindern liksom även en tryckutjämning inför övergången till högtryckssidan.

Kanalen 6 skall därvid vara så dimensionerad att förkompres- sionsvolymen 7 snabbt urladdas till den aktuella cylindern och sedan långsamt återladdas från högtryckssidan via strypningen 8. Härigenom åstadkommes en buffertverkan eller en utjämning eller omfördelning och utbredning av de uppkommande flödespul- serna. Man kan sålunda säga att förkompressionsvolymen enligt uppfinningen åstadkommer ett pulsations-"filter".

I fig 2 visas olika rotationslägen av en utföringsform av uppfinningen vid vilken till skillnad från den nyss beskrivna principiella utföringsformen förkompressionsvolymen 7 icke är förbunden med högtryckssidan via ledningar 9, 11 utan är helt avskild för sig själv och fylls med arbetsmedium under tryck respektive töms på medium via en i ventilskivan osymmetriskt placerad strypt mynning av kanalen 6 från förkompressionsvoly- men 7. Porten 4 har därvid en urtagning, företrädesvis vid sin radiellt yttre kant, som till skillnad från urtagningen 5 vid den föregående utföringsformen enligt fig 1 är uppdelad i en i cylindertrummans rotationsriktning främre, likaså U-formig urtagningsdel 5' och en efterföljande, långsträckt och bakom porten 4 eventuellt förlängd urtagningsdel 5". Vid trummans rotation kommer därvid porten 4 att vid urtagningsdelen 5' först successivt frilägga mynningen av kanalen 6 så att den under högt tryck stående förkompressionsvolymen 7 av tryckmedium snabbt införs i den aktuella cylindern. Efter denna inledande tryckutjämning, som visas i fig 2b på ritningen, stängs åter mynningen av kanalen 6 i enlighet med fig 2c, medan cylinder- kammaren eventuellt via ett krypspår förbinds med högtrycks- kanalöppningen 3, varefter mynningen av kanalen 6 successivt 507 637 6 åter friläggs av urtagningsdelen 5" för att därigenom återupp- ladda förkompressionsvolymen 7 på nytt till högt tryck, såsom visas i fig 2d. Vid 2d har trumman vridit sig så långt att mynningen av kanalen 6 befinner sig i den bakom cylinderporten 4 belägna änden av urtagningsdelen 5". I nästa ögonblick av- stängs åter mynningen av kanalen 6 ett kort ögonblick innan urtagningsdelen 5' till närmast efterföljande cylinderport åter frilägger denna mynning och förloppet återupprepas. Fig 2f motsvarar alltså fig 2a.

Huvudtanken bakom denna andra utföringsform av uppfin- ningen är att uppladdningen av förkompressionsvolymen 7, som kräver flöde från utloppet, helst inte bör ske samtidigt som urladdningen för komprimering av hydraulmediet i den respek- tive cylindern eftersom pumpflödet under denna fas redan är mindre än medelflödet. Om cylinderporten 4 sålunda utformas på det sätt som visas fig 2 och beskrivits i samband därmed kan detta lösas praktiskt utan behov av några extra komponenter.

Vid hydraulmaskiner som arbetar både som pump och motor i samma rotationsriktning, d v s som byter funktion vid passage över nollvinkel, är det särskilt lämpligt att tillämpa princi- pen enligt föreliggande uppfinning. Om man nämligen skulle på tidigare känt sätt anpassa ventilskivan för önskad pumpfunktion genom förkompression och sedan låter en sådan maskin arbeta som motor kommer trycket vid övergången från lågtryckssidan till högtryckssidan (vid övre dödpunkten) att sänkas till för låg nivå på grund av förkompressionsområdet. Detta ger upphov till skador i hydraulmaskiner. Om man däremot i enlighet med uppfin- ningen via ett osymmetriskt placerat hål i ventilskivan leder olja till en sluten volym elimineras denna nackdel helt. Detta har närmare åskådliggjorts vid en utföringsform som visas i fig 3a-h.

Vid pumpfunktion och övergång från lågtryckssida till högtryckssida (vid nedre dödpunkten hos kolven) kommer den med lågtrycksolja fyllda cylindern först i kontakt med den i detta fall osymmetriskt placerade mynningen av kanalen 6, som på sedvanligt sätt är förbunden med en på lämpligt ställe anordnad förkompressionsvolym 7 med arbetsmedium under högt tryck. Detta medför då att trycket i den aktuella cylindern ökar, varvid 507 637 7 storleken av tryckökningen bestäms av volymens 7 storlek i för- hållande till cylinderns volym. Vid axialkolvmaskiner uppgår volymens 7 storlek till minst 0,5 gånger och företrädesvis till mellan 1,0 och 5 gånger volymen av varje cylinder. Vid fortsatt vridning av cylindertrumman och därmed den aktuella cylindern som betraktas komprimeras oljan i denna till en högre trycknivå innan cylindern når fram till högtryckssidan, d v s högtrycks- urtagningen 3 i ventilskivan 1. När cylindern sedan nått hög- tryckssidan återfylls på samma sätt som vid den närmast före- gående utföringsformen enligt fig 2 förkompressionsvolymen 7 med högtrycksolja via kanalen 6 och vid ytterligare vridning av cylindertrumman stängs förbindelsen mellan den aktuella cylin- dern och förkompressionsvolymen 7, som då är återladdad med arbetsmedium under högt tryck.

Om man däremot betraktar maskinen vid motorfunktion med början i fig 3e och med samma utgångspunkt som ovan, d V s vid övergång från lågtryckssidan till högtryckssidan (nu vid den övre dödpunkten av kolven i cylindern) , kommer den med låg- trycksolja fyllda dödvolymen fram till mynningen av kanalen 6, som står i förbindelse med den med högt tryck laddade förkom- pressionsvolymen 7. Detta åstadkommer en höjning av trycket i den aktuella cylindern, men vid ytterligare vridning sänks trycknivån igen eftersom kolven rör sig ut ur cylindern och därmed åstadkommer en expansion. Sänkningen av trycket i cylin- dern pågår tills den sistnämnda når högtryckssidan, men tack vare den extra volymen sjunker icke trycket till så låg nivå att skador uppstår i hydraulmaskinen, se fig 3e-g. När den ak- tuella cylindern åter når högtryckssidan, se fig 3h, återfylls förkompressionsvolymen 7 och fortsatt vridning av cylindertrum- man medför en stängning av kanalen 6 till förkompressionsvoly- men 7, som sålunda åter är fylld med arbetsmedium under högt tryck.

I diagrammen i fig 4 har visats datasimulering av flödes- pulsationer med grundton och övertoner vid en axialkolvmaskin med ventilskiva för motordrift, varvid i fig 4a visats kurvorna för en helt odämpad flödespulsation (med korta streck) respek- tive med dämpning medelst krypspår (långa streck) samt en hel- dragen kurva för dämpning med förkompressionsvolym enligt upp- so7 637 8 finningen. Pulsationen blir härvid som synes väsentligt mindre och något utbredd i tiden. I fig 4b visas med ett stapeldia- gram uppfinningens fördelaktiga inverkan inte bara på grund- tonen för tryckpulsationen utan även på de lägre och betydelse- fulla övertonerna.

Claims (3)

5.07 637 P a t e n t k r a v

1. Förfarande för dämpning av flödespulsationer vid hydrosta- tiska hydraulmaskiner av deplacementstyp, företrädesvis axial- kolvmaskiner och främst sådana, vilka arbetar som både pump och motor, särskilt i en och samma rotationsriktning, vid vilket för- farande en hjälpkompressionsförbindelse upprättas för att föra arbetsmedium från högtryckssidan till de respektive cylindrarna i maskinen för förberedande fyllning och trycksättning av dessa, vartefter de passerar från lågtrycks- till högtryckssidan, k ä n- n e t e c k n a t a v a t t hjälpkompressionsförbindelsen inne- fattar en förutbestämd hjälpkompressionsvolym av arbetsmediet, vilken volym urladdas snabbt till den aktuella cylindern men återladdas långsammare från högtryckssidan.

2. Anordning för utövande av förfarandet enligt patentkravet 1 för dämpning av flödespulsationer vid hydrostatiska hydraulmaski- ner av deplacementstyp, företrädesvis axialkolvmaskiner och främst sådana, vilka arbetar som både pump och motor, särskilt i en och samma rotationsriktning, vid vilken anordning förefinns en hjälpkompressionsförbindelse för att föra arbetsmedium från högtryckssidan med hjälp av en ventilskiva till de respektive cy- lindrarna i maskinen för förberedande fyllning och trycksättning av dessa vartefter de passerar från lågtrycks- till högtryckssi- dan, k ä n n e t e c k n a d a v a t t hjälpkompressionsför- bindelsen innefattar en kammare (7) med en bestämd hjälpkompres- sionsvolym av arbetsmedium och att kammaren (7) är förbunden med högtryckssidan medelst en ledning (9), som har mindre area än den förbindelsedel (6), vilken leder till làgtryckssidan, dvs den ak- tuella cylinder som skall fyllas, och vilken är dimensionerad för ett snabbt utsläppande av hjälpkompressionsvolymen till denna cy- linder.

3. Anordning enligt patentkravet 2, vid vilken varje cylinder har en cylinderport (4) med minst en vid dess företrädesvis radi- ellt yttre begränsningskant anordnad utvidgning (5), avsedd att frilägga en motsvarande mynning av hjälpkompressionsförbindelsen 507 637 (6) i ventilskivan (l), k ä n n e t e c k n a d a v a t t ut- vidgningen (5) i cylinderporten (4) är uppdelad i två eller fle- ra, i omkretsled efter varandra följande delar (5', 5"), av vilka den sista (5”) eventuellt kan vara förlängd bakøm porten (4).