ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Типы и характеристики гидроцилиндров


Гидроцилиндры являются объемными гидродвигателями, предназначенными для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую мощность исполнительного механизма. Различают гидроцилиндры поступательного и поворотного действия.

Все гидромеханизмы поступательного действия содержат цилиндрический корпус, поршень, шток, переднюю и заднюю крышки, статические и динамические уплотнения поршня и штока, устройства крепления. Конструкция типового агрегата поступательного действия представлена на рис. 1.



Рис. 1. Поршневой одноштоковый гидроцилиндр

1 - корпус; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - проушина штока; 5 - проушина корпуса; 6 - передняя крышка; 7 - задняя крышка; 8 - порт штоковой полости; 9 - порт поршневой полости; 10 - динамические уплотнения поршня; 11 - динамические уплотнения штока; 12 - статические уплотнения.

Цилиндры с возвратно-поворотным (относительно корпуса) движением содержат силовую пластину, заделанную в вал. Такие модели крайне редко применяются в гидроприводах самоходных машин, поэтому здесь описаны цилиндры поступательного действия.

Наиболее часто применяемые в мобильной гидравлической технике и оборудовании гидроцилиндры поступательного действия с различными устройствами крепления корпуса и штока показаны на рис. 2.



Рис. 2. Типовые гидромеханизмы поступательного действия

Типы креплений: 1 - с двумя лапами на корпусе и проушиной на штоке; 2 - задним фланцем на корпусе и проушиной на штоке; 3 - передним фланцем на корпусе и проушиной на штоке; 4 - проушинами на корпусе и штоке; 5 - вилочными проушинами на корпусе и штоке; 6 - цапфами на корпусе и проушиной на штоке.

Выходным (подвижным) звеном цилиндра является его шток, но в некоторых конструкциях шток закреплен, а перемещение осуществляет корпус. Гидроцилиндры поступательного действия разделяются на поршневые, плунжерные и телескопические. Они могут быть одностороннего и двустороннего действия, с автоматическим торможением в конце хода поршня.

Принцип работы всех гидромеханизмов одинаков. Как только жидкость поступает в рабочую полость, она воздействует на подвижный элемент (плунжер, поршень) и перемещает его. Чем больше величина потока (расход), поступающего в цилиндр, тем выше скорость перемещения штока. При действии на подвижный элемент внешней нагрузки в рабочей полости растет давление жидкости, следовательно, усилие, развиваемое штоком, увеличивается.

Как только величина давления достигнет значения полного открытия предохранительного клапана гидросистемы, движение штока остановится, и вся жидкость через клапан начнет поступать на слив. Если поршень упрется в крышку, давление возрастет до значения настройки предохранительного клапана, он откроется, и рабочая жидкость направится в гидробак.

Из описания работы видно, что при движении поршня он неизбежно ударяется о крышку - переднюю или заднюю в зависимости от направления движения. Если заданная скорость поршня относительно небольшая, то такие удары не очень страшны.

Если же скорость высокая, то оператору сложно «поймать» конец хода поршня, чтобы остановить движение до удара. В этом случае в конструкциях используют устройства автоматического торможения поршня (демпферы). На рис. 3 показана принципиальная схема такого устройства.



Рис. 3. Схема демпферного устройства

На конце поршня выполняется цилиндрический хвостовик, а на дне крышки - глубокое осевое отверстие, соединенное с каналом порта цилиндра. Диаметр отверстия превышает диаметр хвостовика на очень небольшую величину.

На внешней поверхности хвостовика поршня прорезается осевой треугольный паз с переменной площадью сечения. При движении поршня в сторону крышки рабочая жидкость через осевое отверстие и канал порта поступает на слив.

Как только хвостовик входит в осевое отверстие крышки, поток жидкости начинает дросселироваться в треугольном пазу (площадь проходного сечения паза изменяется в сторону уменьшения). Движение поршня замедляется, и в самом конце хода он плавно останавливается.

Демпфирующие устройства имеют различные конструкции, но все они обеспечивают автоматическое торможение поршня в конце его хода. На рис. 3 показана схема нерегулируемого демпфера, который обеспечивает постоянное торможение. Но существуют устройства, позволяющие регулировать процесс торможения поршня.

К обработке внутренней цилиндрической поверхности корпуса предъявляются определенные технические требования. По международному стандарту ISO овальность должна соответствовать квалитету Н7, а шероховатость 0,4 мкм. Эти параметры обеспечивают отличное скольжение динамических уплотнений поршня по металлической поверхности корпуса.

Выполнение цилиндра, например, по квалитету Н12 с шероховатостью 2-3 мкм может негативно повлиять на эффективность привода, т.е. его КПД.

Потеря эффективности гидромеханизмов колеблется от 10 до 20%, т.е. их КПД составляет 0,9-0,8. Эффективность зависит от типа применяемых динамических уплотнений и диаметра поршня. Чем больше диаметр - тем выше КПД цилиндра. Максимальная скорость штока не должна превышать 0,5 м/с.

Если технологический процесс машины требует больших скоростей, то в таких агрегатах следует использовать специальные типы динамических уплотнений. Основными параметрами являются: номинальное давление (р), диаметр поршня (D), диаметр штока (d) и ход штока (l). Диаметры поршня и штока определяют рабочие площади и, следовательно, усилия, развиваемые механизмом.

Если в гидроцилиндрах с односторонним штоком отношение между диаметрами поршня и штока составляет величину, т.е., то можно обеспечить равенство усилий и скоростей при движении в обе стороны. Для этого необходимо при выдвижении штока рабочую жидкость подавать в обе полости гидромеханизма, а при обратном - только в штоковую. Такие модели называют дифференциальными.

В зависимости от характера рабочего цикла, скоростей и усилий, которые должны развивать исполнительные механизмы строительно-дорожных, коммунальных и других самоходных машин и оборудования, применяют гидромеханизмы различных типов.

Для привода рабочих органов самоходных машин наиболее широко применяют поршневые гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком (рис. 1). Усилие на штоке и его перемещение могут быть направлены в обе стороны в зависимости от того, в какую из полостей нагнетается рабочая жидкость.

Обычно противоположная полость при этом соединяется со сливной гидролинией. Плунжерные гидроцилиндры могут быть только одностороннего действия с односторонним штоком. Возврат штока в исходное положение осуществляется от усилия пружины или веса рабочего оборудования.

Плунжерные цилиндры часто используются для фиксации рабочих органов самоходных машин. Для привода некоторых исполнительных механизмов они применяются в паре. Когда работает один, другой за счет сил реакции возвращается в исходное положение.

Гидроцилиндры с двусторонним штоком в мобильной технике используются в основном для привода поворота колес. Схема их установки в рулевом механизме машин показана на рис. 5.



Рис. 5. Гидроцилиндры с двусторонним штоком для поворота колес

В стесненных местах мобильной техники часто требуется установить компактный цилиндр, но с большим ходом штока. В таких случаях применяют телескопические модели. Под телескопическим в общем случае понимают силовой гидромеханизм, полный ход штока которого превышает длину корпуса.

Его конструкция состоит из нескольких концентрически вставленных друг в друга подвижных цилиндрических секций. В исполнении одностороннего действия эти секции представляют собой полые плунжеры.

При подаче рабочей жидкости секции выдвигаются последовательно: сначала - с большей площадью (периферийная), затем - с меньшими. Центральная секция выдвигается последней. Схема работы такого агрегата показана на рис. 6.



Рис. 6. Схема работы телескопического гидроцилиндра

Втягивание секций осуществляется за счет действия внешней нагрузки (массы рабочего органа). В исполнении двустороннего действия на внешних поверхностях секций выполнены буртики, с помощью которых образуется штоковая полость. Они играют роль поршня.

Наличие штоковой полости обеспечивает агрегату двустороннее действие, позволяя втягиваться секциям под действием потока рабочей жидкости. Телескопические цилиндры часто применяются в автосамосвалах, мусоровозах и другой технике.

На рис. 4, б показана конструкция трехсекционного телескопического гидроцилиндра для автосамосвала на базе шасси КАМАЗ. Количество разнообразных конструкций аналогичных агрегатов значительно превосходит все другие гидрокомпоненты.