Совершенствование поршневых машин на базе механизма Горшкова

В. В. Курганов, А. Н. Трохова

Аннотация. Описано принципиальное устройство механизма Горшкова. Рассмотрены отличительные особенности данного механизма по сравнению с кривошипно-шатунным. Показаны устройства, которые могут быть модернизированы с использованием механизма Горшкова, и области, где он может быть применен: малое судостроение, сельскохозяйственная техника, летательные аппараты, приборостроение, двигатели внутреннего сгорания, насосы для нефтяных скважин. Приведены параметры, улучшения которых можно достичь с использованием принципиально нового механизма.

Ключевые слова: механизм Горшкова, внутреннее зацепление, реечная передача, планетарное зацепление, поршневые машины, шатун

Еще в далеком прошлом появилась необходимость преобразования вращательной энергии в поступательную, и наоборот. Самые ранние свидетельства о появлении на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к изобретениям античного мира. На древнеримских лесопилках вращательное движение водяного колеса, которое приводилось в действие речным течением, преобразовывалось в возвратно-поступательное движение полотна пилы. В упрощенном виде кривошипно-шатунный механизм использовался с XVI в. в деревенских прялках. В XVIII в. основным принципом преобразования энергии из поступательной во вращательную в паровых машинах стал кривошипный механизм [1]. С тех пор было придумано множество различных передач: зубчатая реечная, винтовая, эксцентриковая, кулачковая, механизм Чебышева и многие другие. Одной из последних инновационных разработок, действующий прототип которой представлен на рис. 1, стал механизм, разработанный и запатентованный Ю.А. Горшковым и реализованный совместно с гендиректором компании ООО «Криамид» В.В. Сербиным.

В настоящее время развитие различных отраслей науки и техники предъявляет все более высокие требования к поршневым машинам: большая надежность, высокий коэффициент полезного действия, уменьшение потерь на трение, простота сборки, снижение вибраций и рациональное использование расходных материалов. Во многих случаях существующие поршневые машины не соответствуют новым требованиям, что приводит к поиску их замены. Одним из перспективных механизмов, способных удовлетворить подобные запросы, является механизм Горшкова. В связи с этим была поставлена цель рассмотреть преимущества механизма Горшкова, и в каких современных устройствах он может стать достойной альтернативой.

В настоящее время развитие различных отраслей науки и техники предъявляет все более высокие требования к поршневым машинам: большая надежность, высокий коэффициент полезного действия, уменьшение потерь на трение, простота сборки, снижение вибраций и рациональное использование расходных материалов. Во многих случаях существующие поршневые машины не соответствуют новым требованиям, что приводит к поиску их замены. Одним из перспективных механизмов, способных удовлетворить подобные запросы, является механизм Горшкова. В связи с этим была поставлена цель рассмотреть преимущества механизма Горшкова, и в каких современных устройствах он может стать достойной альтернативой.

Принцип работы механизма Горшкова отличается от других устройств, связывающих возвратно-поступательное движение с вращательным. Вместо кривошипно-шатунного механизма вал приводит в движение зубчатая шестерня, которую в свою очередь вращает зубчатая рейка с планетарным зацеплением. Тем самым входное и выходное движения остаются такими же, однако меняется метод преобразования.

Принципиальное устройство механизма позволяет отказаться от кулачкового вала, который имеет существенные недостатки и требует модернизации [2]. В варианте для усовершенствования двигателя внутреннего сгорания (ДВС) коленвал (рис. 2) заменен прямым валом с зубчатым колесом (рис. 3).

В данном механизме шатун представляет собой зубчатую рейку определенной формы с внутренним зацеплением. Рейка состоит из двух прямолинейных участков и двух участков окружности, соединенных в замкнутый контур. Поршень через гибкий сборный шатун связан с фигурной зубчатой рейкой. Корпус имеет направляющие поверхности, перемещаясь по которым, опоры, имеющие подшипники качения, обеспечивают зацепление шестерни вала с рейкой. Диаметр поршня и его ход на обоих рисунках одинаковы.

Перспективная конструкция ДВС обладает следующими преимуществами:

▪️ уменьшаются потери на трение (нет трения пальца в поршне и в паре шатун-колено коленвала);

▪️ отсутствует необходимость установки масляного насоса высокого давления для поддержания вращающихся частей двигателя на масляной подушке в подшипниках скольжения (возможна установка подшипников качения);

▪️ вектор силы, действующей со стороны поршня на вал, практически параллелен осевой линии цилиндра поршня (это снижает неравномерность усилия, прикладываемого к стенкам цилиндра);

▪️ значительно улучшается способность смазки подвижных деталей (масло, попадая на шестерню вала и разбрызгиваясь с нее, создает масляный туман);

▪️ двигатель может функционировать без одной из крышек корпуса (для движения рейки достаточно опор с одной стороны);

▪️ благодаря планетарному зацеплению ведущего зубчатого колеса и рейки на дугообразных участках при равномерном вращении ведущего зубчатого колеса поршень двигается вблизи верхней и нижней мертвых точек с большей скоростью, чем кривошип при равномерном вращении вала. График прохождения мертвой точки представлен на рис. 4 [4].

▪️ упрощается сборка-разборка поршневой группы [3];

▪️ движение по дуге с одной стороны инициируется корпусом, а с другой стороны корпус воспринимает возникающие силы инерции, поэтому подвижные детали практически не создают вибрацию на частоте ходов поршня. Работа сил инерции в каждой точке движения по дуге стремится к нулю при высокой точности деталей;

▪️ компенсируются различные неточности изготовления и термические деформации благодаря изготовлению шатуна из материалов, обладающих упругими свойствами;

▪️ уменьшается поперечная жесткость сборного шатуна из-за использования тонких плоских пружин, что обеспечивает небольшое радиальное смещение зубьев рейки относительно зубьев шестерни.

▪️ компенсируются ударные реакции при внезапной остановке вала или попадании мелких частиц в зацепление зубьев;

▪️ рейка относительно поршня расположена так, что при восприятии поршнем давления вся нагрузка передается непосредственно на шестерню (опоры при этом разгружаются);

▪️ благодаря планетарному зацеплению ведущего зубчатого колеса и рейки на дугообразных участках при равномерном вращении ведущего зубчатого колеса поршень двигается вблизи верхней и нижней мертвых точек с большей скоростью, чем кривошип при равномерном вращении вала. График прохождения мертвой точки представлен на рис. 4 [4].

На основе механизма Горшкова возможна разработка насоса для нефтяных скважин. Насосы нефтегазовой отрасли предназначены для перекачки и транспортировки нефти и нефтепродуктов. На предприятиях применяются три основных типа насосов: шестеренные, поршневые и центробежные. Они должны соответствовать следующим требованиям: надежность, высокая производительность и стойкость к суровым климатическим условиям [5]. Адаптация механизма Горшкова для нефтегазовых насосов относится к поршневым установкам. Основными недостатками используемых поршневых насосов являются большие масса и габариты (чем больше ход поршня, тем массивнее шатун и противовес для него).

Привод насоса для нефтяных скважин на базе механизма Горшкова мог бы существенно нивелировать эти недостатки. На рис. 5 представлен привод насоса нефтяной скважины с допустимой нагрузкой 50 т (модуль зуба в зацеплении 12 мм), вертикальный ход принят равным 2,5 м (ограничен только высотой стоек), размер монтажной площадки 2,5 Ѕ 2 м, высота стоек 3 м.

Компактный монтаж оборудования дает возможность укрыть его от атмосферных осадков. Круглые стойки позволяют использовать лебедки для подъема монтажной площадки с оборудованием на месте установки [3].

Как уже отмечалось, одним из основных преимуществ механизма Горшкова является снижение массы подвижных частей. Масса уменьшается, так как нет необходимости ставить противовес, который будет компенсировать силы инерции для устранения вибрации шатуна. Данное преимущество крайне важно во многих областях машиностроения. Например, в области малого судостроения можно снизить массу моторов лодок и катеров, в области малой сельскохозяйственной техники можно создать более легкие культиваторы, газонокосилки и воздуховики листьев. Снижение массы особенно актуально для летательных аппаратов, так как благодаря этому снижается расход топлива, повышается грузоподъемность и возрастает средняя дальность полета. В мотодельтапланах используются одноцилиндровые двигатели, работающие на основе кривошипно-шатунного механизма. Замена таких двигателей на двигатели, построенные на основе механизма Горшкова, могла бы существенно улучшить характеристики сверхлегких летательных аппаратов.

Данный механизм может найти применение не только в машиностроении и двигательной промышленности, но и в приборостроении. Например, существуют компрессорные системы, работающие на кривошипно-шатунном механизме. В них цикл работы соответствует циклу работы ДВС, развернутому в обратном направлении. При движении поршня из начального положения воздух попадает в пространство цилиндра через впускной клапан. После прохождения мертвой точки впускной клапан закрывается, и открывается выпускной. При возвращении поршня в начальное положение газ, находящийся в цилиндре, сжимается и выходит через выпускной клапан под давлением. В данном механизме также возможна замена кривошипного механизма на механизм Горшкова. Это могло бы снизить потери на трение, повысить КПД и уменьшить вес данных устройств с сохранением мощности и прочности подвижных частей.

В заключение можно отметить, что механизм еще не прошел достаточного количества испытаний. Особенно важными будут испытания на контактную прочность зубьев, усталостную прочность упругих элементов, износостойкость и ударостойкость. В процессе испытаний возможно выявление как новых преимуществ, так и недостатков конструкции. Следовательно, потребуется модернизация элементов механизма. Возможно, в ближайшем будущем механизм Горшкова начнет вытеснять классический кривошипно-шатунный механизм.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, как работает [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gyroscooter-izhevsk.ru/transmissiya/krivoshipno- shatunnyj-mehanizm.html (дата обращения: 11.04.2022).

2. Белоглазов Н.С., Борисенко В.А. Модернизация привода кулачкового вала двигателя вну- треннего сгорания / Современные тенденции агро- инженерных наук и инновационные технологии в сельском хозяйстве: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Института агроинженерии, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2021. С. 19—23.

3. Механизм Горшкова [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://criamid.ru/gorshkov.php (дата обращения: 11.04.22).

4. Горшков Ю.А. Поршневая машина // Патент Российской Федерации № 2299989, МПК F01B 9/00. Заявка № 2005115834/06. Заявл. 25.05.2005. Опубл. 27.05.2007. Бюл. № 15.

5. Мешков В.В., Свирина С.А. Сравнительная характеристика нефтегазовых технологических насосов // Молодой ученый. 2020. № 7 (297). С. 37—38.